在电力现货市场中实现火电机组黑启动的分布式储能系统的制作方法

1.本实用新型属于电力现货市场环境下火力发电技术领域，涉及火力发电机组黑启动技术，尤其是一种在电力现货市场中实现火电机组黑启动的分布式储能系统。


背景技术：

2.电力现货市场包括电能量、调频、备用、黑启动等细分市场产品，其中黑启动是重要的辅助服务品种之一，通过支付具备黑启动能力的发电机组费用，促进发电机组通过如加装储能等技术手段的改造，使系统能够具备更强的黑启动功能。
3.随着电力系统电源结构发生的重大变革，以风电、光伏为代表的新能源发电大规模接入电网，传统火电机组占比越来越低。同时，由于风电、光伏等新能源发电不具备稳定的一次能源，无法承担全网可靠的可调电源、后备电源和黑启动电源的作用。火电机组在装机占比不断下降的同时，对其调节的灵活性、快速性要求不断提高，火电机组在发电职能不断削弱的同时，系统对其辅助服务的需求在不断提高，这就包括黑启动、调峰、调频等一系列辅助服务功能。
4.传统火电机组采用柴油机组提供黑启动电源，存在能耗高，柴油储备成本高等缺点。同时柴油机组无法提供额外的调峰、调频能力。
5.现有火电厂电池储能装置提供机组黑启动，以及调峰调频功能均采用在火电机组高压厂用段或机端出口接入点集中配置大容量储能装置的方案。由于火电机组黑启动时间长(6至8 小时)，负荷容量大，实现黑启动功能所需配置的储能装置容量大，通常典型的30万火电机组实现黑启动功能需要配置的储能装置容量可达20mw/60mwh以上。电池储能装置采用基于电力电子的逆变器设备并网，与传动柴油发电机组等同步发电机组相比，电池储能装置具有单体功率容量较小(通常在2mw～3mw以下)，无功能力有限，冲击性负荷耐受性差等特点。采用集中式储能装置实现黑启动功能，需要有多组电池储能装置并联运行才能满足火电机组黑启动所需的功率容量，该集中式储能装置的系统拓扑如图1所示。
6.在火电机组黑启动过程中，大量电机、变压器等具有无功负荷和冲击电流大的负荷特征，通常其冲击电流需求是稳定运行功率容量的3到5倍。火电机组黑启动过程中，储能装置需要运行在电压源模式，并且要求满足火电机组黑启动过程中厂用负荷投入产生的巨大冲击电流和无功功率需求。上述黑启动方案存在供电线路长、储能装置以电压源同步困难、冲击电流和无功功率容量大的一些列问题。极易发生由于储能装置在电压源同步运行、冲击电流响应、无功控制等原因，导致机组黑启动失败，事实上降低了火电机组黑启动功能的可靠性。
7.如图1所示，集中式储能系统中的火电机组辅助设备通过高压厂用变压器下厂用高压段供电，包括供煤回路(输煤电机、磨煤电机)、供风回路(风机)、供水回路(水泵电机)等。上述辅助设备用电完成供煤、供风、供水功能，为火电机组锅炉与蒸汽轮机提供一次能源，进而由蒸汽轮机推动发电机组完成并网发电。
8.集中式储能装置作为黑启动电源配置在高压厂用段下，由多台储能单元bess-1至
bess-n 并联构成，以满足黑启动与调峰调频对电池储能系统的总容量需求。电池储能系统包括多台储能电池bat-1至bat-n，以及储能逆变器pcs-1至pcs-n，每组储能电池与储能逆变器构成 1组储能单元。
9.火电机组黑启动过程中，厂用段进线k00开关断开，集中式储能装置作为黑启动电源以电压源方式启动运行，向高压厂用段供电，形成局部孤岛电网环境。按生产工艺要求依次启动各辅助回路供电完成供煤、供风、供水，然后火电机组锅炉与蒸汽轮机启动运行，带动发电机组运行逐渐达到同步转速。随后，集中式储能装置控制输出电压波形与发电机组输出达到同步运行(同电压幅值、同电压相位)，闭合厂用段进线k00开关，完成由火电机组向厂用段供电，黑启动过程完成。
10.采用上述集中式储能装置方案的黑启动过程中，对储能装置设备提出更高要求，并且面临多个高风险点，包括：(1)多台储能逆变器需要以电压源模式同步启动，对储能逆变器的控制精度、速率与同步速率提出更高要求，并且存在同步失败和储能逆变器间环流失控的风险；(2)变压器、电机启动过程中，交流侧产生大的启动冲击电流和无功负荷，对储能逆变器的无功容量与耐冲击电流能力提出更高要求，并且存在储能逆变器无功容量与耐冲击能力不足导致储能装置停机的风险；(3)高压厂用段进线k00开关闭合过程中，对储能逆变器同步精度提出更高要求，并且存在同步失败和闭合冲击过大导致黑启动失败的风险。
11.更进一步的，在集中式储能装置进线回路安装储能装置实时储能装置实时功率计量表计，用于实时测量集中式储能装置充放电功率。在发电机组正常并网运行过程中，主控制单元监控集中式储能装置实时充放电功率信号，并下发储能装置充放电功率指令，即电网要求火电机组升出力时控制储能站装置按设定功率放电运行，电网要求火电机组降出力时控制储能装置按设定功率充电运行，从而控制集中式储能装置配合火电机组完成电网调峰调频指令任务。


技术实现要素：

12.本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种在电力现货市场中实现火电机组黑启动的分布式储能系统，解决集中式储能装置在火电机组黑启动过程中的技术风险和黑启动失败风险的问题。
13.本实用新型解决现有的技术问题是采取以下技术方案实现的：
14.一种实现火电机组黑启动的分布式储能系统，包括发电机组、机组辅机负荷设备、分布式储能装置、储能装置实时功率计量表计和主控制单元；所述发电机组一侧通过主变压器连接电网，另一侧连接机组辅机负荷设备，所述机组辅机负荷设备通过厂用段进线k00开关、厂用变压器及主变压器与电网相连接；所述分布式储能装置分布安装在各个机组辅机负荷设备上，所述储能装置实时功率计量表计安装在各分布式储能装置的进线回路上，用于实时测量分布式储能装置充放电功率；所述主控制单元与储能装置实时功率计量表计及分布式储能装置相连接，通过实时测量分布式储能装置充放电功率并对分布式储能装置进行控制，实现发电机组黑启动功能。
15.进一步，所述分布式储能装置由交流侧ac/dc模块、储能电池bat及电机侧dc/ac模块连接构成，所述电机侧dc/ac模块与机组辅机负荷设备的电机相连接，用于实现对机组辅
机负荷设备电机的变频驱动功能；所述交流侧ac/dc模块与交流电相连接，用于实现对储能电池bat的充放电功能；所述储能电池bat则实现对直流母线的支撑功能以及交流侧与电机侧的隔离功能。
16.进一步，所述机组辅机负荷设备包括输煤电机、磨煤电机、鼓风电机和水泵电机。
17.本实用新型的优点和积极效果是：
18.1、本实用新型的各辅机负荷设备由储能电池bat直流启动，并且各辅机负荷设备可独立启动互不影响，无需在厂用高压段建立孤网电压环境，从而避免了集中式电池储能装置作为黑启动电源需要多台储能逆变器以电压源同步启动的技术难点和风险。
19.2、本实用新型的各辅机负荷设备由储能电池bat直流启动，避免了变压器、电机启动过程中，交流侧产生大的启动冲击电流和无功负荷。
20.3、本实用新型的发电机组达到同步转速后，闭合厂用段进线开关k00，此时各辅助设备交流侧ac/dc处于停机状态，高压厂用段为零负荷闭合启动，且无需同步过程，避免了同步失败和闭合冲击过大导致黑启动失败的风险。
21.4、本实用新型设计合理，降低了采用大规模集中式储能系统实现黑启动功能的技术难度、风险以及黑启动失败概率，能够为发电企业在电力现货市场中实现黑启动功能，获得辅助服务中黑启动的服务收入，避免黑启动失败导致发电企业承担的巨额罚款，同时在电力系统层面，使系统提供更多黑启动资源，保证电力系统长期安全可靠运行。
附图说明
22.图1为现有集中式储能装置的系统连接视图；
23.图2为本实用新型的分布式储能装置的系统连接示意图。
具体实施方式
24.以下结合附图对本实用新型实施例做进一步详述。
25.本实用新型提出一种在电力现货市场中实现火电机组黑启动的分布式储能系统，如图2 所示，包括发电机组、机组辅机负荷设备、分布式储能装置、储能装置实时功率计量表计和主控制单元。所述发电机组一侧通过主变压器连接电网，另一侧连接机组辅机负荷设备，所述机组辅机负荷设备通过厂用段进线k00开关、厂用变压器及主变压器与电网相连接。所述分布式储能装置分布安装在各个机组辅机负荷设备上，机组辅机负荷设备包括输煤电机、磨煤电机、鼓风电机及水泵电机等。所述储能装置实时功率计量表计安装在各分布式储能装置的进线回路上，用于实时测量分布式储能装置充放电功率。所述主控制单元与储能装置实时功率计量表计及分布式储能装置相连接，通过实时测量分布式储能装置充放电功率并对分布式储能装置进行控制。
26.所述分布式储能装置采用ac/dc-bat-dc/ac两级架构，即：由交流侧ac/dc模块、储能电池bat及电机侧dc/ac模块连接构成，所述电机侧dc/ac模块与机组辅机负荷设备的电机相连接，用于实现对负荷设备电机m的变频驱动功能；所述交流侧ac/dc模块与交流电相连接，用于实现对储能电池bat的充放电功能；所述储能电池bat则实现对直流母线的支撑功能以及交流侧与电机侧的隔离功能。
27.在火电机组黑启动过程中，分散配置于各辅机负荷设备上的电池储能装置以储能
电池bat 为电源启动电机侧dc/ac模块，进而启动辅机负荷设备电机，交流侧ac/dc模块则处于停机状态。按火电机组生产工艺要求依次启动各辅助回路供电完成供煤、供风、供水，然后火电机组锅炉与蒸汽轮机启动运行，带动发电机组运行逐渐达到同步转速。随后，闭合厂用段进线k00开关，完成由火电机组向厂用段供电。此后，启动分布式电池储能装置交流侧ac/dc 模块，发电机组黑启动过程完成。
28.由于发电机组各负荷设备在机组并网运行时负荷功率基本稳定不变，而储能电池bat可以提供能量支撑和调节容量，从而允许电机侧dc/ac模块与交流侧ac/dc模块处于不同的运行功率水平，即分布式储能装置交流侧ac/dc可以根据电网需求调节交流侧运行功率。因此，在分布式储能装置各分支进线回路安装储能装置实时功率计量表计，用于实时测量分布式储能装置充放电功率。在发电机组正常并网运行过程中，主控制单元监控分布式储能装置实时充放电功率信号，并下发分布式储能装置充放电功率指令，即电网要求火电机组升出力时控制储能站装置按设定功率放电运行，电网要求火电机组降出力时控制储能装置按设定功率充电运行，从而控制分布式式储能装置配合火电机组完成电网调峰调频指令任务。
29.需要强调的是，本实用新型所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本实用新型包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本实用新型的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本实用新型保护的范围。

技术特征：
1.一种在电力现货市场中实现火电机组黑启动的分布式储能系统，其特征在于：包括发电机组、机组辅机负荷设备、分布式储能装置、储能装置实时功率计量表计和主控制单元；所述发电机组一侧通过主变压器连接电网，另一侧连接机组辅机负荷设备，所述机组辅机负荷设备通过厂用段进线k00开关、厂用变压器及主变压器与电网相连接；所述分布式储能装置分布安装在各个机组辅机负荷设备上，所述储能装置实时功率计量表计安装在各分布式储能装置的进线回路上，用于实时测量分布式储能装置充放电功率；所述主控制单元与储能装置实时功率计量表计及分布式储能装置相连接，通过实时测量分布式储能装置充放电功率并对分布式储能装置进行控制，实现发电机组黑启动功能。2.根据权利要求1所述的在电力现货市场中实现火电机组黑启动的分布式储能系统，其特征在于：所述分布式储能装置由交流侧ac/dc模块、储能电池bat及电机侧dc/ac模块连接构成，所述电机侧dc/ac模块与机组辅机负荷设备的电机相连接，用于实现对机组辅机负荷设备电机的变频驱动功能；所述交流侧ac/dc模块与交流电相连接，用于实现对储能电池bat的充放电功能；所述储能电池bat则实现对直流母线的支撑功能以及交流侧与电机侧的隔离功能。3.根据权利要求1所述的在电力现货市场中实现火电机组黑启动的分布式储能系统，其特征在于：所述机组辅机负荷设备包括输煤电机、磨煤电机、鼓风电机和水泵电机。

技术总结
本实用新型涉及一种在电力现货市场中实现火电机组黑启动的分布式储能系统，其技术特点是：分布式储能装置分布安装在各个机组辅机负荷设备上，储能装置实时功率计量表计安装在各分布式储能装置的进线回路上，用于实时测量分布式储能装置充放电功率；主控制单元与储能装置实时功率计量表计及分布式储能装置相连接，通过实时测量分布式储能装置充放电功率并对分布式储能装置进行控制，实现发电机组黑启动功能。本实用新型降低了采用大规模集中式储能系统实现黑启动功能的技术难度、风险以及黑启动失败概率，能够为发电企业在电力现货市场中实现黑启动功能，获得辅助服务中黑启动的服务收入，保证电力系统长期安全可靠运行。保证电力系统长期安全可靠运行。保证电力系统长期安全可靠运行。


技术研发人员：王金鑫 王琪 李东 于福荣 刘海 任婧媛 彭鹏 张潇 王澍 蒋子彦
受保护的技术使用者：北京京能电力股份有限公司
技术研发日：2021.12.01
技术公布日：2022/5/25