CN105186553A - 一种基于智能微网的风力发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于智能微网的风力发电系统，包括多台并联设置的风力发电装置，还包括一具有电能输入端及储能输入端的储能双向变流器，所述各风力发电装置均与储能双向变流器的储能输入端电连接，在电能输入端连接有用于储存电能的储能系统，所述风力发电装置经储能线路与储能输入端电连接，在风力发电装置与储能输入端相连接的储能线路上连接有用于平衡稳定输出启动电压及检测风力发电装置初始运行功率的PCS功率控制器。本发明能够脱离电网独立启动、有效克服分布式电源随机性和间歇性的缺点，解决分布式电源的接入问题，实时调节平滑系统的波动、维持网络内部的发电和负荷的平衡、保证电压和频率稳定。

Description

一种基于智能微网的风力发电系统

技术领域

本发明涉及自然能源发电技术领域，具体涉及一种基于智能微网的风力发电系统。

背景技术

智能微网是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与外部电网并网运行，也可以孤立运行。从微观看，微网可以看做是小型的电力系统，它具备完整的发输配电功能，可以实现局部的功率平衡与能量优化，它与带有负荷的分布式发电系统的本质区别在于同时具有并网和独立运行能力。

众所周知，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。把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能，这就是风力发电。风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三米的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染。风力发电有两种不同的类型，即：独立运行的——离网型和接入电力系统运行的——并网型。离网型的风力发电规模较小，通过蓄电池等储能装置或者与其他能源发电技术相结合（如风电/水电互补系统、风电——柴油机组联合供电系统）可以解决偏远地区的供电问题。并网型的风力发电是规模较大的风力发电场，容量大约为几兆瓦到几百兆瓦，由几十台甚至成百上千台风电机组构成。并网运行的风力发电场可以得到大电网的补偿和支撑，更加充分的开发可利用的风力资源，是国内外风力发电的主要发展方向。在日益开放的电力市场环境下，风力发电的成本也将不断降低，如果考虑到环境等因素带来的间接效益，则风电在经济上也具有很大的吸引力。

可以看出，利用风能并网发电是目前风场储能领域研究的一个方向，风力发电往往需要首先利用电网中的电力启动风机带动叶轮转动，也就是说，到目前为止，风力发电装置不能离网运行。这大大的制约了风场储能的使用环境，给该领域的发展及应用造成了条件限制。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是，提供一种结构简单、能够脱离电网独立启动、有效克服分布式电源随机性和间歇性的缺点，解决分布式电源的接入问题，实时调节平滑系统的波动、维持网络内部的发电和负荷的平衡、保证电压和频率稳定，当微网并网运行时,它作为灵活调度的负荷,能根据主网的需要迅速作出响应,满足电力系统安全性的要求；当微网独立运行时,又能利用储能环节和控制保护环节维持自身的稳定运行的基于智能微网的风力发电系统。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种基于智能微网的风力发电系统，包括多台并联设置的风力发电装置，还包括一具有电能输入端及储能输入端的储能双向变流器，所述各风力发电装置均与储能双向变流器的储能输入端电连接，在电能输入端连接有用于储存电能的储能系统，所述风力发电装置经储能线路与储能输入端电连接，在风力发电装置与储能输入端相连接的储能线路上连接有用于平衡稳定输出启动电压及检测风力发电装置初始运行功率的PCS功率控制器，风机启动时，所述PCS功率控制器检测各风力发电装置启动总功率信号后，发送用于启动各风力发电装置初始运行所需最小功率的信号给储能双向变流器，所述储能双向变流器将储能系统经电能输入端输入的直流电变为交流电后启动风机，风机启动后，PCS功率控制器检测风机发电信号后，发送关闭储能双向变流器将储能系统经电能输入端输入的直流电变为交流电的信号给储能双向变流器，风力发电装置所发出的交流电经储能双向变流器的储能输入端向储能系统储能。

上述的基于智能微网的风力发电系统，所述储能双向变流器设置有一用于连接负载并经储能系统向负载供电的电能输出端，所述储能线路上连接有一与负载相连的供电支路，在供电支路上连接一用于检测负载用电量并分配调节多余电量向储能输入端储能的主控系统，主控系统与储能双向变流器信号连接，当主控系统检测负载用电量小于风力发电装置最大发电量时，所述主控系统发送将多余电量经储能输入端向储能系统储能的信号给储能双向变流器，当主控系统检测负载用电量大于风力发电装置最大发电量时，所述主控系统发送启动储能系统一并供电的信号给储能双向变流器，风力发电装置及储能系统同时为负载供电。

上述的基于智能微网的风力发电系统，所述储能双向变流器经储能系统连接有一当负载用电量大于储能系统及风力发电装置最大发电量时向负载供电的国家电网系统，所述主控系统连接有一当负载用电量大于储能系统及风力发电装置最大发电量时防止风力发电装置所发电能送至国家电网系统的逆功率检测装置，所述逆功率检测装置与连接储能系统及国家电网系统的输电线路信号连接，当主控系统检测负载用电量大于储能系统及风力发电装置最大供电量时，发送启动国家电网系统向电能输入端供电的信号给储能双向变流器，同时发送防止风力发电装置所发电能送至国家电网系统的信号给逆功率检测装置，国家电网系统、储能系统及风力发电装置同时为负载供电。

上述的基于智能微网的风力发电系统，所述储能双向变流器设置有一用于连接负载并经储能系统向负载供电的电能输出端，所述储能线路上连接有一与负载相连的供电支路，在供电支路上连接一用于检测负载用电量及调节供电功率的主控系统，所述主控系统与储能双向变流器信号连接，当主控系统检测负载用电量大于储能系统及风力发电装置最大供电量时，所述主控系统根据风力发电装置的实际发电量进行投切。

上述的基于智能微网的风力发电系统，所述储能系统为蓄电池，所述蓄电池为锂离子电池、铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池中的一种或几种。

本发明基于智能微网的风力发电系统的优点是：微网的最大优点在于将原来分散的分布式电源进行整合,集中接入同一个物理网络中,并利用储能装置和控制保护装置实时调节以平滑系统的波动,维持网络内部的发电和负荷的平衡,保证电压和频率的稳定。当微网并网运行时,它作为灵活调度的负荷,能根据主网的需要迅速作出响应,满足电力系统安全性的要求;当微网独立运行时,又能利用储能环节和控制保护环节维持自身的稳定运行。所以,微网独特的组网形式能够有效克服分布式电源随机性和间歇性的缺点,解决分布式电源的接入问题。具有并网运行模式和离网运行两种模式，并可以在两种模式之间进行快速切换，满足用户在实际运用中的不同需求。具有各种完备的保护功能，如过欠压保护、过欠频保护、过流保护、短路保护、过载保护、过温保护、防孤岛保护、功率翻转保护等等，确保系统、蓄电池和公共电网最大的运行安全。采用了一系列硬件和软件优化措施，使得设备本身的功耗很小，转换效率可以达到97%以上（半载以上），节能性能优异。采用先进的软件算法和优异的硬件拓扑结构，因此并网运行状态下，对电网产生的谐波污染很小，电流谐波畸变率＜±3%（半载以上）。并网运行时，可根据远程指令或本地设定，向电网注入无功功率，使得并网功率因数可在-1～1之间可调，实现对电网的无功补偿。输入功率因数高，电磁兼容性能好。充电功率因数≥0.99（半载以上），放电输出功率因数0.95～0.99。预留并联接口，可以扩容至MW级换流器。具有各种通讯接口，包括RS232/485/CAN/以太网接口等等，可以满足不同监控通讯方式的要求离网运行状态下，能够产生高质量的交流电能，满足用电负荷对电能质量的要求。

附图说明

图1为PCS功率控制器与多台风力发电装置相连的结构示意图；

图2为本发明的电路结构示意图；

图3为本发明储能及供电的电路结构框图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明；

实施例1:

局部电网、储能PCS替代国家电网系统启动风力发电装置。

如图1、2、3所示，一种基于智能微网的风力发电系统，包括多台并联设置的具有风机1的风力发电装置2，还包括一具有电能输入端3及储能输入端4的储能双向变流器5，所述各风力发电装置2均与储能双向变流器5的储能输入端4电连接，在电能输入端3连接有用于储存电能的储能系统6，储能系统6为蓄电池，蓄电池可以选择本领域常用的锂离子电池、铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池中的一种或几种，根据实际风机1的数量及发电功率可以适当选择蓄电池的数量。

所述风力发电装置2经储能线路7与储能输入端4电连接，在风力发电装置2与储能输入端3相连接的储能线路7上连接有用于平衡稳定输出启动电压及检测风力发电装置2的初始运行功率的PCS功率控制器，风机1启动时，所述PCS功率控制器检测各风力发电装置2的启动总功率信号后，发送用于启动各风力发电装置2初始运行所需最小功率的信号给储能双向变流器5，所述储能双向变流器5将储能系统6经电能输入端3输入的直流电变为交流电后启动风机1，风机1启动后，PCS功率控制器检测风机1开始发电的信号后，发送关闭储能双向变流器5将储能系统6经电能输入端3输入的直流电变为交流电的信号给储能双向变流器5，风力发电装置2所发出的交流电经储能双向变流器5的储能输入端4向储能系统6储能。

本实施例打破传统的风力发电装置需要依靠国家电网系统启动的常规，具有非常大的研究价值及超前的发展方向。

实施例2：

并网运行模式中储能系统与风力发电装置为负载供电。

本实施例中，所述储能双向变流器5设置有一用于连接负载8并经储能系统6向负载8供电的电能输出端9，所述储能线路7上连接有一与负载8相连的供电支路10，在供电支路10上连接一用于检测负载8用电量并分配调节多余电量向储能输入端4储能的主控系统，主控系统与储能双向变流器5信号连接，当主控系统检测负载8用电量小于风力发电装置2最大发电量时，所述主控系统发送将多余电量经储能输入端4向储能系统6储能的信号给储能双向变流器5，当主控系统检测负载8用电量大于风力发电装置2的最大发电量时，所述主控系统发送启动储能系统6一并供电的信号给储能双向变流器5，此时，风力发电装置2及储能系统6同时为负载8供电。

实施例3：

并网运行模式中国家电网系统、储能系统及风力发电装置同时为负载供电。

本实施例中，所述储能双向变流器5经储能系统6连接有一当负载8用电量大于储能系统6及风力发电装置2的最大发电量时向负载8供电的国家电网系统11，所述主控系统连接有一当负载8的用电量大于储能系统6及风力发电装置2最大发电量时防止风力发电装置2所发电能送至国家电网系统11的逆功率检测装置，所述逆功率检测装置与连接储能系统6及国家电网系统11的输电线路12信号连接，当主控系统检测负载8的用电量大于储能系统6及风力发电装置2的最大供电量时，发送启动国家电网系统11向电能输入端3供电的信号给储能双向变流器5，同时发送防止风力发电装置2所发电能送至国家电网系统11的信号给逆功率检测装置，此时，国家电网系统11、储能系统6及风力发电装置2同时为负载8供电。

在并网运行模式下，整个系统与国家电网系统连接。风力发电系统与储能系统同时对用户负载进行供电，供电功率由主控系统进行调节。

当用户负载小于风力发电系统最大发电量时，多余电能将经过储能变流器储存至电池组内。当用户负载大于风力发电系统最大发电量时，由风力发电系统和储能系统同时对用户负载供电。当用户负载大于风力发电系统与储能系统最大发电量时，由风力发电系统、储能系统和国家电网系统共同对用户负载供电。通过逆功率检测装置防止风力发电-储能发电系统将电能送至国家电网。

实施例4：

孤岛运行模式。

本实施例中，所述储能双向变流器5设置有一用于连接负载8并经储能系统6向负载8供电的电能输出端9，所述储能线路7上连接有一与负载8相连的供电支路10，在供电支路10上连接一用于检测负载8用电量及调节供电功率的主控系统，所述主控系统与储能双向变流器5信号连接，当主控系统检测负载8的用电量大于储能系统6及风力发电装置2的最大供电量时，所述主控系统根据风力发电装置2的实际发电量进行投切。

在孤岛运行模式下，整个系统与国家电网脱离。风力发电发电系统与储能系统同时对用户负载进行供电，供电功率由主控系统进行调节。

当用户负载小于风力发电系统最大发电量时，多余电能将经过储能变流器储存至电池组内。当用户负载大于风力发电系统最大发电量时，由风力发电系统和储能系统同时对用户负载供电。当用户负载大于风力发电系统与储能系统最大发电量时，主控系统将根据发电情况对负载进行投切。

智能微网运行功能如下：

峰谷功能——

在并网模运行式下，用户可以通过对监控系统的调整，手动开启峰谷功能。开启峰谷功能后，系统将按照设定的时间段（谷电）对储能系统进行充电，当用电高峰时（峰电）储能系统将对用户负载供电，实现谷电峰用。

开启负载控制模式——

在孤岛运行模式下，用户可以通过对监控系统的调整，手动开启负载控制功能。负载柜包含2路并网断路器，分别对不同需求用户负载进行供电。开启负载控制功能后，系统将根据当时最大发电量对负载容量进行控制。当用户负载大于风力发电系统和储能系统最大发电量时，主控系统将按照顺序对用户负载进行切除。当用户负载小于风力发电系统和储能系统最大发电量时，主控系统将按照顺序对用户负载进行投入。

动态有功功率控制——

满足负载要求，对智能微网系统进行动态有功功率控制。

动态无功功率控制——

满足负载要，对智能微网进行动态无功功率控制。电网自动切换，

当电网故障时系统将自动切换到孤岛运行模式。

主要创新点

具有并网运行模式和离网运行两种模式，并可以在两种模式之间进行快速切换，满足用户在实际运用中的不同需求。

具有各种完备的保护功能，如过欠压保护、过欠频保护、过流保护、短路保护、过载保护、过温保护、防孤岛保护、功率翻转保护等等，确保系统、蓄电池和公共电网最大的运行安全。

采用了一系列硬件和软件优化措施，使得设备本身的功耗很小，转换效率可以达到97%以上（半载以上），节能性能优异。

采用先进的软件算法和优异的硬件拓扑结构，因此并网运行状态下，对电网产生的谐波污染很小，电流谐波畸变率＜±3%（半载以上）。

并网运行时，可根据远程指令或本地设定，向电网注入无功功率，使得并网功率因数可在-1～1之间可调，实现对电网的无功补偿。

输入功率因数高，电磁兼容性能好。充电功率因数≥0.99（半载以上），放电输出功率因数0.95～0.99。

预留并联接口，可以扩容至MW级换流器。

具有各种通讯接口，包括RS232/485/CAN/以太网接口等等，可以满足不同监控通讯方式的要求离网运行状态下，能够产生高质量的交流电能，满足用电负荷对电能质量的要求。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的实质范围内，作出的变化、改型、添加或替换，都应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于智能微网的风力发电系统，包括多台并联设置的风力发电装置，其特征在于：还包括一具有电能输入端及储能输入端的储能双向变流器，所述各风力发电装置均与储能双向变流器的储能输入端电连接，在电能输入端连接有用于储存电能的储能系统，所述风力发电装置经储能线路与储能输入端电连接，在风力发电装置与储能输入端相连接的储能线路上连接有用于平衡稳定输出启动电压及检测风力发电装置初始运行功率的PCS功率控制器，风机启动时，所述PCS功率控制器检测各风力发电装置启动总功率信号后，发送用于启动各风力发电装置初始运行所需最小功率的信号给储能双向变流器，所述储能双向变流器将储能系统经电能输入端输入的直流电变为交流电后启动风机，风机启动后，PCS功率控制器检测风机发电信号后，发送关闭储能双向变流器将储能系统经电能输入端输入的直流电变为交流电的信号给储能双向变流器，风力发电装置所发出的交流电经储能双向变流器的储能输入端向储能系统储能。

2.根据权利要求1所述的基于智能微网的风力发电系统，其特征是：所述储能双向变流器设置有一用于连接负载并经储能系统向负载供电的电能输出端，所述储能线路上连接有一与负载相连的供电支路，在供电支路上连接一用于检测负载用电量并分配调节多余电量向储能输入端储能的主控系统，主控系统与储能双向变流器信号连接，当主控系统检测负载用电量小于风力发电装置最大发电量时，所述主控系统发送将多余电量经储能输入端向储能系统储能的信号给储能双向变流器，当主控系统检测负载用电量大于风力发电装置最大发电量时，所述主控系统发送启动储能系统一并供电的信号给储能双向变流器，风力发电装置及储能系统同时为负载供电。

3.根据权利要求1所述的基于智能微网的风力发电系统，其特征是：所述储能双向变流器经储能系统连接有一当负载用电量大于储能系统及风力发电装置最大发电量时向负载供电的国家电网系统，所述主控系统连接有一当负载用电量大于储能系统及风力发电装置最大发电量时防止风力发电装置所发电能送至国家电网系统的逆功率检测装置，所述逆功率检测装置与连接储能系统及国家电网系统的输电线路信号连接，当主控系统检测负载用电量大于储能系统及风力发电装置最大供电量时，发送启动国家电网系统向电能输入端供电的信号给储能双向变流器，同时发送防止风力发电装置所发电能送至国家电网系统的信号给逆功率检测装置，国家电网系统、储能系统及风力发电装置同时为负载供电。

4.根据权利要求1所述的基于智能微网的风力发电系统，其特征是：所述储能双向变流器设置有一用于连接负载并经储能系统向负载供电的电能输出端，所述储能线路上连接有一与负载相连的供电支路，在供电支路上连接一用于检测负载用电量及调节供电功率的主控系统，所述主控系统与储能双向变流器信号连接，当主控系统检测负载用电量大于储能系统及风力发电装置最大供电量时，所述主控系统根据风力发电装置的实际发电量进行投切。

5.根据权利要求1-4任一项所述的基于智能微网的风力发电系统，其特征是：所述储能系统为蓄电池，所述蓄电池为锂离子电池、铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池中的一种或几种。