CN102748238B - 带冗余储能的风电能量转换系统及其应用模式与控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供带冗余储能的风电能量转换系统及其应用模式与控制方法。该系统包括：轮毂、变桨系统、叶片、底座、发电机、变流器、冗余储能电池、偏航系统、塔架，其特征在于：三支叶片安装于轮毂之上，变桨系统安装于轮毂之内并与叶片连接；塔架顶部通过偏航系统连接底座，底座上的发电机连接轮毂；发电机还连接至变流器和冗余储能电池。本发明能量密度高、占地面积小、效率高、建设周期短、站址适应性强。

Description

带冗余储能的风电能量转换系统及其应用模式与控制方法

技术领域

本发明涉及一种带冗余储能的风电能量转换系统，适应于大规模集中并网的风电场和智能电（微）网中的分布式发电系统,尤其是电网容量较小或风电装机容量占电网总装机容量比例较大的区域。主要用于提高风电能量转换系统的可靠性和电能质量，并解决风电功率输出间歇性、波动性和可预测性差带来的电网不稳定性问题。

背景技术

随着社会能源需求的不断增长和环境问题的日益突出，寻求社会的可持续发展模式，充分利用可再生能源成为各国政府的重点任务。

风能在未来能源结构中将占有极其重要的位置。但风能具有间歇性和随机波动性的特点，风电机组装机容量和电网容量相比较小时可以利用电网控制与配网技术来保证电网安全稳定运行。在过去几年中，风力发电大规模迅速发展，且我国风力发电机组大多以大规模集中装机的形式开发，个别地区风电机组容量占电网装机容量的比例超过15%，对局部电网产生明显冲击，甚至发生了一系列严重事故。风电大规模集中装机的风力发电场和电网稳定性之间的矛盾日益突出，具体问题可以分为以下几方面：

1)电力负荷峰谷差日益扩大，风电峰谷分布和电网负荷不一致，电网综合负载率偏低，系统调峰难度不断增大。

2）风电的功率具有波动性，且可预测性差，电网调频调度难度增大。国内已经出现因为风电功率波动超出了电网调峰能力范围而对风电采取拉闸限制的“弃风”现象。

3）我国风能资源最丰富的地区绝大部分远离负荷中心，处于电网末梢，电网建设相对薄弱，为保障电网稳定性需要增加投资配套建造一些火电厂，有违大力发展风电等清洁能源的初衷。

为了充分利用风电，提高风电机组的电能质量，解决电网接纳风电面临的问题，必须对风电机组的输出功率进行平滑，并提高机组的输出功率可预测性。目前风电机组很多具备动态功率控制功能，采用直接调节风电机组运行状态和功率可以在一定程度上抑制风电场的输出功率波动，但该方法无法实现最大风能利用且对功率调节能力有限。国外的研究机构已提出了多种储能方法来对风电场输出功率波动进行抑制，抽水蓄能、飞轮储能、压缩空气储能、超级电容储能、超导储能等储能设备既可抑制有功功率波动，又可调节无功功率，可以在很大程度上缓解风力发电的随机性和波动性问题。但抽水蓄能和压缩空气储能虽具有规模大、能量转换效率高、循环寿命长和运行费用低等优点，但需要特殊的地理条件，建设的局限性较大，且一次性投资费用也较高。飞轮储能、超级电容器、超导储能在蓄电容量和价格等方面的限制，不适用于风电场大规模储能场合。

发明内容

发明目的：本发明提供了一种带冗余储能的风电能量转换系统及其应用模式与控制方法，其目的是解决以往的风电场安全性低、可靠性低、输出功率不可预测和动态无功的支撑能力差的问题。

技术方案：本发明是通过以下技术方案来实现的：

带冗余储能的风电能量转换系统，包括：轮毂、变桨系统、叶片、底座、发电机、变流器、冗余储能电池、偏航系统、塔架，其特征在于：三支叶片安装于轮毂之上，变桨系统安装于轮毂之内并与叶片连接；塔架顶部通过偏航系统连接底座，底座上的发电机连接轮毂；发电机还连接至变流器和冗余储能电池。

发电机为高速发电机或低速发电机，当发电机为高速发电机时，该高速发电机通过齿轮箱和轮毂连接；当发电机为低速发电机时，该发电机和轮毂直接连接。

当发电机为低速发电机时，轮毂和发电机转子直接通过法兰连接，发电机定子和底架连接。

冗余储能电池与变流器通过直流母线连接。

变流器为双向储能变流器，冗余储能电池经过双向储能变流器和交流母线连接。

如上所述的带冗余储能的风电能量转换系统的应用模式与控制方法，其特征在于：

功率平滑模式及控制方法：

通过对冗余储能电池的功率P _ess的动态控制对发电机输出功率进行补偿，从而抑制风电能量转换系统的输出P _out的波动；

冗余储能功率补偿的控制目标可以由风电场风功率预测系统给定，也可以通过对发电机输出功率进行惯性滤波得出，对发电机输出功率进行惯性滤波得出控制目标的方法为：

T为滤波的时间窗口，可以根据系统所在区域的风资源和电网具体情况确定，冗余储能电池输出的功率控制采用误差反馈控制，P _ess为：

其中，K _p为控制器参数，T _p为控制周期。

稳压模式及控制方法如下：

通过带储能的风电能量转换系统的动态无功控制来提高电网暂态电压稳定性，防止电压崩溃事故；在故障时提供动态无功支撑，加速故障后电压恢复，减少低压引起的负荷释放；

在稳压模式的无功功率控制采用以下方式：

其中，V _re为电网参考电压，V _g为测量电网电压，K _g为无功功率控制参数，T _d为惯性常熟。

调频模式及控制方法如下：

在风速变化导致发电机输出功率大幅下降时短时提供有功功率的支撑，从而有利于维持系统的频率稳定，冗余储能电池的功率控制根据系统有功功率输出参考值、电网参考频率和实测频率的误差进行控制，冗余储能电池的功率控制方法为：

（3）

其中，f _re为电网参考频率，f _N为电网额定频率，K _G为功率控制参数。

优点及效果：

为提高风电场的安全性、可靠性、输出功率的可预测性、动态无功的支撑能力，并平滑风电机组输出功率，本发明提供一种带冗余储能的风电能量转换系统。该系统包括风能捕获、机械能传递、电能转换、功率控制及冗余存储等环节。冗余储能一方面可以在电网故障或掉电情况下，为风电能量转换系统的主控、变桨、偏航等机构提供冗余备用电源，并避免机组发电系统带载脱网，从而保证机组安全稳定停机；另一方面可以抑制风电能量转换系统输出功率波动并提高其可预测性，可以根据电网稳定性和调度需求进行动态的无功功率控制，提高系统对电网的支持能力。

与现有的风电机组相比，本发明的有益效果是具有更高的安全性和可靠性，尤其在电网故障或掉电情况下，可以保证机组安全稳定停机，并避免机组发电系统带载脱网对传动系统的冲击。同时具有输出功率波动较小、可预测性更强，在电能质量和电网无功支撑性能方面更具有电网友好性。在智能电网中，可以综合考虑多个目标进行能量的管理，从而达到经济运行的目的。该系统的应用和推广，可以提高电网的稳定性，提高电网对可再能能源的接纳能量，充分的利用风能及其他形式的可再生能源。

附图说明：

图1为本发明的带冗余储能的风电能量转换系统的结构示意图；

图2为冗余储能电池接入交流母线的带冗余储能风电能量转换系统结构

图3为冗余储能电池接入直流母线的带冗余储能风电能量转换系统结构。

具体实施方式：下面结合附图对本发明做进一步的描述：

如图1所示，本发明提供一种带冗余储能的风电能量转换系统，包括：轮毂1、变桨系统2、叶片3、底座4、发电机5、变流器6、冗余储能电池7、偏航系统8、塔架9，三支叶片安装于轮毂之上，变桨系统安装于轮毂之内并与叶片连接；塔架顶部通过偏航系统连接底座，底座上的发电机连接轮毂；发电机还连接至变流器和冗余储能电池。

发电机为高速发电机或低速发电机，当发电机为高速发电机时，该高速发电机通过齿轮箱10和轮毂连接。

当发电机为低速发电机时，该发电机和轮毂直接连接。

冗余储能电池与变流器也可以通过直流母线连接。这时，变流器可以通过对冗余储能电池的充放电控制平滑发电机输出有功功率，提高风电能量转换系统的输出电能质量。

变流器也可以为双向储能变流器，冗余储能电池经过双向储能变流器和交流母线连接。这时，双向储能变流器和冗余储能电池能够起到补偿作用平滑发电机输出有功功率，提高风电能量转换系统的输出电能质量。

本发明中可以通过变流器平滑发电机输出的有功功率。并为风电能量转换系统提供备用电源，在电网掉电时避免发电机带载脱网，并为变桨系统、偏航供电保证机组安全平稳停机。

如上所述的带冗余储能的风电能量转换系统的应用模式与控制方法：带冗余储能的风电能量转换系统一方面可以通过叶片从风中捕获能量转换为电能，同时可以从电网获得能量存储在冗余储能电池系统中，在不同的工况下风电转换系统在控制系统的控制下实现对能量的分配和调节。不同的目的可以有不同的应用模式。本发明的典型应用模式及其控制方法如下：

（1）功率平滑模式及控制方法

由于风本身所具有的波动性和随机性特点，风轮捕获的风能也随之波动，进而导致发电机的输出功率P _ge也不断波动，频率在0.01～1Hｚ的功率波动对电网的稳定性具有严重的影响，为了抑制系统的输出功率波动，通过对冗余储能电池的功率P _ess的动态控制对发电机输出功率进行补偿，从而抑制风电能量转换系统的输出P _out的波动。冗余储能功率补偿的控制目标也就是风电能量转换系统功率输出的目标可以由风电场风功率预测系统给定，也可以通过对发电机输出功率进行惯性滤波得出，对发电机输出功率进行惯性滤波得出控制目标的方法为：

（1）

T为滤波的时间窗口，可以根据系统所在区域的风资源和电网具体情况确定。冗余储能电池输出的功率控制采用误差反馈控制，P _ess为：

(2)

其中，K _p为控制器参数，T _p为控制周期。

（2）谷电峰用模式及控制方法

目前国外对可再生能源上网电价实行分时电价，这也将是我国智能电网建设的重要内容。为了获得更大的经济收益，带冗余储能的风电能量转换系统可以充分利用大容量冗余储能电池存储电能，在电网上网电价较低时将电能储能到冗余储能电池，如果风电发电不足，还可以从电网获取部分电能；在上网电价较高时将储能的电能释放并送到电网，通过峰谷电价差实现收益。

冗余储能电池的功率控制以最大收益为目标，综合考虑实时电网上网电价和风速情况进行最优控制。

（3）调频模式及控制方法

可再生能源发电设备输出的有功功率或负载大幅度波动会使得电网频率发生变化，威胁电网稳定性。带冗余储能的风电能量转换系统可以在风速变化导致发电机输出功率大幅下降时短时提供有功功率的支撑，从而有利于维持系统的频率稳定。冗余储能电池的功率控制根据系统有功功率输出参考值、电网参考频率和实测频率的误差进行控制，冗余储能电池的功率控制方法为：

其中，f _re为电网参考频率，f _N为电网额定频率，K _G为功率控制参数。

（4）计划发电模式

在智能电网运行中，风电发电设备或专门预测系统需要提前一段时间预测发电量上报给电网调度机构，但是风电发电设备实际发电量与预测发电量会存在一定的偏差，如果偏差超过一定幅度将面临一定的经济惩罚。带冗余储能的风电能量转换系统可以，利用冗余储能电池提供一定的功率补偿，从而避免或者减少电网对运行商的经济惩罚。

（5）稳压模式及控制方法

通过带储能的风电能量转换系统的动态无功控制可以提高电网暂态电压稳定性，防止电压崩溃事故；在故障时提供动态无功支撑，加速故障后电压恢复，减少低压引起的负荷释放。在稳压模式主要控制系统的无功输出。在稳压模式的无功功率控制采用以下方式：

其中，V _re为电网参考电压，V _g为测量电网电压，K _g为无功功率控制参数。T _d为惯性常熟。

另外，本发明可以选择全钒液流电池做为冗余储能电池储能。

参照图1，该系统中的独立电动变桨系统安装在轮毂之内，控制叶片的桨距角以调节风轮捕获的能量。传动系统由主轴、齿轮箱和联轴器组成，将机械能传递到发电机。

如图2所示，全钒液流电池可以通过双向变流器连接到交流母线，。

全钒液流电池具有安全可靠、寿命长、能量转换效率高、电池一直性好的特点，且功率和容量可以独立设计，容量可以从几十千瓦时到数百兆瓦时，非常适合带冗余储能风电能量转换系统。现代电力电子技术以功率处理为对象以实现高效率、高品质用电为目标通过电力半导体器件实现了灵活的电能传输、变换和利用，这为基于全钒液流电池储能的带冗余储能风电能量转换系统功率控制、稳定运行提供了技术保障。

同时，本发明也可以选择固态锂电池做为冗余储能电池。

如图3所示，不同于全钒液流电池，采用固态锂电池的带冗余储能风电能量转换系统的发电机采用低速永磁发电机，风轮和发电机转子直接通过法兰连接，发电机定子和底架连接，无需齿轮箱和联轴器。变流器采用全功率变流器，固态锂电池储能系统连接在变流器直流母线上。

本发明同时适合大规模集中装机风电场和分布式发电系统，本发明将风能捕获、风电能量转换、电能存储及调度进行有效的集成，本发明能量密度高、占地面积小、效率高、建设周期短、站址适应性强。

Claims (1)

1.带冗余储能的风电能量转换系统，包括：轮毂、变桨系统、叶片、底座、发电机、变流器、冗余储能电池、偏航系统、塔架，其特征在于：三支叶片安装于轮毂之上，变桨系统安装于轮毂之内并与叶片连接；塔架顶部通过偏航系统连接底座，底座上的发电机连接轮毂；发电机还连接至变流器和冗余储能电池；

发电机为高速发电机或低速发电机，当发电机为高速发电机时，该高速发电机通过齿轮箱和轮毂连接；当发电机为低速发电机时，该发电机和轮毂直接连接；

当发电机为低速发电机时，轮毂和发电机转子直接通过法兰连接，发电机定子和底架连接；

冗余储能电池与变流器通过直流母线连接；

变流器为双向储能变流器，冗余储能电池经过双向储能变流器和交流母线连接。