CN104564532A - 一种风电储能、输出系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电储能、输出系统，包括储能单元、切换单元和风力机组；所述储能单元通过所述切换单元连接至所述风力机组，所述储能单元还连接至外部电力网络；所述储能单元包括储能车、斜坡轨道、绳索和电能转换模块；所述储能车设置于所述斜坡轨道上并通过所述绳索连接至所述电能转换模块；所述电能转换模块通过所述切换单元连接至所述风力机组；本发明提供的风电储能、输出系统可以对风能进行储存并在需要时恒功率输出，解决了风电输出具有随机性、间歇性的问题。

Description

一种风电储能、输出系统

技术领域

本发明涉及电力系统领域，特别是指一种风电储能、输出系统。

背景技术

风电技术作为新能源的应用方式，在中国发展速度十分迅猛，但风电的发展过程受到很多因素的制约，较为突出的是风电并网问题。风电是典型的随机性、间歇性电能，其并网后将在一定程度上造成电网电压、频率不稳，致使电能质量下降，影响电网正常运行。如果这些问题处理不当，不仅危害电网负载，甚至会导致整个电网崩溃；这些因素严重影响风电产业的发展。

在我国风资源富足区，风资源和用电负荷成反向，一般夜间风比较大，然而夜间用电负荷却最低。因此，风电场弃风现象十分严重。另外，有风的地方多数是高寒地区，冬季供热需求很高，供热机组以热定电，这就使得本来可以给风电让路的火电因为不能停热，而无法让路，因此只能弃风。所以，近些年出现了冬季风大可以多发电时，风电弃风反而加剧的现象。2011年度全国风电弃风限电总量超过100亿千瓦时，平均利用小时数大幅减少，个别省的利用小时数已经下降到1600小时左右。

因此，为了实现风电安全并网、平滑电力负荷、避免弃风以提高设备运行效率和经济性等，在风电中引入储能及电能平稳输出系统是十分必要和迫切的；储能及电能平稳输出系统把风电等“垃圾电”转变为真正“清洁”的电能，将彻底解决风电发展的瓶颈问题。

目前用于风力发电系统的储(蓄)能技术主要有：飞轮储能、超导储能、超级电容、抽水蓄能、压缩空气储能、铅酸电池、锂电池、液流电池、钠硫电池等。其中，飞轮储能、液流电池、超级电容储能能量密度较低，大规模大容量储存能量还有待于进一步研究开发；超导储能、锂电池、钠硫电池储能成本高，钠硫电池还有一定的安全隐患；铅酸电池寿命短且有一定的污染；压缩空气储能对于场地有特殊要求，多数地方不适宜建设；抽水蓄能电站虽历经百余年的发展，但实际使用中还是有许多问题，其对地形地质条件要求高、选址困难、施工难度大周期长。以上储能方式只是将能量存储起来需要时再加以释放，并不能在风电场运行中将风电连续平稳的输出至电网中。因此，为了保证风电输出稳定、保障电网安全，有效调控电力资源，最大限度的提高设备利用小时数，彻底解决风电发展的瓶颈问题，迫切需要一种新的有效的储能及电能平稳输出技术。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种可以实现风能储存和恒功率输出的风电储能、输出系统。

基于上述目的本发明提供的风电储能、输出系统，包括储能单元、切换单元和风力机组；所述储能单元通过所述切换单元连接至所述风力机组，所述储能单元还连接至外部电力网络；

所述储能单元包括储能车、斜坡轨道、绳索和电能转换模块；所述储能车设置于所述斜坡轨道上并通过所述绳索连接至所述电能转换模块；所述电能转换模块通过所述切换单元连接至所述风力机组；

当所述风力机组产生的电能大于电力网络所需电能时，所述电能转换模块消耗所述风力机组的剩余电能牵引所述储能车沿所述斜坡轨道上行，储存电能，当所述风力机组产生的电能小于电力网络所需电能时，所述电能转换模块控制所述储能车沿所述斜坡轨道下行，输出电能；所述切换单元用于控制所述储能单元在储能模式与输出模式之间转换。

可选的，所述电能转换模块包括发电机、电动机、传动装置和卷扬机；所述发电机和电动机通过所述传动装置连接于所述卷扬机，所述卷扬机上设置有所述绳索，所述电动机通过所述切换单元连接至所述风力机组，所述发电机连接至外部电力网络；

在将电能转换为重力势能时，所述电动机利用所述风力机组产生的电能驱动所述卷扬机，所述卷扬机通过所述绳索牵引所述储能车沿所述斜坡轨道上行；在将重力势能转换为电能时，所述储能车沿所述斜坡轨道下行并通过所述绳索牵引所述卷扬机，所述卷扬机带动所述发电机进行发电。

可选额，每个所述储能单元都可以在所述切换单元的控制下独立地完成储能或输出的功能；所述切换单元根据当前电力网络的需求控制部分储能单元输出，并控制剩余储能单元储能；当某一储能单元的所述储能车到达所述斜坡轨道底部时，所述切换单元控制该储能单元由输出模式切换至储能模式，并选取当前储能最多的另外某一储能单元由储能模式切换为输出模式。

可选的，所述切换单元包括：

电力处理模块，连接至各风力机组，用于将与其连接的风力机组的电能进行处理、汇集；

电力分配模块，连接至所述电力处理模块和各储能单元，用于将经过所述电力处理模块处理后的电能分配给进行储能的储能单元；

控制模块，连接至各所述储能单元、外部电力网络和所述电力分配模块，用于分析当前电力网络的需求，根据该需求控制部分储能模块输出，控制剩余储能模块储能，同时控制所述电力分配模块的电力分配策略。

可选的，当某一正在进行输出的储能单元的储能车即将到达斜坡轨道底部时，所述切换单元控制其储能车减速，同时，控制当前正在进行储能且储能最多的另外某一储能单元的储能车停止并开始沿斜坡轨道向下加速，经过相同时间，前一储能单元的储能车停止，后一储能单元的储能车达到最大速度，且在此过程中通过控制储能车速度使得两储能单元输出功率的总和保持恒定。

从上面所述可以看出，本发明提供的一种风电储能、输出装置通过设置储能单元，实现了对风电的存储和恒功率输出；在用电负荷较低时可以将风能储存，以备用电负荷较高时进行输出；同时在进行电力输出时，通过控制储能车的速度，以及对各储能单元的交替使用，保证任何时间的发电功率相同，同时可以继续对风能进行储存，延长了本装置恒功率输出的时间，解决了风电输出具有随机性、间歇性的问题。

附图说明

图1为本发明提供的一种风电储能、输出系统的实施例的整体示意图；

图2为本发明提供的一种风电储能、输出系统的实施例中电能转换模块的示意图；

图3为本发明提供的一种风电储能、输出系统的实施例中切换单元的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1为本发明提供的一种风电储能、输出系统的实施例的整体示意图。如图所示，本发明提供的一种风电储能、输出系统包括：多个储能单元1，连接至外部电力网络，储能单元1可实时将电能转换为储能车12的重力势能储存起来，并根据需要将所储存的电能恒功率输出；切换单元2，连接至储能单元，并控制储能单元在储能模式与输出模式之间转换；风力机组3，通过切换单元连接至储能单元，并将其产生的电能储存于储能单元中。

在本实施例中，储能单元1为两个；在本发明的其他可选实施例中，储能单元1的数量可以一个或大于两个。在本实施例中，风电机组3为三台，在本发明的其他可选实施例中，风电机组3的数量可以大于三台，通常合理的数量范围为三到五台。

下面参见图1，介绍储能单元1的结构。所述储能单元1包括斜坡轨道11、储能车12、绳索13和电能转换模块14；其中，储能车12设置于斜坡轨道11上并通过绳索13连接至电能转换模块14；电能转换模块14通过切换单元2连接至风力机组3；当电能转换模块14消耗电能牵引储能车12沿斜坡轨道11上行时，将电能转换为重力势能，当电能转换模块14在储能车12沿斜坡轨道11下行时，将重力势能转换为电能。其中，斜坡轨道可依据当地地形铺设以节约资金，也可以单独建立；储能车可以填充石块矿渣等废弃物进行配重。

图2为本发明提供的一种风电储能、输出系统的实施例中电能转换模块14的示意图，下面介绍电能转换模块14的结构。如图所示，电能转换模块14包括发电机141、卷扬机142、电动机143和传动装置144。其中，发电机141和电动机143通过传动装置144连接于卷扬机142，卷扬机142的工作部连接有绳索13，电动机143通过切换单元2连接至风力机组3，发电机141连接至外部电力网络。

传动装置144能够将卷扬机142与发电机141连接，使得卷扬机142的主轴在转动时可以驱动发电机141进行发电，此时卷扬机142不与电动机143连接，电动机143处于待机状态；传动装置1044可以通过切换传动方式，将卷扬机142切换至与电动机143连接，使得卷扬机142的主轴能够在电动机143的驱动下转动，此时卷扬机142不与发电机141连接，发电机141处于待机状态。

在需要将电能转换为重力势能储存于储能单元中时，电动机143利用风力机组3产生的电能驱动卷扬机142工作，卷扬机142通过绳索13牵引储能车12沿斜坡轨道11上行；在需要将重力势能转换为电能时，储能车12沿斜坡轨道11下行，并通过绳索13牵引卷扬机142主轴转动，卷扬机142带动发电机141进行发电。

图3为本发明提供的一种风电储能、输出系统的实施例中切换单元的示意图。如图所示，切换单元2包括：电力处理模块21，连接至各风力机组3，用于将与其连接的风力机组3的电能进行处理、汇集；电力分配模块22，连接至电力处理模块21和各储能单元，用于将经过电力处理模块21处理后的电能分配给进行储能的储能单元1；控制模块23，连接至各储能单元1、外部电力网络和电力分配模块22，用于根据当前电力网络的需求进行分析计算，根据该需求控制部分储能模块1输出，控制剩余储能模块1储能，同时控制电力分配模块22的电力分配策略。

上述各储能单元1都可以在切换单元2的控制下独立地完成储能或输出的功能；切换单元2根据当前电力网络的需求控制部分储能单元1输出，并控制剩余储能单元1储能；当某一储能单元1的储能车12到达所述斜坡轨道11底部时，切换单元2控制该储能单元1由输出模式切换至储能模式，并选取当前储能最多的另外某一储能单元1由储能模式切换为输出模式。本发明可以保证任意时刻都有相同数量的储能单元1在进行输出，而通过控制进行电力输出的储能单元1中储能车12的下行速度，就可以调整其发电的功率，进而保证整体的恒功率输出。

本发明提供的一种风电储能、输出系统的控制方法包括以下步骤：

S1，切换单元2获取当前电力网络的电力需求。

S2，若当前电力网络的电力需求较大，则切换单元2控制较多的储能单元1输出，并控制剩余储能单元1储能。

S3，若当前电力网络的电力需求较小，则切换单元2控制较少的储能单元1输出，并控制剩余储能单元1储能。

在步骤S2与S3中，切换单元2对进行储能的各储能单元1的电力输出进行分配，其电力分配策略包括：对当前储存重力势能较少的储能单元1分配较高的电力输出，对当前储存重力势能较多的储能单元1分配较低的电力输出。这样一来可以平均各储能单元1的储能，在电力负荷较低时，可以使得各储能单元1具有相近的储能进度，便于统一管控。

在步骤S2或S3中，当某一储能单元1的储能车12到达所述斜坡轨道11底部时，切换单元2控制该储能单元1由输出模式切换至储能模式，并选取当前储能最多的另外某一储能单元1由储能模式切换为输出模式；其具体步骤包括：

S21，当某一储能单元1的储能车12即将到达斜坡轨道11底部时，切换单元2控制当前正在进行储能且储能最多的另一储能单元1的电动机143停止运行，并将其卷扬机142通过其传动装置144切换至与其发电机141连接。

S22，切换单元2控制前一储能单元1的储能车匀12减速，经过第一时间，将其完全停止。

在开始执行步骤22的同时，执行步骤23，

S23，切换单元2控制后一储能单元1的储能车12匀加速，经过第一时间，该储能车12达到最大速度，该储能单元1的发电功率达到额定值。

S24，切换单元2控制前一储能单元1的卷扬机142通过其传动装置144切换至与其电动机143连接，并控制该储能单元1进行储能。

上述步骤还包括：当某一正在进行储能的储能单元1的储能车12到达其斜坡轨道11的顶部时，即其储能即将到达满值时，切换单元2对该储能单元1的储能车12进行制动，保持其所在位置，停止对该储能单元1的电力输入，使其进入待机状态。

经过以上步骤，可以保证当某一储能单元1的储能车12即将到达斜坡轨道11底部时，将其逐渐停止并同时逐渐启用另一储能单元1进行输出，保证二者总输出功率的恒定，进而保证总体输出的平稳，以满足恒功率输出的要求。若在某一储能单元1的储能车12即将到达斜坡轨道11底部时，存在储能完毕处于待机状态的储能单元1，则优先启用该储能单元1进行输出。其中第一时间仅用于时间标度，可以根据实际情况进行具体调整。

综上可见，本发明提供的一种风电储能、输出装置通过设置储能单元1，实现了对风电的存储和恒功率输出；在用电负荷较低时可以将风能储存，以备用电负荷较高时进行输出；同时在进行电力输出时，通过控制储能车12的速度，以及对各储能单元1的交替使用，保证任何时间的发电功率相同，同时可以继续对风能进行储存，延长了本装置恒功率输出的时间，解决了风电输出具有随机性、间歇性的问题。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种风电储能、输出系统，其特征在于，包括储能单元、切换单元和风力机组；所述储能单元通过所述切换单元连接至所述风力机组，所述储能单元还连接至外部电力网络；

所述储能单元包括储能车、斜坡轨道、绳索和电能转换模块；所述储能车设置于所述斜坡轨道上并通过所述绳索连接至所述电能转换模块；所述电能转换模块通过所述切换单元连接至所述风力机组；

当所述风力机组产生的电能大于电力网络所需电能时，所述电能转换模块消耗所述风力机组的剩余电能牵引所述储能车沿所述斜坡轨道上行，储存电能，当所述风力机组产生的电能小于电力网络所需电能时，所述电能转换模块控制所述储能车沿所述斜坡轨道下行，输出电能；所述切换单元用于控制所述储能单元在储能模式与输出模式之间转换。

2.根据权利要求1所述的一种风电储能、输出系统，其特征在于，所述电能转换模块包括发电机、电动机、传动装置和卷扬机；所述发电机和电动机通过所述传动装置连接于所述卷扬机，所述卷扬机上设置有所述绳索，所述电动机通过所述切换单元连接至所述风力机组，所述发电机连接至外部电力网络；

在将电能转换为重力势能时，所述电动机利用所述风力机组产生的电能驱动所述卷扬机，所述卷扬机通过所述绳索牵引所述储能车沿所述斜坡轨道上行；在将重力势能转换为电能时，所述储能车沿所述斜坡轨道下行并通过所述绳索牵引所述卷扬机，所述卷扬机带动所述发电机进行发电。

3.根据权利要求1所述的一种风电储能、输出系统，其特征在于，每个所述储能单元都可以在所述切换单元的控制下独立地完成储能或输出的功能；所述切换单元根据当前电力网络的需求控制部分储能单元输出，并控制剩余储能单元储能；当某一储能单元的所述储能车到达所述斜坡轨道底部时，所述切换单元控制该储能单元由输出模式切换至储能模式，并选取当前储能最多的另外某一储能单元由储能模式切换为输出模式。

4.根据权利要求1所述的一种风电储能、输出系统，其特征在于，所述切换单元包括：

电力处理模块，连接至各风力机组，用于将与其连接的风力机组的电能进行处理、汇集；

电力分配模块，连接至所述电力处理模块和各储能单元，用于将经过所述电力处理模块处理后的电能分配给进行储能的储能单元；

控制模块，连接至各所述储能单元、外部电力网络和所述电力分配模块，用于分析当前电力网络的需求，根据该需求控制部分储能模块输出，控制剩余储能模块储能，同时控制所述电力分配模块的电力分配策略。

5.根据权利要求1所述的一种风电储能、输出系统，其特征在于，当某一正在进行输出的储能单元的储能车即将到达斜坡轨道底部时，所述切换单元控制其储能车减速，同时，控制当前正在进行储能且储能最多的另外某一储能单元的储能车停止并开始沿斜坡轨道向下加速，经过相同时间，前一储能单元的储能车停止，后一储能单元的储能车达到最大速度，且在此过程中通过控制储能车速度使得两储能单元输出功率的总和保持恒定。