CN103337900A - 基于网电互补的离网风力供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于网电互补的离网风力供电系统，该系统的第一部分包括有相互连接的风力发电机、风机控制器、主逆变器、蓄电池组Ⅰ、蓄电池组Ⅱ、双电源切换开关Ⅰ，通过双电源切换开关Ⅰ与负载连接并向负载供电；第二部分包括有相互连接的蓄电池组Ⅱ、蓄电池组Ⅰ、并网逆变器和充放电控制开关，充放电控制开关与计算机控制单元相连接；第三部分包括有相互连接的低压电网、双电源切换开关Ⅰ、双电源切换开关Ⅱ、计算机控制单元。本发明的效果是该系统能够根据附近负载的多少及风场特点，选择离网风力发电机容量，构建成“一拖多”的分布式风力发电系统，并与低压电网构成互补的负载双电源供电，并尽可能利用风能资源为负载供电，有效降低了企业的用电成本。

Description

基于网电互补的离网风力供电系统

技术领域

本发明涉及一种基于网电互补的离网风力供电系统，以可再生能源利用和野外负载设备连续、可靠供电为目标，将离网风电与低压电网供电结合起来形成互补的负载供电系统。它涉及可再生能源开发利用、电力电子及自动检测技术等领域。

背景技术

随着能源危机的日益严重和人们环保意识的逐渐增强,可再生能源的开发利用己成为当今世界的趋势和热点，其中尤以风力发电和太阳能发电开发利用较为普遍。目前风力发电不仅技术相对成熟，而且产品规格相对比较丰富，应用上基本以大型风电场的并网发电和偏远地区的离网风力发电为主，其中离网风力发电多属于千瓦以下级别的微、小型发电机组，适用于负载供电要求不高的场合，如海岛、山区和牧区的日常生活供电等，且能源利用效率低；而对于要求不能停电的场合，基本上是依靠增加蓄电池容量来解决，这样的负载功率都比较小，一般在几十瓦到一、二百瓦。但现实中存在着大量安装于野外的负载设备，如油田抽油机，因运行功率较大（数千瓦）、又要求连续、可靠的供电，目前还基本上采用低压电网的供电方式。对于这样的负载设备，有很多情况是设备安装地具备有较丰富的可利用可再生能源，如风能、太阳能等，有些地方甚至是非常丰富。但由于可再生能源具有随机性和季节性的非稳定特点，直接采用离网发电并独立供电显然不能满足负载的供电要求；如果采用并网发电，不仅有些场合不适合大规模开发，而且除成本明显增加以外，发电并入电网再使用仍是电网供电。如果能根据场地情况和可再生能源的可利用程度，构建一个包含附近若干负载设备的分布式供电系统，利用可再生能源替代低压电网向野外负载设备供电，不仅在节能环保方面具有较大的社会效益，而且降低了可再生能源利用成本，并能为设备所属企业创造出直接的经济效益。

发明内容

针对现有技术中结构上的不足，本发明的目的是提供一种基于网电互补的离网风力供电系统，该供电系统适用于在安装设备的野外陆地上具有较好的风能资源，但又不具备开发并网发电条件，如油田采场的场合，通过建立分布式供电系统，为负载设备提供部分电能供应。本供电系统由一台风力发电机和附近多台负载设备组成“一拖多”的离网供电和互补的网电构成双供电源，根据风力发电机在线输出功率和蓄电池余存电量，由计算机控制将“一拖多”系统内的全部或部分负载切换到风电供电，剩余负载则继续由电网供电。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种基于网电互补的离网风力供电系统，其中：该系统包括有三部分：第一部分包括有相互连接的风力发电机、风机控制器、主逆变器、蓄电池组Ⅰ或蓄电池组Ⅱ形成基本的离网风力发电装置，通过双电源切换开关与负载连接并向负载供电；

第二部分包括有相互连接的蓄电池组Ⅱ或蓄电池组Ⅰ、并网逆变器和充放电控制开关，充放电控制开关与计算机控制单元相连接，计算机控制单元对充放电控制开关的两对互为闭-开的切换开关进行控制，使蓄电池组Ⅰ、蓄电池组Ⅱ分别处于充电或放电状态：若蓄电池组Ⅰ处于和风机控制器接通的充电状态，则与并网逆变器的连接开关处在断开状态，充电蓄电池组存储风力发电机拖动负载富余的电能；同时，蓄电池组Ⅱ则处在与风机控制器断开、与并网逆变器接通的放电状态，将直流电转换成与主逆变器输出电压、频率、相角相同的交流电，并接入主逆变器的输出母线上，对在线风力发电拖动负载不足的功率进行补充；

第三部分包括有相互连接的低压电网、双电源切换开关Ⅰ、双电源切换开关Ⅱ、计算机控制单元，每个双电源切换开关为一对互为合、断的开关组，根据计算机控制单元对在线检测的风速、蓄电池组存余电量参数的分析，判断风电拖动负载的数量，并通过计算机控制单元内的控制开关接口板进行电源的切换操作。

本发明的效果是该基于网电互补的离网风力供电系统的特点：

1、根据附近负载的多少及风场特点，选择离网风力发电机，组成“一拖多”的分布式供电系统，即减少了并网发电的系统繁琐要求，又充分利用了当地的可再生风能资源，同时也减轻了企业用电成本。

2、以低压电网作为补充供电，根据计算机控制单元在线检测的风速，控制风电拖动的负载数量，在保证负载连续可靠运行的前提下，使风能资源利用达到了最大化；低风速时风电最少可以拖动一台负载，额定以上风速本系统供电可以拖动系统中的全部负载。

3、将当地风速按旬进行了日变化规律的统计分析并存储于计算机控制单元中，据此比较、判断系统在线检测的随机风速性质，避免偶发阵风或短时间的风速波动而导致负载在两电源间的频繁切换。

4、使用两个蓄电池组，控制轮换充、放电，并采用并网逆变器作为主逆变器输出功率不足的补充，保证了离网风力供电系统的稳定输出。

5、充放电控制器和双电源切换开关的控制接口板通过由计算机输出指令控制，控制接口板具有先切断供电电源，经延时后再接通另一电源的控制功能，有效防止了双电源切换过程中的瞬间短路或电机的电磁冲击现象发生，保证了系统的安全、可靠工作。

本发明具有充分利用风能、负载供电不间断、双电源切换可靠和运行过程计算机控制等特点。本发明也适合于野外环境中利用其它可再生能源构建离网发电-网电互补的负载供电系统，如太阳能等。

附图说明

图1为本发明的基于网电互补的离网风力供电系统结构示意图。

图中：

1、风力发电机  2、风机控制器  3、逆变器  4、低压电网5、双电源切换开关Ⅰ  6、负载电机Ⅰ  7、负载电机Ⅱ8、双电源切换开关Ⅱ  9、计算机控制单元  10、并网逆变器11、蓄电池组Ⅰ  12、蓄电池组Ⅱ  13、充放电控制开关

具体实施方式

本发明的基于网电互补的离网风力供电系统为一个离网风力发电机拖动多负载的“一拖多”分布式供电系统，通过并接一个蓄电池组和并网逆变器向主逆变器的输出母线补充供电，使得不稳定的离网风力发电具有了向设备类负载连续供电的可能，并采用与低压电网互补的双电源供电方式，即充分利用了可再生能源离网发电，又保证了设备类负载的长期连续供电需求。

如图1所示，本发明的基于网电互补的离网风力供电系统结构是，该系统包括有三部分：第一部分包括有相互连接的风力发电机1、风机控制器2、主逆变器3、蓄电池组Ⅰ11或蓄电池组Ⅱ12，形成基本的离网风力发电装置，通过双电源切换开关与负载连接并向负载供电。

第二部分包括有相互连接的蓄电池组Ⅱ12或蓄电池组Ⅰ11、并网逆变器（10）和充放电控制开关（13），充放电控制开关13与计算机控制单元9相连接，计算机控制单元9对充放电控制开关13的两对互为闭-开的切换开关进行控制，使蓄电池组Ⅰ11和蓄电池组Ⅱ12分别处于充电或放电状态：若蓄电池组Ⅰ11处于和风机控制器2接通的充电状态，则与并网逆变器10的连接开关处在断开状态，存储风力发电机拖动负载富余的电能；同时，蓄电池组Ⅱ12）处在与风机控制器2断开、与并网逆变器10接通的放电状态，将直流电转换成与主逆变器3输出电压、频率、相角相同的交流电，并接入主逆变器3的输出母线上，对拖动负载不足的风力在线发电进行补充。

第三部分包括有相互连接的低压电网4、双电源切换开关Ⅰ5、双电源切换开关Ⅱ8、计算机控制单元9，每个双电源切换开关为一对互为合、断的开关组，根据计算机控制单元9在线检测的风速、蓄电池组存余电量参数的分析，判断风电拖动负载的数量，并通过计算机控制单元9内的控制开关接口板进行电源的切换操作。

所述蓄电电池组Ⅰ11或蓄电池组Ⅱ12为一充一放的双蓄电池组，根据计算机控制单元9对蓄电池组余存电量的在线检测，控制双蓄电池组的充放电，若蓄电池组Ⅰ11连接到风机控制器2充电，则蓄电池组Ⅱ12连接到并网逆变器10放电，并网逆变器10与主逆变器3的输出母线并接。此外，充放电控制开关13永远将两个蓄电池组控制在一充电和一放电的状态。

所述计算机控制单元9内置了一块自主开发的双电源切换开关控制接口板，并根据计算机输出控制指令控制双电源的切换，将网电拖动的负载切换到风电供电，或将风电拖动的负载切换到网电供电。

本发明的基于网电互补的离网风力供电系统工作过程是：计算机控制单元9控制低压电网启动负载。在一定风速下，风力发电机1输出交流电，经风机控制器2整流成直流电，并送入逆变器3转换成与低压电网幅值、频率相同标准的正弦波交流电。计算机控制单元9在线检测风速、风力发电功率及蓄电池组存余电量，计算出可以拖动负载运行的数量，通过内置的切换开关控制接口板将相应数量的负载切换到本风电系统供电。一般情况下，风力发电机输出功率与负载消耗功率不等，当风力发电机在线输出功率大于负载消耗功率时，风机控制器向蓄电电池组Ⅰ11或蓄电池组Ⅱ12充电，储存富余电能；当风力发电机在线输出功率小于负载所需功率时，启动并网逆变器将蓄电池组Ⅱ12或蓄电电池组Ⅰ11的直流电逆变成交流，并入到主逆变器输出母线上，补充拖动负载不足的功率，以满足负载的供电需求。本系统运行过程中，计算机控制单元连续在线检测风速、风力发电功率以及充、放电蓄电池组的余存电量，计算风电可拖动的负载数量，并依据计算机内部存储的历史气象数据判断风速变化是否符合统计的正常变化规律，据此控制双电源切换开关对负载供电的电源进行切换操作；此外，依据在线检测的蓄电池组余存电量，控制切换蓄电池组进行轮换充电和放电。

本发明的基于网电互补的离网风力供电系统的关键在于：首先，构建一个相对稳定供电的分布式电源，解决离网风力发电的随机性和稳定性问题。既在原离网风力发电系统的基础上，在风机控制器上并接一个放电蓄电池组及并网逆变器，通过充放电控制开关使两个蓄电池组形成一充一放状态。当蓄电池组用作充电时与并网逆变器断开，只接收拖动负载富余的风力发电电能；作为放电使用时，蓄电池组与风机控制器直流母线断开，蓄电池组电能经并网逆变器转换成同幅、同频、同相位的交流电并接到主逆变器输出母线上，补充风电拖动负载不足的电能。

其次，在风力发电不能为系统内负载供电时，应能保证由其它电源的补充供电，而不影响设备的正常运转。该功能由串接在系统中的双电源切换开关完成。由计算机控制单元在线检测风速、风力发电功率以及蓄电池存余电量，计算风电拖动负载的数量，并控制双电源切换开关将相应数量的负载切换到风电供电，余下负载继续由低压电网供电，保证设备的不间断连续供电。

第三，在线监测的风速或风力发电功率出现偶然突变或非规律性短期变化时，计算机控制单元通过与内部储存的当地气象历史资料进行比较，判断是否增、减风电拖动的负载数量，解决风速偶发突变及非规律性短时间变化引发的负载在两电源间的频繁切换动作问题，保证系统运行的可靠性。

Claims (2)

1.一种基于网电互补的离网风力供电系统，其特征是：该系统包括有三部分：第一部分包括有相互连接的风力发电机（1）、风机控制器（2）、主逆变器（3）、蓄电池组Ⅰ（11）、蓄电池组Ⅱ（12）、双电源切换开关Ⅰ（5），形成基本的离网风力发电装置，通过双电源切换开关Ⅰ（5）与负载连接并向负载供电；

第二部分包括有相互连接的蓄电池组Ⅱ（12）、蓄电池组Ⅰ（11）、并网逆变器（10）和充放电控制开关（13），充放电控制开关（13）与计算机控制单元（9）相连接，计算机控制单元（9）对充放电控制开关（13）的两对互为闭-开的切换开关进行控制，并在计算机控制单元（9）的控制下，蓄电池组Ⅰ（11）、使蓄电池组Ⅱ（12）分别处于充电或放电状态：若蓄电池组Ⅰ（11）处于和风机控制器（2）接通的充电状态，则与并网逆变器（10）的连接开关处在断开状态，充电蓄电池组存储风力发电机拖动负载富余的电能；相反，蓄电池组Ⅱ（12）则处在与风机控制器（2）断开、与并网逆变器（10）接通的放电状态，将直流电转换成与主逆变器（3）输出电压、频率、相角相同的交流电，并接入主逆变器（3）输出母线上，对多个负载功率不足的风力在线发电进行补充；

第三部分包括有相互连接的低压电网（4）、双电源切换开关Ⅰ（5）、双电源切换开关Ⅱ（8）、计算机控制单元（9），双电源切换开关Ⅰ（5）或电源切换开关Ⅱ（8）为一对互为合、断的开关组，根据计算机控制单元（9）在线检测的风速、蓄电池组存余电量参数的分析，判断风电拖动负载的数量，并通过计算机控制单元（9）内的控制开关接口板进行电源的切换操作。

2.所述蓄电电池组Ⅰ（11）或蓄电池组Ⅱ（12）为一充一放的双蓄电池组，根据计算机控制单元（9）对蓄电池组（11、12）的在线检测，由充放电控制开关（13）控制双蓄电池组的充、放电，若将蓄电池组Ⅰ（11）连接到风机控制器（2）充电，则蓄电池组Ⅱ（12）连接到并网逆变器（10）放电，并网逆变器（10）与主逆变器（3）的输出母线并接。此外，充放电控制开关（13）永远将两个蓄电池组控制在一充电和一放电的状态。

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