一种重力结合飞轮的综合物理储能系统及储能方法

技术领域

本发明属于重力储能、飞轮储能等电网储能领域，具体涉及一种重力结合飞轮的综合物理储能系统及储能方法。

背景技术

电网中电能的产生和负荷的需求必须保持实时的动态平衡，但是受一系列外在因素的影响，居民的电力负荷会随时间出现极大的波动；可再生能源电力的大规模并网也会对电网的稳定运行造成显著的影响。将电力储能装置引入电网，不仅可以完成“削峰填谷”，平滑负荷，实现电能的时空转移，还可以消纳大规模的可再生能源电力，调频调压，提高电网的稳定性和灵活性。因此，大容量、高效率、低成本的电力储能技术是实现可再生能源大规模并网、提高电网稳定性的重要研究方向。

传统的储能技术在选址灵活、安全性、效率和经济性等方面各有优缺点，难以满足电网的需求。而重力储能技术作为一种新型的物理储能方式，因其容量大、效率高、成本低、放电时间长、选址灵活等优势有望成为未来重要的储能技术之一。目前新型重力储能技术主要包括：(1)新型抽水储能，主要包括海水抽水蓄能、海下储能系统和活塞水泵系统。具有可以有效提高对海洋能量的利用，储能规模大等优点，但缺点是建设和维护成本较高、易受腐蚀、使用寿命较短；(2)地面高塔重力储能，具有储能规模大，储能密度高，易于集成等优点，缺点是建设场地限制高，重物的堆叠和高度要求严格；(3)山体重力储能，具有储能规模大，选址要求低，环境影响小等优点，但缺点是建设和维护成本高，系统储能量和效率影响因素较多；(4)竖井重力储能，具有储能规模大，安全系数高，建设成本较低等优点，但缺点是采用多个重物进行储能和释能存在功率波动和间歇问题。

对于单独的重力储能技术，目前比较常用的竖井提升机结构包括单吊具或单罐笼、双吊具或双罐笼曳引驱动结构。如果采用单个重物提升实现重力储能，受提升机载重量的限制，单个重物所能储存的能量难以做大。为了提高储能量，提升机需采用多个重物连续提升，才能实现系统长时间输出，可以很好地满足这一需求。

利用卷扬设备提升重物是实现高效重力储能的主要形式之一，但是多重物提升过程存在间歇性，需要频繁启停，造成充放电功率的间歇性和波动性，限制了这项技术的应用和推广。而矿井双罐笼提升机在研究应用中既可以提高载重量，又可以缩短多重物提升过程中的时间间歇，可以很好地满足重力储能技术对提升机的需求。

另外，一般认为，重力储能系统存在功率响应速度较慢、可调性不佳的问题，中国发明专利CN202110636103.7提出了一种基于化学电池和重力储能的综合储能系统，依靠化学电池储能良好的功率调节特性来解决可再生能源功率波动和重力储能功率调节不佳的问题。然而，化学电池在频繁充放电的工况下运行，其使用寿命会受到影响，退役电池的回收处理也存在问题。

发明内容

为了克服上述技术难题，本发明的目的是提出一种重力结合飞轮的综合物理储能系统及储能方法。

本发明中的重力结合飞轮的综合物理储能系统及储能方法可以满足储能技术大功率、长时间的稳定电能输出，提高输出电能的质量，避免设备运行中的频繁启停等问题；受地址条件和选址要求的影响较小；储能容量大，储能、释能效率较高；装置的使用寿命较长，维护费用较低等优势。本发明可以为分布式电源的大规模并网提供稳定可靠的灵活性储能技术来改善电能质量，发挥电能的时空转移、调压调频、平滑负荷等作用。

本发明中的重力结合飞轮的综合物理储能系统包括重力储能系统和飞轮储能系统，重力储能系统包括重力储能电机、提升机、钢缆、吊具、重物块、竖井、重力机侧变流器；飞轮储能系统包括储能飞轮转子、飞轮主轴、储能飞轮电机、轴承、真空室、防护外壳、储能飞轮机侧变流器；还包括调频飞轮模块，其包括调频飞轮转子、飞轮主轴、调频飞轮电机、轴承、真空室、防护外壳、调频飞轮机侧变流器；还包括储能侧直流母线、储能网侧变流器、能量管理系统、调频侧直流母线、调频网侧变流器、控制器等；重力储能模块的提升机通过绞线盘中的钢缆连接吊具上的重物块，并与重力储能电机相连，重力储能电机与重力机侧变流器相连，然后连接至储能侧直流母线，最终连接到电网；储能飞轮转子通过飞轮主轴与轴承、储能飞轮电机相连，储能飞轮电机与储能飞轮机侧变流器相连，然后连接至储能侧直流母线，最终连接到电网；调频飞轮转子通过飞轮主轴与轴承、调频飞轮电机相连，调频飞轮电机与调频飞轮机侧变流器相连，然后连接至调频侧直流母线；调频侧直流母线与调频网侧变流器相连，最终连接到电网。能量管理系统的输入端与电网相连，输出端与控制器相连；控制器与重力机侧变流器、储能飞轮机侧变流器、储能网侧变流器、调频飞轮机侧变流器、调频网侧变流器相连。

进一步地，当所述的重力结合飞轮综合物理储能系统需要存储能量时，所述的能量管理系统对控制器发出调度指令，然后控制器控制储能网侧变流器从电网侧吸收电能；重力储能模块由重力机组的低速牵引电机提升重物块至高处，将电能转换为重力势能进行能量存储；飞轮储能模块通过储能飞轮电机带动储能飞轮转子旋转，通过提升储能飞轮转子的转速实现电能转换为动能进行能量存储，此时电机工作于电动机模式。

当综合物理储能系统需要释放能量时，所述的能量管理系统对控制器发出调度信号，然后控制器控制重力机侧变流器、储能飞轮机侧变流器工作；重力储能提升机将重物下放至井底，拖动牵引电机实现重力势能转换为电能，通过重力机侧变流器传输至储能侧直流母线；而飞轮储能模块通过改变储能飞轮转子的转速实现动能转换为电能，通过储能飞轮机侧变流器传输至储能侧直流母线，然后通过储能网侧变流器回馈到电网，此时电机工作于发电机模式。

当所述的综合物理储能系统接入的电网频率出现波动时，能量管理系统向控制器发出调度信号，控制调频飞轮模块中的调频飞轮机侧变流器和调频网侧变流器，反馈控制调频飞轮电机带动调频飞轮转子改变转速，通过转速的改变调节调频飞轮系统的输出功率，然后控制器控制调频轮机侧变流器、调频网侧变流器的运行，实现电网的频率调节。

进一步地，所述的重力储能模块是实现能量存储的主要路径，可以通过改变竖井的高度、单个重物的质量和重物块数实现存储功率和能量的调节；所述的飞轮储能模块的主要作用是补偿和平衡重力储能模块发电的波动性和间歇性，实现电能的长时间、高质量、稳定输送至电网。

进一步地，所述的重力储能模块可以是双吊具或双罐笼曳引驱动模式和结构。所述双吊具或双罐笼曳引结构用两个井道实现或用一个井道实现；当所述双吊具或双罐笼在一个井道时，所述重力储能电机通过钢缆和天轮组连接井道里的双吊具或双罐笼里，双吊具或双罐笼承载着重物，多个重物存储在巷道。

进一步地，所述的重力储能模块中的竖井可以是废弃且合适的矿井，也可以是专门为重物的升降而选择合适的地质进行建造的。

重力储能提升机为塔吊结构，或为卷扬机结构，或为龙门结构，可以实现重物的稳定升降，也可以通过自身旋转实现重物在地面上的快速且规则排列。自动吊具用于承接重物块，可以平稳升降。

重力储能机组的电机为低速大扭矩电机，或为三相异步电机，或为永磁直驱电机，或为半直驱电机，可工作于发电机和电动机模式。

重力储能模块中的重物在地面上水平排列，实现重物从排列位置到竖井上空所用时间较短；重物在竖井中或采用竖向堆叠的方式放置于井底，或水平放置在井底巷道中。

所述的能量管理系统可以发出储能、放能、调频等不同的指令进行调度管理，调度指令通过控制器将控制信号输送给不同的模块，实现不同的功能。

进一步地，所述的飞轮储能模块通过飞轮主轴将储能飞轮转子、储能飞轮电机、轴承等部件连接起来，能量管理系统发出调度指令，通过控制器控制储能飞轮机侧变流器,改变储能飞轮转子的转速实现电能的储存和释放，并且可以通过储能飞轮转子转速改变的大小实现不同功率电能的吸收与释放。

飞轮储能机组的储能飞轮电机为永磁直驱高速电机，可工作于电动机和发电机模式。

飞轮储能机组的储能飞轮机侧变流器要有较快的响应速度，配合飞轮储能模块实现快速响应，进行功率的及时补偿。

进一步地，所述的飞轮储能模块单台机组设计的额定输出功率为重力储能模块单台机组额定输出功率的100％。

进一步地，所述的调频飞轮模块可以通过调节调频飞轮转子的转速实现不同功率的吸收和释放，从而根据能量管理系统的调度指令和控制器的控制信号进行电网的调频。

本发明的所述的重力结合飞轮综合物理储能系统的运行工况包括：

运行工况1：储能阶段中，电网侧通过储能网侧变流器装置向重力储能模块和飞轮储能模块供电，实现电能存储；该工作模式适用于电网负荷需求较低，发电功率大于用电功率的情况，实现多余电能的时空转移；

其中，储能侧电机均处于电动机模式。在能量管理系统的调度和控制器的控制下，电网侧通过储能网侧变流器将电能转换为直流电至储能侧直流母线，然后通过机侧变流器分别供给重力和飞轮储能模块；其中，重力储能模块通过重力储能电机带动提升机的自动吊具将井底的重物块提升至地面进行规律化排列，实现电能到重力势能的转换；飞轮储能模块的储能飞轮电机通过高速运转带动储能飞轮转子实现转速的提升，实现电能到动能的转换。

运行工况2：释能阶段中，储能侧产生电能通过变流器装置向电网供电，实现电能释放；该工作模式适用于电网负荷需求较高，发电功率小于用电功率的情况，实现电网电能的及时补充。

其中，储能侧电机均处于发电机模式。在能量管理系统的调度和控制器的控制下，重力储能模块通过提升机的自动吊具将地面上的重物下降至井底，拖动重力机组电机发电，然后经过重力机侧变流器传输至储能侧直流母线；飞轮储能模块通过降低储能飞轮转子转速拖动储能飞轮电机发电，然后经过储能飞轮机侧变流器传输至储能侧直流母线；最后通过储能网侧变流器输送到电网。

运行工况3：调频阶段中，调频飞轮模块通过调频飞轮转子转速的改变实现输出或者输入功率的改变，从而调节所连接电网的频率；该工作模式适用于电网频率出现波动的情况，实现电网频率长期保持稳定。

其中，储能侧的模块工作状态不变，能量管理系统向控制器发出调度指令，控制器向调频飞轮模块发出控制信号，控制调频飞轮模块中的调频飞轮机侧变流器和调频网侧变流器，反馈控制调频飞轮电机带动调频飞轮转子改变转速，通过转速的改变调节调频飞轮系统的输出功率，实现电网的频率调节。

本发明与现有的储能技术相比，优势在于：

1、本发明中的重力储能模块可以利用废弃矿井、溶洞等作为竖井平台，降低废弃矿井带来的风险和综合系统的建设成本；

2、本发明所提供的建设方案选址灵活，不受地域、环境以及其他地址条件的影响；绿色环保，对环境污染小；

3、本发明提出的综合物理储能系统长时间运行损耗较低，效率较高；

4、本发明所提出的方案储能容量大、稳定性高、使用寿命长、单位电能的储存成本低；

5、本发明提出的方案可以单机组运行或多机组并联运行，满足不同功率和容量等级的电能储存和电网调频需求，灵活性较高；

6、本发明提出的方案可以提高电网消纳可再生能源的能力，便于实现电网负荷的削峰填谷，提高电网电能质量和运行安全性；

7、本发明提出的双吊具或双罐笼结构的重力储能模块可以缩短重力机组的工作时间间歇，提高重力机组输出功率的占空比，提升了整体系统运行的连续性和稳定性。

附图说明

图1为本发明的储能系统的组成结构和第一实施例示意图；

图2为本发明第二实施例双吊具或双罐笼曳引驱动结构示意图；

图3为本发明第三实施例的储能系统的储能模块结构示意图；

图4为本发明第三实施例两台重力储能机组和飞轮机组匹配运行输出功率特性图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明的重力结合飞轮的综合物理储能系统包括重力储能系统和飞轮储能系统，重力储能系统包括重力储能电机1、提升机2、钢缆3、自动吊具4、重物块5、竖井6、重力机侧变流器7。所述飞轮储能系统包括储能飞轮转子8、飞轮主轴9、储能飞轮电机10、轴承11、真空室12、防护外壳13、储能飞轮机侧变流器14。所述综合物理储能系统还可包括调频飞轮模块，所述调频飞轮模块包括调频飞轮转子19、飞轮主轴20、调频飞轮电机21、轴承22、真空室23、防护外壳24、调频飞轮机侧变流器25。所述综合物理储能系统还包括储能侧直流母线15、储能网侧变流器16、能量管理系统17、调频侧直流母线26、调频网侧变流器27、控制器28等。

所述重力储能模块的提升机2通过绞线盘中的钢缆3连接自动吊具4上的重物块5，并与重力储能电机1相连，重力储能电机1与重力机侧变流器7相连，然后连接至储能侧直流母线15，最终连接到电网18。所述提升机2为塔吊结构，或为卷扬机结构，或为龙门结构，可以实现重物5的稳定升降，也可以通过自身旋转实现重物5在地面上的快速排列，实现重物5从排列位置到竖井6上空所用时间较短。自动吊具4用于承接重物5，可以平稳升降。

所述储能飞轮转子8通过飞轮主轴9与轴承11、储能飞轮电机10相连，储能飞轮电机10与储能飞轮机侧变流器14相连，然后连接至储能侧直流母线15，最终连接到电网18。

所述能量管理系统17的输入端与电网18相连，输出端与控制器28相连；控制器28与重力机侧变流器7、储能飞轮机侧变流器14、储能网侧变流器16、调频飞轮机侧变流器25、调频网侧变流器27相连。所述能量管理系统17可以发出储能、放能、调频等不同的指令进行调度管理，调度指令通过控制器28将控制信号输送给不同的模块，实现不同的功能。

所述重力储能模块中的竖井6可以是废弃且合适的矿井，也可以是专门为重物5的升降而选择合适的地质进行建造的。所述重力储能电机1为低速大扭矩电机，或为三相异步电机，或为永磁直驱电机，或为半直驱电机，可工作于发电机和电动机模式。所述的重力储能模块是实现能量存储的主要路径，可以通过改变竖井6的高度、单个重物5的质量和重物5的数量实现存储功率和能量的调节。所述的飞轮储能模块的主要作用是补偿和平衡重力储能模块发电的波动性和间歇性，实现电能的长时间、高质量、稳定输送至电网18。

当所述的重力结合飞轮的综合物理储能系统需要存储能量时，所述的能量管理系统17对控制器28发出调度信号，然后控制器28控制储能网侧变流器16从电网18侧吸收电能；所述重力储能模块由重力机组的重力储能电机1提升重物5至高处，将电能转换为重力势能进行能量存储。

飞轮储能模块通过储能飞轮电机10带动储能飞轮转子8旋转，通过提升储能飞轮转子8的转速实现电能转换为动能进行能量存储，此时电机工作于电动机模式。飞轮储能模块通过飞轮主轴9将储能飞轮转子8、储能飞轮电机10、轴承11等部件连接起来，能量管理系统17发出调度指令，通过控制器28控制储能飞轮机侧变流器14,改变储能飞轮转子8的转速实现电能的储存和释放，并且可以通过储能飞轮转子8转速改变的大小实现不同功率电能的释放；所述的飞轮储能模块单台机组设计的额定输出功率为重力储能模块单台机组额定输出功率的100％。飞轮储能机组的储能飞轮电机10为永磁直驱高速电机，可工作于电动机和发电机模式；储能飞轮机侧变流器14要有较快的响应速度，配合飞轮储能模块实现快速响应，进行功率的及时补偿。所述调频飞轮转子19通过飞轮主轴20与轴承22、调频飞轮电机21相连，调频飞轮电机21与调频飞轮机侧变流器25相连，然后连接至调频侧直流母线26；调频侧直流母线26与调频网侧变流器27相连，最终连接到电网18。所述调频飞轮模块可以通过调节调频飞轮转子19的转速实现不同功率的吸收和释放，从而根据能量管理系统17的调度指令和控制器28的控制信号进行电网18的调频。

当所述综合储能系统需要释放能量时，所述的能量管理系统17对控制器28发出调度信号，然后控制器28控制重力机侧变流器7、储能飞轮机侧变流器14工作。提升机2将重物5下放至井底，拖动重力储能电机1实现重力势能转换为电能，通过重力机侧变流器7传输至储能侧直流母线15。

而所述飞轮储能模块通过改变储能飞轮转子8的转速实现动能转换为电能，通过储能飞轮机侧变流器14传输至储能侧直流母线15，然后通过储能网侧变流器16回馈到电网18，此时电机工作于发电机模式。

当所述的综合物理储能系统接入的电网18频率出现波动时，能量管理系统17向控制器28发出调度信号，调频飞轮电机21带动调频飞轮转子19改变转速，通过转速的改变调节调频飞轮系统的输出功率，然后控制器28控制调频轮机侧变流器25、调频网侧变流器27的运行，实现电网18的频率调节。

所述综合物理储能系统的多种运行工况包括：

运行工况1：储能阶段中，电网18侧通过储能网侧变流器16装置向重力储能模块和飞轮储能模块供电，实现电能存储；该工作模式适用于电网18负荷需求较低，发电功率大于用电功率的情况，实现多余电能的时空转移；在能量管理系统17的调度和控制器28的控制下，电网18侧通过储能网侧变流器16将电能转换为直流电至储能侧直流母线15，然后通过机侧变流器分别供给重力和飞轮储能模块；其中，重力储能模块通过重力储能电机1带动提升机2的自动吊具4将井底的重物5提升至地面进行规律化排列，实现电能到重力势能的转换；飞轮储能模块的储能飞轮电机10通过高速运转带动储能飞轮转子8实现转速的提升，实现电能到动能的转换。储能侧电机均处于电动机模式。

运行工况2：释能阶段中，储能侧产生电能通过变流器装置向电网18供电，实现电能释放；该工作模式适用于电网18负荷需求较高，发电功率小于用电功率的情况，实现电网18电能的及时补充。在能量管理系统17的调度和控制器28的控制下，重力储能模块通过提升机2的自动吊具4将地面上的重物5下降至井底，拖动重力储能电机1发电，然后经过重力机侧变流器7传输至储能侧直流母线15；飞轮储能模块通过降低储能飞轮转子8转速拖动储能飞轮电机10发电，然后经过储能飞轮机侧变流器14传输至储能侧直流母线15；最后通过储能网侧变流器16输送到电网18。储能侧电机均处于发电机模式。

运行工况3：调频阶段中，调频飞轮模块通过调频飞轮转子19转速的改变实现输出或者输入功率的改变，从而调节所连接电网18的频率；该工作模式适用于电网18频率出现波动的情况，实现电网18频率长期保持稳定。储能侧的模块工作状态不变，能量管理系统17向控制器28发出调度指令，控制器28向调频飞轮模块发出控制信号，控制调频飞轮电机21带动调频飞轮转子19改变转速，通过转速的改变调节调频飞轮系统的输出功率，实现电网18的频率调节。

如图2所示，重力储能模块可以是双吊具或双罐笼曳引驱动模式和结构。所述的重力储能模块的单吊具曳引驱动结构的工作间歇时间较长，输出功率的占空比在70％-80％范围内。而双吊具或双罐笼曳引驱动结构的工作间歇时间较短，输出功率的占空比在80％-90％范围内，提高了重力机组工作的连续性，同时减少飞轮储能系统对整体系统输出功率的补偿时间和补偿功率，提高系统整体的稳定性。所述双吊具或双罐笼曳引结构可以是用两个井道实现，也可以用一个井道实现。当双吊具或双罐笼在一个井道时，重力储能电机102通过钢缆104和天轮组101连接井道里的两个吊具或罐笼103里，吊具或罐笼103承载着重物105，多个重物105存储在巷道106中。当一个吊具或罐笼103载重下降时，另一个吊具或罐笼103则空载上升，消除单个重力储能模块因吊具或罐笼103空载上升产生的时间间歇。

如图3所示，综合物理储能系统的工作结构主要由重力储能模块、飞轮储能模块以及相应的变流和控制装置构成，其主要的结构和运行工况与图1类似。

实施例1：

如图1所示的综合物理储能系统的重力储能模块、飞轮储能模块和调频飞轮模块的工作结构示意图，所述综合物理储能系统的调频功能主要是由调频飞轮模块实现的。在调频过程中，重力储能模块、飞轮储能模块工作状态基本保持不变，能量管理系统17监测到电网18功率波动时，向控制器28发出调度信号，控制器28根据调度信号向调频飞轮模块发出控制信号，控制调频飞轮模块中的调频飞轮机侧变流器25和调频网侧变流器27，反馈控制调频飞轮电机21带动调频飞轮转子19改变转速，通过转速的改变调节调频飞轮系统的输出功率，然后通过调频网侧变流器27输出到电网18，完成调频工作。

实施例2：

如图2所示的重力储能模块的双吊具或双罐笼曳引驱动结构示意图，所述重力储能模块可以采用双吊具或双罐笼曳引驱动模式和结构。双吊具或双罐笼曳引结构需要井壁103将两个井道隔开，而重力储能电机102通过钢缆104和天轮组101连接井道里的两个吊具或罐笼103，吊具或罐笼103承载着重物105，多个重物105存储在巷道106中。当一个吊具或罐笼103载重下降时，另一个吊具或罐笼103则空载上升，从而消除单个重力储能模块因空载上升造成的时间间歇。

实施例3：

如图3所示的综合物理储能系统的储能模块的工作结构示意图，所述综合物理储能系统中的重力储能模块和飞轮储能模块都是由单台或者多台储能机组组合而成的集成模块，在结构示意图中只是以两个储能模块均使用单台机组的情况进行举例。

如图4是两台重力储能机组和单台飞轮储能机组匹配运行的输出功率特性图。

在单独的重力储能模块中，重力储能机组是模块化设计的。单个重力储能机组设置的额定输出功率为1MW，机组输出功率随时间的变化呈现梯形分布，即在1分钟内从零加速到最高速，或者从最高速减速到零，六分钟保持最高速持续下降，两分钟空载上升至地面并挂载新的重物重复上述过程。单个飞轮储能机组设置的额定输出功率也是1MW，为重力储能模块的单机组的额定输出功率。

在本发明中，飞轮储能机组对重力储能机组输出功率进行补偿，即在重力储能机组输出功率没有达到额定功率时，通过飞轮机组的功率输出使整个系统对电网侧供电功率一直保持在1MW的额定功率，实现稳定的功率输出。重力储能模块的储能容量为4MWh，即综合物理储能系统可以在额定输出功率下持续运行4小时。

在图3所示的输出功率特性图可以看出，单独的重力储能模块对电网输出的功率存在周期性的间歇波动，而利用本发明的系统，在储能容量与单独的重力储能相同的情况下，其对电网输出的功率一直保持在额定功率。因此本发明所述的重力结合飞轮综合物理储能系统，可以在保证装置使用寿命的同时，实现对电网的长时间、大功率的稳定输出。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。