一种飞轮储能系统前置电源自动投切系统及其方法

技术领域

本发明属于电力技术领域，涉及电源自动投切系统，尤其是一种飞轮储能系统前置电源自动投切系统及其方法。

背景技术

随着我国经济社会的不断发展，越来越多的电力客户对于供电可靠性的需求也在逐渐增加。尤其对于党政机关、医疗场所、人员密集区域等一级用电客户，在进行供电保障作业时，通常需要接入不间断电源系统，以提升可靠性。在现场已经实用化的中小型UPS电源方案中，主要有电池储能和飞轮储能两种选择。

传统化学电池的优点为技术相对成熟，且价格较为低廉，具有较长的放电时间，但工作时易受环境温度影响，在夏季和冬季作业时，会显著影响放电能力及容量。而飞轮储能技术由于属于机械储能方式，工作原理为将电能与动能以相互转换的方式储存在高速旋转的轮组中。其运行特点为受环境影响较小，且放电深度较大，在各种气候条件及发生多次充放电时均能可靠工作。但由于放电时间较短(15秒-数分钟)，无法支撑长时间供电保障需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种保证了负载供电连续不中断的一种飞轮储能系统前置电源自动投切系统及其方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种飞轮储能系统前置电源自动投切系统，包括柴油发电机组、自动电源转换柜ATS、飞轮储能机组UPS，所述自动电源转换柜ATS的第一输入端与市电连接，自动电源转换柜ATS的第二输入端经过机组输出断路器5QF与柴油发电机组相连，自动电源转换柜ATS的输出端连接UPS系统输入断路器1QF和系统外部旁路断路器3QF，UPS系统输入断路器1QF与飞轮储能机组UPS的输入端相连，飞轮储能机组UPS的输出端连接UPS系统输出断路器2QF和空气开关4QF，UPS系统输出断路器2QF和系统外部旁路断路器3QF另一端连接负载为其供电，空气开关4QF与柴油发电机组的快速启动模块GENStart相连，飞轮储能机组UPS还通过通讯线路与柴油发电机组相连实现通讯功能。

而且，所述自动电源转换柜ATS内包括控制器和切换器，所述控制器上设有控制器主电源监测端子X11、控制器备用电源输入端子X12、控制器通讯线路端子X21、发电机启动信号输出端子X23、切换器通讯线路端子X31以及辅助直流供电端子X41，切换器上设有供电端子J1、端子J5、端子J6、辅助触点D1及辅助触点D2；控制器主电源监测端子X11经过开关QF与电网连接，旋钮开关SA的输入端分别与柴油发电机组和飞轮储能机组UPS相连，旋钮开关SA的输出端与控制器备用电源输入端子X12相连，发电机启动信号输出端子X23通过启动信号线与柴油发电机组连接，发电机启动信号输出端子X23内部为一个双稳态自保持继电器，在X23端子和启动信号线之间的启动信号线上并联一个旋钮开关S3，控制器通讯线路端子X21与切换器上的端子J6相连，切换器通讯线路端子X31与切换器上的端子J5相连，辅助触点D1及辅助触点D2与逻辑模块相连，所述控制器通讯线路端子X21用于传递切换信号，切换器通讯线路端子X31用于反馈开关位置状态；所述供电端子J1通过电缆与飞轮储能机组UPS的输出端相连，辅助直流供电端子X41在自动电源转换柜ATS工作电压过低时为自动电源转换柜ATS进行辅助直流供电。

而且，所述通讯线路传输的信号包括机组启动控制信号、发电机自动状态指示信号、发电机启动完成指示信号、发电机告警指示信号和快速启动模块GENStart就绪指示信号。

而且，所述机组启动控制信号的信号传输方向由自动电源转换柜ATS经过飞轮储能机组UPS传输至柴油发电机组，发电机自动状态指示信号，发电机启动完成指示信号、发电机告警指示信号以及快速启动模块GENStart就绪指示信号的信号传输方向由柴油发电机组经过飞轮储能机组UPS传输至自动电源转换柜ATS。

而且，所述每组信号均由24V和开关信号组成，24V接通即为信号有效，24V断开即为信号无效。

一种飞轮储能系统前置电源自动切换方法，包括以下步骤：

步骤1、当失去市电后，自动电源转换柜ATS向柴油发电机组发出启动信号，同时飞轮储能机组UPS开始输出电能，承担负载电流，柴油发电机组启动完成后，自动电源转换柜ATS将飞轮储能机组UPS输出切换为柴油发电机组输出；

步骤2、通过调整输出频率方式将柴油发电机组的输出频率调整至与负载频率一致，频率同步后，将负载分多次延时进行加载。负荷完成切换后，飞轮储能机组开始重新进行充电，此时系统开始工作于备用电源状态；

步骤3、当市电恢复时，检测市电输出稳定后，自动电源转换柜ATS将柴油发电机组输出切换为市电输出；

步骤4、进行相位调整，将负载相位调整至与市电相位一致，相位一致后，市电分段步入负荷，当全部负荷已切换回市电，自动电源转换柜ATS发出停机信号，柴油发电机组停机，同时飞轮储能机组UPS开始充电，系统恢复至主电源状态。

而且，所述步骤1的具体实现方法为：

当失去市电时，经过转换延时Ts秒躲过电网故障时重合闸，确认电网失去电能，自动电源转换柜ATS向柴油发电机组发出启动信号，与此同时飞轮储能机组UPS开始输出电能，承担负载电流，柴油发电机组内的快速启动模块GENStart从飞轮储能机组UPS开始吸收电能并转换为24V直流供给柴油发电机组启动之用；柴油发电机组启动后，自动电源转换柜ATS经过延时Tt秒判断柴油发电机组输出电能稳定，断开开关QF，同时旋钮开关SA选择柴油发电机组输出。

而且，所述步骤3的具体实现方法为：

在市电恢复后，经过TBs秒延时检测，判断市电已经稳定，将旋钮开关SA切换至飞轮储能机组UPS输出，经过延时DBs后，合入开关QF，电网开始输出电能。

本发明的优点和积极效果是：

本发明通过柴油发电机组与飞轮储能机组UPS相互配合，当电网断电时，自动电源转换柜ATS向柴油发电机组发送启动信号柴油发电机组，开始启动，与此同时飞轮储能机组UPS进行供电，承担负荷电流，当柴油发电机组启动成功后，自动电源转换柜ATS自动投切到柴油发电机组输出；当电网恢复供电时，自动电源转换柜ATS自动投切回电网输出，实现了电网与备用双电源的无缝切换及启动，保证了负载供电连续不中断。

附图说明

图1为本发明的飞轮储能系统前置电源自动投切系统连接电路图。

图2为本发明的通讯线路信号解析图。

图3为自动电源转换柜ATS的内部结构图。

图4为自动电源转换柜ATS的工作时序图。

图5为各延时参数整定图。

图6为市电丢失时电源转换柜ATS的工作时序图。

图7为市电恢复时电源转换柜ATS的工作时序图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种飞轮储能系统前置电源自动投切系统，如图1所示，包括柴油发电机组、自动电源转换柜ATS、飞轮储能机组UPS，自动电源转换柜ATS的两路电源分别源与市电及柴油发电机组连接，自动电源转换柜ATS可根据需要设置为自投自复模式，也可以根据工作需要设置为其他其他模式，例如自投不自复、互为备用等。所述自动电源转换柜ATS的第一输入端与市电连接，自动电源转换柜ATS的第二输入端经过机组输出断路器5QF与柴油发电机组相连，自动电源转换柜ATS的输出端连接UPS系统输入断路器1QF和系统外部旁路断路器3QF，该UPS系统输入断路器1QF与飞轮储能机组UPS的输入端相连，飞轮储能机组UPS的输出端连接UPS系统输出断路器2QF和空气开关4QF，UPS系统输出断路器2QF和系统外部旁路断路器3QF另一端连接负载为其供电，空气开关4QF与柴油发电机组的快速启动模块GENStart相连。飞轮储能机组UPS还通过通讯线路与柴油发电机组相连实现通讯功能。

所述系统输入UPS系统输入断路器1QF、UPS系统输出断路器2QF以及系统外部旁路断路器3QF位于自动电源转换柜ATS处，为框架式断路器，由人工操作控制，平时正常运行时，系统输入UPS系统输入断路器1QF、UPS系统输出断路器2QF保持在合位，系统外部旁路断路器3QF在分位，不需要动作。机组输出断路器5QF位于柴油发电机组处，由人工操作控制。

在柴油发电机上带有快速启动模块GENStart，快速启动模块GENStart自飞轮储能机组UPS输出端引出，为三相400V供电形式，通过一组电缆由飞轮储能机组UPS经空气开关4QF，连接至柴油发电机组。柴油发电机组上带有GENSTART转换模块，其本质为一台DC-DC电源，将三相电转换为24V直流电，连接至柴油发电机组启动机及控制盘。由于模块容量较高，可避免柴油发电机组电瓶失效导致的启动失败。当失去主电源后，飞轮储能机组UPS开始放电，此时柴油发电机组收到启动信号，快速启动模块GENStart从飞轮储能机组UPS开始吸收电能并转换为24V直流供给柴油发电机组启动之用，用于提升柴油发电机组启动成功率。空气开关4QF位于ATS柜内。人工操作控制。

飞轮储能机组UPS还通过通讯线路与柴油发电机组相连，所述通讯线路用于在储能机组与发电机组间传输启动、就绪、停机及故障信号，通讯线路信号如图2所示，包括包括机组启动控制信号、发电机自动状态指示信号、发电机启动完成指示信号、发电机告警指示信号和快速启动模块GENStart就绪指示信号，所述机组启动控制信号的信号传输方向由自动电源转换柜ATS经过飞轮储能机组UPS传输至柴油发电机组，发电机自动状态指示信号，发电机启动完成指示信号、发电机告警指示信号以及快速启动模块GENStart就绪指示信号的信号传输方向由柴油发电机组经过飞轮储能机组UPS传输至自动电源转换柜ATS。所述每组信号均由24V和开关信号组成，24V接通即为信号有效，24V断开即为信号无效。例如：G1-0信号24V接通即为发出启动信号，断路即为发出停机信号；G1-1信号24V接通即为发电机处于自动控制状态，断路即为处于手动控制状态。

自动电源转换柜ATS内使用双电源自动转换开关，优选OTM2000自动电源转换柜ATS，其特点为可实现手动、电动及自动电源转换，并可在失去主电源时输出柴油发电机组启动信号。自动电源转换柜ATS本质为双进双出自动切换器，双进线即为市电与柴油发电机组输入，通过电缆及线排连接。输出线短接在一起，去往飞轮储能机组UPS的输入端，负载电流经过飞轮储能机组UPS后，通向负载输出插拔头。自动电源转换柜ATS市电输入、柴油发电机组输入、负载输出均通过快速连接插拔头形式，以185mm

自动电源转换柜ATS的内部结构如图3所示，所述自动电源转换柜ATS内包括控制器和切换器，所述控制器上设有控制器主电源监测端子X11、控制器备用电源输入端子X12、控制器通讯线路端子X21、发电机启动信号输出端子X23、切换器通讯线路端子X31以及辅助直流供电端子X41，切换器上设有供电端子J1、J5端子、J6端子、辅助触点D1及辅助触点D2；控制器主电源监测端子X11经过开关QF与电网连接，旋钮开关SA的输入端分别与柴油发电机组和飞轮储能机组UPS相连，旋钮开关SA为双进双出转换开关，旋钮开关SA的输入端分别接柴油发电机组输入端及飞轮储能机组UPS输出端，旋钮开关SA的两个输出端短接后去往自动电源转换柜ATS的备电输入侧的控制器备用电源输入端子X12。旋钮开关SA用于选择自动电源转换柜ATS备用电源的来源，通常默认打到柴油发电机组输入。

发电机启动信号输出端子X23内部为一个双稳态自保持继电器，在X23端子和启动信号线之间的启动信号线上并联一个旋钮开关S3，实现柴油发电机组就地强制启动，旋钮开关S3为普通单进单出开关，旋转至柴油发电机组启动即闭合、短路发电机启动信号输出端子X23的1-2引脚，即为直接强制输出启动信号。旋转至柴油发电机组停机即为断开发电机启动信号输出端子X23的1-2引脚，即将启动信号交还给自动电源转换柜ATS自动实现。

控制器通讯线路端子X21与切换器上的J6端子相连，切换器通讯线路端子X31与切换器上的J5端子相连，辅助触点D1及辅助触点D2与逻辑模块相连，所述控制器通讯线路端子X21用于传递切换信号，切换器通讯线路端子X31用于反馈开关位置状态；所述供电端子J1通过电缆与飞轮储能机组UPS的输出端相连，辅助直流供电端子X41在自动电源转换柜ATS工作电压过低时为自动电源转换柜ATS进行辅助直流供电。

自动电源转换柜ATS可选择自动切换、手动切换及按钮电动切换方式，除异常及无电时操作外，均设置为自动切换模式。在工作过程中，控制器可以实现电能质量监测，在欠压、缺相、过压等情况时发出投切信号，根据设定模式不同，由切换器自动实现电源的切换，切换过程中输入电源均会中断，此时由飞轮储能机组UPS负责向负载提供不间断的电源。

当系统主电源失去，且等待柴油发电机组启动供电过程中，由于双路电源均暂时失去，自动电源转换柜ATS可在低功耗状态下工作60s，实现电源切换期间过渡。

自动电源转换柜ATS的工作时序及各项延时参数如图4所示，在自投自复模式下，市电失去后，经过转换延时Ts躲过电网故障时重合闸，判断市电已彻底失去，向柴油发电机组投入启动信号，与此同时飞轮储能机组UPS开始输出电能。在启动后，经过延时Tt判断柴油发电机组输出电能稳定，断开开关QF。经过转换延时Ds后，将旋钮开关SA选择柴油发电机组输出，完成柴油发电机组启动及电源转换过程。此时，系统开始工作于备用电源状态。当主电恢复时，经过返回转换延时TBs，判断市电已经稳定，将旋钮开关SA切换至飞轮储能机组UPS输出。经过延时DBs后，合入开关QF。柴油发电机组继续运行延时Gs后，自动电源转换柜ATS向柴油发电机组发出停机信号，柴油发电机组停机，此时系统恢复至主电源状态。

在实际配置中，考虑到电网故障时重合闸时间(约0.5s)、柴油发电机组启动时间(3.5s～5.5s)，市电恢复时，控制器在切换为主电后延时5s发出停机信号，但由于柴油机组本身具有600s降温冷却等待时间，故实际停机等待延时为605s，各延时参数整定如图5所示。

在与飞轮储能机组UPS及柴油发电机组配合工作时，由于两侧电源相位不同，且负荷需分段加载，还需在时序中加入相位同步及负荷步入时间。经调整后，实际工作时序逻辑如图6所示。在T0时刻，失去市电，经过2s延时检测确认后，在T1时刻自动电源转换柜ATS向柴油发电机组发出启动信号。经过5.5s启动时间后，由自动电源转换柜ATS检测备用电源合格可以投入，切换至柴油发电机组进行供电。由于柴油发电机组与市电存在相位差，系统需要1.5s时间通过微调输出频率进行锁相同步。在T3时刻，由于柴油发电机组本身转动惯量较小，无法瞬时投入全部负荷，需要通过在3s延时内分三次将负荷逐步进行投入，避免机组失稳停机。在T4时刻，完成全部切换工作，由柴油发电机组提供全部电能。此时，尚有3s时间余量，用于柴油发电机组启动、步入负荷等窗口时间调整所用。此时，飞轮储能机组UPS开始步入充电电流，并恢复至在线状态。

当市电恢复时自动电源转换柜ATS工作时序如图7所示。在T0时刻，市电恢复。为避免市电刚恢复时不稳定，设置120s延时检测时间，在T1时刻执行切换。切换后，同样通过1.5s延时进行相位调整，将负载相位调整至与市电一致。完成后，在T2时刻开始步入负荷，并将负荷于3s时间内分三次加载。在T3时刻全部负荷已切换回市电，经过5s延时后向柴油发电机组发出停机信号。同时，飞轮储能机组UPS开始充电。由于柴油发电机组刚完成减载，在柴油发电机组控制盘处设置600s降温时间，通过空载时排风扇带动冷却液循环进行散热。此时，如市电再次发生故障，柴油发电机组可立即终止降温过程并重新投入负荷。在T4时刻，柴油发电机组完成降温，停机转入冷备用状态。以上工作时序均可根据实际工作场景进行相应的调整。

基于上述系统，本申请还提供一种飞轮储能系统前置电源自动切换方法，包括以下步骤：

步骤1：当失去市电后，自动电源转换柜ATS向柴油发电机组发出启动信号，与此同时飞轮储能机组UPS开始输出电能，承担负载电流，柴油发电机组启动完成后，自动电源转换柜ATS将飞轮储能机组UPS输出切换为柴油发电机组输出。

其具体实现方法为：当失去市电时，经过转换延时2秒躲过电网故障时重合闸，确认市电失去电能，自动电源转换柜ATS向柴油发电机组发出启动信号，与此同时飞轮储能机组UPS开始输出电能，承担负载电流，柴油发电机组内的快速启动模块GENStart从飞轮储能机组UPS开始吸收电能并转换为24V直流供给柴油发电机组启动之用；柴油发电机组启动后，自动电源转换柜ATS经过延时5.5秒判断柴油发电机组输出电能稳定，断开开关QF，同时旋钮开关SA选择柴油发电机组输出。

步骤2：通过调整输出频率方式将柴油发电机组的输出频率调整至与负载频率一致，频率同步后，将负载分多次延时进行加载。负荷完成切换后，飞轮储能机组开始重新进行充电，此时系统开始工作于备用电源状态。

由于柴油发电机组与市电存在相位差，系统需要1.5s时间通过微调输出频率进行锁相同步。在锁相同步后，由于柴油发电机组本身转动惯量较小，无法瞬时投入全部负荷，需要通过在3s延时内分三次将负荷逐步进行投入，避免机组失稳停机。完成全部切换工作后由柴油机组提供全部电能。此时，尚有3s时间余量，用于柴油发电机组启动、步入负荷等窗口时间调整所用。此时，飞轮储能机组UPS开始步入充电电流，并恢复至在线状态。

步骤3：当市电恢复时，检测市电输出稳定后，自动电源转换柜ATS将柴油发电机组输出切换为市电输出。

在市电恢复后，为避免市电刚恢复时不稳定，设置120s延时检测时间，判断市电已经稳定，然后将旋钮开关SA切换至飞轮储能机组UPS输出，与此同时，合入开关QF，电网开始输出电能。

步骤4：进行相位调整，将负载相位调整至与电网相位一致，相位一致后，市电分段步入负荷，当全部负荷已切换回市电，自动电源转换柜ATS发出停机信号，柴油发电机组停机，同时飞轮储能机组UPS开始充电，系统恢复至主电源状态。

通过1.5s延时进行相位调整，将负载相位调整至与市电一致。完成后，开始步入负荷，并将负荷于3s时间内分三次加载。当全部负荷已切换回市电，自动电源转换柜ATS经过5s延时后向柴油发电机组发出停机信号。同时，飞轮储能机组UPS开始充电。由于柴油发电机组刚完成减载，在柴油发电机组控制盘处设置600s降温时间，通过空载时排风扇带动冷却液循环进行散热。此时，如市电再次发生故障，柴油发电机组可立即终止降温过程并重新投入负荷。机组完成降温后，停机转入冷备用状态。

下面通过一个实际控制过程，对本发明的效果进行验证：

以某10kV用户配电站进行供电保证作业为例，通过进行全负荷演练，验证工作时序。据现场测量定相，低压出线均为正相序，最大负荷电流分别不超过700A。该用户站采用两路不同电源的10kV进线分列运行，低压侧通过母联开关进行连接。系统接入时，需将#1主变低压侧软连接拆除，将储能系统串联接入0.4kV I段母线进线开关上口处。系统接入完成后，通过拉开402进线开关、合入445联络开关，将全站负荷倒至储能系统侧。当电网密14侧电源检修时，用户供电不受影响；当曹17侧电源检修时，系统自动切换至飞轮储能-柴油发电联合机组进行供电，同时保证供电连续不中断。在全负荷演练切换试验开始时，全站两侧低压母线负荷共280kVA，柴油发电机组于停电后13s启动并稳定带载。系统于8s时失去市电，18s时切换至柴油发电机组，并开始同步相位、步入负荷及充电。切换过程中，输出电压未发生中断。在第18s检测到发电机稳定输出后，于20s完成相位同步，并以0.5s为一个间隔，分三次步入负荷，随后开始执行充电过程。充电电流约为340A，过程持续36s。在失电及复电过程中，输出功率连续平稳，未发生中断。充电功率约为240kVA。由于系统存在损耗；且内部真空泵、空调等设备需要用电等原因，正常运行时，输入功率稍高于输出。在柴油发电机组投入后，第18.5s处，开始通过调整输出频率形式进行相位同步。期间，最大频率偏差为0.427Hz，未超过国家规定。第20s处，由于有功负荷短时间投入，发电机组转动惯量不足，转速降低，频率下降，最大差值达到0.6Hz，但随即恢复。在第25s及50s处，可观察到充电过程开始及结束功率波动导致的频率震荡。飞轮转子转速由7700RPM放电至6690RPM，电量降低至74.1％。放电时间持续14.1s，充电时间持续36s。同时，也可看出系统转速与电量呈二次方关系，当转速降低至2000RPM时，系统即认为电量释放完毕。由于飞轮组在高速旋转的过程中，会因空气摩擦导致电枢发热，故需放置在真空室中，通过真空泵持续进行抽真空。在轮组充放电期间，由于电枢发热及产生震动等原因，真空度会短时间内上升，随后缓慢下降。通常一个抽真空周期为8小时，即机组首次通电后需在旁路状态下静态等待真空度下降至规定范围内后才可以充电上线。试验结束后，系统电源切换回市电过程与切换至发电机相近。经现场观察及数据分析，本次供电保障过程未发生负载闪动，切换时序满足现场工作要求。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。