[发明专利]一种重力结合飞轮的综合物理储能系统及储能方法

说明书

本发明提供一种重力结合飞轮的综合物理储能系统及储能方法。其中重力储能模块包括重力储能电机、提升机、钢缆、吊具、重物块、竖井等；飞轮储能模块包括储能飞轮转子、飞轮主轴、储能飞轮电机、轴承、真空室、防护外壳等；调频飞轮模块结构与飞轮储能模块相同；综合物理储能系统还包括机侧变流器、网侧变流器、直流母线、能量管理系统、控制器等。本发明通过重力和飞轮储能系统的协同配合实现长时间向电网稳定放电，避免重力储能机组的频繁启停和间歇性对电网和系统本身造成的影响。在实现储能的同时，配备专用的调频飞轮完成储能系统所接电网的调频功能，在保证输出功率稳定的同时，也实现电网频率的稳定，从而提高电网的运行安全性和可靠性。

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。