(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202111340753.3
(22)申请日 2021.11.12
(71)申请人 清华大学
地址 100084 北京市海淀区清华园
(72)发明人 姜新建 梁靖卿
(74)专利代理机构 北京清亦华知识产权代理事
务所(普通合伙) 11201
代理人 花丽
(51)Int.Cl.
H02J 3/24(2006.01)
H02J 3/30(2006.01)
H02J 3/32(2006.01)
(54)发明名称飞轮-电池混合储能频率调节系统、方法、设备及介质(57)摘要本申请公开一种飞轮‑电池混合储能频率调节系统、方法、设备及介质，系统包括飞轮储能系统和电池储能系统，启动阶段，飞轮转速从零上升至额定转速，电池储能系统进入待机状态；电网频率正常状态，飞轮储能系统进入转速控制，保持飞轮转速在额定转速，电池储能系统工作在待机状态；电网频率处于不正常状态，进入惯性响应调节阶段，飞轮储能系统采用基于飞轮自身惯性和电网频率状态的虚拟惯性控制策略；进入一次调频阶段，电池储能系统采用下垂控制策略，飞轮储能系统保持虚拟惯性控制策略；飞轮储能荷电状态恢复阶段，飞轮储能系统进入荷电状态恢复状态，电池储能系统参与电网一次调频，同时额外输出功率以匹配飞轮储能荷电状态 恢复时吸收的能量。权利要求书2页 说明书11页 附图5页CN 114123239 A 2022.03.01
C N 114123239
A
1.一种飞轮‑电池混合储能频率调节系统，其特征在于，系统包括接入电网的飞轮储能系统和锂离子电池储能系统，其中，
在处于启动阶段时，飞轮转速从零逐渐上升至额定转速，控制锂离子电池储能系统进入待机状态；
若电网频率处于预设的正常状态下，则所述飞轮储能系统进入转速控制工况，保持所述飞轮转速在所述额定转速，且所述电池储能系统工作在待机状态下；以及若所述电网频率处于预设的不正常状态下，则所述系统进入惯性响应调节阶段，所述飞轮储能系统采用基于飞轮自身惯性和电网频率状态的虚拟惯性控制策略，且所述系统进入一次调频阶段，所述电池储能系统采用下垂控制策略，所述飞轮储能系统保持所述虚拟惯性控制策略；以及
在处于飞轮储能荷电状态恢复阶段时，所述飞轮储能系统进入荷电状态恢复状态，使得所述电池储能系统参与电网一次调频，同时额外输出功率以匹配所述飞轮储能荷电状态恢复时吸收的能量。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在处于二次调频阶段时，所述调节系统维持当前出力水平的同时，等待其他机组进入二次调频，使所述电网频率恢复所述预设的正常状态。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述飞轮储能系统和所述锂离子电池储能系统通过直流母线单元并联，并通过网侧变流器、LCL滤波器、并网变流器、变压器接入所述电网。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，其中，
所述电网依次通过所述变压器、LCL滤波电路、所述网侧变流器与所述直流母线单元相连，其中，所述网侧变流器用于维持直流母线电压稳定，使得功率在所述电网和储能系统之间的双向流动。
5.根据权利要求3或4所述的系统，其特征在于，在所述飞轮储能系统中，双三相永磁同步电机定子侧每三相组成一个桥臂，且每个桥臂上各设有一个机侧滤波器和机侧变流器，两个桥臂并联后，通过飞轮储能并网断路器与所述直流母线单元相连接，所述机侧变流器调节输入到飞轮储能电机转子上的电压，以对物理量进行控制，且所述双三相永磁同步电机的转子和大惯性飞轮转子通过转轴连接，以进行机械功率的传输。
6.根据权利要求3或4所述的系统，其特征在于，所述锂离子电池储能系统依次连接电池储能侧DC/DC变换器、电池储能系统并网断路器，直流母线电容相连，所述DC/DC变换器调节锂离子电池侧电压，以对锂离子电池储能系统与所述电网间进行功率交换。
7.一种飞轮‑电池混合储能频率调节方法，其特征在于，采用如权利要求1‑6任一项所述的飞轮‑电池混合储能频率调节系统，其中，方法包括以下步骤：
在处于启动阶段时，飞轮转速从零逐渐上升至额定转速，控制所述锂离子电池储能系统进入待机状态；
若所述电网频率处于预设的正常状态下，则控制所述飞轮储能系统进入转速控制工况，保持所述飞轮转速在所述额定转速，且控制所述电池储能系统工作在待机状态下；以及若所述电网频率处于预设的不正常状态下，则控制所述系统进入惯性响应调节阶段，使得所述飞轮储能系统采用基于飞轮自身惯性和电网频率状态的虚拟惯性控制策略，且所
述系统进入一次调频阶段，使得所述电池储能系统采用下垂控制策略，控制所述飞轮储能系统保持所述虚拟惯性控制策略；以及
在处于飞轮储能荷电状态恢复阶段时，控制所述飞轮储能系统进入所述荷电状态恢复，使得所述电池储能系统参与电网一次调频，同时额外输出功率以匹配所述飞轮储能荷电状态恢复时吸收的能量。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：
在处于二次调频阶段时，控制所述调节系统维持当前出力水平的同时，等待其他机组进入二次调频，使所述电网频率恢复所述预设的正常状态。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序，以实现如权利要求7‑8任一项所述的飞轮‑电池混合储能频率调节方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行，以用于实现如权利要求7‑8任一项所述的飞轮‑电池混合储能频率调节方法。
飞轮‑电池混合储能频率调节系统、方法、设备及介质
技术领域
[0001]本申请涉及储能以及电网系统惯性和频率响应技术领域，特别涉及一种飞轮‑电池混合储能频率调节系统、方法、设备及介质。
背景技术
[0002]从电网稳定性的层面来说，频率的动态性和稳定性是指示电网强度和发电量用电量平衡的重要指标。在新能源电网中，大量电力电子变换器的接入导致电网系统的惯性降低，这也意味着当系统发生频率事件(如发电机断开、负荷接入、风电光伏处理波动)时，在负荷扰动下，电网系统容易出现更快的频率变化和更大的频率偏差，储能系统的引入可以在频率事件发生时，对系统频率变化率和频率偏差进行有效控制，因此储能系统在电网的频率波动平抑和电压稳定控制中起到了重要作用。
[0003]根据电网频率变化阶段，可将调频控制策略划分为惯性响应阶段和一次调频响应阶段。其中，惯性响应阶段一般为频率事件发生几十毫秒到几秒内，此时的系统会承受较大的频率变化率，处于频率恶化期，此时的频率波动呈现高频特性；一次调频响应阶段通常在电网发生频率事件几十秒到一分钟之内，处于频率恢复期，此阶段需要储能系统提供长时间能量支撑。
[0004]电网频率响应对储能系统提出了不同时间尺度的功率和能量需求，因此储能系统必须兼具良好的功率输出特性和一定的容量。单一类型的储能形式很难满足上述需求，因此可将功率密度较高的功率型储能系统和具有大容量、长时间储能能力的能量型储能系统结合起来，组成混合储能系统。飞轮储能系
统作为一种功率型储能系统，具有功率密度大，响应速度快，使用寿命长的优势，可以高频次参与电网调频，且飞轮储能具有自身惯性，可合理设置控制策略，使飞轮储能系统向电网提供阻尼和惯性，实现电网的惯性频率调节；锂离子电池储能系统作为一种能量型储能系统，能够向电网提供长时间功率支撑，实现电网的一次调频响应。将飞轮储能系统和锂离子电池系统结合的混合储能系统，可以最大限度发挥储能系统的优势，并将电网频率变化控制在合理范围内。
[0005]相关技术中，大多采用单一形式的储能系统参与电网频率响应。在功率型储能系统参与电网惯性响应控制策略中，大多采用基于定惯性常数的虚拟惯性控制策略，此策略未能最大限度利用储能自身参数及电网频率状况确定储能参与电网调频的深度。在相关混合储能系统的研究中，大多将功率型储能系统和能量型储能系统分别单独控制运行，未研究其在频率响应的不同阶段的出力控制策略以及功率型储能的荷电状态恢复，从而延长了电网的频率恢复时间，增大了储能容量配置，增加了系统成本，亟待解决。
[0006]申请内容
[0007]本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
[0008]为此，本申请的第一目的在于提出一种飞轮‑电池混合储能频率调节系统，可以实现电网频率事件发生后的惯性响应和一次频率调节，并实现飞轮储能系统的荷电状态恢复，提高储能系统的利用效率。
[0009]本申请的第二个目的在于提出一种飞轮‑电池混合储能频率调节方法。
[0010]本申请的第三个目的在于提出一种电子设备。
[0011]本申请的第四个目的在于提出一种计算机可读存储介质。
[0012]为达到上述目的，本申请第一方面实施例提供一种飞轮‑电池混合储能频率调节系统，包括接入电网的飞轮储能系统和锂离子电池储能系统，其中，
[0013]在处于启动阶段时，飞轮转速从零逐渐上升至额定转速，控制锂离子电池储能系统进入待机状态；
[0014]若电网频率处于预设的正常状态下，则所述飞轮储能系统进入转速控制工况，保持所述飞轮转速在所述额定转速，且所述电池储能系统工作在待机状态下；以及
[0015]若所述电网频率处于预设的不正常状态下，则所述系统进入惯性响应调节阶段，所述飞轮储能系统采用基于飞轮自身惯性和电网频率状态的虚拟惯性控制策略，且所述系统进入一次调频阶段，所述电池储能系统采用下垂控制策略，所述飞轮储能系统保持所述虚拟惯性控制策略；以及
[0016]在处于飞轮储能荷电状态恢复阶段时，所述飞轮储能系统进入荷电状态恢复状态，使得所述电池储能系统参与电网一次调频，同时额外输出功率以匹配所述飞轮储能荷电状态恢复时吸收的能量。
[0017]根据本申请实施例的飞轮‑电池混合储能频率调节系统，通过考虑飞轮自身惯性和电网频率状态的飞轮‑电池系统协调的惯性和频率响应控制策略，在频率事件发生初期，通过飞轮储能向电网提供惯性，在一次调频时期，利用电池储能系统和飞轮储能系统联合向电网提供频率支撑，并实现飞轮储能系统的荷电状态恢复，从而实现电网频率事件发生后的惯性响应和一次频率调节，并实现飞轮储能系统的荷电状态恢复，提高储能系统的利用效率。
[0018]另外，根据本申请上述实施例的飞轮‑电池混合储能频率调节系统还可以具有以下附加的技术特征：
[0019]可选地，在处于二次调频阶段时，所述调节系统维持当前出力水平的同时，等待其他机组进入二次调频，使所述电网频率恢复所述预设的正常状态。
[0020]可选地，所述飞轮储能系统和所述锂离子电池储能系统通过直流母线单元并联，并通过网侧变流器、LCL滤波器、并网变流器、变压器接入所述电网。
[0021]可选地，其中，
[0022]所述电网依次通过所述变压器、LCL滤波电路、所述网侧变流器与所述直流母线单元相连，其中，所述网侧变流器用于维持直流母线电压稳定，使得功率在所述电网和储能系统之间的双向流动。
[0023]可选地，在所述飞轮储能系统中，双三相永磁同步电机定子侧每三相组成一个桥臂，且每个桥臂上各设有一个机侧滤波器和机侧变流器，两个桥臂并联后，通过飞轮储能并网断路器与所述直流母线单元相连接，所述机侧变流器调节输入到飞轮储能电机转子上的电压，以对物理量进行控制，且所述双三相永磁同步电机的转子和大惯性飞轮转子通过转轴连接，以进行机械功率的传输。
[0024]可选地，所述锂离子电池储能系统依次连接电池储能侧DC/DC变换器、电池储能系统并网断路器，直流母线电容相连，所述DC/DC变换器调节锂离子电池侧电压，以对锂离子
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