核电调频系统及方法

技术领域

本发明涉及电网调频技术领域，具体涉及一种核电调频系统及方法。

背景技术

目前，可再生能源的应用规模与比例大幅提升，而间歇性是风电、光伏等可再生能源的一大特点，无法像传统化石能源发电随时间稳定输出，而是具有波动性与随机性。

随着核电机组装机容量不断增大，作为基荷的核电也将势必需要配合电网进行调峰调频。而目前核电机组处于机组寿命、安全性和经济性多方面考虑，基本不参与电网的调峰调频。

基于此，本申请发明人提出一种核电调频系统及方法，以期解决上述技术问题中的一个或多个。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中核电与电网调频之间实施困难的缺陷，提供一种核电调频系统及方法。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

本发明提供了一种核电调频系统，其特点在于，包括：

电网，用于下发调频指令；

指令分解器，用于将所述电网下发的调频指令进行解耦为高频指令和低频指令；

飞轮组，包括至少一个功率型飞轮和/或至少一个能量型飞轮，所述功率型飞轮或所述能量型飞轮用于接收所述调频指令。

根据本发明的一个实施例，所述飞轮组包括功率型飞轮组和能量型飞轮组，每一所述功率型飞轮组包括至少一个所述功率型飞轮，每一所述能量型飞轮组包括至少一个所述能量型飞轮。

根据本发明的一个实施例，所述功率型飞轮组和所述能量型飞轮组与所述指令分解器之间均设有充放电控制器。

根据本发明的一个实施例，所述功率型飞轮用于接收所述高频指令，所述能量型飞轮用于接收所述低频指令。

根据本发明的一个实施例，每一所述功率型飞轮组包括至少两个并联的所述功率型飞轮；

每一所述能量型飞轮组包括至少两个并联的所述能量型飞轮。

根据本发明的一个实施例，每一所述功率型飞轮组中的所述功率型飞轮同时充放电；

每一所述能量型飞轮组中的所述能量型飞轮同时充放电。

根据本发明的一个实施例，相邻所述功率型飞轮组之间依次充放电；

相邻所述能量型飞轮组之间依次充放电。

根据本发明的一个实施例，每一所述功率型飞轮组包括至少两组并联的功率型飞轮单元，每一所述功率型飞轮单元包括至少两个串联的所述功率型飞轮；

每一所述能量型飞轮组包括至少两组并联的能量型飞轮单元，每一所述能量型飞轮单元包括至少两个串联的所述能量型飞轮。

本发明还提供了一种核电调频方法，其特点在于，采用如上所述的核电调频系统实现，所述方法包括：

步骤1、接收电网发送的调频指令；

步骤2、对所述调频指令进行解耦为高频指令和低频指令；

步骤3、将所述高频指令发送至功率型飞轮组对应的充放电控制器，将所述低频指令发送至能量型飞轮组对应的充放电控制器。

根据本发明的一个实施例，所述步骤3中，利用所述充放电控制器指定控制策略，并使得所述功率型飞轮组和所述能量型飞轮组依次充放电。

根据本发明的一个实施例，所述步骤3中，每一所述功率型飞轮组中包括至少两个功率型飞轮，且至少两个所述功率型飞轮同期转速一致；

每一所述能量型飞轮组中包括至少两个能量型飞轮，且至少两个所述能量型飞轮同期转速一致。

本发明的积极进步效果在于：

本发明核电调频系统利用飞轮组参数核电调频，且将功率型飞轮和能量型飞轮进行合理组合，大大提升了核电机组的调频能力，如此有利于响应电网需求，灵活调整电力输出，确保核电机组满功率发电，避免核电机组因一次调频影响寿命等风险。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1为本发明核电调频系统的结构示意图；

图2为本发明功率型飞轮组的结构示意图；

图3为本发明能量型飞轮组的结构示意图；

图4为本发明功率型飞轮组充电状态示意图；

图5为本发明能量型飞轮组充电状态示意图；

图6为本发明一实施方式核电调频系统的结构示意图；

图7为本发明功率型飞轮组另一实施方式的排布阵列图；

图8为本发明能量型飞轮组另一实施方式的排布阵列图；

图9为本发明核电调频方法的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请；本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

飞轮储能系统是一种机电能量转换的储能装置，突破了化学电池的局限，用物理方法实现储能。

具体地，通过电动/发电互逆式双向电机，电能与高速运转飞轮的机械动能之间的相互转换与储存，并通过调频、整流、恒压与不同类型的负载接口。

在储能时，电能通过电力转换器变换后驱动电机运行，电机带动飞轮加速转动，飞轮以动能的形式把能量储存起来，完成电能到机械能转换的储存能量过程，能量储存在高速旋转的飞轮体中。之后电机维持一个恒定的转速，直到接收到一个能量释放的控制信号。

在释能时，高速旋转的飞轮拖动电机发电，经电力转换器输出适用于负载的电流与电压，完成机械能到电能转换的释放能量过程。整个飞轮储能系统实现了电能的输入、储存和输出过程。

也即，随着储能技术的发展，尤其是先进物理储能技术的进步，核电机组通过增配储能模块，可以大大提升调峰调频能力，进而参与电网的辅助服务。

而且，储能系统的加入，使热动系统的运行不会实时影响反应堆，可以实现热动系统负荷跟踪而反应堆满功率运行。

核电站与储能的结合增强了核电站运行的经济性和灵活性，核电站一次投入大、边际成本低，保持满功率运行可以提升经济性。而且，储能系统的加入也可以使得核电站与功能端的新能源耦合、与应用端的多用途耦合更加灵活安全。

飞轮储能系统作为一种重要的物理储能方式，利用飞轮转子的升、降速实现电能-机械能的双向流动，具有单体容量大、状态可全监控，具有功率密度高、允许短时间大电流充放电、寿命长、温度适应性好等优点。

具体地，飞轮储能进一步可以分为功率型储能和能量型储能，而即将功率型和能量型储能系统耦合，可以充分发挥各自优势，进而有效提升飞轮阵列的应用场景，尤其是辅助核电机组开展调频电网辅助服务。

请参照图1至图3，本发明提出一种核电调频系统，包括电网、指令分解器和飞轮组，电网用于下发调频指令。指令分解器用于将电网下发的调频指令进行解耦为高频指令和低频指令。飞轮组包括至少一个功率型飞轮和/或至少一个能量型飞轮，功率型飞轮或能量型飞轮用于接收调频指令。

也即，飞轮组可以单独包括至少一个功率型飞轮，也可以单独包括至少一个能量型飞轮，也可以同时具备至少一个功率型飞轮和至少一个能量型飞轮，由此将功率型飞轮和能量型飞轮进行合理组合，便可以满足核电机组一次调频要求的储能调频系统，大大提升核电机组一次调频能力。

在一个实施方式中，飞轮组包括功率型飞轮组和能量型飞轮组，每一功率型飞轮组包括至少一个功率型飞轮，每一能量型飞轮组包括至少一个能量型飞轮。

由指令分解器接收电网的调频指令，指令分解器将调频指令解耦为高频指令和低频指令，并将高频指令传输至功率型飞轮组，而将低频指令传输至能量型飞轮组。

对于功率型飞轮组，其响应速度快、充放电时间短，所以优先承担高频小幅电网调频指。对于能量型飞轮组，其响应速度相对较慢，但储能容量大，充放电时间长，所以承担低频大幅度电网调频指令。

进一步地，对于功率型飞轮组和能量型飞轮组与指令分解器之间均设有充放电控制器。

具体地，充放电控制器选用储能变流器(Power Conversion System，PCS)，PCS是连接储能系统与电网的双向电流可控转换装置，能够在电网和储能系统间精确快速地调节电压、频率、功率，实现恒功率、恒流充放电以及平滑波动性电源输出。储能变流器作为储能集成系统中重要的能量转换装置，在提升电能质量和传输效率，保证电网稳定安全方面起到重要作用。

需要说明的是，功率型飞轮用于接收高频指令，能量型飞轮用于接收低频指令。

当高频指令传输至功率型飞轮组时，指定控制策略，由功率型飞轮依次充放电。同理，当低频指令传输至能量型飞轮阵列，指定控制策略，由能量型飞轮依次充放电，如此可以保证单个飞轮的充放电深度。

请继续参照图2和图3，在一个实施方式中，每一功率型飞轮组包括至少两个并联的功率型飞轮；每一能量型飞轮组包括至少两个并联的能量型飞轮。

也即，对于功率型飞轮组，单个充放电控制器连接并联的至少两个功率型飞轮。同理，对于能量型飞轮，单个充放电控制器连接并联的至少两个能量型飞轮。

请参照图4和图5，对于并联的至少两个能量型飞轮，其同时充放电。即任一时刻，各个能量型飞轮的转速一致，如此有利于能量型飞轮组的能量管理以及寿命管理。同理，对于并联的至少两个功率型飞轮，其也同时充放电。即任一时刻，各个功率型飞轮的转速一致，如此有利于功率型飞轮组的能量管理以及寿命管理。

因为能量型飞轮组和功率型飞轮组的数量也不止一个。当能量型飞轮组和功率型飞轮组的数量至少两个时，相邻的能量型飞轮组和相邻的功率型飞轮组均依次充放电，由此便于对能量型飞轮组和功率型飞轮组的能量进行管理。

请参照图6至图8，具体地，参照图6，当飞轮单机储能容量足够大时，每一功率型飞轮组可以只包括一个功率型飞轮，能量型飞轮组可以只包括一个能量型飞轮。

请参照图7和图8，在一个实施方式中，每一功率型飞轮组包括至少两组并联的功率型飞轮单元，每一功率型飞轮单元包括至少两个串联的功率型飞轮。每一能量型飞轮组包括至少两组并联的能量型飞轮单元，每一能量型飞轮单元包括至少两个串联的能量型飞轮。

也即，对于单机功率较小的功率型飞轮，可以将多个功率型飞轮串联后形成功率型飞轮单元，然后多个功率型飞轮单元之间再进行并联。同理，对于单机功率较小的能量型飞轮，可以通过多个能量型飞轮串联后形成能量型飞轮单元，然后多个能量型飞轮单元之间再进行并联。

在一个实施方式中，根据GB/T 4595-2021并网电源一次调频技术规定及试验导则，核电机组一次调频功率变化幅度应不小于6％额定有功功率。因此对于一台百万功率的核电机组，飞轮阵列储能量不低于60MW。

根据功率型飞轮和能量型飞轮，优选选择单机500KW的功率型飞轮和单机2MW的能量型飞轮组成飞轮阵列。其中功率型飞轮共20台，每4台组成一个功率型飞轮组，一共有5个功率型飞轮组，总的储能容量为10MW。能量型飞轮共25台，每5台组成一个能量型飞轮组，一共5个能量型飞轮组，总的储能容量为50MW。

设置核电机组一次调频死区为±0.033HZ，根据飞轮阵列容量配置，则高频调频指令f(x)设置如下：

低频调频指令g(x)设置如下:

需要说明的是，对于上述方案，对于飞轮阵列容量可以按照实际调频需求进行变动，对于能量型飞轮组中能量型飞轮的数量，以及对于功率型飞轮组中功率型飞轮的数量均可以变动，具体数量不做限定。飞轮阵列容量变动的同时，对于高频调频指令和低频调频指令的计算公式也会相应变化，具体可以按照实际情况进行调整，如上仅为示例，并非对能量型飞轮组和功率型飞轮组的数量进行限定。

综上，本发明提供将功率型飞轮和能量飞轮进行合理组合，形成满足核电机组一次调频要求的储能调频系统，大大提升了核电机组一次调频能力。

本发明核电机组在±6％额定有功功率范围，可以响应电网需求，灵活调整电力输出，确保核电机组满功率发电，避免机组因一次调频影响寿命等风险。

本发明提出将功率型飞轮和能量型飞轮耦合应用，有利于同时推动两个技术路线的发展，并且利用各自优势，提升核电机组一次调频电力质量。

请参照图9，在一个实施方式中，本发明还提出一种核电调频方法，采用如上的核电调频系统实现，方法包括：

S1、接收电网发送的调频指令。

S2、对调频指令进行解耦为高频指令和低频指令。

S3、将高频指令发送至功率型飞轮组对应的充放电控制器，将低频指令发送至能量型飞轮组对应的充放电控制器。

也即，先对电网发送的调频指令进行解耦，并将高频指令传输至功率型飞轮组，将低频指令传输至能量型飞轮组，通过将功率型飞轮组和能量型飞轮组进行合理组合，形成满足核电机组一次调频要求的储能调频系统，大大提升核电机组一次调频能力。

具体地，本发明利用充放电控制器指定控制策略，并使得功率型飞轮组和能量型飞轮组依次充放电。

进一步地，每一功率型飞轮组中包括至少两个功率型飞轮，且至少两个功率型飞轮同期转速一致；每一能量型飞轮组中包括至少两个能量型飞轮，且至少两个能量型飞轮同期转速一致。

如此，有利于对功率型飞轮组和能量型飞轮组进行能量管理以及寿命管理。

而且，因为能量型飞轮组和功率型飞轮组的数量也不止一个。当能量型飞轮组和功率型飞轮组的数量至少两个时，相邻的能量型飞轮组和相邻的功率型飞轮组均依次充放电，由此便于对能量型飞轮组和功率型飞轮组的能量进行管理。

在本申请实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，技术术语“安装”“相连”“连接”“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；也可以是机械连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

本申请中使用了流程图用来说明根据本申请的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或下面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按照倒序或同时处理各种步骤。同时，或将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。