CN103114971A - 用于平抑集群化风电场功率输出波动的混合储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于平抑集群化风电场功率输出波动的混合储能系统，针对独立储能装置因特性单一难以有效平抑集群化风电场输出功率中的多时间尺度波动问题，本发明公开了一种用于平抑集群化风电场功率输出波动的混合储能系统。该混合储能系统由快变、小容量的飞轮储能装置和慢变、大容量的绝热压缩空气储能装置组成，分别用于平抑风电场输出功率中的快变分量和慢变分量。根据集群化风电场输出功率与负荷需求之间的关系可产生混合储能系统中各装置的有效充放电功率序列，并对各装置进行充放电操作，实现对风电场输出功率中的多时间尺度波动分量的优化匹配，进而提高风电的并网容量等级，达到清洁风能的高效利用。

Description

用于平抑集群化风电场功率输出波动的混合储能系统

【技术领域】

本发明属于可再生能源利用领域，涉及一种用于平抑集群化风电场功率输出波动的混合储能系统。

【背景技术】

随着传统的煤、石油、天然气等化石能源储量的日益枯竭，以及化石燃料燃烧排放的温室气体问题日益严重，能源供应和环境保护已成为现阶段制约社会经济发展的瓶颈，开展可再生能源利用的相关研究刻不容缓。风力发电由于技术成熟且风能资源丰富，已经成为世界范围内增长最快的可再生能源利用方式。近年来我国风电产业发展迅速，且具有风电电源基地装机集群化、与负荷中心空间分布远、风电功率输出随机性等特点。此外，风电基地网架结构薄弱，不能及时消纳绿色的可再生风电能源，多数风电场处于空转的弃风状态，能量损失严重。同时，在电力系统运行中，发电、输电、配电和用电等环节需时刻保持平衡。当风电容量在电网中所占比例很小时，上述特点不会对电力系统造成不利影响。但随着风电并网容量的不断增大，一旦风电穿透功率超过所在电网的极限比例，将对电力系统调度、电力市场运行、电能质量甚至电网的安全运行等方面带来新的挑战。因此，研究在高风电并网容量等级下的电力系统能量平衡新方法是解决集群化风电场并网问题的重要措施之一。

现阶段解决风电并网问题的主要方法是使用独立储能装置来平抑风电场功率输出的波动。此种方法是在风电功率输出大于电网负荷需求时，将多余风电能量储存入独立储能装置；而在风电功率输出不能满足电网负荷需求时，将储存在独立储能装置中的能量释放出来，弥补电能需求的缺口。但是风电功率输出的波动具有一定时间尺度分布特性。也就是说，风电功率的波动中包含有不同响应速度的分量，即快变分量和慢变分量。一般快变分量具有较小的变化幅度，而慢变分量具有较大的变化幅度。因此，使用特性较为单一的独立储能装置来平抑风电功率波动的所有分量是不合理的。

发展风电产业是解决现阶段常规能源供应与环境污染问题的有效途径，但当风电并网容量超过所在电网的极限比例时，将对电力系统调度、电力市场运行、电能质量甚至电网的安全稳定运行等方面带来严重影响。为了提高风电的并网容量等级，现有技术是使用独立储能装置来平抑风电场的功率输出波动。但是风电功率波动含有多个时间尺度的波动分量，而独立储能装置的特性比较单一，因此很难匹配风电功率的实时波动。

本发明所涉及的由绝热压缩空气储能装置和飞轮储能装置组成的混合储能系统正是为了平抑风电功率波动的不同时间尺度分量而发明的，该发明可以有效抑制风电功率波动对电力系统的负面影响，防止由于风电功率波动而对风电进行限电、弃风等所造成的能量损失，提高风电场的能量利用效率。

【发明内容】

针对以上技术问题，本发明提供了一种用于平抑集群化风电场功率输出波动的混合储能系统，该混合储能系统由慢变、大容量的绝热压缩空气储能装置和快变、小容量的飞轮储能装置组成，分别用于平抑风电场输出功率中的慢变分量和快变分量，从而达到对集群化风电场输出功率波动的有效抑制，从而解决集群化风电场的并网问题。

为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种用于平抑集群化风电场功率输出波动的混合储能系统，包括能量管理控制模块，能量管理控制模块的输出端分别连接有绝热压缩空气储能装置和飞轮储能装置，所述能量管理控制模块的输入端分别连接集群化风电场和负荷，所述飞轮储能装置根据负荷的需求储存能量或者向负荷提供能量；所述绝热压缩空气储能装置包括发电/电动机，所述发电/电动机通过第一联轴器依次同轴连接有高压压气机和低压压气机，所述发电/电动机通过第二联轴器依次同轴连接有高压透平和低压透平，所述高压压气机和高压透平之间连接有压缩空气储气容积。

作为本发明的优选实施例，所述高压压气机和低压压气机通过第一换热器连接；

作为本发明的优选实施例，所述压缩空气储气容积和高压压气机通过第二换热器连接；

作为本发明的优选实施例，所述压缩空气储气容积和高压透平通过第三换热器连接；

作为本发明的优选实施例，所述低压透平和高压透平通过第四换热器连接；

作为本发明的优选实施例，所述混合储能系统进一步包括有冷态导热油储罐和热态导热油储罐，所述冷态导热油储罐的输出通过第一增压泵分别与第一换热器和第二换热器的输入相连，第一换热器和第二换热器的输出汇合后与热态导热油储罐相连，所述热态导热油储罐的输出通过第二增压泵分别与第三换热器和第四换热器的输入相连，第三换热器和第四换热器的输出汇合后与冷态导热油储罐相连；

作为本发明的优选实施例，所述飞轮储能装置包括永磁同步电机和飞轮转子，所述永磁同步电机的输出与绝热压缩控制储能装置的发电/电动机的输出汇合后与负荷连接；

作为本发明的优选实施例，空气通过空气过滤器进入到低压压气机内；

与现有技术相比，本发明用于平抑集群化风电场功率输出波动的混合储能系统至少具有以下优点：本发明混合储能系统由慢变、大容量的绝热压缩空气储能装置和快变、小容量的飞轮储能装置组成，当集群化风电场的输出功率大于负荷的需求时，多余电力将进入能量管理控制模块中根据能量分流算法进行分流，产生飞轮储能装置和绝热压缩空气储能装置的充电功率序列，将能量分别存储在飞轮储能装置和绝热压缩空气储能装置；当集群化风电场的输出功率不能满足负荷的需求时，混合储能系统将在能量管理控制模块的指令下产生飞轮储能装置和绝热压缩空气储能装置的放电功率序列，飞轮储能装置和绝热压缩空气储能装置提供能量给负荷以满足负荷的需求，达到对集群化风电场输出功率波动的有效抑制，从而解决集群化风电场的并网问题。

【附图说明】

图1为本发明用于平抑集群化风电场功率输出波动的混合储能系统的结构示意图。其中，

1	集群化风电场	2	能量管理控制模块
				3	负荷	4	空气过滤器
5	低压压气机	6	第一换热器
				7	高压压气机	8	第二换热器
9	第一联轴器	10	发电/电动机
				11	第二联轴器	12	第三换热器
13	高压透平	14	第四换热器
				15	低压透平	16	冷态导热油储罐
17	第一增压泵	18	冷态导热油分流器
				19	热态导热油汇流器	20	压缩空气储气容积
21	冷态导热油汇流器	22	热态导热油分流器
				23	第二增压泵	24	热态导热油储罐
25	永磁同步电机	26	飞轮转子

27

电能汇合点

【具体实施方式】

为了克服现有技术的不足，本发明首次提出了使用绝热压缩空气储能装置和飞轮储能装置所组成的混合储能系统来平抑集群化风电场输出功率波动的不同时间尺度分量。其特征在于：在集群化风电场中引入混合储能装置，该混合储能装置由大容量、慢变的绝热压缩空气储能装置和小容量、快变的飞轮储能装置组成。当风电输出功率大于电网负荷需求时，多余电力将进入能量管理控制模块中根据能量分流算法进行分流，分别进入飞轮储能装置和绝热压缩空气储能装置。在飞轮储能装置中，电动机驱动飞轮转子加速转速，将电能转化为机械能；在绝热压缩空气储能装置中，电动机拖动压缩机把空气由大气压压缩到较高压力等级并存储进储气容积。同时，由导热油循环系统将压缩过程热吸收并存储进热态导热油模块，此装置将电能转换为内能储存起来。当风电输出功率不能满足负荷需求时，混合储能系统将在能量管理控制模块指令下将储存的能量转化为电能，以弥补电能需求的缺口。在飞轮储能装置中，飞轮转子驱动发电机旋转，将飞轮的旋转动能转化为电能输出；在绝热压缩空气储能装置中，压缩空气储气容积的阀门打开，压缩空气进入透平级，同时导热油循环系统将热态导热油模块的热能带入透平级的换热器中和压缩空气进行换热，加热进入透平级做功的压缩空气，提高其初温，压缩空气经透平膨胀做功后驱动发电机发电，将内能转化为了电能。本发明中使用混合储能系统来平抑集群化风电场功率输出波动中的不同时间尺度分量，进而提高风电的并网容量等级，达到清洁风能的高效利用。

当大规模风电接入电网时，其功率波动性将对电力系统安全稳定运行带来负面影响。在风电场中引入储能装置可减弱这种波动对电网的影响，但现有技术只使用独立储能装置，因其特性较为单一，很难匹配风电功率的实时波动的。鉴于风电场输出功率含有多个时间尺度的波动分量，本发明将采用由飞轮储能装置和绝热压缩空气储能装置所组成的混合储能系统来对风电场输出功率进行有效平抑，进而协助大规模风电场安全并网。飞轮储能装置响应速度快，容量小，能量转换效率高、技术成熟；而绝热压缩空气储能装置可回收自身在压缩过程中产生的压缩过程热，相比于传统的压缩空气储能装置而言，没有温室气体的排放，对环境友好，且能量转换效率较高。将这两种装置进行有效集成，可以很好匹配风电场输出功率中的多时间尺度波动分量，可以有效提高风电的并网容量等级，达到清洁风能的高效利用目的，可以产生显著的经济效益和社会效益，实现节能、降耗、减排的基本国策。

一种用于平抑集群化风电场功率输出波动的混合储能系统，参见图1。下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

参照图1，一种用于平抑集群化风电场功率输出波动的混合储能系统示意图来详细描述其工作原理。该系统由集群化风电场1、负荷3、混合储能系统和能量管理控制模块2等部分组成。其中混合储能系统是该发明的关键，而混合储能系统由大容量、慢变的绝热压缩空气储能装置和小容量、快变的飞轮储能装置组成，分别用于平抑风电场输出功率中的慢变分量和快变分量。

当集群化风电场1的输出功率大于负荷3的需求时，多余电力将进入能量管理控制模块2中根据能量分流算法进行分流，产生飞轮储能装置和绝热压缩空气储能装置的充电功率序列。在飞轮储能装置中，永磁同步电机25工作在电动机模式，驱动飞轮转子26加速转速，将电能转化为机械能储存在飞轮系统中；在绝热压缩空气储能系统中，第一联轴器9闭合，第二联轴器11断开，发电/电动机10工作于电动机状态，拖动低压压气机5将由空气过滤器4中流入的空气压缩到次高压力等级，接着由高压压气机7继续压缩到较高压力等级，储存入压缩空气储气容积20中。同时，冷态导热油储罐16中冷态导热油经第一增压泵17增压后流入冷态导热油分流器18中分流，分别流入低压压气机5和高压压气机7后的第一换热器6和第二换热器8中将压缩过程热吸收变成热态导热油，然后在热态导热油汇流器19汇流后储存进热态导热油储罐24中，绝热压缩空气储能装置将电能转换为内能储存起来。

当集群化风电场1的输出功率不能满足负荷3的需求时，混合储能系统将在能量管理控制模块3的指令下产生飞轮储能装置和绝热压缩空气储能装置的放电功率序列。在飞轮储能系统中，永磁同步电机25工作在发电机模式，飞轮转子26驱动发电机旋转，将飞轮的旋转动能转化为电能输出；在绝热压缩空气储能系统中，发电/电动机10工作于发电机状态，压缩空气储气容积20的阀门打开，压缩空气依次进入高压透平13和低压透平15充分膨胀至大气压后排出，同时驱动发电/电动机10发电输出功率。同时，热态导热油储罐24中的热态导热油经第二增压泵23增压后流入热态导热油分流器22中分流，分别流入高压透平13和低压透平15前的第三换热器12和第四换热器14中将热态导热油的热量传递给压缩空气，以提高压缩空气初温，进而增强做功能力。热态导热油换热后变成冷态导热油，然后流入冷态导热油汇流器21汇流后储存进冷态导热油储罐16中。飞轮储能装置输出的电能和绝热压缩空气储能装置输出的电能在电能汇合点27汇合后供给负荷3，以弥补系统电能需求的缺口。

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种用于平抑集群化风电场功率输出波动的混合储能系统，其特征在于：包括能量管理控制模块（2），能量管理控制模块（2）的输出端分别连接有绝热压缩空气储能装置和飞轮储能装置，所述能量管理控制模块的输入端分别连接集群化风电场和负荷，所述飞轮储能装置根据负荷的需求储存能量或者向负荷提供能量；所述绝热压缩空气储能装置包括发电/电动机（10），所述发电/电动机（10）通过第一联轴器（9）依次同轴连接有高压压气机（7）和低压压气机（5），所述发电/电动机（10）通过第二联轴器（11）依次同轴连接有高压透平（13）和低压透平（15），所述高压压气机（7）和高压透平（13）之间连接有压缩空气储气容积（20）。

2.如权利要求1所述的一种用于平抑集群化风电场功率输出波动的混合储能系统，其特征在于：所述高压压气机（7）和低压压气机（5）通过第一换热器（6）连接。

3.如权利要求2所述的一种用于平抑集群化风电场功率输出波动的混合储能系统，其特征在于：所述压缩空气储气容积（20）和高压压气机（7）通过第二换热器（8）连接。

4.如权利要求3所述的一种用于平抑集群化风电场功率输出波动的混合储能系统，其特征在于：所述压缩空气储气容积（20）和高压透平（13）通过第三换热器（12）连接。

5.如权利要求4所述的一种用于平抑集群化风电场功率输出波动的混合储能系统，其特征在于：所述低压透平（15）和高压透平（13）通过第四换热器（14）连接。

6.如权利要求5所述的一种用于平抑集群化风电场功率输出波动的混合储能系统，其特征在于：所述混合储能系统进一步包括有冷态导热油储罐（16）和热态导热油储罐（24），所述冷态导热油储罐（16）的输出通过第一增压泵（17）分别与第一换热器（6）和第二换热器（8）的输入相连，第一换热器（6）和第二换热器（8）的输出汇合后与热态导热油储罐（24）相连，所述热态导热油储罐（24）的输出通过第二增压泵（23）分别与第三换热器（12）和第四换热器（14）的输入相连，第三换热器（12）和第四换热器（14）的输出汇合后与冷态导热油储罐（16）相连。

7.如权利要求1所述的一种用于平抑集群化风电场功率输出波动的混合储能系统，其特征在于：所述飞轮储能装置包括永磁同步电机（25）和飞轮转子（26），所述永磁同步电机（25）的输出与绝热压缩控制储能装置的发电/电动机（10）的输出汇合后与负荷连接。

8.如权利要求1所述的一种用于平抑集群化风电场功率输出波动的混合储能系统，其特征在于：空气通过空气过滤器（4）进入到低压压气机内。