CN101710711B - 一种平滑风电系统输出功率的储能装置的监控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种平滑风电系统输出功率的储能装置的监控系统，具体涉及一种平滑风力发电输出功率的电池电力储能装置的监控系统。储能装置与风电系统输出线路并联在一个交流母线上，监控系统包括主服务器和子服务器，主服务器包括连接在维护信息总线上的监控主机、操作机、维持机、站长机和培训机，子服务器包括通过区域现场总线连接的换流器监控机、风机监测机、电网监测机和辅助设备监控机。本发明通过监控系统协调储能装置调整风力发电输出功率，有效减小风电并网时对电网的冲击和影响，提高风电输出功率与预测的一致性，保障电源电力供应的可信度，同时提高电力系统接纳风电的能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种电力管理系统，具体涉及一种平滑风力发电输出功率的电池电力储能装置的监控系统。
背景技术
风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。中国风能储量很大、分布面广，仅陆地上的风能储量就有约2.53亿千瓦。近几年来，中国的并网风电迅速发展。由于风能随机性和间歇性的特点，造成风电机组的出力频繁波动，从而风电场的出力可靠性也差，风电比重过大，会使电网的调频、调峰压力加大，以及电网长距离送电的技术要求和运行成本急剧增大。因此，风电场大规模的并网接入对电力系统的运行也带来一些新问题：
(1)风电的随机性及不可控性给电力系统规划和稳定运行带来新的挑战；
(2)风电功率的波动特性与电网负荷的波动特性难以一致，使电网的调峰问题更加突出，对调峰容量和响应速度都提出了更高的要求；
(3)由于风速变化，风电机组容易引起电网电压和功率波动问题，以及由其带来的无功电压控制和电能质量问题。
目前电力系统中的储能技术为解决电力供应链(燃料、发电、输电、配电和用电)中存在的一些现有问题和实现电网可持续发展提供了全新的途径，采用大规模电力储能技术，可以有效缓解用电供需矛盾、提高电网安全和稳定性、改善供电质量，并能促进可再生能源的利用和发展。
发明内容
为解决现有技术中风电发电功率短期波动的问题，储能装置不能根据风电输出功率实时调整的问题，本发明提供一种可以对储能装置进行监控和实时调整输出功率的监控系统，具体方案如下：一种平滑风电系统输出功率的储能装置的监控系统，储能装置与风电系统输出线路并联在一个交流母线上，储能装置包括储能电池组和配电装置，储能电池组通过配电装置连接在交流母线上，监控系统连接有电力保障装置，其特征在于，所述监控系统包括主服务器和子服务器，所述主服务器包括连接在维护信息总线上的监控主机、操作机、维持机、站长机和培训机，所述子服务器包括通过区域现场总线连接的换流器监控机、风机监测机、电网监测机和辅助设备监控机。
本发明的另一优选方式：所述主服务器通过数据采集模块连接子服务器的通信接口采集进行实时交流，所述主服务器包括事件报警系统、时间系统、功率监视系统、文件管理系统、培训系统和用户管理系统。
本发明的另一优选方式：所述事件报警系统定义事件的事件源，根据触发条件将信息传送到主服务器进行显示、打印、报警确认；
所述时间系统采用GPS卫星时间作为主时钟系统，利用接口模块为主服务器和子服务器提供时间及时间较对；
所述功率监视系统计算网侧三相交流电压、电流和风机的发电功率，对实时数据进行统计分析，并自动填表然后在控制操作机上用各种方式显示出来；
所述文件管理系统利用分布式的实时数据库存放实时的遥测、遥信、事件信息与管理历史数据库存储的历史数据和历史事件，为操作机提供查询、维护和数据统计分析；
所述培训系统包括一台培训工作站和培训模拟软件，用于模拟整个储能装置所有可能、必要的操作；
所述用户管理系统将所有用户分成一般操作员、程序管理员、数据库管理员和系统管理员四个不同权限的操作者，利用软件联锁、口令控制进行操作者权限验证。
本发明的另一优选方式：所述子服务器包括数据采集模块、通讯中继模块、有功输出调节模块、顺序控制模块、保护信息接口模块和告警模块。
本发明的另一优选方式：所述数据采集模块实时采集储能电池组、配电装置和风电系统所有模拟量、状态量、脉冲量信息；
所述通讯中继模块从子服务器直接获取遥测、遥信、SOE信息，利用分布在子服务器中的通信接口，采用标准通讯规约向主服务器发送遥测、遥信、事件信息，同时也从主服务器接受遥控、遥调并分发到子服务器中，所述通信接口与子服务器接口方式采用双网卡双网络连接方式，实现数据流和指令流的分开；
所述有功输出调节模块通过控制换流器的输出功率，控制储能电池组输出的功率，维持风电系统输出功率为恒定值；
所述顺序控制模块实现储能装置启动、停运过程中的顺序操作和各种控制模式和运行方式的切换，包括开关分合闸操作、有载调压、电容器投切、保护参数整定、变流器功率控制、紧急状态下设备保护；
所述保护信息接口模块规约转换器的信息，负责所有交流/直流保护的接入和向主服务器、子服务器上传；
所述告警功能模块实现越限告警、变位告警、事件告警、通讯状态告警和运行日志，告警方式包括画面显示、语音告警、打印告警和存储告警信息到数据库中，并可根据历史告警信息进行统计。
本发明的另一优选方式：所述储能电池组包括多个并联和/或串联的子电池组，所述子电池组包括多个并联和/或串联的单体电池，所述单体电池包括液流电池、钠硫电池、锂离子电池，各子电池组中的电池类型相同，所述液流电池连接有为电解液调温的冷水机组，所述钠硫电池连接有保证其内部温度的加热电源，所述锂离子电池连接有温度报警和烟雾传感器。
本发明的另一优选方式：所述储能电池组包括扩容接口和通信接口，所述储能电池组与配电装置之间连接有变流器，所述变流器有多个并分别与每个子电池组连接。所述电力保障装置由UPS电源组成，所述配电装置为升压箱式变压器。
本发明通过储能装置协调风力发电输出功率，不仅有效减小风电并网时对电网的冲击和影响，还提高风电输出功率与预测的一致性，保障电源电力供应的可信度，储能装置还降低了电力系统的备用容量，提高电力系统运行的经济性，同时提高电力系统接纳风电的能力。为并网风电场对电网的影响以及相应对策，为并网风电的有序发展，以及储能在可再生发电中的广泛应用奠定基础。利用可以整合使用多种不同类型单体电池，利用变流器保证输出电压与交流母线的电压平衡，在高电压时进行储能，而在风电功率电压较低时，进行补充功率，利用电力保障装置使储能电池组的使用情况始终能够被控制系统掌握。
本发明提出一种结合储能装置的的电池电力储能系统监控系统，进行风电储能数据采集与监视控制系统(Supervisory Control And Data Acquisition：SCADA)。总服务器提供的监控管理可以简化风电场的整体监控和控制，可对整个风电场储能装置提供实时数据采集、监控管理和功率平滑控制功能。整个监控系统按功能进行区别为总服务器和子服务器，监控系统按面向物理或逻辑对象的原则进行功能配置，不同对象之间尽可能少的交换信息，做到某一对象异常不影响其它对象功能的正确运行。通过储能系统与风电系统的协调，监控系统降低了电力系统的备用容量，提高电力系统运行的经济性，同时提高电力系统接纳风电的能力。
附图说明
图1本发明储能装置连接示意图
图2本发明监控系统结构示意图
图3监控系统框架示意图
具体实施方式
储能装置主要用于平滑风电场的短期(数十分钟以下)波动，或根据风电场预测的输出功率曲线配合辅助输出，使风电功率输出与事先预测接近一致，提高风力风电的功率输出可信度和一致性能力，储能装置还可以开展与风电机组或风电集群的各项组合实验，并考虑风电机组的无功调节需求。
如图1所示，储能装置1与风力系统5发电输出线路并联在一个交流母线4上，在储能电池组8和交流母线之间安装有配电装置6，配电装置采用升压箱式变压器，监控系统2通过调用储能装置功率输出，对风电系统5输出功率起到功率平滑调节。
储能电池组8根据储能电池特点，进一步分为多个子电池组，在各个子电池组中配有高压开关，根据高压开关组不同的切换模式，储能装置与风电机组在同一个交流母线上，可构成子电池组与风电机组进行独立组合，也可以构成整个储能装置与风电机组和/或风电集群组合。每个子电池组均配有一个380V低压继电器和一个变流器7，变流器由AC/DC转换模块、DC/DC转换模块组成，交流侧AC/DC转换模块采用三相电压源整流器，实现双向有源整流功能，由于要求储能装置的电流在其主电路中具有双向流动性，使AC/DC转换模块能够工作于不同的状态，所以采用交、直流侧可控的四象限运行的变流装置，当整流器从电网吸收能量时，它就运行在整流状态，反之，若整流器向电网传输能量时，整流器就工作于有源逆状态。
由于整流后的直流母线电压都在600V左右，而单体电池电压较低，经串联后一般在200V～600V之间，因此有些子电池组需要DC/DC转换模块进行电压调整，直流侧采用双向DC/DC转换模块的拓扑结构，实现直流降压、升压功能，由双向的DC/DC转换模块主电路实现Buck降压或者Boost升压模式。
每个储能电池组中的子电池组可以采用并联方式连接在一起，也可以采用串联方式连接在一起，也可以两种方式共存，各子电池组可以根据单体电池的类型进行分类，子电池组中的各单体电池也可以采用并联和/或串联的方式连接在一起，单体电池的类型包括液流电池、钠硫电池、锂离子电池等，为了保证各类型电池的正常运行，需要根据各类型电池的不同特点，提供电池维护系统和保护系统，对于液流电池，配有为电解液调温的冷水机组，对于钠硫电池，为保证其内部温度，配有加热电源，对于锂离子电池，配有温度报警和烟雾传感器等报警系统，同时，监控系统可以实现单体电池的电流、电压、SOC、内阻等参数的测量和上报。
为了保证各子电池组的安全运行，在各子电池组中安装各种低压继电保护设备，主要具备以下保护功能：过载保护、短路保护、超温保护、低频保护、欠压保护、低压保护、相不平衡保护、高频保护及相序保护、接地保护等功能。
为了保证储能装置可以适应以后更多风电的并网，在储能装置上留有扩容接口9，当储能装置不能适应电网的发展时，仅需要再接入一个或多个子电池组即可实现容量增长。
储能装置安装有多个不同的通信接口，通信接口与整个储能装置的监控系统连接，对监控系统提供储能装置当前的各种数据，这些数据包括实际发电功率、容量、线路状态、电流、有功功率、无功功率、功率系数和平均值，通过PLC自动或手动控制配电开关装置。监控系统通过收集的数据实现储能装置的有功率输出调节、电池系统管理、风机发电实时数据采样、数据上传、通讯协议转换、计算换流器控制需要的交流、直流电流指令值等功能，并控制储能装置的变压器分接头和断路器的控制信号。
为了保证监控系统在任何情况下都对储能装置进行管理和控制，配备由多个UPS电源组成的电力保障装置3。
监控系统：(风电储能数据采集与监视控制系统Supervisory Control AndData Acquisition：SCADA)对整个风电场储能系统提供实时数据采集、监控管理和功率平滑控制功能。监控系统按面向物理或逻辑对象的原则进行功能配置，不同对象的功能之间尽可能少的交换信息，这样可以做到某一对象异常不影响其它对象功能的正确运行。监控系统整体建构如图2所示，包括主服务器和子服务器：
主服务器主要包括连接在维护信息总线上的监控主机、操作机、维持机、站长机和培训机，各机之间通过LAN网进行连接。子服务器包括通过区域现场总线连接的换流器监控机、风机监测机、电网监测机和辅助设备监控机。其中换流器监控机按电池类型的不同分为钠硫电池监控机、锂电池监控机和液流电池监控机。
主服务器主要实现站数据采集与监视控制功能，利用分布在监控主机、操作机、维持机、站长机和培训机上的数据采集模块，通过各子服务器上的换流器监控机、风机监测机、电网监测机和辅助设备监控机的分布式通信接口采集实时遥测、遥信和事件信息，并利用人机界面以图形画面实时显示现场设备的运行状态和各种测量值。以不同颜色形象化显示各个子系统工作状态。分层次显示，拓展系统信息监测的空间，借助完备的手段进行漫游、缩放、变焦和随意移动，可以不受限制充分自由地建立自然图形，提供丰富的标准图元库及完善的图元编辑工具，利用图元方便地生成各种图形画面，如网络拓扑图、系统一次接线图、二次接线图等。同时通过对图形上相关对象的控制操作可以对各交直流控制系统以及各个一次设备进行状态控制、顺序控制和设点控制，完成实时监视以及对储能装置的控制功能，并列表显示实时报警、事件以及历史事件，也可以显示重要遥测的实时和历史趋势，画面编辑工具可以对画面进行编辑、修改、设计等功能。允许操作者工作时，在屏幕的任意区域拼装操作者关注的多个独立画面。
如图3所示，主服务器上包括事件报警系统、时间系统、功率监视系统、文件管理系统、培训系统和用户管理系统。
事件报警系统：控制保护系统软件来定义产生事件的事件源，一旦符合条件即被触发，通过分布式通信接口送往主服务的各个子机中进行处理，并将事件保存在实时数据库和历史数据库中，并将所有的事件和报警进行列表显示、打印和报警确认等。
时间系统：采用GPS卫星作为主时钟系统，天文时钟接收GPS时间，并配置各种接口模块为主服务器、子服务器其它相关系统提供精确的时间及对时。
功率监视系统：计算网侧三相交流电压电流和风电系统的发电功率，并在操作者控制系统上用各种图形进行显示。快速生成功率实时数据报表。可输入数据运算公式，对实时数据进行统计分析，并自动填表，方便地进行曲线的定义，可显示测量值的实时曲线和历史曲线，可在同一坐标系中显示多条曲线，对曲线进行统计和分析，计算最大值、最小值、平均值等。
文件管理系统：包括各个数据库，数据库采用分布式的实时数据库，存放实时的遥测、遥信、事件信息等，历史数据库存储历史数据和历史事件等信息。提供一个专门的文档管理系统，负责存贮、管理整个换流站的全套设计资料以及研究报告、运行手册、维护手册等帮助文件，以供站工程师、管理人员、运行人员和维修人员查询。对历史数据库和实时数据库进行必要的维护，如：增加、修改、删除等，可定义历史数据库，数据统计分析功能，可对历史数据库进行备份、恢复操作。
培训系统：提供一套监控培训系统，培训设备包括一台培训工作站和一套培训模拟装置，用于模拟柔性直流输电系统所有可能必要的操作员操作，其人机界面和操作方式与实际运行系统相同，但培训系统上的任何操作不对实际系统的运行产生任何影响。
用户管理系统：将所有用户分成一般操作员、程序管理员、数据库管理员、系统管理员四个等不同的操作者，每个操作者具有不同权限，并由用户名和口令字唯一确定。为防止误操作，控制系统中的所有控制操作都提供了完备的软件联锁，不需要配置额外的防护系统。提供完善的用户权限及口令控制，对重要的操作(如遥控操作、遥调操作以及整定值下发)设置双重验证。
子服务器包括其系统内各设备的控制模块，主要功能包括储能系统有功率输出调节、电池系统管理、风机发电实时数据采样、数据上传、通讯协议转换、计算换流器控制需要的交流、直流电流指令值等程序模块，除了以上功能，配电系统的变压器分接头和断路器的控制信号也由子服务器控制系统产生，子服务器的控制模块主要包括：数据采集模块、通讯中继模块、有功输出调节模块、顺序控制模块、保护信息接口模块和告警模块。其中：
数据采集模块：实时采集储能电池组、配电系统和风电系统所有模拟量、状态量数据、脉冲量等信息。模拟量采集包括I、U、P、Q、F、Wp、Wq、CosΦ；状态量采集包括开关状态、事故告警和保护动作信号等；
通讯中继模块：分布在各交、直流控制保护主机中的通信接口采用标准通讯规约向主服务器遥测、遥信、事件等信息，同时接受操作者控制系统发出的各种控制命令，从子服务器的各子系统中直接获取遥测、遥信、SOE信息，发往主服务器，同时也可从主服务器接受遥控、遥调并分发到子服务器的各子系统中，通讯中继模块与主服务器的接口方式采用双网卡双网络连接方式，实现数据流和指令流的分开。
有功输出调节模块：通过控制换流器的输出功率，控制整个储能装置输出的功率，以维持风电系统输出功率在可控范围内，可以平抑风电系统由于间歇性造成的输出不平稳，不用担心因风电产生功率的瞬时上升或跌落造成输出功率不平稳。功率参考值可以由运行人员在系统级操作界面进行输入。当风电系统产生功率变化时，通过改变储能装置输出的有功可以维持交流母线传输的功率为恒定值(在指定范围内)，达到优化潮流的目的。
顺序控制模块：对开关、刀闸和控制模式的顺序和联锁进行控制，实现众多的控制功能有效配合并保证安全，主要包含储能装置启动和停运过程中的顺序操作，各种控制模式和运行方式的切换，主要包括开关分合闸操作、有载调压、电容器投切、保护参数整定、变流器功率控制和紧急状态下设备保护等。其中的顺序操作主要有：
(1)换流器带电/断电；(2)极的连接/隔离；(3)运行接线方式的选择与转换；(4)与风机的配合选择；(5)储能系统的起动与停运；(6)储能系统的投切；(7)功率反转。
保护信息接口模块：配置规约转换器与控制程序接口并通信，所有交流/直流保护均接入该规约转换器并上传控制程序，由控制程序经LAN网实现信息远传，同时，规约转换器还将接入的交流保护装置的信息经站LAN网向监控系统传送，以及把通过串口接入的电能量计量装置的关口电量值向监控系统传送。
告警模块：提供越限告警、变位告警、事件告警、通讯状态告警和运行日志，告警方式包括画面显示、语音告警、打印告警。告警模块实时显示告警信息，告警时间精确到ms级。告警信息实时存储到数据库中，存储容量只受硬盘大小限制，通过告警信息查询系统可以从数据库中查阅历史告警信息，通过告警信息查询系统可以统计历史告警信息。
总服务器通过以太网与储能电池组、配电系统和风电系统的子服务器相连接，子服务器过工控机和PLC监测控制下层设备。总服务器通过子服务器从风机、变流器、电池系统、配电系统获取数据，这些数据包括实际发电功率、容量、线路状态、电流、有功功率、无功功率、功率系数和平均值，通过PLC自动或手动控制配电开关装置。以太网络采用10/100M高速工业以太网。对于各个电池子储能系统设置多个设备级工控机管理系统，负责收集各个子系统的数据和保护信息，然后再转发给系统级管理系统(监控、远动、保护工程师站)。而配电设备监控系统和风机监控系统直接接入以太网，不再通过管理机中转。
总服务器提供的监控管理可以简化风电场的整体监控和控制。整个系统通过以太网标准通信协议与子服务器和下层PLC相连，子服务器中的各子系统具有监视、控制和诊断功能，监控各子系统的各种设备，包括变流器工作状况、电池状态、风机状态。
Claims (5)
1.-种平滑风电系统输出功率的储能装置的监控系统，储能装置(1)与风电系统(5)输出线路并联在一个交流母线(4)上，储能装置包括储能电池组(8)和配电装置(6)，储能电池组通过配电装置(6)连接在交流母线上，监控系统(2)连接在储能装置(1)上，监控系统(2)连接有电力保障装置(3)，其特征在于，所述监控系统(2)包括主服务器和子服务器，所述主服务器包括连接在维护信息总线上的监控主机、操作机、维持机、站长机和培训机，所述子服务器包括通过区域现场总线连接的换流器监控机、风机监测机、电网监测机和辅助设备监控机；
所述主服务器通过数据采集模块连接子服务器的通信接口采集进行实时交流，所述主服务器包括事件报警系统、时间系统、功率监视系统、文件管理系统、培训系统和用户管理系统；
所述事件报警系统定义事件的事件源，根据触发条件将信息传送到主服务器进行显示、打印、报警确认；
所述时间系统采用GPS卫星时间作为主时钟系统，利用接口模块为主服务器和子服务器提供时间及时间较对；
所述功率监视系统计算网侧三相交流电压、电流和风机的发电功率，对实时数据进行统计分析，并自动填表然后在操作机上用各种方式显示出来；
所述文件管理系统利用分布式的实时数据库存放实时的遥测、遥信、事件信息与管理历史数据库存储的历史数据和历史事件，为操作机提供查询、维护和数据统计分析；
所述培训系统包括一台培训工作站和培训模拟装置，用于模拟整个储能装置所有必要的操作；培训系统用于模拟柔性直流输电系统所有可能必要的操作员操作。
所述用户管理系统将所有用户分成一般操作员、程序管理员、数据库管理员和系统管理员四个不同权限的操作者，利用软件联锁、口令控制进行操作者权限验证。
2.如权利要求1所述的监控系统，其特征在于，所述子服务器包括数据采集模块、通讯中继模块、有功输出调节模块、顺序控制模块、保护信息接口模块和告警模块。
3.如权利要求2所述的监控系统，其特征在于，所述数据采集模块实时采集储能电池组、配电装置和风电系统所有模拟量、状态量、脉冲量信息；
所述通讯中继模块从子服务器直接获取遥测、遥信、SOE信息，利用分布在子服务器中的通信接口，采用标准通讯规约向主服务器发送遥测、遥信、事件信息，同时也从主服务器接受遥控、遥调并分发到子服务器中，所述通信接口与子服务器接口方式采用双网卡双网络连接方式，实现数据流和指令流的分开；
有功输出调节模块通过控制换流器的输出功率，控制储能电池组输出的功率，维持风电系统输出功率为恒定值；
所述顺序控制模块实现储能装置启动、停运过程中的顺序操作和各种控制模式和运行方式的切换，包括开关分合闸操作、有载调压、电容器投切、保护参数整定、变流器功率控制、紧急状态下设备保护；
保护信息接口模块规约转换器的信息，负责所有交流/直流保护的接入和向主服务器、子服务器上传；
所述告警功能模块实现越限告警、变位告警、事件告警、通讯状态告警和运行日志，告警方式包括画面显示、语音告警、打印告警和存储告警信息到数据库中，并根据历史告警信息进行统计。
4.如权利要求1所述的监控系统，其特征在于，所述储能电池组(8)包括多个并联和/或串联的子电池组，所述子电池组包括多个并联和/或串联的单体电池，所述单体电池包括液流电池、钠硫电池、锂离子电池，各子电池组中的电池类型相同，所述液流电池连接有为电解液调温的冷水机组，所述钠硫电池连接有保证其内部温度的加热电源，所述锂离子电池连接有温度报警和烟雾传感器。
5.如权利要求4所述的监控系统，其特征在于，所述储能电池组包括扩容接口(9)和分布在储能电池组上的通信接口，所述储能电池组与配电装置之间连接有变流器(7)，所述变流器有多个并分别与每个子电池组连接，所述电力保障装置由UPS电源组成，所述配电装置为升压箱式变压器。
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