一种发电机组的储能调频装置及系统的制作方法

本公开涉及储能调频技术领域，尤其涉及一种发电机组的储能调频装置及系统。

背景技术：

近年来，由于大规模可再生能源发电机组并入电网，为电网频率稳定带来了巨大挑战，尤其是风电机组，其频繁的出力波动和投运退出，导致发电出力和电力负荷的动态不平衡，引起电网频率波动。火电机组的调频响应速度慢，一般一次调频响应时间在10s-30s之间，二次调频时响应时间为1-2分钟。同时，火电机组的调频爬坡速度慢，一般为每分钟3％额定负荷。目前常常采用锂离子电池储能电站联合火电机组调频，其响应速度大幅度提高，达到毫秒级，同时可以双向调节。

但是，目前的火电机组-储能电站联合调频装置的储能电池在电网频率频繁地波动时，储能电站频繁地进行双向运动，即充电-放电-充电-放电，这种频繁地充电-放电方向转换会导致储能电池寿命快速衰减，严重影响整个系统的经济性和可靠性。

技术实现要素：

有鉴于此，本公开的目的在于提出一种发电机组的储能调频装置及系统，以至少解决上述技术问题之一。

基于本公开的第一方面，提供了一种发电机组的储能调频装置，包括：

第一储能单元和第二储能单元，均连接至所述发电机组的输出母线，用于与所述输出母线交换电能；

控制单元，与所述第一储能单元和所述第二储能单元通信，用于根据电网频率控制所述第一储能单元和所述第二储能单元以不同的工作模式非同时地工作，以使得所述电网频率维持在预设范围。

可选地，所述控制单元还用于根据所述第一储能单元和/或所述第二储能单元的荷电状态，切换所述第一储能单元和所述第二储能单元的工作模式。

可选地，所述根据电网频率控制所述第一储能单元和所述第二储能单元以不同的工作模式非同时地工作，包括：

响应于所述电网频率大于或等于第一预设频率，控制所述第一储能单元在第一时间以充电模式工作；

响应于所述电网频率小于或等于第二预设频率，控制所述第二储能单元在第二时间以放电模式工作，其中，所述第二时间与所述第一时间不同，所述第二预设频率小于所述第一预设频率。

可选地，根据所述第一储能单元和/或所述第二储能单元的荷电状态，切换所述第一储能单元和所述第二储能单元的工作模式，包括：

响应于所述第一储能单元和/或所述第二储能单元的荷电状态超过预设荷电范围，将所述第一储能单元的工作模式切换为放电模式以及将所述第二储能单元的工作模式切换为充电模式；

其中，所述根据电网频率控制所述第一储能单元和所述第二储能单元以不同的工作模式非同时地工作，包括：

响应于所述电网频率大于或等于所述第一预设频率，控制所述第二储能单元在第三时间以充电模式工作；

响应于所述电网频率小于或等于所述第二预设频率，控制所述第一储能单元在第四时间以放电模式工作，其中，所述第四时间与所述第三时间不同。

可选地，所述第一储能单元包括第一电池组和第一双向功率变换器，所述第一电池组通过所述第一双向功率变换器连接至所述输出母线；

所述第二储能单元包括第二电池组和第二双向功率变换器，所述第二电池组通过所述第二双向功率变换器连接至所述输出母线；

所述控制单元与所述第一双向功率变换器和所述第二双向功率变换器进行通信，以控制所述第一储能单元和所述第二储能单元的工作模式。

可选地，所述预设范围包括大于所述第二预设频率且小于所述第一预设频率。

可选地，所述预设荷电范围包括：小于或等于额定容量的第一比例以及大于或等于额定容量的第二比例，其中，第一比例大于第二比例。

可选地，所述装置还包括：

高压母线，连接至所述第一储能单元和所述第二储能单元的交流侧；

变压器，连接于所述输出母线和所述高压母线之间，用于所述输出母线的电压与所述高压母线的电压之间的电压转换。

基于本公开的第二方面，提供了一种发电机组的储能调频系统，包括：

发电机组，用于通过输出母线向电网供电；

根据第一方面所述的发电机组的储能调频装置，与所述输出母线连接，用于与所述输出母线交换电能以将所述电网的电网频率维持在预设范围。

可选地，所述发电机组包括如下至少一种：火电机组、水电机组、风电机组、或太阳能机组。

从上面所述可以看出，本公开提供的发电机组的储能调频装置及系统，通过第一储能单元和第二储能单元在不同时间分别进行充电和放电，从而在进行电网调频时大幅度减少了电池的充电-放电换向次数，显著提升了电池使用寿命，提高了项目的经济性和可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本公开或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本公开实施例的发电机组的储能调频装置的示意性框图；

图2为根据本公开实施例的发电机组的储能调频装置的示意性示例；

图3为传统的储能调频装置和根据本公开实施例的储能调频装置的储能单元电量对比的示意图；

图4为传统的储能调频装置和根据本公开实施例的储能调频装置的储能单元电量对比的另一示意图。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

需要说明的是，除非另外定义，本公开实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

传统的基于发电机组-储能电站的调频装置中，储能电站的储能电池组采用整体单向动作，即在电网频率超过一定范围时，全部储能电池组接收到相应的指令后开始储存电能；在电网频率低于一定范围时，全部储能电池组接收到相应的指令开始释放电能。实际运行中，电网频率可能会频繁地在50hz上下波动，这就导致储能电池频繁地进行电-放电的双向运动，且间隔时间仅仅数分钟。而频繁地充电-放电方向转换会导致储能电池寿命快速衰减，严重影响项目的经济性和可靠性。

基于上述考虑，本公开实施例提供了一种发电机组的储能调频装置。参见图1，图1示出了根据本公开实施例的发电机组的储能调频装置的示意性框图。如图1所示，发电机组的储能调频装置，包括：

第一储能单元110和第二储能单元120，均连接至所述发电机组130的输出母线140，用于与所述输出母线140交换电能；

控制单元150，与所述第一储能单元110和所述第二储能单元120通信，用于根据电网频率控制所述第一储能单元110和所述第二储能单元120以不同的工作模式非同时地工作，以使得所述电网频率维持在预设范围。

其中，控制单元150可以根据电网频率对第一储能单元110和第二储能单元120的工作模式进行控制，第一储能单元110和第二储能单元120的工作模式不同且不同时进行工作，例如，在电网频率偏高时，控制单元150可以控制第一储能单元110以充电模式进行工作，从输出母线140吸收电能，而此时第二储能单元120不工作；在电网频率偏低时，控制单元150可以控制第二储能单元120以放电模式进行工作，向输出母线140释放电能，而此时第一储能单元110不工作。这样，第一储能单元110和第二储能单元120在同一时间内无需都进行充放电，在电网频率偏高或偏低时，只需第一储能单元110或第二储能单元120完成充电或放电即可，避免了传统储能调频装置中储能单元频繁充电-放电换向的缺陷，大幅度减少了电池的充电-放电换向次数，显著提升了电池使用寿命，提高了整个发电系统的经济性和可靠性。

可选地，发电机组130可以包括如下至少一种：火电机组、水电机组、风电机组、或太阳能机组。

可选地，控制单元150可以通过软件、硬件、固件或者其组合实现。在一些实施例中，可以使用电路、单个或多个为特定用途集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)、数字信号处理装置(digitalsignalprocessingdevice，dspd)、可编程逻辑装置(programmablelogicdevice，pld)、现场可编程门阵列(fieldprogrammablegatearray，fpga)、中央处理器(centralprocessingunit，cpu)、plc、微控制器、微处理器中的至少一种。

可选地，参见图2，图2示出了根据本公开实施例的发电机组的储能调频装置的示意性示例。如图2所示，

所述第一储能单元110包括第一电池组111和第一双向功率变换器112，所述第一电池组110通过所述第一双向功率变换器111连接至所述输出母线140；

所述第二储能单元120包括第二电池组121和第二双向功率变换器122，所述第二电池组121通过所述第二双向功率变换器122连接至所述输出母线140；

所述控制单元150与所述第一双向功率变换器112和所述第二双向功率变换器122进行通信，以控制所述第一储能单元110和所述第二储能单元120的工作模式。

在一些实施例中，第一电池组111和第二电池组121可以包括一个电池，或，多个串联和/或并联的电池。

在一些实施例中，第一双向功率变换器112和第二双向功率变换器122的工作模式包括：充电模式和放电模式。其中，充电模式是指从输出母线140获取电能以为电池组(如第一电池组111和第二电池组121)充电；放电模式是指电池组向输出母线140释放电能。

在一些实施例中，控制单元150与第一双向功率变换器112和第二双向功率变换器122可以通过无线方式或有线方式进行通信。具体来说，控制单元150向第一双向功率变换器112和第二双向功率变换器122发送相应的控制指令，第一双向功率变换器112和第二双向功率变换器122在接收到各自的控制指令时执行相应的工作模式。

在一些实施例中，所述根据电网频率控制所述第一储能单元和所述第二储能单元以不同的工作模式非同时地工作，包括：

响应于所述电网频率大于或等于第一预设频率，控制所述第一储能单元在第一时间以充电模式工作；

响应于所述电网频率小于或等于第二预设频率，控制所述第二储能单元在第二时间以放电模式工作，其中，所述第二时间与所述第一时间不同，所述第二预设频率小于所述第一预设频率。

其中，当电网频率大于或等于第一预设频率时，说明电网频率偏高，需要从输出母线140获取电能来降低电网频率，此时，控制单元150控制第一储能单元110以充电模式工作，第一双向功率变换器112从输出母线140获取电能，将输出母线140的交流电转换为直流电，存储在第一电池组111中；当电网频率小于或等于第二预设频率时，说明电网频率偏低，需要向输出母线140释放电能来升高电网频率，此时，控制单元150控制第二储能单元120以放电模式工作，第二双向功率变换器122将第二电池组121的电能释放至输出母线140，将第二电池组121输出的直流电转换为交流电，输出至输出母线140；如此，每当电网频率偏高，则第一储能单元以充电模式工作来降低电网频率，每当电网频率偏低，则第二储能单元以放电模式工作来升高电网频率，从而保证电网频率始终维持在预设范围，因此，根据本公开实施例的发电机组的储能调频装置，在满足调频技术要求的前提下，大幅度减少了储能单元的充电-放电换向次数，能够显著提升电池的循环寿命，提高整个系统的经济性和可靠性。

在一些实施例中，预设范围可以包括大于第二预设频率且小于第一预设频率。

在一些实施例中，第一预设频率可以包括电网额定频率与第一预设值之和。在一些实施例中，第二预设频率可以包括电网额定频率与第二预设值之差。在一些实施例中，电网额定频率可以是50hz。在一些实施例中，第一预设频率可以是50+0.033hz，第二预设频率可以是50-0.033hz。

应了解，第一预设值与第二预设值可以相同，也可以不同，均可以根据需要进行设置，在此不做限制。

实际应用中，储能单元的电池组不会一直放电或充电，否则会造成电池的过充或过放，减少电池寿命，甚至导致电池受损，从而产生安全隐患。因为电池的循环寿命随充放电深度减小快速增长，为了保证电池组的使用寿命和整个系统的安全，可以在第一储能单元或第二储能单元中至少一个达到充电上限或放电下限时，切换二者的工作模式，使二者在切换工作模式后仍然以不同的工作模式非同时地工作，来将电网频率维持在预设范围。

可选地，所述控制单元还用于根据所述第一储能单元和/或所述第二储能单元的荷电状态，切换所述第一储能单元和所述第二储能单元的工作模式。

其中，荷电状态可以指第一储能单元或第二储能单元中电池组的电量。

在一些实施例中，根据所述第一储能单元和/或所述第二储能单元的荷电状态，切换所述第一储能单元和所述第二储能单元的工作模式，包括：

响应于所述第一储能单元和/或所述第二储能单元的荷电状态超过预设荷电范围，将所述第一储能单元的工作模式切换为放电模式以及将所述第二储能单元的工作模式切换为充电模式；

其中，所述根据电网频率控制所述第一储能单元和所述第二储能单元以不同的工作模式非同时地工作，包括：

响应于所述电网频率大于或等于所述第一预设频率，控制所述第二储能单元在第三时间以充电模式工作；

响应于所述电网频率小于或等于所述第二预设频率，控制所述第一储能单元在第四时间以放电模式工作，其中，所述第四时间与所述第三时间不同。

在一些实施例中，预设荷电范围可以包括：小于或等于额定容量的第一比例以及大于或等于额定容量的第二比例，其中，第一比例大于第二比例。例如，第一比例为20％，第二比例为10％。应了解，第一比例和第二比例可以根据需要进行设置，在此不做限制。

应了解，上述第一时间、第二时间、第三时间和第四时间仅为区分不同的时间，并不旨在对其进行限制。

具体来说，参见图2，根据本公开实施例的发电机组的储能调频装置，发电机组130通过输出母线140将电能输出至电网。输出母线140与变压器170(如高压长用电变压器)连接，变压器170连接至高压母线160，变压器170可以实现所述输出母线的电压与所述高压母线的电压之间的电压转换。第一储能单元110中的第一双向功率变换器112的交流侧和第二储能单元120中的第二双向功率变换器122的交流侧分别连接至高压母线160，第一储能单元110中的第一双向功率变换器112的直流侧与第一电池组111连接，第二储能单元120中的第二双向功率变换器122的直流侧与第二电池组121连接。控制单元150获取电网频率和预设频率范围，并比较电网频率(例如50hz)和预设频率(例如，第一预设频率f1和第二预设频率f2)，根据电网频率控制第一储能单元110和第二储能单元120，具体包括：

第一阶段，第一储能单元110和第二储能单元120的电量分别为额定容量的10％、20％，可以将第一储能单元110作为充电组，第二储能单元120作为放电组；那么，

参见图3，图3示出了传统的储能调频装置和根据本公开实施例的储能调频装置的储能单元电量对比的示意图。传统储能调频装置中，所有的储能单元响应于电网频率的波动统一充电或放电，在时间t1-t2时，电网频率高于第一预设频率f1时，所有的储能单元统一充电，电量均升高；在时间t2-t3时，电网频率在第一预设频率f1和第二预设频率f2之间，所有的储能单元不工作，电量不变；在时间t3-t4时，电网频率低于第二预设频率f2，所有的储能单元统一放电，电量均降低，这样，随着电网频率的频繁波动储能单元需要频繁切换充放电状态，降低了电池的寿命。

如图2和图3所示，根据本公开实施例的储能调频装置，将储能单元分为第一储能单元和第二储能单元。在时间t1-t2时，电网频率大于或等于第一预设频率f1(如50+0.033hz)时，说明电网频率偏高，控制单元150向第一双向功率变换器112发送第一控制指令，第一双向功率变换器112接收到该第一控制指令后以充电模式工作，第一双向功率变换器112的交流侧通过高压母线160和变压器170从输出母线140获取交流电(例如交流电压或交流电流)，第一双向功率变换器112将该交流电转换为直流电(例如直流电压或直流电流)，并向第一电池组111充电，第一储能单元电量增加，这样输出母线140输送至电网的电能减少，电网频率下降。在此时间t1-t2期间，第二储能单元120不工作，电量维持不变。

在时间t2-t3时，电网频率大于第二预设频率f2(如50-0.033hz)且小于第一预设频率f1时，电网频率在预设范围内，则控制单元150不向第一双向功率变换器112和第二双向功率变换器122发送控制指令，第一储能单元110和第二储能单元120不工作，二者电量均维持不变。

在时间t3-t4时，电网频率小于或等于第二预设频率f2时，说明电网频率偏低，控制单元150向第二双向功率变换器122发送第二控制指令，第二双向功率变换器122接收到该第二控制指令后以放电模式工作，第二双向功率变换器122的直流侧从第二电池组121获取直流电后转换为交流电，第二双向功率变换器122的交流侧通过高压母线160和变压器170向输出母线140释放电能，第二储能单元电量降低，这样输出母线140输送至电网的电能增加，电网频率升高。在此时间t3-t4期间，第一储能单元110不工作，电量维持不变。

第二阶段，参见图4，图4示出了传统的储能调频装置和根据本公开实施例的储能调频装置的储能单元电量对比的另一示意图。当第一储能单元110的荷电状态或第二储能单元120的荷电状态中的至少一个超过预设荷电范围时，例如第一储能单元110的荷电状态大于额定容量的20％和/或第二储能单元120的荷电状态小于额定容量的10％时，可以将第二储能单元120作为充电组，第一储能单元110作为放电组；那么，

在时间t1-t2时，电网频率大于或等于第一预设频率(如50+0.033hz)时，说明电网频率偏高，控制单元150向第二双向功率变换器122发送第三控制指令，第二双向功率变换器122接收到该第三控制指令后以充电模式工作，第二双向功率变换器122的交流侧通过高压母线160和变压器170从输出母线140获取交流电(例如交流电压或交流电流)，第二双向功率变换器122将该交流电转换为直流电(例如直流电压或直流电流)，并向第二电池组121充电，这样输出母线140输送至电网的电能减少，第二储能单元120电量增加，电网频率下降。在此时间t1-t2期间，第一储能单元110不工作，电量维持不变。

在时间t2-t3时，电网频率大于第二预设频率f2且小于第一预设频率f1时，电网频率在预设范围内，则控制单元150不向第一双向功率变换器112和第二双向功率变换器122发送控制指令，第一储能单元110和第二储能单元120不工作，二者电量均维持不变。

在时间t3-t4时，电网频率小于或等于第二预设频率副时，说明电网频率偏低，控制单元150向第一双向功率变换器112发送第四控制指令，第一双向功率变换器112接收到该第四控制指令后以放电模式工作，第一双向功率变换器112的直流侧从第一电池组111获取直流电后转换为交流电，第一双向功率变换器112的交流侧通过高压母线160和变压器170向输出母线140释放电能，第一储能单元电量降低，这样输出母线140输送至电网的电能增加，电网频率升高。在此时间t3-t4期间，第二储能单元120不工作，电量维持不变。

以此类推，每当第一储能单元110的荷电状态或第二储能单元120的荷电状态中的至少一个超过预设荷电范围时，第一储能单元110和第二储能单元120均切换当前的工作模式，重复上述第一阶段或第二阶段的调频过程。

可知，在调节电网频率的过程中，两个储能单元进行角色分工，在某一段时间内，一组储能单元“只充不放”，另一组储能单元“只放不充”，直至储能单元的电池组达到上下限，然后两个储能单元互换角色，如此往复循环。相比传统的储能调频装置，根据本公开实施例的装置在执行相同的调频任务时，储能单元中电池组充电-放电换向的次数大幅度减少，设备寿命大幅度延长。

基于相同的发明构思，根据本公开实施例，还提供了一种发电机组的储能调频系统，包括：

发电机组，用于通过输出母线向电网供电；

根据本公开实施例所述的发电机组的储能调频装置，与所述输出母线连接，用于与所述输出母线交换电能以将所述电网的电网频率维持在预设范围。

综上所述，本公开提供的发电机组的储能调频装置及系统，通过第一储能单元和第二储能单元在不同时间分别进行充电和放电，从而在进行电网调频时大幅度减少了电池的充电-放电换向次数，显著提升了电池使用寿命，提高了项目的经济性和可靠性。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本公开的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本公开实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本公开实施例难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(ic)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本公开实施例难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本公开实施例的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本公开的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本公开实施例。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本公开的具体实施例对本公开进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态ram(dram))可以使用所讨论的实施例。

本公开实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本公开实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。