CN103904669A

CN103904669A - 一种电场功率调节装置及其调节方法

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Publication number: CN103904669A
Application number: CN201410146851.7A
Authority: CN
Inventors: 刘海锋; 王旭明; 张霞; 朱彬荣; 杨靖波
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
Priority date: 2014-04-14
Filing date: 2014-04-14
Publication date: 2014-07-02

Abstract

本发明提供一种电场功率调节装置及其调节方法，该装置包括分别与储能单元、卸能单元和低电压穿越控制单元连接的驱动单元，驱动单元与电源输入单元连接，卸能单元依次与发电单元和电源输出单元连接，其改进之处在于，储能单元的海拔高度高于卸能单元的海拔高度，储能单元和卸能单元之间设有缆车输送单元，储能单元和卸能单元通过缆车输送单元传输重物以实现电能的储存和发送。和现有技术比，本发明提供的电场功率调节装置及调节方法，能量转换效率高，充/放电速度控制灵活，能量储存容量大，建设成本和维护费用都较低，生态友好。

Description

一种电场功率调节装置及其调节方法

技术领域

本发明涉及一种电场功率调节装置，具体讲涉及一种搬运重物储能的电场功率调节装置及其调节方法。

背景技术

风能是因空气流做功而提供给人类的一种可利用的能量，属于可再生能源。空气流具有的动能称风能，空气流速越高，动能越大。风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大，全球的风能约为2.74×10^9MW，其中可利用的风能为2×10^7MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。目前全世界每年燃烧煤所获得的能量，只有风力在一年内所提供能量的三分之一，因此，国内外都很重视利用风力来发电。

现在，人们用风车把风的动能转化为旋转的动作去推动发电机，以产生电力，到2008年为止，全世界以风力产生的电力约有94.1百万千瓦，供应的电力已超过全世界用量的1%。风能虽然对大多数国家而言还不是主要的能源，但在1999年到2005年之间已经成长了四倍以上。

在我国，现在已有不少成功的中、小型风力发电装置在运转。我国的风力资源极为丰富，绝大多数地区的平均风速都在每秒3米以上，特别是东北、西北、西南高原和沿海岛屿，平均风速更大；有的地方，一年三分之一以上的时间都是大风天。在这些地区，发展风力发电是很有前途的。

风能的输出功率具有随机性、间歇性和波动性的固有特点，难以根据大电网的指令进行调节。具体表现在:

1）特别是风电，还具有反调峰特性.夜晚用电负荷变小，发电功率反而变大；

2）在大电网电压下降时，没有储能装置的风电场不仅难以增大有功和无功功率输出来支持大电网电压恢复，反而会因为定子端电流过大而从大电网断开，导致大电网的电压再次下降；

3）风电场的功率短时间波动还会造成电网电压频率波动的问题。基于以上原因，大电网视风电为“垃圾电”，不愿吸纳更多的风电，造成大规模弃风现象。

因此，需要开发带有储能设备的功率调节装置，该装置可以根据大电网的调度指令，快速调节风电场的有功功率和无功功率。

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，功率反应速度偏慢等问题，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、光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

针对现有技术的不足，本发明提供了一种电场功率调节装置及其调节方法，能量转换效率高，充/放电速度控制灵活，能量储存容量大，建设成本和维护费用都较低，生态友好。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供的一种电场功率调节装置，所述装置包括分别与储能单元、卸能单元和低电压穿越控制单元连接的驱动单元，所述驱动单元与电源输入单元连接，所述卸能单元依次与发电单元和电源输出单元连接，其改进之处在于：所述储能单元的海拔高度高于卸能单元的海拔高度，所述储能单元和卸能单元之间设有缆车输送单元，所述储能单元和卸能单元通过缆车输送单元传输重物以实现电能的储存和发送。

其中，所述驱动单元包括电动机和转动轮，所述转动轮分别设置在缆车输送单元的两端并与电动机连接；在所述储能单元端的转动轮和电动机之间设有功率调节器。

其中，所述电源输入单元包括变压器，电能经变压器调节后通过输电线路和输电杆塔与所述驱动单元的电动机连接。

其中，所述电源输出单元包括大电网和变压器，所述卸能单元端的电动机输出的电能经变压器调节后通过输电线路和输电杆塔与大电网连接。

其中，所述储能单元和卸能单元分别包括重物堆放地和重物自动装卸装置。

其中，所述缆车输送单元包括缆车、承载索、承载塔、卡件、支架和滑轮；所述缆车通过卡件与承载索固结在一起，所述缆车的重心和所固结的承载索的卡件处于同一铅垂线上。

其中，所述承载索与支架之间通过滑轮连接。

其中，所述驱动单元的转动轮设有沟槽，所述承载索设置在所述沟槽内。

其中，所述重物设置在缆车内，通过调节所述重物的质量和其下降/上升的速度控制有功功率的输出/输入；通过调节所述电动机的功率角控制无功功率的输出。

本发明基于另一目的提供的一种电场功率调节装置的调节方法，包括下述步骤：

1、充电阶段；将电厂产生的电能给发电单元充电，发电单元的电量充至半满，并且风电场的发电功率高于调度中心的指令时，向大电网输出额定功率，剩余电能通过驱动转动轮带动承载索运动转化为机械能，在卸能单元处的重物通过重物自动装卸装置装载到缆车中，装入重物的缆车通过承载索带动到储能单元，重物自动装卸装置将重物从缆车中卸载并堆放在重物堆放地，从而实现将机械能转化为重物的重力势能储存；

2、放电阶段；当风电场的发电功率低于调动中心的指令时，风电场的发电功率全部进入大电网，同时，将储存在储能单元的重物运回至卸能单元，装载重物的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，转动轮运动带动电动机运动将机械能转化为电能输送到大电网中；

3、低电压穿越阶段；在大电网电压下降时，提升重物下降的速度以提高有功功率输出，并加大发电单元上的电动机的功率角来提高发电单元的无功功率输出，以支撑大电网电压恢复，提高风电场的低电压穿越能力。

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

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，以目前的电工技术水平，该转换效率可达80%以上，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。

本装置通过控制重物上升/下降的速度即可控制充电/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/光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20米、高低堆放场的落差为200米时，本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。

本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/光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。

本装置中的重物可就地取材，砂石即可；缆车、铁索等均为为成熟的技术，建设成本可以接受；本装置所需的重物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。

当本装置的储能规模较小时，可以解决风电场短时间内功率波动的问题，并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：本发明提供的电场功率调节装置的结构示意图；

图2是：本发明提供的电场功率调节装置的侧视图；

图3是：本发明提供的电场功率调节装置在风/光电厂平面布置示意图。

其中：1、风/光电厂；2、输电线路；3、输电杆塔；4、电动机；5、高海拔转动轮；6、储能单元；7、功率调节器；8、满载重物的缆车；9、空载的缆车；10、承载塔；11、卡件；12、支架；13、滑轮；14、低海拔转动轮；15、卸能单元；16、电动机；17、变压器；18、大电网。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本实施例以电场功率调节装置为例，如图1至图3所示，本发明实施例提供的电场功率调节装置包括：电源输入单元、驱动单元、储能单元6、缆车输送单元、卸能单元15、发电单元、电源输出单元、低电压穿越控制单元；驱动单元分别与储能单元6、缆车输送单元、卸能单元15和低电压穿越控制单元连接，储能单元6的海拔高度高于卸能单元15的海拔高度，缆车输送单元倾斜设置在储能单元6和卸能单元15之间；驱动单元与电源输入单元连接，卸能单元15依次与发电单元和电源输出单元连接，重物通过缆车输送单元在储能单元6和卸能单元15之间传输以实现电能和机械能之间的转换。

如图1所示，驱动单元包括：电动机4、功率调节器7、高海拔转动轮5和低海拔转动轮14，电动机4、功率调节器7和高海拔转动轮5依次连接，低海拔转动轮14和发电单元的电动机16连接；电源输入单元包括风/光电厂1和变压器，风/光电厂1输出的电能经变压器调节后通过输电线路2和输电杆塔3与驱动单元的电动机4连接；电源输出单元包括大电网18和变压器17，发电单元的电动机16输出的电能经变压器17调节后通过输电线路和输电杆塔与大电网18连接；缆车输送单元包括：缆车、承载索、承载塔10、卡件11、支架12和滑轮13；缆车分为满载重物的缆车8和空载的缆车9，缆车通过卡件11与承载索固结在一起，缆车的重心和所固结的承载索的卡件11位置处于同一铅垂线上，承载索与支架12之间通过滑轮13连接，承载索设置在高海拔转动轮5和低海拔转动轮14的沟槽内，承载索在高海拔和低海拔场都是水平的，在高海拔到低海拔之间是倾斜的，承载索通过高海拔和低海拔处承载塔10上的滑轮13实现水平位置和倾斜方向的转变。

将风/光电1厂产生的电能给发电单元充电，发电单元的电量充至半满，并且风电场的发电功率高于调度中心的指令时，向大电网18输出额定功率，剩余电能进行储存，低海拔转动轮14通过电动机4提供的电能带动承载索运动将重物从卸能单元15运至储能单元6实现将电能转化为重物的势能并储存；当风电场的发电功率低于调动中心的指令时，风电场的发电功率全部进入大电网18，同时，将重物装载至缆车通过承载索带动高海拔转动轮5从储能单元6运至卸能单元15，并将转化的电能通过电动机16输送到大电网18。在大电网18电压下降时，可以加快重物下降速度，并增大电动机16的功率角以增大有功功率和无功功率支持大电网18恢复，来提高风电场的低电压穿越能力。其中，风电场有功功率的输出/输入通过重物的质量和下降/上升的速度控制；风电场无功功率输出通过电动机16的功率角控制。

搬运重物储能的风电场功率调节装置根据大电网18的调度指令，利用重物的上升和下降来调节风电场的有功功率和无功功率输出；可有效提高风电的利用率和供电质量，特别有利于提高风电场的低电压穿越能力。

1、充电阶段；将风/光电厂1产生的电能给发电单元充电，发电单元的电量充至半满，并且风电场的发电功率高于调度中心的指令时，向大电网18输出额定功率，剩余电能通过驱动转动轮带动承载索运动转化为机械能，在卸能单元15处的重物通过重物自动装卸装置装载到缆车中，装入重物的缆车通过承载索带动到储能单元6，重物自动装卸装置将重物从缆车中卸载并堆放在重物堆放地，从而实现将机械能转化为重物的重力势能储存；

2、放电阶段；当风电场的发电功率低于调动中心的指令时，风电场的发电功率全部进入大电网18，同时，将储能单元6的重物运回至卸能单元15，装载重物的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，转动轮运动带动电动机16运动将机械能转化为电能输送到大电网18中；

3、低电压穿越阶段；在大电网18电压下降时，提升重物下降的速度以提高有功功率输出，并加大发电单元上的电动机16的功率角来提高发电单元的无功功率输出，以支撑大电网18电压恢复，提高风电场的低电压穿越能力。

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

1.一种电场功率调节装置，所述装置包括分别与储能单元、卸能单元和低电压穿越控制单元连接的驱动单元，所述驱动单元与电源输入单元连接，所述卸能单元依次与发电单元和电源输出单元连接，其特征在于：所述储能单元的海拔高度高于卸能单元的海拔高度，所述储能单元和卸能单元之间设有缆车输送单元，所述储能单元和卸能单元通过缆车输送单元传输重物以实现电能的储存和发送。

2.如权利要求1所述的电场功率调节装置，其特征在于，所述驱动单元包括电动机和转动轮，所述转动轮分别设置在缆车输送单元的两端并与电动机连接；在所述储能单元端的转动轮和电动机之间设有功率调节器。

3.如权利要求2所述的电场功率调节装置，其特征在于，所述电源输入单元包括变压器，电能经变压器调节后通过输电线路和输电杆塔与所述驱动单元的电动机连接。

4.如权利要求3所述的电场功率调节装置，其特征在于，所述电源输出单元包括大电网和变压器，所述卸能单元端的电动机输出的电能经变压器调节后通过输电线路和输电杆塔与大电网连接。

5.如权利要求1所述的电场功率调节装置，其特征在于，所述储能单元和卸能单元分别包括重物堆放地和重物自动装卸装置。

6.如权利要求1所述的电场功率调节装置，其特征在于，所述缆车输送单元包括缆车、承载索、承载塔、卡件、支架和滑轮；所述缆车通过卡件与承载索固结在一起，所述缆车的重心和所固结的承载索的卡件处于同一铅垂线上。

7.如权利要求6所述的电场功率调节装置，其特征在于，所述承载索与支架之间通过滑轮连接。

8.如权利要求7所述的电场功率调节装置，其特征在于，所述驱动单元的转动轮设有沟槽，所述承载索设置在所述沟槽内。

9.如权利要求8所述的电场功率调节装置，其特征在于，所述重物设置在缆车内，通过调节所述重物的质量和其下降/上升的速度控制有功功率的输出/输入；通过调节所述电动机的功率角控制无功功率的输出。

10.一种如权利要求1～9所述的电场功率调节装置的调节方法，其特征在于，所述调节方法包括下述步骤：

（1）充电阶段；将电厂产生的电能给发电单元充电，发电单元的电量充至半满，并且风电场的发电功率高于调度中心的指令时，向大电网输出额定功率，剩余电能通过驱动转动轮带动承载索运动转化为机械能，在卸能单元处的重物通过重物自动装卸装置装载到缆车中，装入重物的缆车通过承载索带动到储能单元，重物自动装卸装置将重物从缆车中卸载并堆放在重物堆放地，从而实现将机械能转化为重物的重力势能储存；

（2）放电阶段；当风电场的发电功率低于调动中心的指令时，风电场的发电功率全部进入大电网，同时，将储存在储能单元的重物运回至卸能单元，装载重物的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，转动轮运动带动电动机运动将机械能转化为电能输送到大电网中；

（3）低电压穿越阶段；在大电网电压下降时，提升重物下降的速度以提高有功功率输出，并加大发电单元上的电动机的功率角来提高发电单元的无功功率输出，以支撑大电网电压恢复，提高风电场的低电压穿越能力。