CN102832634B - 基于超级电容和大容量储能装置的组合式功率平抑系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了功率平抑系统设计领域的一种基于超级电容和大容量储能装置的组合式功率平抑系统。其技术方案是，一种基于超级电容和大容量储能装置的组合式功率平抑系统所述系统包括超级电容储能装置、大容量储能装置和风场输出功率检测单元；所述风场输出功率检测单元分别与风电场和电网连接；所述超级电容储能装置与风机相连并通过所述风场输出功率检测单元与电网连接；所述大容量储能装置与风机相连并通过所述风场输出功率检测单元与电网连接。本发明将风能以大气压能的形式进行存储，与超级电容配合控制，解决风功率波动大的问题，大幅度地提高了本发明的经济效益。

Description

基于超级电容和大容量储能装置的组合式功率平抑系统
技术领域
本发明属于功率平抑系统设计领域，尤其涉及一种基于超级电容和大容量储能装置的组合式功率平抑系统。
背景技术
风电现今已成为公认能够大规模开发的清洁能源，要降低电网碳排量，必须大力发展风电。但风力发电的特点是间歇性和不稳定性，为保证风能资源的有效利用，风场中设置有大容量储能装置以存储风电。在风力发电受到风速的影响而快速波动时，大容量储能装置显然无法完成快速调节的作用，不能达到平抑波动性的要求，进而影响电网的电能质量，造成谐波污染。在风场中加装超级电容储能装置与大容量储能装置联合控制，能够实现平抑风场输出功率的作用，使得风场输出功率可以随电网功率的变化快速调节。
风力发电的储能控制技术是前景光明的一项技术，风电波动性大且具有反调峰特性，风电的反调峰特性体现在：在白天负荷高峰期，风速相对较小，风力发电相对较少；在夜晚负荷低谷期，风速相对较高，风力发电相对较多。所以在夜晚储能，白天发电就能改变这种现状，实现风电的有效利用。
现今，存在各种风电储能装置，例如：抽水蓄能，压缩空气储能， 电磁储能等，这些储能方法很好的解决了风电反调峰特性所带来的资源浪费问题，但是这些大容量储能装置对风功率的调节受风能间歇性和空间分布不平衡的影响很大，且不能实现快速平抑功率，风电的波动性仍没有有效解决，虽然存在风场完全利用超级电容储能的方案，但是成本高昂，无法真正应用到实际，风电并网的最大障碍仍然存在。本文提出的超级电容和大容量储能装置的组合式功率平抑系统可以很好的解决风资源浪费和功率波动大的这一问题，并且使用小容量的超级电容储能装置，降低成本，从而解决风电并网问题，降低电网碳排放。
发明内容
本发明针对风力发电的反调峰特性、快速波动性和功率预测误差特性，提出了一种基于超级电容和大容量储能装置的组合式功率平抑系统。
本发明的技术方案是，一种基于超级电容和大容量储能装置的组合式功率平抑系统，其特征在于，所述系统包括超级电容储能装置、大容量储能装置和风场输出功率检测单元；
其中，所述风场输出功率检测单元分别与风电场和电网连接，用于检测风电场的输出功率；
所述超级电容储能装置与风机相连并通过所述风场输出功率检测单元与电网连接，用于平抑风电小波动；
所述大容量储能装置与风机相连并通过所述风场输出功率检测 单元与电网连接，用于承担风场与电网之间的功率差额。
所述超级电容储能装置包括脉冲宽度调制PWM变流器、buck-boost斩波电路和超级电容储能器以及电量监测单元。
所述大容量储能装置，包括储气井、第一阀门、高压气泵、第二阀门、第三阀门、第四阀门、上水仓、水轮机、下水仓、高压水泵和气体发生器；所述储气井分别与所述第一阀门和第二阀门连接；所述第一阀门与所述高压气泵连接；所述高压气泵分别与所述第三阀门和第四阀门连接；所述第三阀门与所述气体发生器连接；所述第四阀门与所述上水仓连接；所述上水仓与下水仓分别通过水轮机和高压水泵连接。
所述大容量储能装置包括两种运行方式；所述运行方式包括热备用方式和冷备用方式。
所述脉冲宽度调制PWM变流器包括两种运行状态；所述状态包括逆变状态和整流状态。
本发明的有益效果包括以下几方面：
1、本发明将风能以大气压能的形式进行存储，与超级电容配合控制，解决风功率波动大、浪费的问题，大幅度地提高了本发明的经济效益。
2、本发明将储能装置与超级电容装置封装组合式功率平抑系统，作为风场的配套实施，所发电能按照风电价格上网，提高风场的经济效益，且能够降低蓄能电站的电能大量消耗和损耗，有利于提高电网的供电负荷维持在稳定水平，改善供电质量。
3、本发明使用小容量超级电容，电容部分只承担快速平抑功率波动的作用，可以大幅度地降低设备的制造成本。
4、本发明可以实现就地安装和掩埋，不需要特定的地势条件，降低了建设难度，减少建设成本。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于超级电容和大容量储能装置的组合式功率平抑系统的应用结构示意图；
图2是本发明提供的一种基于超级电容和大容量储能装置的组合式功率平抑系统的大容量储能装置结构图；
图3是本发明提供的一种基于超级电容和大容量储能装置的组合式功率平抑系统的超级电容储能装置结构示意图；
图4是本发明提供的一种基于超级电容和大容量储能装置的组合式功率平抑系统的工作流程图；其中，图(a)为超级电容储能装置的工作流程图；图(b)为大容量储能装置的工作流程图；
其中，1-风机；2-超级电容储能装置；3-大容量储能装置；4-风场输出功率检测单元；5-电网；6-储气井；7-第一阀门；8-高压气泵；9-第二阀门；10-第三阀门；11-第四阀门；12-上水仓；13-水轮机；14-下水仓；15-高压水泵；16-气体发生器；17-脉冲宽度调制PWM变流器；18-buck-boost斩波电路；19-超级电容储能器；20-电量监测单元。
具体实施方式
下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
图1是本发明提供的一种基于超级电容和大容量储能装置的组合式功率平抑系统的应用结构示意图。图1中，一种基于超级电容和大容量储能装置的组合式功率平抑系统包括超级电容储能装置、大容量储能装置和风场输出功率检测单元；所述风场输出功率检测单元分别与风电场和电网连接；所述超级电容储能装置作为风电场的内部设施分别与风机和电网连接；所述大容量储能装置作为风电场的内部设施分别与风机和电网连接。
图2是本发明提供的一种基于超级电容和大容量储能装置的组合式功率平抑系统的大容量储能装置结构图。图2以虚拟高差抽水蓄能装置为例，大容量储能装置包括储气井、第一阀门、高压气泵、第二阀门、第三阀门、第四阀门、上水仓、水轮机、下水仓、高压水泵和气体发生器；所述储气井分别与所述第一阀门和第二阀门连接；所述第一阀门与所述高压气泵连接；所述高压气泵分别与所述第三阀门和第四阀门连接；所述第三阀门与所述气体发生器连接；所述第四阀门与所述上水仓连接；所述上水仓与下水仓分别通过水轮机和高压水泵连接。
图3是本发明提供的一种基于超级电容和大容量储能装置的组合式功率平抑系统的超级电容储能装置结构示意图。所述超级电容储能装置包括脉冲宽度调制PWM变流器、buck-boost斩波电路、超级电容储能器和电量监测单元。
图4是本发明提供的一种基于超级电容和大容量储能装置的组合式功率平抑系统的工作流程图；其中，图(a)为超级电容储能装置的工作流程图；图(b)为大容量储能装置的工作流程图。
图(a)中具体过程包括以下两种情况：
a：风电场输出功率低于电网给定功率下限值时
在风场输出功率检测单元4监测到风电场输出功率低于电网5给定功率时，发送功率调整命令到超级电容储能装置2。超级电容储能装置2根据风电场输出功率与电网给定功率之间的差额快速调整充/放电功率，调高放电功率或降低充电功率。脉冲宽度调制PWM变流器17根据超级电容储能装置的工作状态分别处于逆变/整流状态，buck-boost斩波电路控制超级电容充/放电，并使直流电压保持恒定，超级电容储能器19进行少时的充/放电。
b：风电场输出功率高于电网给定功率上限值时
在风场输出功率检测单元4监测到风电场输出功率高于电网给定功率时，由功率检测单元发动功率调整命令到超级电容储能装置2。超级电容储能装置2根据风电场输出功率与电网给定功率之间的差额快速调整充/放电功率。调高充电功率或降低发电功率，脉冲宽度调制PWM变流器17根据超级电容储能装置的工作状态分别处于在整流/逆变状态，buck-boost斩波电路控制超级电容充/放电，并使直流电压保持恒定，超级电容储能器19进行少时的充/放电。
图(b)中具体过程包括以下四种情况：
a：当超级电容储能器中电量达到下限阈值时并且大容量储能装 置未启动时：
当电量监测单元20监测到超级电容储能器19中剩余电量达到下限阈值，并且大容量储能装置3处于冷备用时，向大容量储能装置3发送命令，令大容量储能装置3发电。第二阀门9打开，第一阀门7、第三阀门10和第四阀门11闭合，储气井6中的气体迫使上水仓12中的水经由水轮机13流向下水仓14，此时水轮机13发电，发电功率由超级电容储能装置2放电过程中的平均功率设定，弥补风电场输出和电网给定功率之间的差额并且使超级电容储能器19中的电量恢复至正常范围内。
b：当超级电容储能器中电量达到下限阈值时并且大容量储能装置已启动时：
当电量监测单元20监测到超级电容储能器19中剩余电量达到下限阈值，并且大容量储能装置3处于热备用时，向大容量储能装置3发送命令，令大容量储能装置3做出发电功率调整，即水轮机13进行发电功率调整，发电功率变化量由超级电容储能装置2放电过程中的平均功率设定，弥补风电场输出和电网给定功率之间的差额并且使超级电容储能器19中的电量恢复至正常范围内。
c：当超级电容储能器中电量达到上限阈值时并且大容量储能装置未启动时：
当量监测单元20监测到超级电容储能器19中剩余电量达到上限阈值，并且大容量储能装置3处于冷备用时，向大容量储能装置3发送命令，令大容量储能装置3储能，第二阀门9打开，第一阀门7、 第三阀门10和第四阀门11闭合，电动机带动气体发生器16运转，将下水仓14中的水抽取到上水仓12中，随着上水仓12中水位的升高，气体不断进入到储气井6，迫使储气井6中的压强逐渐升高。这个过程就将电能转化为大气压能进行存储，储能功率由图1中超级电容储能装置2储能过程中的平均功率设定，并且使超级电容储能器19中的电量恢复至正常范围内，实现电能存储过程。
d：当超级电容储能器中电量达到上限阈值时并且大容量储能装置已启动时：
当量监测单元20监测到超级电容储能器19中剩余电量达到上限阈值，并且大容量储能装置3处于热备用时，向大容量储能装置3发送命令，令大容量储能装置3做出储能/发电功率调整，即气体发生器16水轮机13进行储能/发电功率调整，储能功率或功率变化量由超级电容储能装置2储能过程中的平均功率设定，将由于风速加大而产生高于电网功率的电能进行储存，并且使超级电容储能器19中的电量恢复至正常范围内，实现电能存储过程。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种基于超级电容和大容量储能装置的组合式功率平抑系统，所述系统包括超级电容储能装置、大容量储能装置和风场输出功率检测单元，风场输出功率检测单元分别与风电场和电网连接，用于检测风电场的输出功率；所述大容量储能装置与风机相连并通过所述风场输出功率检测单元与电网连接，用于承担风场与电网之间的功率差额；所述大容量储能装置的运行方式包括热备用方式和冷备用方式；其特征在于，所述风场输出功率检测单元(4)在监测到风电场输出功率低于电网(5)给定功率时，发送功率调整命令到超级电容储能装置(2)，超级电容储能装置(2)根据风电场输出功率与电网给定功率之间的差额快速调整充/放电功率，调高放电功率或降低充电功率；脉冲宽度调制PWM变流器(17)根据超级电容储能装置的工作状态分别处于逆变/整流状态，buck-boost斩波电路控制超级电容充/放电，并使直流电压保持恒定，超级电容储能器(19)进行少时的充/放电；
其次，所述风场输出功率单元(4)监测到风电场输出功率高于电网给定功率时，由功率检测单元发动功率调整命令到超级电容储能装置(2)，超级电容储能装置(2)根据风电场输出功率与电网给定功率之间的差额快速调整充/放电功率，调高充电功率或降低发电功率；脉冲宽度调制PWM变流器(17)根据超级电容储能装置的工作状态分别处于在整流/逆变状态，buck-boost斩波电路控制超级电容充/放电，并使直流电压保持恒定，超级电容储能器(19)进行少时的充/放电。
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