CN104081046A - 风力发电系统 - Google Patents

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Abstract

提供一种风力发电系统，包括风车发电机构和充放电装置，通过风车发电输出向充放电装置输电、从充放电装置向系统输出，使得向系统的输出平滑化，该风力发电系统不会导致充放电装置的大容量化，能够使得向系统的输出稳定地平滑化。在包括风车发电机构和充放电装置，通过风车发电输出向充放电装置输电、从充放电装置向系统输出，使得向系统的输出平滑化的风力发电系统中，包括扬水发电机构，以几十秒至几分钟的比较短的预定时间间距选择性进行从充放电装置接受了电力供给的扬水发电机构所进行的扬水、利用了扬水的落差的扬水发电机构所进行的水力发电和水力发电输出向充放电装置的输电，所述选择是基于前一间距的风车发电输出平均值、前一间距结束时间点的充放电装置蓄电量进行的。

Description

风力发电系统
技术领域
本发明涉及一种风力发电系统，其包括风车发电机构和充放电装置，通过将风车发电输出向充放电装置输电、从充放电装置向系统输出，使得向系统的输出平滑化。
背景技术
专利文献1、2等公开了风力发电系统，其包括风车发电机构和充放电装置，通过将风车发电输出向充放电装置输电、从充放电装置向系统输出，使得向系统的输出平滑化。
专利文献
专利文献1：日本特开2010-071159号公报
专利文献2：日本特开2010-159661号公报。
发明内容
发明欲解决的问题
由于风车发电输出的随着时间的变动大，因此为了使得向系统的输出稳定地平滑化，对风车发电的剩余电力蓄电的充放电装置需要大容量化。但是，充放电装置一般高价，大容量化会导致风力发电系统的高价格化，妨碍风力发电系统的普及促进。
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种风力发电系统，包括风车发电机构和充放电装置，通过风车发电输出向充放电装置输电、从充放电装置向系统输出，使得向系统的输出平滑化，该风力发电系统不会导致充放电装置的大容量化，能够使得向系统的输出稳定地平滑化。
用于解决问题的方案
为解决上述问题，本发明提供一种风力发电系统，包括风车发电机构和充放电装置，通过风车发电输出向充放电装置输电、从充放电装置向系统输出，使得向系统的输出平滑化，其特征在于，包括扬水发电机构，以几十秒至几分钟的比较短的预定时间间距选择性进行从充放电装置接受了电力供给的扬水发电机构所进行的扬水、利用了扬水的落差的扬水发电机构所进行的水力发电和水力发电输出向充放电装置的输电，所述选择是基于前一间距的风车发电输出平均值、前一间距结束时间点的充放电装置蓄电量进行的。
在本发明所涉及的风力发电系统中，由于将风车发电的剩余电力蓄电在充放电装置中，并且转换为扬水发电机构的蓄水的势能并积累，因此通过根据需要将利用扬水的落差的扬水发电机构所进行的水力发电输出与风车发电输出一起输出至系统，不使充放电装置大容量化，能够稳定地使得向系统的输出平滑化。
以往的扬水发电例如在夜间和白天这样长时间的跨度实现电力供给的平滑化，但本发明通过以几十秒至几分钟的比较短的预定时间间距选择性进行从充放电装置接受了电力供给的扬水发电机构所进行的扬水、利用了扬水的落差的扬水发电机构所进行的水力发电和水力发电输出向充放电装置的输电，能够将扬水发电利用于时时刻刻变动的风车发电输出的平滑化，提出了扬水发电的新颖的利用方法。
由于风车发电输出以几十秒至几分钟的比较短的预定时间间距变动为谷的情况较多，因此以几十秒至几分钟的比较短的预定时间间距选择性进行从充放电装置接受了电力供给的扬水发电机构所进行的扬水、利用了扬水的落差的扬水发电机构所进行的水力发电和水力发电输出向充放电装置的输电是合理的。
如果基于前一间距的风车发电输出平均值、前一间距结束时间点的充放电装置蓄电量，以反馈方式进行上述选择，那么能够根据风车发电输出和充放电装置蓄电量时时刻刻的变动进行选择。
在本发明的优选的形态中，所述间距是1-2分钟的间距。
根据风车发电输出的随着时间的变化的计测数据，由于以1-2分的间距产生中等程度的谷的情况较多，因此以1-2分钟的间距选择性进行从充放电装置接受了电力供给扬水发电机构所进行的扬水、利用了扬水的落差的扬水发电机构所进行的水力发电和水力发电输出向充放电装置的输电是合理的。
在本发明的优选的形态中，在选择开始之后的1个间距，进行与向系统的输出相等的输出的扬水发电机构所进行的水力发电，将该水力发电输出经由充放电装置向系统输出。
在选择开始之后，由于不存在前一间距，因此优选的是，姑且进行与向系统的输出相等的输出的扬水发电机构所进行的水力发电，将该水力发电输出经由充放电装置向系统输出。
在本发明的优选的形态中，扬水发电机构包括上下一对蓄水箱、在上箱与下箱之间的连通路径的途中配设的泵水轮机机构，泵水轮机机构具有在周向互相向相反方向旋转的一组叶轮同轴地配设在壳体内的泵・水轮机部、具有内外双转子式发电电动机的马达・发电机部，所述一组叶轮分别与所述马达・发电机部的内外各转子结合。
可以由上下一对蓄水箱、在上箱与下箱之间的连通路径的途中配设的泵水轮机机构构成扬水发电机构。
泵水轮机机构具有在周向互相向相反方向旋转的一组叶轮同轴地配设在壳体内的泵・水轮机部、具有内外双转子式发电电动机的马达・发电机部，所述一组叶轮分别与所述马达・发电机部的内外各转子结合，该泵水轮机机构具有在前后级叶轮的相反旋转力矩相同的状态下，进而在流过叶轮的水流的角运动量变化在前后级相同的状态下运转的特征，在泵和水轮机运转的两个运转状态下，能够无导叶等辅助机械地实现轴向流入流出。该特征在产生需要瞬间切换泵运转(扬水)与水轮机运转的情况下，在可靠地实现该瞬间的切换方面是有利的。
附图说明
图1是本发明的实施例所涉及的风力发电系统的框图。
图2是示出风车发电输出的随着时间的变化的实测数据的一个例子的图。
图3是示出基于图2的实测数据创建的风车发电输出的一分钟平均值的随着时间的变化的图。
图4是示出本发明的实施例所涉及的风力发电系统所进行的风力发电的仿真结果的表。
图5是适合本发明的泵水轮机机构的剖视图。
具体实施方式
说明本发明的实施例所涉及的风力发电系统。
如图1所示，风力发电系统A包括：风车发电机构B；扬水发电机构C；控制两者的工作的控制装置D。
风车发电机构B包括：风车发电机1；将风车发电机1的交流输出转换为直流的风车用逆变器2；电度表3；充放电装置4；将充放电装置4的直流输出转换为向系统的交流输出的互连用逆变器5。
扬水发电机构C包括：上部蓄水箱6；下部蓄水箱7；上下蓄水箱间的连通路径8；将连通路径8开关的电磁阀9；配设在连通路径8的途中的泵水轮机10；驱动泵水轮机10或者由泵水轮机10驱动的感应发电电动机11；将充放电装置4的直流输出转换为感应发电电动机11的励磁电流(交流)或者将感应发电电动机11的交流输出转换为直流的发电电动机用逆变器12。
发电电动机用逆变器12与充放电装置4经由双向斩波器13连接。
说明风车发电机构B的工作。
风车发电机1的交流输出经由风车用逆变器2被转换为直流输出，对充放电装置4输电(风车发电机1的输出是直流的情况下不需要风车用逆变器2)。风车发电机1的输出值由电度表3检测，输入至控制装置D。充放电装置4的蓄电量也输入至控制装置D。从控制装置D向系统的输出指令输出至充放电装置4，并且电压/频率控制指令输出至互连用逆变器5，充放电装置4的直流输出经由互连用逆变器5被转换为预定电压/频率的交流输出，输出至系统。
说明扬水发电机构C的水轮机运转工作(水力发电工作)。
开度控制指令从控制装置D输出至电磁阀9，控制电磁阀9的开度。励磁电流输出指令从控制装置D输出至充放电装置4，并且励磁电压控制指令输出至发电电动机用逆变器12。充放电装置4的直流输出由双向斩波器13升压，接下来由发电电动机用逆变器12转换为三相交流，并且调整电压和频率，作为励磁电流供给至发电电动机11。由电磁阀9控制流量的水流从上部蓄水箱6通过连通路径8流向下部蓄水箱7，将配设在连通路径8的途中的泵水轮机10旋转驱动，泵水轮机10驱动发电电动机11并发电。发电电动机11的三相交流输出由发电电动机用逆变器12转换为直流输出，由双向斩波器13降压后，输电至充放电装置4。
说明扬水发电机构C的泵运转工作(扬水工作)。
励磁电流输出指令从控制装置D输出至充放电装置4，并且励磁电压控制指令和相更换指令输出至发电电动机用逆变器12。充放电装置4的直流输出由双向斩波器13升压，接下来由发电电动机用逆变器12转换为三相交流并调整电压和频率，并且进行相更换。通过相更换，发电电动机用逆变器12的3相中的2相被更换，泵水轮机10的旋转方向成为与水轮机运转时的相反方向，开始泵运转(扬水工作)。之后，全开控制指令从控制装置D输出至电磁阀9，电磁阀9全开，下部蓄水箱7内的水向上部蓄水箱6上推，在上部蓄水箱6蓄水。
利用从预定日期的15点40分到16点10分进行的现场试验得到的，风车转子直径为2m，额定输出为1.2kW(风速11.5m/s)的风车发电机1的输出的随着时间的变化原始数据如图2所示，图3示出从图2的原始数据得到的1分钟平均输出的随着时间的变化。图3中，涂黑区域示出向系统的平滑输出为63W的情况下的不足电力，阴影区域示出向系统的平滑输出为63W的情况下的剩余电力。
在不使用扬水发电机构C，仅使用风车发电机构B和控制装置D，从15点40分到16点10分维持向系统的63W的平滑输出的情况下，从15点40分到15点46分的不足电力3.56Wh在15点40分的时间点在充放电装置4蓄电，之后如果假定不足电力由来自充放电装置4的输出提供，剩余电力在充放电装置4蓄电，则在16点10分的时间点，7.15Wh的电力会在充放电装置4蓄电，充放电装置4的必要蓄电容量为7.15Wh。
从图2可知在1-2分的间距中产生中等程度的谷。因此，持续地进行风车发电机构B所进行的发电，并且以1分钟的间距选择性进行扬水发电机构C所进行的扬水、利用了扬水的落差的扬水发电机构C所进行的水力发电，对维持向系统的63W的持续的平滑输出的情况进行仿真。仿真在以下的条件下进行。
(1)作为泵水轮机10，使用扬程和落差为2m的泵水轮机。该泵水轮机10的泵运转工作时的能量效率基于实测为0.7，泵水轮机10的水轮机运转工作时的能量效率基于实测为0.9。即，将风车发电的剩余电力1Wh利用泵水轮机10的泵运转工作转换为上部蓄水箱6内的蓄水的势能，接下来将所述势能利用泵水轮机10的水轮机运转工作转换为电能，在该情况下，得到0.63Wh的电能。由于逆变器5、12、电磁阀9、控制装置D的驱动所需的电力与平滑输出、泵驱动所需的电力相比微小，因此忽略。
(2)在15点40分的时间点，充放电装置4的蓄电量是零，在上部蓄水箱6蓄水有相当于利用泵水轮机10的水轮机运转工作与泵水轮机10所进行的发电电动机11的驱动被转换为5.0Wh的电力的量的势能的量、即1019升的水。
(3)在15点40分-15点41分期间，进行与向系统的输出63W相等的输出的扬水发电机构C所进行的水力发电，将该水力发电输出经由充放电装置4、互连用逆变器5向系统输出。
以1分钟间距选择扬水发电机构C所进行的扬水、利用了扬水的落差的扬水发电机构C所进行的水力发电如后所述，基于之前间距的风车发电输出平均值、之前间距结束时间点的充放电装置蓄电量，以反馈方式进行，但在选择开始之后，由于不存在之前间距，因此，姑且进行与向系统的输出相等输出的扬水发电机构所进行的水力发电，将该水力发电输出经由充放电装置4、互连用逆变器5向系统输出。
(4)在15点41分以后的各1分钟，基于前一分钟的风车发电输出平均值和前一分钟结束时间点的充放电装置4的蓄电量，选择性进行：从充放电装置4接受电力供给的扬水发电机构C所进行的扬水；利用了扬水的落差的扬水发电机构C所进行的水力发电和水力发电输出向充放电装置4的输电。
更具体而言，在前一分钟的风车发电输出平均值不到63W的情况下，将前1分钟量的不足电力在下一分钟由扬水发电机构C所进行的水力发电补充，63W输出至系统。
在前一分钟的风车发电输出平均值为63W以上，且在前一分钟结束时间点的充放电装置4的蓄电量为3Wh以下的情况下，在下一分钟不进行扬水发电机构C所进行的水力发电，也不进行扬水发电机构C所进行的扬水。
在前一分钟的风车发电输出平均值为63W以上，且在前一分钟结束时间点的充放电装置4的蓄电量超过3Wh的情况下，在下一分钟不进行扬水发电机构C所进行的水力发电，将从3Wh超过量的蓄电力供给至扬水发电机构C并扬水，转换为蓄水的势能并积累在上部蓄水箱6。
仿真结果如图4所示。图4中，向上部蓄水箱扬水的水的势能一栏、间距结束时的上部蓄水箱的蓄水的势能一栏所记载的能量值(Wh)是向利用了扬水的落差的水力发电所涉及的电能转换后的值。
从图4可知，充放电装置4的蓄电量的最大值是在16点10分的时间点的3.95Wh。另外，在16点10分的时间点的上部蓄水箱的蓄水量是367升。
在上述仿真中，若通过以1分钟间距选择性进行扬水发电机构C所进行的扬水、利用了扬水的落差的扬水发电机构C所进行的水力发电，将充放电装置4的蓄电容量设定为3.95Wh，换言之，即使充放电装置4的蓄电容量减少至仅用风车发电机构B维持向系统的63W的持续的平滑输出情况下的约一半，也能够维持向系统的63W的持续的平滑输出。
根据上述仿真的结果，如下所述。
(1)在包括风车发电机构和充放电装置，通过风车发电输出向充放电装置输电、从充放电装置向系统输出，使得向系统的输出平滑化的风力发电系统中，附加设置扬水发电机构，以比较短的预定时间间距选择性进行从充放电装置接受了电力供给的扬水发电机构所进行的扬水、利用了扬水的落差的扬水发电机构所进行的水力发电和水力发电输出向充放电装置的输电，对于抑制充放电装置的大容量化是有效的。另外，本扬水发电机构与为了保持300°C以上的环境而需要大规模的外围设备的NAS电池、高价且充放电时间慢且容易劣化的Li离子电池等相比，没有运营成本，简单且耐用年数长，在维护性方面也格外优良。另外，这些电容器大容量化极其困难，但本扬水发电机构能够通过改变落差/扬程、箱容量、流体密度，简单且自由地设计处理能力，无论风力发电的规模怎样，能够适用于各类风力发电厂。另外，也能够一并集中处理多处发电厂，与仅用充放电装置实现系统输出的平滑化的以往的风力发电系统相比，比较经济。如果基于前一间距的风车发电输出平均值、前一间距结束时间点的充放电装置蓄电量，以反馈方式进行上述选择，则能够根据风车发电输出和充放电装置蓄电量时时刻刻的变动进行选择。
(2)以往的扬水发电例如在夜间和白天这样长时间的跨度实现电力供给的平滑化，但通过以比较短的预定时间间距选择性进行从充放电装置接受了电力供给的扬水发电机构所进行的扬水、利用了扬水的落差的扬水发电机构所进行的水力发电和水力发电输出向充放电装置的输电，能够将扬水发电利用于输出时时刻刻变动的风车发电所进行的电力供给的平滑化。
(3)从图2可知，由于风车发电输出以1-2分钟的间距中产生中等程度的谷的情况较多，因此以1-2分钟的间距选择性进行扬水发电机构所进行的扬水、利用了扬水的落差的扬水发电机构所进行的水力发电和水力发电输出向充放电装置的输电是合理的。
也可以将泵水轮机10和感应发电电动机11由泵水轮机机构E构成，泵水轮机机构E具有：图5所示的在周向互相向相反方向旋转的一组叶轮14、15同轴地配设在壳体内的泵・水轮机部16；具有内外双转子式电动机的马达・发电机部17，所述一组叶轮14、15分别与所述马达・发电机部17的内外各转子18、19结合。泵水轮机机构E具有在前后级叶轮14、15的相反旋转力矩相同的状态下，进而在流过叶轮的水流的角运动量变化在前后级相同的状态下运转的特征，在泵和水轮机运转的两个运转状态下，能够无导叶等辅助机械地实现轴向流入流出。该特征在产生需要瞬间切换泵运转(扬水工作)与水轮机运转(发电工作)的情况下，在可靠地实现该瞬间的切换方面是有利的。另外，关于泵水轮机机构E的细节，可参照日本专利第4245240号公报。
也可以代替感应发电电动机11，使用永磁式同步发电机。在该情况下，不需要从充放电装置4向永磁式同步发电机的励磁电流。
根据风车发电输出和充放电装置的蓄电量时时刻刻的变动来时时刻刻选择性进行扬水发电机构所进行的扬水、利用了扬水的落差的扬水发电机构所进行的水力发电和水力发电输出向充放电装置的输电的形态不限于上述实施例。适当选择控制的时间间距、控制开始时的上部蓄水箱6的蓄水量、充放电装置4的蓄电量、成为扬水选择的判断基准的充放电装置4的蓄电量等即可。
工业上的实用性
本发明能够广泛利用于无论新设还是已设的风力发电厂。
符号说明
A风力发电系统
B风车发电机构
C扬水发电机构
D控制装置
E泵水轮机机构
1风车发电机
2风车用逆变器
3电度表
4充放电装置
5互连用逆变器
6上部蓄水箱
7下部蓄水箱
8连通路径
9电磁阀
10泵水轮机
11感应发电电动机
12发电电动机用逆变器
13双向斩波器
14、15叶轮
16泵・水轮机部
17马达・发电机部
18、19转子。

Claims (4)

1.一种风力发电系统，包括风车发电机构和充放电装置，通过风车发电输出向充放电装置充电、从充放电装置向系统输出，使得向系统的输出平滑化，其特征在于，
包括扬水发电机构，以几十秒至几分钟的比较短的预定时间间距选择性进行从充放电装置接受了电力供给的扬水发电机构所进行的扬水、利用了扬水的落差的扬水发电机构所进行的水力发电和水力发电输出向充放电装置的输电，所述选择是基于前一间距的风车发电输出平均值、前一间距结束时间点的充放电装置蓄电量进行的。
2.如权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，所述间距是1-2分钟的间距。
3.如权利要求1或2所述的风力发电系统，其特征在于，在选择开始之后的1个间距，进行与向系统的输出相等的输出的扬水发电机构所进行的水力发电，将该水力发电输出经由充放电装置向系统输出。
4.如权利要求1至3的任一项所述的风力发电系统，其特征在于，扬水发电机构包括上下一对蓄水箱、在上箱与下箱之间的连通路径的途中配设的泵水轮机机构，泵水轮机机构具有在周向互相向相反方向旋转的一组叶轮同轴地配设在壳体内的泵・水轮机部、具有内外双转子式发电电动机的马达・发电机部，所述一组叶轮分别与所述马达・发电机部的内外各转子结合。
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