CN101710710B - 一种风电场功率输出平衡系统及其工作方法 - Google Patents

一种风电场功率输出平衡系统及其工作方法 Download PDF

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Abstract

一种风电场功率输出平衡系统，它由风速采集转化电路、实际风电场模拟模块、差动放大电路、比较电路、控制电路、变流器及包括斩波器、滤波器与反馈电路构成的超导磁储能装置组成。一种上述所说的风电场功率输出平衡系统的工作方法包括以下步骤：(1)将风信号转变成电信号；(2)产生与实际风电场输出变化规律完全相同的信号；(3)经差动放大电路；(4)与超导储能装置输出的功率信号进行比较电路；(5)控制变流器中三极管的导通，进行多超导储能装置的功率输出。本发明的优越性：利用超导磁体实现对电能的储存，大幅度的提高了储能密度，降低了能耗，实现对风电场功率输出波动的同步抑制。

Description

一种风电场功率输出平衡系统及其工作方法
(一)技术领域：
本发明涉及一种风电场功率输出平衡系统，属于电工技术领域。
(二)背景技术：
随着经济的发展要求(即现代电力系统的容量越来越大)和常规能源的枯竭，分布式发电(如风力发电、光伏发电、潮汐发电等)越来越受到人们的重视。近年来，风力发电技术得到了快速发展，已是当今非水能的可再生能源发电中技术最成熟、最具有大规模开发条件和商业化前景的发电方式，受到世界各国能源界的青睐。将之与常规电网进行并网，特别是大容量高比例风电场的并网，由于风能的波动性和间歇性特点，导致风电场的输出功率呈频繁波动状态，不但加大了电网调节控制的难度，而且影响了电网电压的稳定性和电能质量。
目前，主要采取的限制风电场功率波动的主要措施：
1、采用直流联网。采用直流联网，将交流风电变换成直流电进行并网，可降低功率波动。
2、通过调节风力涡轮机的运行状态来平滑其输出功率，可归类为直接功率控制。如采用变速恒频调节这种目前公认的最优化调节方式，也是未来风电技术发展的主要方向。
3、通过附加的储能设备来平滑风电场的输出功率，可归类为间接功率控制，该方法能实现较宽范围的功率调节，有效地抑制风电场输出功率的波动。例如中国专利200610019634.7提供的一种基于超导磁储能的变速恒频双馈风力发电机励磁变频系统，如图1所示，主要由超导磁体、斩波器，转子侧变流器、网侧变流器和电容组成。该励磁变频器利用超导磁体的高效储能特性，把超导磁体作为变频器的中间直流储能环节，在控制超导磁体与双馈风力发电机转子之间的滑差功率交换、实现风力发电机变速恒频运行的同时，还为并网电力系统提供有功功率和无功功率补偿，提高并网电力系统运行的稳定性。
虽然以上几种现有技术均可降低功率波动，但各自都仍存在缺点：方案1虽可降低功率波动，但要求常规电网也是直流输电，而两端换流设备的投资很大，交换功率不大时，经济性差，这种方法往往不可行。方案2在技术领域上平滑了风电场功率输出，但在风速波动较大的风电场，对输出功率的调节能力是非常有限的。方案3是通常补偿原理来平滑风电场输出的，但储能装置的能耗和能量之间的损耗是制约实际应用的主要因素，同时当平滑功率时刻的选择不当时容易给电网带来更大的功率波动；另外，由于检测时刻和补偿时刻的不同步，存在一个真空补偿带，即采取补偿动作的滞后时间，也就是补偿时间于检测时间的时间差，对系统有不利影响。
(三)发明内容：
本发明的目的在于提供了一种风电场功率输出平衡器，它具有结构简单、能量损耗小、储能密度大、易于控制的特点，连接于风电场与常规电网并网附近，可较好地消除或变窄“真空抑制带”，更好的抑制风电场输出功率波动，为并网电力系统提供有功功率和无功功率的瞬时补偿，提高了电力系统运行的稳定性，特别是对电网的动态稳定性有了很大改善。
本发明的技术方案：一种风电场功率输出平衡系统，其特征在于它是由风速采集转化电路、实际风电场模拟模块、差动放大电路、比较电路、控制电路、变流器及包括斩波器、滤波器与反馈电路构成的超导磁储能装置组成；所说的风速采集转化电路的输出端连接实际风电场模拟模块，所说的实际风电场模拟模块的输出端连接差动放大电路，所说的差动放大电路的输出端连接比较电路，所说的连接比较电路的输出端连接控制电路，所说的控制电路的输出端连接变流器，所说的变流器输出端连接超导磁储能装置，所说的超导磁储能装置通过反馈电路与比较电路相连接。
上述所说的风速采集转化电路由传感器、电阻和放大器组成，将风信号转化成电信号；风速采集转化电路应用的是基于霍耳效应的电磁风速传感器、放大器和电阻元件，通过基于霍耳效应的电磁风速传感器，将风信号转化成电信号，再经过放大器和电阻组成的放大电路，将此电信号放大。
上述所说的实际风电场模拟模块包括实际风电场的模拟软件程序和输入输出接口，输入接口与分速转化电路相连接，输出模块与放大电路相连接。
上述所说的差动放大电路将得到的模拟实际风电场的信号a与标准信号b相比较，再经过放大电路放大。
上述所说的比较电路由放大器和电阻组成，比较反馈信号和输入信号，并将输出作为控制电路的输入信号。
上述所说的控制电路控制三极管的导通角。
上述所说的变流器是由三极管和二极管组成，实现整流-逆变。
上述所说的超导磁储能装置包括晶闸管(VS1-VS8)、二极管(D1-D8)、超导磁体；所说的超导磁体由超导线圈、冷却装置和失超保护装置组成，将经过变流器变换得到的直流电存储在超导磁体中；所说的超导磁储能装置中的滤波器滤除对系统有危害的波形。
上述所说的超导线圈亦可以用普通电感或电容来代替。
一种上述所说的风电场功率输出平衡系统的工作方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)通过风速采集转化电路，将风信号转变成与之成一定比例关系的电信号a；
(2)步骤(1)中a电信号经过实际风电场模拟模块，产生与实际风电场输出变化规律完全相同的信号c；
(3)步骤(2)中的功率信号c经过差动放大电路，产生功率信号d；
(4)步骤(3)中的信号d与超导储能装置输出的功率信号o进行比较电路，得到信号e；
(5)步骤(4)中的信号e通过控制器来控制变流器中三极管的导通，进行多超导储能装置的功率输出e；
(6)实现对并网功率的平衡。
上述所说的步骤(2)中的信号c在时域上比实际风电场输出的信号超前一个时间段g，使之不大于超导磁储能装置、差动放大电路和比较电路的动作总时间段j，这样可以缩短或消除真空补偿带；所说的真空补偿带指波动到达某点时间g与实际进行波动抑制的时间j的时间差k。
本发明的工作原理为：本案基于超导磁储能的风电场功率输出平衡系统是软件和硬件的结合，所说的软件为实际风电场的模拟模块，所说的硬件为超导磁储能装置、风速采集转化电路和比较电路；所说的风电场功率输出平衡系统采取波动源的信号——风速作为控制信号；所说的实际风电场模拟模块，是根据风力机模拟装置来选择的，其核心在于考虑机械惯性、机械信号与电信号速度差的模拟风电场；所说的风电场功率输出平衡系统在于波动源的信号——风速经过实际风电场模拟模块后输出的信号，在时域上比实际风电场输出信号超前一个时间段，但其变化规律完全相同。所说的风电场功率输出平衡系统将晶闸管(VS1-VS8)、二极管(D1-D8)、超导磁体、失超保护和冷却装置组成的超导储能装置应用于风电场。模拟风电场装置，不同的风力机其模拟装置不同，其核心在于考虑机械惯性、机械信号与电信号速度差的模拟风电场。超导磁储能装置通过控制晶闸管VS1到VS6导通角来实现变流器的工作状态，即整流逆变，以补偿的形式来实现对风电场功率波动的抑制。
本发明的优越性和技术效果在于：
1、利用超导磁体实现对电能的储存，大幅度的提高了储能密度，除了维持超导体的低温环境外，没有其他的消耗能量的原件，降低了能耗，通过采用机械信号与电信号的传播速度之差，不但可以对风电场的输出功率起到“消峰填谷”的作用，而且真正意义上实现对风电场功率输出波动的同步抑制，真正意义上实现对风电场功率输出波动的同步抑制，消除了“真空抑制带”；
2、采用变流器的关断，实现了并网电网中电能与超导磁体中磁能的双相变换；
3、采用滤波器，消除了逆变过程中的谐波问题；
4、该系统完全平滑了风电场功率波动，使并网风电场功率流达到定值，提高了电能质量和并网电力系统运行的稳定性；
5、本发明从本质上改变了储能设备以前的滞后补偿(因为相应的波动已经传输到常规电网中)，从这一角度上来说，具有重大意义，具有广阔的市场应用前景和实际生产价值。
(四)附图说明：
附图1为现有技术中，中国专利200610019634.7的线路图。
附图2为本发明所涉一种风电场功率输出平衡系统及其工作方法的工作原理框图。
附图3为图2中(电压源型)超导储能装置的结构示意图。
附图4为本发明所涉一种风电场功率输出平衡系统及其工作方法的工作流程示意图。
附图5为图2中的风速采集转化电路结构示意图。
附图6为比较比较电路的示意图。
附图7为本发明所涉一种风电场功率输出平衡系统及其工作方法的在风电场-无穷大并网系统中应用示意图。
其中，V风速为直接的风速信号；P’wind和Q’wind为模拟风电场的输出；P’D和Q’D为基准的比较信号。
(五)具体实施方式：
实施例：一种风电场功率输出平衡系统(见图2)，其特征在于它是由风速采集转化电路、实际风电场模拟模块、差动放大电路、比较电路、控制电路、变流器及包括斩波器、滤波器与反馈电路构成的超导磁储能装置组成；所说的风速采集转化电路的输出端连接实际风电场模拟模块，所说的实际风电场模拟模块的输出端连接差动放大电路，所说的差动放大电路的输出端连接比较电路，所说的连接比较电路的输出端连接控制电路，所说的控制电路的输出端连接变流器，所说的变流器输出端连接超导磁储能装置，所说的超导磁储能装置通过反馈电路与比较电路相连接。
上述所说的风速采集转化电路(见图5)由传感器、电阻和放大器组成，将风信号转化成电信号；风速采集转化电路应用的是基于霍耳效应的电磁风速传感器和电阻元件。
上述所说的实际风电场模拟模块包括霍耳效应电磁风速传感器组成的风速转化模块及辅助装置组成，连接于风电场与常规电网并网附近；所说的实际风电场模拟模块包括实际风电场的模拟软件程序和输入输出接口，输入接口与分速转化电路相连接，输出模块与放大电路相连接。
上述所说的差动放大电路将得到的模拟实际风电场的信号a与标准信号b相比较，再经过放大电路放大。
上述所说的控制电路控制三极管的导通角。
上述所说的变流器是由三极管和二极管组成，实现整流-逆变。
上述所说的超导磁储能装置(见图3)包括晶闸管(VS1-VS8)、二极管(D1-D8)、超导磁体；所说的超导磁体由超导线圈、冷却装置和失超保护装置组成，将经过变流器变换得到的直流电存储在超导磁体中；所说的超导磁储能装置中的滤波器滤除对系统有危害的波形；
上述所说的超导线圈亦可以用普通电感或电容来代替。
一种上述所说的风电场功率输出平衡系统的工作方法(见图4)，其特征在于包括以下步骤：
(1)通过风速采集转化电路，将风信号转变成与之成一定比例关系的电信号a；
(2)步骤(1)中a电信号经过实际风电场模拟模块，产生与实际风电场输出变化规律完全相同的信号c；
(3)步骤(2)中的功率信号c经过差动放大电路，产生功率信号d；
(4)步骤(3)中的信号d与超导储能装置输出的功率信号o进行比较电路，得到信号e；
(5)步骤(4)中的信号e通过控制器来控制变流器中三极管的导通，进行多超导储能装置的功率输出e；
(6)实现对并网功率的平衡。
上述所说的步骤(2)中的信号c在时域上比实际风电场输出的信号超前一个时间段g，使之不大于超导磁储能装置、差动放大电路和比较电路的动作总时间段j，这样可以缩短或消除真空补偿带；所说的真空补偿带指波动到达某点时间g与实际进行波动抑制的时间j的时间差k。
如图4所示，通过风速转化电路，将风速的变化转化为电信号的变化，然后输入实际风电场模拟电路，在经过模拟风电场，输出与实际风电场功率输出变化成一定关系的P’wind和Q’wind，；此信号与标准信号P′D和Q′D进行比较后，经过比例放大电路，输出信号P′D和Q′D；此信号来控制超导储能装置的工作状态(整流或逆变)，从而抑制功率的波动。
应用如图7所示，与此同时，风信号的变化信号经过风车、风力机、变压器等设施传输到母线2处功率Pwind、Qwind的变化信号。此时，此装置在母线2处进行功率补偿，抑制了风电场功率波动。设在t1时刻风速发生变化引起风力机机械转矩的变化，经过时间t2此变化影响到风电场的功率输出Pwind、Qwind(至于怎么影响，取决于不同类型的风力发电机)；与此同时，经过时间t3也引起了模拟风电场的输出P’wind和Q’wind的变化。由于机械信号传播速度和电信号的传播速度不在同一个数量级，必然有t2大于t3，实际上有t2远远大于t3；设控制超导储能装置动作的时间为t4，于是有t2大于t3+t4。实际上，在实际风电场模拟模块中，已经加入了一个时域上的滞后电路，通过系统自己感知、判断、学习，调节气滞后时间，使t2等于t3+t4，这样就平衡了风电场的并网功率，正真消除风电场的功率波动，同时可消除“真空抑制带”，实现同步抑制风电场的波动，提高了并网风电场的运行稳定性。当风速在理想风速附近时，图3中P′wind＝P′D、Q′wind＝Q′D，超导储能没有驱动信号，风电场维持固定输出；当风速偏离理想转速时，P′wind≠P′D、Q′wind≠Q′D，通过触发路晶闸管VS1到VS6的导通角，超导储能装置进行工作，同步抑制风电场的功率波动。
当一种基于超导磁储能的风电场功率输出平衡系统在风电场-无穷大并网系统中的应用如图5所示：它在母线3处实现风电场并网，在母线2处根据功率平衡原理，有：
Pgrid＝Pwind-PSM，Qgrid＝Qwind-QSM
此装置就是通过控制PSM和QSM，使它们的变化规律完全与风电场的输出功率Pwind和Qwind相同或高度相似，在时域上达到同步，这样就可使实际并入电网的Pgrid和Qgrid以定值的形式并入常规电网。

Claims (3)

1.一种风电场功率输出平衡系统，其特征在于它是由风速采集转化电路、实际风电场模拟模块、差动放大电路、比较电路、控制电路、变流器及包括斩波器、滤波器与反馈电路的超导磁储能装置组成；所说的风速采集转化电路的输出端连接实际风电场模拟模块，所说的实际风电场模拟模块的输出端连接差动放大电路，所说的差动放大电路的输出端连接比较电路，所说的比较电路的输出端连接控制电路，所说的控制电路的输出端连接变流器，所说的变流器输出端连接超导磁储能装置，所说的超导磁储能装置通过反馈电路与比较电路相连接；所说的风速采集转化电路由传感器、电阻和放大器组成，将风信号转化成电信号；风速采集转化电路应用的是基于霍耳效应的电磁风速传感器、放大器和电阻元件，通过基于霍耳效应的电磁风速传感器，将风信号转化成电信号，再经过放大器和电阻组成的放大电路，将此电信号放大；所说的实际风电场模拟模块包括实际风电场的模拟软件程序和输入输出接口，输入接口与风速采集转换电路相连接，输出接口与差动放大电路相连接；所说的差动放大电路将得到的模拟实际风电场的信号与标准信号相比较，再经过放大电路放大；所说的比较电路由放大器和电阻组成，比较反馈信号和该比较电路的输入信号，并将输出作为控制电路的输入信号；所说的控制电路控制三极管的导通角；所说的变流器是由三极管和二极管组成，实现整流或逆变；所说的超导磁储能装置包括晶闸管(VS1-VS8)、二极管(D1-D8)和超导磁体；所说的超导磁体由超导线圈、冷却装置和失超保护装置组成，将经过变流器变换得到的直流电存储在超导磁体中；所说的超导磁储能装置中的滤波器滤除对系统有危害的波形。
2.一种上述所说的风电场功率输出平衡系统的工作方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)通过风速采集转化电路，将风信号转变成与之成一定比例关系的电信号a；
(2)步骤(1)中电信号a经过实际风电场模拟模块，产生与实际风电场输出变化规律完全相同的信号c；
(3)步骤(2)中的功率信号c经过差动放大电路，产生功率信号d；
(4)步骤(3)中的信号d与超导磁储能装置输出的功率信号o进行比较，得到信号e；
(5)步骤(4)中的信号e通过控制器来控制变流器中三极管的导通，进行超导磁储能装置的功率输出o；
(6)实现对并网功率的平衡。
3.根据权利要求2所说的一种风电场功率输出平衡系统的工作方法，其特征在于所说的步骤(2)中的信号c在时域上比实际风电场输出的信号超前一个时间段g，使之不大于超导磁储能装置、差动放大电路和比较电路的动作总时间段j，这样能缩短或消除真空补偿带；所说的真空补偿带指波动到达的某点时间与实际进行波动抑制的时间的时间差k。
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