CN105048455B - 一种风力发电与可调负荷联合运行系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风力发电与可调负荷联合运行系统，包含风力发电单元、配电网、可控负荷、混合储能模块和能量优化管理器，其中风力发电单元采用分散式小型风电机组或集中式大容量风电机组，提供配电网中清洁能源；可控负荷依据负荷重要影响程度进行分为电负荷、热负荷、其他负荷等分类，通过负荷可控终端进行就地控制；混合储能模块依据负荷重要程度确定功率型和能量型配比，确保重要负荷连续供电；能量优化管理器具有负荷预测、发电预测、数据监控、功率调度、故障诊断、故障预警等功能，充分利用可控负荷最大程度平抑风电功率波动，实现风力发电与可调负荷之间的协调控制运行。
Description
技术领域：
本发明涉及一种风力发电与可调负荷联合运行系统，属于风力发电技术领域。
背景技术：
随着风电的规模化发展，风电并网和消纳问题是目前风电行业最为关注的一个热点问题。由于风电具有随机性、波动性的特点，大规模风电并网对电网的调峰消纳能力提出了更高的要求，局部地区电网内的自身用电负荷不足，且灵活调节电源少，风电消纳存在困难。
随着技术不断发展，负荷侧参与电网调度，能为电力系统提供一定的备用容量。对于具有一定储能特性的可控负荷，可以在用户允许范围内控制其功率需求的变化，从而在系统需要时提供部分备用容量,与发电侧协同控制以增强电力系统的运行稳定性。
空调、热泵、冰箱、热水器等可控负荷具有一定的的储能特性，短时投切或调整目标温度值对用户影响较小，是我国较显著的潜在备用提供者。在不影响用户的前提下，通过协调控制可控负荷，平抑风电功率波动、降低风电峰谷差，既可以风电接入电网后的电网调峰提供一定的备用容量，又能相对发电侧具有更快的响应速度、更低的费用。
发明内容：
本发明的目的在于克服上述已有技术的不足而提供一种减少储能系统充放电次数，提高整个系统运行稳定性，提高其使用寿命的风力发电与可调负荷联合运行系统，
本发明的目的可以通过如下措施来达到：一种风力发电与可调负荷联合运行系统，其特征在于其包括风电发电单元、混合储能模块、可控负荷、配电网以及能量优化管理器，配电网通过联络开关与高压母线连接；风力发电单元连接箱变，箱变连接风电并网开关，风电并网开关连接高压母线，风电发电单元、箱变、风电并网开关均连接风电监控终端，风电监控终端连接能量优化管理器；混合储能模块连接变流器，变流器连接升压变，升压变连接储能并网开关，储能并网开关连接高压母线，混合储能模块、变流器、升压变、储能并网开关均连接储能监控终端，储能监控终端连接能量优化管理器；低压母线连接降压变，降压变连接高压母线；可控负荷分为电负荷、热负荷、其他负荷；电负荷连接电负荷开关，电负荷开关连接低压母线，电负荷、电负荷开关均连接电负荷监控终端，电负荷监控终端连接能量优化管理器；热负荷连接电负荷开关，电负荷开关接入低压母线，热负荷、热负荷开关均连接热负荷监控终端，热负荷监控终端连接能量优化管理器；其他负荷连接其他负荷开关，其他负荷开关接入低压母线，热负荷、其他负荷开关均连接其他负荷监控终端，其他负荷监控终端连接能量优化管理器；一般负荷连接一般负荷开关，一般负荷开关接入低压母线，一般负荷、一般负荷开关均连接一般负荷监控终端，一般负荷监控终端连接能量优化管理器；重要负荷连接重要负荷开关，重要负荷开关接入低压母线，重要负荷、重要负荷开关均连接重要负荷监控终端，重要负荷监控终端连接能量优化管理器。
为了进一步实现本发明的目的，所述的能量优化管理器包括发电预测模块、负荷预测模块、数据监控模块、功率调度模块、故障诊断模块、故障预警模块，风电监控终端分别与能量优化管理器的发电预测功能模块、故障诊断功能模块相连，储能监控终端分别与能量优化管理器的功率调度功能模块、故障诊断功能模块相连，电负荷监控终端分别与能量优化管理器的负荷预测功能模块、功率调度功能模块和数据监控功能模块相连；热负荷监控终端分别与与能量优化管理器的负荷预测功能模块、功率调度功能模块和数据监控功能模块相连；其他负荷监控终端分别与能量优化管理器的负荷预测功能模块、功率调度功能模块和数据监控功能模块相连；一般负荷监控终端与能量优化管理器的负荷预测功能模块相连；重要负荷监控终端与能量优化管理器的负荷预测功能模块相连；数据监控功能模块分别与发电预测功能模块、负荷预测功能模块、故障诊断模块及功率调度模块相连接，功率调度功能模块连接发电预测功能模块、负荷预测功能模块，故障预警功能模块与故障诊断功能模块连接。
本发明同已有技术相比可产生如下积极效果：本发明充分利用大量分散的可控负荷来参与风电消纳，既能平抑风电功率波动、减少弃风量，又能提高灾害、极端气候等恶劣环境下重要负荷可持续供电，提高整个系统运行稳定性，为可控负荷参与分布式电源或微电网的稳定运行提供技术参考。
附图说明：
图1为本发明的结构示意图；
图2为能量优化控制器的电原理框图；
图3为风电与可控负荷优化运行效果图。
具体实施方式：下面结合附图的本发明的具体实施方式做详细说明：
实施例：一种风力发电与可调负荷联合运行系统（参见图1），其包括风电发电单元1、混合储能模块2、可控负荷3、配电网4以及能量优化管理器5。
其中，风力发电单元1采用分散式小型风电机组或集中式大容量风电机组，具备运行适应性、功率控制、电压调节等功能，提供配电网中清洁能源；
配电网4指的是35kV及以下电压等级的电力网络，通过联络开关30与高压母线9连接；
可控负荷3依据负荷重要影响程度进行分为电负荷、热负荷、其他负荷等分类，通过负荷控制终端进行就地控制；
混合储能模块2依据负荷重要程度确定功率型和能量型配比，确保重要负荷连续供电；
能量优化管理器5具有负荷预测、发电预测、数据监控、功率调度、故障诊断、故障预警等功能，实现风力发电与可调负荷之间的协调控制运行。
风力发电单元1连接箱变6，箱变6连接风电并网开关7，风电并网开关7连接高压母线9，风电发电单元1、箱变6、风电并网开关7均连接风电监控终端8，风电监控终端8连接能量优化管理器5；
风力发电单元1所采用的风力发电机组具有电网友好型接入特征，包括电能质量、功率控制、电压调节、电网异常相应特性等指标，在能量优化管理器作用下能保证并网/孤网情况下重要负荷供电时的系统稳定性。
风力发电单元1所采用的风力发电机组定子绕组输出690V、50Hz交流电。
箱变6采用690V/35kV，风力发电单元1经过箱变6升压至35kV后通过35kV风电并网开关7接入高压母线9。
风电监控终端8获取风力发电单元1、箱变6、并网开关7的状态信息，风电监控终端8将从风电并网开关8、箱变6、和风力发电单元1获取的状态信息数据经过光纤通讯传输至能量优化管理器5。
混合储能模块2连接变流器11，变流器11连接升压变12，升压变12连接储能并网开关13，储能并网开关13
连接高压母线9，混合储能模块2、变流器11、升压变12、储能并网开关13均连接储能监控终端10，储能监控终端10连接能量优化管理器5；
混合储能模块2的容量依据重要负荷容量、系统冗余、建设成本、运维成本等确定二者比例，选择为重要负荷的1.5倍。
储能监控终端10获取混合储能模块2、变流器11、升压变12和储能并网开关13的状态信息，并经过光纤通讯传输至能量优化管理器5。
所述混合储能模块2具备充放电功率控制、安全防护、电池管理等功能，既能合理分配充放电策略，又能避免电池的过冲过放，提高电池使用寿命。
低压母线17连接降压变29，降压变29连接高压母线9；
可控负荷3采用重要影响程度进行分类，可控负荷3分为电负荷31、热负荷14、其他负荷15（照明负荷、燃气负荷）。
电负荷31主要包括空调负荷，具有季节性特点，连接电负荷开关16，电负荷开关16连接低压母线17，电负荷31、电负荷开关16均连接电负荷监控终端18，电负荷监控终端18连接能量优化管理器5；
电负荷监控终端18进行就地控制，采用固态继电器，具备与信息采集、继电保护和远程监控功能，并通过光纤通讯将数据传输至能量优化管理器5。
热负荷14连接电负荷开关19，电负荷开关19接入低压母线17，热负荷14、热负荷开关19均连接热负荷监控终端20，热负荷监控终端20连接能量优化管理器5；
热负荷监控终端20进行就地控制，采用固态继电器，具备与信息采集、继电保护和远程监控功能，并通过光纤通讯将数据传输至能量优化管理器5。
其他负荷15主要包括照明负荷、燃气负荷，属于常态化，连接其他负荷开关22，其他负荷开关22接入低压母线17，热负荷15、其他负荷开关22均连接其他负荷监控终端21，其他负荷监控终端21连接能量优化管理器5；
其他负荷监控终端21进行就地控制，采用固态继电器，具备与信息采集、继电保护和远程监控功能，并通过光纤通讯将数据传输至能量优化管理器5。
根据负荷重要程度，电网中负荷可分为一般负荷23、重要负荷24。
一般负荷23连接一般负荷开关25，一般负荷开关25接入低压母线17，一般负荷23、一般负荷开关25均连接一般负荷监控终端26，一般负荷监控终端26连接能量优化管理器5；
一般负荷监控终端26进行就地控制，具备与信息采集、继电保护和远程监控功能，并通过光纤通讯将数据传输至能量优化管理器5。
重要负荷24连接重要负荷开关27，重要负荷开关27接入低压母线17，重要负荷24、重要负荷开关27均连接重要负荷监控终端28，重要负荷监控终端28连接能量优化管理器5；
重要负荷监控终端28进行就地控制，具备与信息采集、继电保护和远程监控功能，并通过光纤通讯将数据传输至能量优化管理器5。
降压变29供电负荷主要包括可控负荷3、一般负荷23和重要负荷24。负荷计算公式如下：
其中为重要负荷，可控性最差，必须按时按量供电。
为一般负荷，用户可以不按计划用电，在不影响用户舒适度的情况下，可以减少供电功率。
为可控负荷，供电时间可按计划变动的负荷，可实现电力系统负荷曲线的削峰填谷和减少旋转备用容量配置的作用。
能量优化管理器5具有发电预测、负荷预测、数据监控、功率调度、故障诊断、故障预警等功能。参见图2，其包括发电预测模块5-1、负荷预测模块5-2、数据监控模块5-3、功率调度模块5-4.故障诊断模块5-5、故障预警模块5-6，风电监控终端8分别与能量优化管理器5的发电预测功能模块5-1、故障诊断功能模块5-5相连，储能监控终端10分别与能量优化管理器5的功率调度功能模块5-4、故障诊断功能模块5-5相连，电负荷监控终端18分别与能量优化管理器5的负荷预测功能模块5-2、功率调度功能模块5-4和数据监控功能模块5-3相连；热负荷监控终端20分别与与能量优化管理器5的负荷预测功能模块5-2、功率调度功能模块5-4和数据监控功能模块5-3相连；其他负荷监控终端21分别与能量优化管理器5的负荷预测功能模块5-2、功率调度功能模块5-4和数据监控功能模块5-3相连；一般负荷监控终端26与能量优化管理器5的负荷预测功能模块5-2相连；重要负荷监控终端28与能量优化管理器5的负荷预测功能模块5-2相连。数据监控功能模块5-3分别与发电预测功能模块5-1、负荷预测功能模块5-2、故障诊断模块5-5及功率调度模块5-4相连接，功率调度功能模块5-4连接发电预测功能模块5-1、负荷预测功能模块5-2，故障预警功能模块5-6与故障诊断功能模块5-5连接。
发电预测功能模块5-1在获取风电监控终端8数据基础上，进行风电功率预测，进行0～72h 短期风电功率预测以及15min～4h 超短期风电功率预测，预测值的时间分辨率为15min，自动生成发电预测曲线。
负荷预测功能模块5-2获取电负荷监控终端18、热负荷监控终端20及其他负荷监控终端21信息后，根据历史负荷数据信息，进行日负荷预测。
数据监控功能模块5-3与发电预测功能模块5-1、负荷预测功能模块5-2、故障诊断模块5-5及功率调度模块5-4相连接，主要监控风电机组、箱变、线路、用电设备等信息，为故障诊断模块5-5提供数据支撑。
功率调度模块5-4在数据监控功能模块5-3基础上自动分析系统内发电与负荷之间的功率平衡，下发风电功率、储能充放电、可控负荷等功率控制策略，实现系统的稳定运行。
功率调度功能模块5-4连接发电预测功能模块5-1、负荷预测功能模块5-2，在前面发电预测功能模块5-1、负荷预测功能模块5-2基础上，实时测量风电突变量，以可控负荷3可利用量进行投入和切断的容量，跟踪响应风电功率功率波动量，平抑风电功率波动，使系统功率始终维持在平衡状态。
功率调度功能模块5-4和数据监控功能模块5-3均与电负荷监控终端18、热负荷监控终端20及其他负荷监控终端21连接，功率调度功能模块5-4的优先调度控制策略首先采用可控负荷3来平抑风电功率波动，当可控负荷3容量不足或过大难以弥补系统功率缺额时，混合储能模块2快速投切来维持系统功率平衡。
故障诊断功能模块5-5与风电监控终端8及储能监控终端10连接，在获取风电监控终端8和储能监控终端10数据基础上进行数据挖掘，建立专家诊断数据库，对风电机组和储能设备进行特征值提取，进行故障诊断。
故障预警功能模块5-6与故障诊断功能模块5-5连接，故障预警功能模块5-6是在故障诊断功能模块5-5基础上进行故障预警，提前发现设备故障隐患，为生产管理系统提供数据支撑。
由图3可知，可控负荷与净负荷消耗功率之和很好地跟踪风电机组的间歇性波动功率曲线，实现系统内发电与用电的功率功率，进而尽可能地减小了风电机组的随机性、波动性出力对系统运行的影响，具有很好的应用价值。
以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，其它优选实施方式在此不一一累述，且并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落于本发明的权利要求书确定的保护范围内。
Claims (1)
1.一种风力发电与可调负荷联合运行系统，其特征在于其包括风电发电单元（1）、混合储能功能模块（2）、可控负荷（3）、配电网（4）以及能量优化管理器（5），其中风力发电单元（1）采用分散式小型风电机组或集中式大容量风电机组，提供配电网中清洁能源；可控负荷（3）依据负荷重要影响程度分为电负荷、热负荷、其他负荷，通过负荷可控终端进行就地控制；混合储能功能模块（2）依据负荷重要程度确定功率型和能量型配比，确保重要负荷连续供电；能量优化管理器具有负荷预测、发电预测、数据监控、功率调度、故障诊断、故障预警功能，充分利用可控负荷最大程度平抑风电功率波动，实现风力发电与可调负荷之间的协调控制运行；
配电网（4）通过联络开关（30）与高压母线（9）连接；风力发电单元（1）连接箱变（6），箱变（6）连接风电并网开关（7），风电并网开关（7）连接高压母线（9），风电发电单元（1）、箱变（6）、风电并网开关（7）均连接风电监控终端（8），风电监控终端（8）连接能量优化管理器（5）；风力发电单元（1）所采用的风力发电机组具有电网友好型接入特征，包括电能质量、功率控制、电压调节、电网异常相应特性指标，在能量优化管理器（5）作用下保证并网/孤网情况下重要负荷供电时的系统稳定性；风电监控终端（8）获取风力发电单元（1）、箱变（6）、并网开关（7）的状态信息，风电监控终端（8）将从风电并网开关（7）、箱变（6）、和风力发电单元（1）获取的状态信息数据经过光纤通讯传输至能量优化管理器（5）；
混合储能功能模块（2）连接变流器（11），变流器（11）连接升压变（12），升压变（12）连接储能并网开关（13），储能并网开关（13）连接高压母线（9），混合储能功能模块（2）、变流器（11）、升压变（12）、储能并网开关（13）均连接储能监控终端（10），储能监控终端（10）连接能量优化管理器（5）；混合储能功能模块（2）的容量依据重要负荷容量、系统冗余、建设成本、运维成本确定二者比例，选择为重要负荷的1.5倍；
储能监控终端（10）获取混合储能功能模块（2）、变流器（11）、升压变（12）和储能并网开关（13）的状态信息，并经过光纤通讯传输至能量优化管理器（5）；
所述混合储能功能模块（2）具备充放电功率控制、安全防护、电池管理功能；
低压母线（17）连接降压变（29），降压变（29）连接高压母线（9）；可控负荷（3）分为电负荷（31）、热负荷（14）、其他负荷（15）；
其中电负荷（31）连接电负荷开关（16），电负荷开关（16）连接低压母线（17），电负荷（31）、电负荷开关（16）均连接电负荷监控终端（18），电负荷监控终端（18）连接能量优化管理器（5）；电负荷监控终端（18）进行就地控制，采用固态继电器，具备与信息采集、继电保护和远程监控功能，并通过光纤通讯将数据传输至能量优化管理器（5）；
热负荷（14）连接热负荷开关（19），热负荷开关（19）接入低压母线（17），热负荷（14）、热负荷开关（19）均连接热负荷监控终端（20），热负荷监控终端（20）连接能量优化管理器（5）；热负荷监控终端（20）进行就地控制，采用固态继电器，具备与信息采集、继电保护和远程监控功能，并通过光纤通讯将数据传输至能量优化管理器（5）；
其他负荷（15）连接其他负荷开关（22），其他负荷开关（22）接入低压母线（17），热负荷（15）、其他负荷开关（22）均连接其他负荷监控终端（21），其他负荷监控终端（21）连接能量优化管理器（5）；其他负荷监控终端（21）进行就地控制，采用固态继电器，具备与信息采集、继电保护和远程监控功能，并通过光纤通讯将数据传输至能量优化管理器（5）；
根据负荷重要程度，电网中负荷可分为一般负荷（23）、重要负荷（24）；
一般负荷（23）连接一般负荷开关（25），一般负荷开关（25）接入低压母线（17），一般负荷（23）、一般负荷开关（25）均连接一般负荷监控终端（26），一般负荷监控终端（26）连接能量优化管理器（5）；一般负荷监控终端（26）进行就地控制，具备与信息采集、继电保护和远程监控功能，并通过光纤通讯将数据传输至能量优化管理器（5）；
重要负荷（24）连接重要负荷开关（27），重要负荷开关（27）接入低压母线（17），重要负荷（24）、重要负荷开关（27）均连接重要负荷监控终端（28），重要负荷监控终端（28）连接能量优化管理器（5）；重要负荷监控终端（28）进行就地控制，具备与信息采集、继电保护和远程监控功能，并通过光纤通讯将数据传输至能量优化管理器（5）；
降压变（29）供电负荷主要包括可控负荷（3）、一般负荷（23）和重要负荷（24）；负荷计算公式如下：
其中为重要负荷，可控性最差，必须按时按量供电；
为一般负荷，用户可以不按计划用电，在不影响用户舒适度的情况下，可以减少供电功率；
为可控负荷，供电时间可按计划变动的负荷，可实现电力系统负荷曲线的削峰填谷和减少旋转备用容量配置的作用；
所述的能量优化管理器（5）具有发电预测、负荷预测、数据监控、功率调度、故障诊断、故障预警功能，包括发电预测功能模块（5-1）、负荷预测功能模块（5-2）、数据监控功能模块（5-3）、功率调度功能模块（5-4）、故障诊断功能模块（5-5）、故障预警功能模块（5-6），风电监控终端（8）分别与能量优化管理器（5）的发电预测功能模块（5-1）、故障诊断功能模块（5-5）相连，储能监控终端（10）分别与能量优化管理器（5）的功率调度功能模块（5-4）、故障诊断功能模块（5-5）相连，电负荷监控终端（18）分别与能量优化管理器（5）的负荷预测功能模块（5-2）、功率调度功能模块（5-4）和数据监控功能模块（5-3）相连；热负荷监控终端（20）分别与与能量优化管理器（5）的负荷预测功能模块（5-2）、功率调度功能模块（5-4）和数据监控功能模块（5-3）相连；其他负荷监控终端（21）分别与能量优化管理器（5）的负荷预测功能模块（5-2）、功率调度功能模块（5-4）和数据监控功能模块（5-3）相连；一般负荷监控终端（26）与能量优化管理器（5）的负荷预测功能模块（5-2）相连；重要负荷监控终端（28）与能量优化管理器（5）的负荷预测功能模块（5-2）相连；数据监控功能模块（5-3）分别与发电预测功能模块（5-1）、负荷预测功能模块（5-2）、故障诊断功能模块（5-5）及功率调度功能模块（5-4）相连接，功率调度功能模块（5-4）连接发电预测功能模块（5-1）、负荷预测功能模块（5-2），故障预警功能模块（5-6）与故障诊断功能模块（5-5）连接；
发电预测功能模块（5-1）在获取风电监控终端（8）数据基础上，进行风电功率预测，进行0～72h 短期风电功率预测以及15min～4h 超短期风电功率预测，预测值的时间分辨率为15min，自动生成发电预测曲线；
负荷预测功能模块（5-2）获取电负荷监控终端（18）、热负荷监控终端（20）及其他负荷监控终端（21）信息后，根据历史负荷数据信息，进行日负荷预测；
数据监控功能模块（5-3）与发电预测功能模块（5-1）、负荷预测功能模块（5-2、故障诊断功能模块（5-5）及功率调度功能模块（5-4）相连接，主要监控风电机组、箱变、线路、用电设备信息，为故障诊断功能模块（5-5）提供数据支撑；
功率调度功能模块（5-4）在数据监控功能模块（5-3）基础上自动分析系统内发电与负荷之间的功率平衡，下发风电功率、储能充放电、可控负荷功率控制策略，实现系统的稳定运行；
功率调度功能模块（5-4）连接发电预测功能模块（5-1）、负荷预测功能模块（5-2），在前面发电预测功能模块（5-1）、负荷预测功能模块（5-2）基础上，实时测量风电突变量，以可控负荷（3）可利用量进行投入和切断的容量，跟踪响应风电功率功率波动量，平抑风电功率波动，使系统功率始终维持在平衡状态；
功率调度功能模块（5-4）和数据监控功能模块（5-3）均与电负荷监控终端（18）、热负荷监控终端（20）及其他负荷监控终端（21）连接，功率调度功能模块（5-4）的优先调度控制策略首先采用可控负荷（3）来平抑风电功率波动，当可控负荷（3）容量不足或过大难以弥补系统功率缺额时，混合储能功能模块（2）快速投切来维持系统功率平衡；
故障诊断功能模块（5-5）与风电监控终端（8）及储能监控终端（10）连接，在获取风电监控终端（8）和储能监控终端（10）数据基础上进行数据挖掘，建立专家诊断数据库，对风电机组和储能设备进行特征值提取，进行故障诊断；
故障预警功能模块（5-6）与故障诊断功能模块（5-5）连接，故障预警功能模块（5-6）是在故障诊断功能模块（5-5）基础上进行故障预警，提前发现设备故障隐患，为生产管理系统提供数据支撑。
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