CN103448734B - 一种利用索道运输储能的风电功率调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用索道运输储能的风电功率调节装置，该装置包括：重物输送单元；高海拔重物处理装置和低海拔重物处理装置，分别位于重物输送单元两端；连接于所述重物输送单元的驱动装置，用于驱动重物输送单元的运作；连接于所述重物输送单元的发电装置，用于将释放的能量转为电能；以及连接于所述重物输送单元的低电压穿越控制单元，用于调节所述风电功率。通过本发明的装置可实现能量转换效率高、充/放电反应速度控制灵活、能量储存容量大、生态友好、建设成本和维护费用都较低、规模容易控制等有益效果。

Description

一种利用索道运输储能的风电功率调节装置

技术领域

本发明属于发电/送电领域，具体涉及一种利用索道运输储能的风电功率调节装置。

背景技术

近年来，随着能源和环境的压力增大，风力发电作为最成熟的可再生能源发电技术得到迅猛发展。风能的输出功率天然具有波动性。根据风电功率波动的特点，功率波动可见分为2类：1)瞬态波动功率P_peak，由风速瞬间大幅度增大或减少引起。该波动幅值大，但持续时间较小。2）稳态波动功率P_steady。该功率波动的幅度小，但所占比重很大，持续时间长，能量波动很大。

风电的功率波动会造成以下两个问题：第一，能量利用效率低，稳态功率在夜间较大，但用电量很小；第二，瞬态功率波动还造成了低电压穿越等问题。当电网电压过低时，电网无法吸纳风力机发出的功率，为避免风机转子过速或变流器过压、过流，风机被迫退出工作，使电网的电压再次下降。以上两种缺陷严重限制了风电的大规模并网应用为了减小风力发电功率波动对电网稳定性的影响，电网公司对并网运行风电场的最大功率波动进行了规定，且要求风电机组采用电压控制方式。

目前，调节风力发电有功功率波动多采用降额发电的方法，但这种方法直接影响了风能的利用效率，且调节能力有限；而风电的无功功率波动通常采用STATCOM等FACTS装置进行调节，但无功补偿装置无法抑制有功功率波动。因此，需要开发带有储能设备的功率调节装置，该装置可以根据调度指令快速调节风电场的有功功率和无功功率，以保证风电厂的供电质量，提高风能利用效率，特别是低电压穿越能力。

目前常用的储能方式有：蓄电池，飞轮储能，空气压缩能和抽水蓄能等。前三种方法由于存在成本过高，寿命太短，对瞬态功率波动调节效果很差的问题，短期内无法得到大规模应用。抽水蓄能法的应用比较成熟，我国已建成多个抽水蓄能电站。但该储能方法需要有落差的水源，并具备修建水库的地质条件。然而，风电厂多位于干旱的山区或半山区，无法建造抽水蓄能电站。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种利用索道运输的储能方法来调节风电功率波动的装置。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

一种利用索道运输储能的风电功率调节装置，其特征在于，该装置包括：

重物输送单元；

高海拔重物处理装置和低海拔重物处理装置，分别位于重物输送单元两端；

连接于所述重物输送单元的驱动装置，用于驱动重物输送单元的运作；

连接于所述重物输送单元的发电装置，用于将释放的能量转为电能；以及

连接于所述重物输送单元的低电压穿越控制单元，用于调节所述风电功率。

优选地，所述重物输送单元用于传输重物，包括：缆车，承托及牵引缆车的索道，承载索道的承载塔和转动轮；所述索道包括上行索道和下行索道；所述缆车通过卡件固接于所述索道；所述承载塔为塔架结构，包括钢管、支架、滑轮、卡件，所述滑轮承载所述索道且不阻止索道的定向移动；所述转动轮设有沟槽，所述索道工作时位于沟槽内。

优选地，所述高海拔重物处理装置和低海拔重物处理装置均包括重物堆放场和重物自动装卸装置，该装卸装置用于装载和卸载所述重物。

优选地，所述驱动装置为电动机，该电动机与所述重物输送单元的转动轮连接；所述发电装置包括发电机和变压器；所述重物输送单元的转动轮与该发电机连接并带动发电机运作。

优选地，所述低电压穿越控制单元包括变速器、控制电路和输电线路；所述控制电路和输电线路位于风电场端，用于控制其输出功率；所述变速器连接于所述重物输送单元的转动轮。

优选地，该功率调节装置包括电源输入装置和电源输出装置，所述输入装置包括输电线路、输电塔架和变压器；所述输出装置包括输电线路和输电塔架。

优选地，所述高海拔重物处理装置和低海拔重物处理装置设于不同海拔高度的场地；输送索道连接两场地的中间部分呈倾斜状，位于两场地之上的部分为水平状，并通过承载塔上的滑轮变换角度。

优选地，所述下行索道的承载力大于所述上行索道；所述缆车的重心和固接承载索的卡件位于同一铅垂线上。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

（1）能量转换效率高

本装置将电能转换为机械能，再有机械能转换为电能。在能量储存期间，重物静止于原地，没有额外能量损耗。

（2）充/放电速度控制灵活

控制重物上升/下降的速度即可控制该储能装置充电/放电的功率。控制方法非常简单，而且反应速度也很快。因此，尤其有利于解决的风电发电机组的低电压穿越问题。

（3）能量储存容量大

当重物的密度为5吨/米³，堆放场的长宽均为400米，堆放高度为高度为20米，高低堆放场的落差为200米时，该装置可储存的电能为8.889*10⁶千瓦小时，已经超过了我国天荒坪抽水蓄能电站的电能存储量。

（4）生态友好

该装置不需要截断河流，不会破坏生态环境；在能量转换过程中几乎无废气排放，无电磁污染。在重物的装载荷、传送和卸载过程中可能会有一定的噪音污染，但风电厂多位于人迹罕至的荒凉地带，该污染不会带来严重的问题。

（5）建设成本和维护费用都较低

该装置中的重物可就地取材，砂石即可；缆车、铁索等均为成熟的技术，建设成本可以接受；该装置可利用自然山峦提供高差，不必采用挖井等人工手段；同时，相对于铁轨等运输方法，索道运输造价低，可跨域复杂的地形。该装置所需的重物不会在储能过程中几乎不会发生损耗，只要维护传送装置和装卸载装置即可，维护费用不大。

（6）规模容易控制

当该装置的储能规模较小时，可以解决风电场瞬时功率波动的问题，提高它的低电压穿越能力；当该装置的储能规模较大时，即可承担大电网的调峰任务。

附图说明

图1是本发明利用索道运输储能的风电功率调节装置整体结构图；

图2是本发明风电功率调节装置的风电厂平面布置图；

图3是本发明低电压穿越控制单元电路图；

其中，1-风电机组，2-输电线路，3-输电杆塔，4-低电压穿越电力电子控制单元，5-高海拔转动轮，6-高海拔重物处理装置，7-电动机，8-上行索道上的缆车，9-下行索道上的缆车，10-承载塔，11-卡件，12-支架，13-滑轮，14-低海拔转动轮，15-低海拔重物处理装置，16-发电机，17-变压器，18-大电网。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

1.该装置包括以下几个部分

重物输送单元、高海拔重物处理装置、低海拔重物处理装置、驱动装置、发电装置和低电压穿越控制单元；如图1所示，所述重物输送单元包括：缆车，承托及牵引缆车的索道，承载索道的承载塔和转动轮；所述索道包括上行索道和下行索道；所述缆车通过卡件固接于所述索道；所述承载塔为塔架结构，包括钢管、支架、滑轮、卡件，所述滑轮承载所述索道且不阻止索道的定向移动；所述转动轮设有沟槽，所述索道工作时位于沟槽内。

高海拔重物处理装置和低海拔重物处理装置均包括重物堆放场和重物自动装卸装置；

驱动装置为电动机，该电动机与重物输送单元的转动轮连接；发电装置包括发电机和变压器；重物输送单元的转动轮与该发电机连接并带动发电机运作；

低电压穿越控制单元包括变速器、控制电路和输电线路；控制电路和输电线路位于风电场端，用于控制其输出功率；变速器连接于所述重物输送单元的转动轮；该变速器主要依靠控制电机的电磁转矩来控制重物下降或上升的速度，来实现对稳态功率和瞬态功率的调节。下面以永磁同步发电机为例说明。它的电磁转矩为：

T_f＝-pΨi_eq

其中p为电机极对数；Ψ为转子永磁体磁链；i_eq为定子电流的q轴分量。

直流侧输出到索道储能系统的有功功率p与索道驱动电机的电磁转矩T和转速的关系为：

p＝Tw

从上面2个公式可知，已知发电机转速的情况下，变速器通过控制q轴电流分量，就能控制索道驱动电机的电磁转矩，从而控制直流侧输出到索道储能装置的有功功率，进而控制重物的速度。

该功率调节装置包括电源输入装置和电源输出装置，所述输入装置包括输电线路、输电塔架和变压器；所述输出装置包括输电线路和输电塔架。

高海拔重物处理装置和低海拔重物处理装置设于不同海拔高度的场地；输送索道连接两场地的中间部分呈倾斜状，位于两场地之上的部分为水平状，并通过承载塔上的滑轮变换角度。

2．该装置的工作状态可分为4个状态：

（1）针对稳态功率波动的充电状态。风电厂利用无法输入至电网的稳态功率带动承载索运动，低海拔的重物处理装置不断向缆车中装入重物，装入重物的缆车通过承载索带动，从低海拔地区运送到高海拔地区，高海拔重物处理装置将重物从缆车中取出并按顺序堆放到重物堆中，从而实现能量的储存。在该阶段，该装置可以吸收的能量为：

E_S＝mgh

其中：m为重物的质量，g为重力加速度，h为高低堆放地之间的落差。

（2）针对稳态功率波动放电阶段。该阶段主要涉及势能与电能之间的转换。高海拔重物处理装置将重物从重物堆中平稳放入缆车中缆车下降带动承载索，转动轮与承载索同步运动，重物的重力势能转化为转动轮的机械能，转动轮运动带动发电机运动，从而将机械能转化为电能。该阶段可释放至大电网的电能为：

E_F＝umgh

其中u能量输出阶段的能量转换效率。

（3）针对瞬态功率波动的充电阶段。该阶段涉及了势能、动能和电能的转换。利用上行索道系统中重物的惯性，快速使该重物加速上升，以实现对瞬态功率的吸收。当风机的发电功率大于网测换流器的允许值时，直流母线上的电压会上升；如图3所示。当直流母线上的电压超限时，就将超限部分电流引入到索道储能装置中，驱动重物加速上升，将电能转换为重物的势能和动能储存起来。

该装置可吸收的瞬时功率可由以下公式计算：

$\mathrm{Pt}=\frac{m{v}_l^2}{2}-\frac{m{v}_0^2}{2}$

其中：P为需要吸收的瞬时功率。t为瞬时功率持续时间，v_l为索道重物允许速度，v²为索道重物在未吸收瞬时功率的初始速度。可见，对瞬态功率调节而言，高低海拔重物堆放地的落差并不重要。该装置对瞬态大功率的调节能力主要取决于索道上重物的允许速度。

（4）瞬态功率存储和稳态功率释放同时进行状态。该状态主要为了满足风电机低电压穿越的需要。一方面，将风机网侧变流器无法输出至电网的瞬态大功率输送给上行索道系统，既可防止风力机过速，有效保证风机安全，又可为该系统储存能量；另一方面，根据调度指令，控制下行索道系统重物下降的速度和质量来向电网输出稳态有功功率和无功功率，以协助电网恢复电压。

3.该装置的工作流程为：

（1）稳态功率的调节

首先给储能装置充电，当储能装置电量充至半满。然后，当风电场的稳态发电功率高于调度中心的指令时，按该指令向大电网输出额定功率，剩余功率用于将重物从低海拔储存地搬运到高海拔储存地，将电能转换为重力势能储存起来；当它的发电功率低于调动中心的指令时，风电的稳态功率全部进入大电网，并将重物从高海拔堆放地运输到低海拔堆放地，将储存的重力势能转换为电能释放到大电网中。当风电场的稳态发电功率和调度中心的指令相同时，风电的稳态功率全部进入大电网，储能装置停止工作。

（2）瞬态功率的调节

当瞬态功率相应的电流大于换流器的允许值时，利用超限部分的电流驱动上行索道系统中的发电机，带动重物加速上升。当瞬态大功率持续的时间结束后，重物会在重力的作用下自行减速上升，将动能转换为势能储存起来。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种利用索道运输储能的风电功率调节装置，其特征在于，该装置包括：

重物输送单元；

高海拔重物处理装置和低海拔重物处理装置，分别位于重物输送单元两端；

连接于所述重物输送单元的驱动装置，用于驱动重物输送单元的运作；

连接于所述重物输送单元的发电装置，用于将释放的能量转为电能；以及

连接于所述重物输送单元的低电压穿越控制单元，用于调节所述风电功率；

所述低电压穿越控制单元包括变速器、控制电路和输电线路；所述控制电路和输电线路位于风电场端，用于控制其输出功率；所述变速器连接于所述重物输送单元的转动轮；

所述高海拔重物处理装置和低海拔重物处理装置设于不同海拔高度的场地；输送索道连接两场地的中间部分呈倾斜状，位于两场地之上的部分为水平状，并通过承载塔上的滑轮变换角度；

所述重物输送单元用于传输重物，包括：缆车，承托及牵引缆车的索道，承载索道的承载塔和转动轮；所述索道包括上行索道和下行索道；所述缆车通过卡件固接于所述索道；

所述承载塔为塔架结构，包括钢管、支架、滑轮、卡件，所述滑轮承载所述索道且不阻止索道的定向移动；所述转动轮设有沟槽，所述索道工作时位于沟槽内；

所述下行索道的承载力大于所述上行索道；所述缆车的重心和固接承载索的卡件位于同一铅垂线上。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述高海拔重物处理装置和低海拔重物处理装置均包括重物堆放场和重物自动装卸装置，该装卸装置用于装载和卸载所述重物。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述驱动装置为电动机，该电动机与所述重物输送单元的转动轮连接；所述发电装置包括发电机和变压器；所述重物输送单元的转动轮与该发电机连接并带动发电机运作。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于：该功率调节装置包括电源输入装置和电源输出装置，所述输入装置包括输电线路、输电塔架和变压器；所述输出装置包括输电线路和输电塔架。