CN106786752B - 一种稳定的风电场输出系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及可再生能源利用技术领域，具体的讲是一种稳定的风电场输出系统及其工作方法，本发明可以根据负荷预测、可再生能源输出功率预测等构成的智能控制模型，准确预测风电发电功率，从而为风电场输出功率和可再生能源补热进行合理预判，然后基于压缩空气储能、太阳能集热器、燃气补燃装置构成可平抑风能波动的稳定风电输出系统。
Description
技术领域
本发明涉及可再生能源利用技术领域，具体的讲是一种稳定的风电场输出系统及其工作方法。
背景技术
随着传统能源的日益枯竭及化石燃料燃烧排放造成的气候问题日益严重，能源的供应和环境保护成为制约社会经济发展的瓶颈。可再生能源的有效利用受到世界各国的重视。风能作为一种清洁的可再生能源，其蕴含量巨大。近年来风力发电由于技术日臻成熟，其装机容量迅速增长。然而由于风能的间歇性和不确定性，风电作为不稳定发电端的接入会对电网造成冲击，因而各地“弃风”现象严重。故研发稳定风电场输出系统将是解决这一问题的重要措施。
压缩空气储能compressed air energy storage, CAES指在电网电力负荷低谷时，将电能用来驱动压缩机，压缩空气并储存在储气罐、山洞、储气井等中；在电网电负荷高峰时期释放压缩空气推动轮机发电。具有储能容量大、寿命长、响应速度快、安全性高、环境友好等特性，且能源转换效率高。因此压缩空气储能是极具发展潜力的储能技术。
专利CN103114971A公开了一种用于平抑集群化风电场功率输出波动的混合储能系统，该专利主要由大容量的压缩空气储能装置和小容量的飞轮储能装置组成，分别用于平抑风电场输出功率中的慢变分量和快变分量，从而解决风电并网问题。专利CN201110260765主要针对风电场多余风电驱动压气机压缩空气，进而储存到储气室，当电力紧缺时，释放储气室的高压空气，与燃料在燃烧室燃烧，推动燃气透平做功发电。其实质是用电力过剩时，多余电力压缩空气并储存，电力紧缺时，为燃气发电系统提供高压空气进而发电，且不包含可再生能源的利用。专利CN201210333439主要针对多余风电压缩空气，储存在由风机塔筒、地下空气储存室、联通管道和调节阀门组成压缩空气容器阵列，并通过集热器及塔筒外层吸热涂层，收集太阳能加热空气，提高空气压强。其本质针对传统压缩空气储能系统的储气罐的改良，建立压缩空气容积阵列，并应用到风电场。
以上专利都公开了风电热能在电力中的使用，但都没有考虑到天气对整个风电系统的影响，为此设计了一种基于压缩空气储能调节的稳定风电场输出系统及其工作方法。
发明内容
本发明突破了现有技术的难题，设计了一种基于压缩空气储能调节的稳定风电场输出系统及其工作方法。
为了达到上述目的，本发明设计了一种稳定的风电场输出系统，包括：风机、电机、压缩机、膨胀机、发电机、储气罐、换热器、阀门、燃烧器和太阳能集热器，其特征在于：风机分别与智能控制系统、电机的一端、电网相连，电机的另一端与压缩机的一侧相连，压缩机的另一侧与膨胀机的一侧相连，压缩机的下端口与储气罐的顶部端口相连，膨胀机的另一侧与发电机的一端相连，膨胀机的下端口与燃烧器的顶端左连接口相连，发电机的另一端与电网相连，储气罐的侧口与智能控制系统相连，储气罐的低口与换热器一的一端相连，换热器一的同一端还分别与阀门、换热器二的一端相连，换热器一的另一端分别与燃烧器底端左接口、太阳能集热器的一端相连，燃烧器底端的右接口与换热器二的另一端相连，燃烧器顶端右侧接口连接外置天然气管道，燃烧器的一侧则与智能控制系统相连，智能控制系统还与太阳能集热器相连，太阳能集热器的另一端分别与阀门的另一端、换热器二的另一端相连。
所述智能控制系统包括：气象资料实时处理模块，预测执行模块，气象资料数据库模块，负荷需求预测模块和智能控制模块，所述气象实时处理模块与气象资料数据库模块、预测执行模块相连，预测执行模块分为三路与气象资料数据库模块、智能控制模块和负荷需求预测模块相连，负荷需求预测模块则又与智能控制模块相连。
本发明还设计了一种稳定的风电场输出系统的工作方法，其特征在于：按照如下步骤进行调节工作：
步骤1：气象实时处理模块通过气象监测设备把72小时内天气变化情况的数据进行编码、加密，通过3G网络将监测数据传输到气象资料数据模块与预测执行模块中；
步骤2：负荷需求预测模块将负荷需求数据传输到预测执行模块中；
步骤3：预测执行模块根据步骤1与步骤2的数据，通过内部数学优化模型确立风电输出系统的运行策略信息借助无线网络将策略信息传递给智能控制模块；
步骤4：智能控制模块收到步骤3的信息后，控制风机、储气罐、燃烧器与太阳能集热器开始工作，同时智能控制模块将步骤3的信息反馈给负荷预测模块进行数据存储；
步骤5：太阳能集热器与燃烧器接收到负荷预测模块传输的负荷需求后太阳能集热器开始吸收太阳能，并进行温度检测判断：
a.当温度达到膨胀机进口温度要求时，热量直接通过换热器一对储气罐中的压缩空气进行加热，使储气罐中的高压气体变为高温高压气体，此时阀门处于关闭状态；
b.当温度小于膨胀机进口温度要求时，启动燃烧器，开启阀门，热量通过换热器一对储气罐中的压缩空气进行加热，使储气罐中的高压气体变为高温高压气体，而燃烧器产生的烟气则进入换热器二对太阳能集热器内的工质进行加热。
步骤6：风机与储气罐接收到负荷预测模块传送的负荷需求后进行判断：
a.如果负荷需求小于风机供给量时，风机直接将风电传输给电网，并启动电机驱动压缩机将多余空气压缩成高温高压气体储存在储气罐8中；
b.如果负荷需求大于风机供给量时，储气罐释放其中的高温高压气体，推动膨胀机旋转带动发电机产生电能，并将电能传输给电网。
所述气象资料数据库模块包括元数据库、数据库平台、文件服务器、数据更新模块、数据库模块，元数据库、数据库平台、文件服务器分别与数据更新模块的一侧相连，数据更新模块的另一侧与数据库模块相连。
所述步骤3中的预测执行模块内部数学优化模型的数据处理步骤如下：
步骤a：初始化设备参数；
步骤b：开始建立系统数学模型；
步骤c：根据步骤b的数学模型对计算结果进行优化选择；
步骤d：根据步骤c优化的结果，将其带入到智能算法多次迭代优化求解目标函数中，进行计算；
步骤e：将步骤d中的计算结果进行判断，如果结果收敛且符合最优则将结果数据作为设备运行参数进行设置，如果结果非收敛或不符合最优则重新进行步骤b到步骤d的运行计算。
本发明与现有技术相比，可以根据负荷预测、可再生能源输出功率预测等构成的智能控制模型，准确预测风电发电功率，从而为风电场输出功率和可再生能源补热进行合理预判，然后基于压缩空气储能、太阳能集热器、燃气补燃装置构成可平抑风能波动的稳定风电输出系统。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图。
图2为本发明中智能控制模型的连接结构示意图。
图3为本发明中气象资料数据库模块的结构示意图。
图4为本发明中预测执行模块内部数学优化模型的数据处理步骤图。
具体实施方式
结合附图对本发明做进一步描述。
参见图1~图4，本发明设计了一种稳定的风电场输出系统，包括：风机、电机、压缩机、膨胀机、发电机、储气罐、换热器、阀门、燃烧器和太阳能集热器，风机1分别与智能控制系统7、电机2的一端、电网6相连，电机2的另一端与压缩机3的一侧相连，压缩机3的另一侧与膨胀机4的一侧相连，压缩机3的下端口与储气罐8的顶部端口相连，膨胀机4的另一侧与发电机5的一端相连，膨胀机4的下端口与燃烧器13的顶端左连接口相连，发电机5的另一端与电网6相连，储气罐8的侧口与智能控制系统7相连，储气罐8的低口与换热器一9的一端相连，换热器一9的同一端还分别与阀门11、换热器二10的一端相连，换热器一9的另一端分别与燃烧器13底端左接口、太阳能集热器12的一端相连，燃烧器13底端的右接口与换热器二10的另一端相连，燃烧器13顶端右侧接口连接外置天然气管道，燃烧器13的一侧则与智能控制系统7相连，智能控制系统7还与太阳能集热器12相连，太阳能集热器12的另一端分别与阀门11的另一端、换热器二10的另一端相连。
本发明中智能控制系统包括：气象资料实时处理模块7-1，预测执行模块7-2，气象资料数据库模块7-3，负荷需求预测模块7-4和智能控制模块7-5，所述气象实时处理模块7-1与气象资料数据库模块7-3、预测执行模块7-2相连，预测执行模块7-2分为三路与气象资料数据库模块7-3、智能控制模块7-5和负荷需求预测模块7-4相连，负荷需求预测模块7-4则又与智能控制模块7-5相连。
其中：气象资料实时处理模块7-1，是指通过各种方式获得气象信息，依照用户的要求进行相关的处理，并完成存档和分发的过程。一般包括数据基本处理和气象数据的业务处理。基本处理指对于所收到的数据的一般属性处理，如数据的正确性检查、唯一性检查、日期属性校对等等。气象数据的业务处理指针对不同数据的不同特点，对所收集数据的处理。
本发明中气象资料数据库模块7-3包括元数据库、数据库平台、文件服务器、数据更新模块、数据库模块，元数据库、数据库平台、文件服务器分别与数据更新模块的一侧相连，数据更新模块的另一侧与数据库模块相连。
在实施中数据库管理员可以通过局域网等网络对数据库模块进行数据查询，查询内容包含数据表管理功能、数据维护功能、数据访问日志查询功能；而气象资料实时处理模块则将信号输出到该模块的元数据库、数据库平台和文件服务器，然后元数据库、数据库平台和文件服务器再将数据发送到数据库更新模块，进行及时数据更新，并将更新的数据传输到预测执行模块7-2。
其中负荷需求预测模块7-4的运作则基于历史负荷需求数据和建筑三维数据模型，输入实时气候参数，借助能耗模拟计算软件，模拟获得逐时负荷需求信息。
智能控制模块7-5的运作基于预测执行模块7-2的设备运行状态参数输出，利用先进的智能控制技术，完成对系统各个设备多尺度调控，以此保证风电输出的稳定。
本发明设计了一种稳定的风电场输出系统的工作方法，按照如下步骤进行调节工作：
步骤1：气象实时处理模块7-1通过气象监测设备把72小时内天气变化情况的数据进行编码、加密，通过3G网络将监测数据传输到气象资料数据模块7-3与预测执行模块7-2中；
步骤2：负荷需求预测模块7-4将负荷需求数据传输到预测执行模块7-2中；
步骤3：预测执行模块7-2根据步骤1与步骤2的数据，通过内部数学优化模型确立风电输出系统的运行策略信息借助无线网络将策略信息传递给智能控制模块7-5；
步骤4：智能控制模块7-5收到步骤3的信息后，控制风机1、储气罐8、燃烧器13与太阳能集热器12开始工作，同时智能控制模块7-5将步骤3的信息反馈给负荷预测模块7-4进行数据存储；
步骤5：太阳能集热器12与燃烧器13接收到负荷预测模块7-4传输的负荷需求后太阳能集热器12开始吸收太阳能，并进行温度检测判断：
a.当温度达到膨胀机4进口温度要求时，热量直接通过换热器一9对储气罐8中的压缩空气进行加热，使储气罐8中的高压气体变为高温高压气体，此时阀门11处于关闭状态；
b.当温度小于膨胀机4进口温度要求时，启动燃烧器13，开启阀门11，热量通过换热器一9对储气罐8中的压缩空气进行加热，使储气罐8中的高压气体变为高温高压气体，而燃烧器13产生的烟气则进入换热器二10对太阳能集热器12内的工质进行加热。
步骤6：风机1与储气罐8接收到负荷预测模块7-4传送的负荷需求后进行判断：
a.如果负荷需求小于风机1供给量时，风机1直接将风电传输给电网6，并启动电机2驱动压缩机3将多余空气压缩成高温高压气体储存在储气罐8中；
b.如果负荷需求大于风机1供给量时，储气罐8释放其中的高温高压气体，推动膨胀机4旋转带动发电机5产生电能，并将电能传输给电网6。
本发明中步骤3所述的预测执行模块7-2内部数学优化模型的数据处理步骤如下：
步骤a：初始化设备参数；
步骤b：开始建立系统数学模型；
步骤c：根据步骤b的数学模型对计算结果进行优化选择；
步骤d：根据步骤c优化的结果，将其带入到智能算法多次迭代优化求解目标函数中，进行计算；
步骤e：将步骤d中的计算结果进行判断，如果结果收敛且符合最优则将结果数据作为设备运行参数进行设置，如果结果非收敛或不符合最优则重新进行步骤b到步骤d的运行计算。
实施例：
以某台风机为例，当电网负荷需求较小时，风电场接收减小负荷输出指令，若此时风机发电单元基于风速预测发电量大于负荷需求，且风机自身无法调节风机输出功率平衡供需电量，启动压缩空气系统进行储能，此时启动储气罐，进行充气。当风机自身可以调节风机输出功率平衡供需电量时，关闭压缩空气系统，停止充气。
当电网负荷需求较大时，风电场接收增大负荷输出指令，若此时风机发电单元基于风速预测发电量仍小于负荷需求，且风机自身无法调节风机输出功率平衡供需电量，启动压缩空气系统进行释能，此时启动储气罐，进行放气。当风机自身可以调节风机输出功率平衡供需电量时，关闭压缩空气储能系统，停止放气。
放气过程中，若在白天太阳辐射强度较强时，太阳能集热器循环系统具有较高温度大于250℃时，即通过换热设备可以加热压缩空气到200℃以上时，此时不启动补然加热系统。若太阳能集热器循环系统不具有较高温度小于250℃时，需启动补然加热系统，通过燃烧天然气产生热能继续加热压缩空气达到200℃，从而推动膨胀机对外做功发电。
Claims (5)
1.一种稳定的风电场输出系统，包括：风机、电机、压缩机、膨胀机、发电机、储气罐、换热器、阀门、燃烧器和太阳能集热器，其特征在于：风机（1）分别与智能控制系统（7）、电机（2）的一端、电网（6）相连，电机（2）的另一端与压缩机（3）的一侧相连，压缩机（3）的另一侧与膨胀机（4）的一侧相连，压缩机（3）的下端口与储气罐（8）的顶部端口相连，膨胀机（4）的另一侧与发电机（5）的一端相连，膨胀机（4）的下端口与燃烧器（13）的顶端左连接口相连，发电机（5）的另一端与电网（6）相连，储气罐（8）的侧口与智能控制系统（7）相连，储气罐（8）的低口与换热器一（9）的一端相连，换热器一（9）的一端还分别与阀门（11）、换热器二（10）的一端相连，换热器一（9）的另一端分别与燃烧器（13）底端左接口、太阳能集热器（12）的一端相连，燃烧器（13）底端的右接口与换热器二（10）的另一端相连，燃烧器（13）顶端右侧接口连接外置天然气管道，燃烧器（13）的一侧则与智能控制系统（7）相连，智能控制系统（7）还与太阳能集热器（12）相连，太阳能集热器（12）的另一端分别与阀门（11）的另一端、换热器二（10）的另一端相连。
2.根据权利要求1所述的一种稳定的风电场输出系统，其特征在于：所述智能控制系统（7）包括：气象资料实时处理模块（7-1），预测执行模块（7-2），气象资料数据库模块（7-3），负荷需求预测模块（7-4）和智能控制模块（7-5），所述气象资料实时处理模块（7-1）与气象资料数据库模块（7-3）、预测执行模块（7-2）相连，预测执行模块（7-2）分为三路，三路分别与气象资料数据库模块（7-3）、智能控制模块（7-5）和负荷需求预测模块（7-4）相连，负荷需求预测模块（7-4）则又与智能控制模块（7-5）相连。
3.一种稳定的风电场输出系统的工作方法，其特征在于：按照如下步骤进行调节工作：
步骤1：气象资料实时处理模块（7-1）通过气象监测设备把72小时内天气变化情况的数据进行编码、加密，通过3G网络将监测数据传输到气象资料数据模块（7-3）与预测执行模块（7-2）中；
步骤2：负荷需求预测模块（7-4）将负荷需求数据传输到预测执行模块（7-2）中；
步骤3：预测执行模块（7-2）根据步骤1与步骤2的数据，通过内部数学优化模型确立风电输出系统的运行策略信息借助无线网络将策略信息传递给智能控制模块（7-5）；
步骤4：智能控制模块（7-5）收到步骤3的信息后，控制风机（1）、储气罐（8）、燃烧器（13）与太阳能集热器（12）开始工作，同时智能控制模块（7-5）将步骤3的信息反馈给负荷预测模块（7-4）进行数据存储；
步骤5：太阳能集热器（12）与燃烧器（13）接收到负荷预测模块（7-4）传输的负荷需求后太阳能集热器（12）开始吸收太阳能，并进行温度检测判断：
当温度达到膨胀机（4）进口温度要求时，热量直接通过换热器一（9）对储气罐（8）中的压缩空气进行加热，使储气罐（8）中的高压气体变为高温高压气体，此时阀门（11）处于关闭状态；
当温度小于膨胀机（4）进口温度要求时，启动燃烧器（13），开启阀门（11），热量通过换热器一（9）对储气罐（8）中的压缩空气进行加热，使储气罐（8）中的高压气体变为高温高压气体，而燃烧器（13）产生的烟气则进入换热器二（10）对太阳能集热器（12）内的工质进行加热；
步骤6：风机（1）与储气罐（8）接收到负荷预测模块（7-4）传送的负荷需求后进行判断：
如果负荷需求小于风机（1）供给量时，风机（1）直接将风电传输给电网（6），并启动电机（2）驱动压缩机（3）将多余空气压缩成高温高压气体储存在储气罐（8）中；
如果负荷需求大于风机（1）供给量时，储气罐（8）释放其中的高温高压气体，推动膨胀机（4）旋转带动发电机（5）产生电能，并将电能传输给电网（6）。
4.根据权利要求2所述的一种稳定的风电场输出系统，其特征在于：所述气象资料数据库模块（7-3）包括元数据库（7-3-1）、数据库平台（7-3-2）、文件服务器（7-3-3）、数据更新模块（7-3-4）、数据库模块（7-3-5），元数据库（7-3-1）、数据库平台（7-3-2）、文件服务器（7-3-3）分别与数据更新模块（7-3-4）的一侧相连，数据更新模块（7-3-4）的另一侧与数据库模块（7-3-5）相连。
5.根据权利要求3所述的一种稳定的风电场输出系统的工作方法，其特征在于：步骤3所述的预测执行模块（7-2）内部数学优化模型的数据处理步骤如下：
步骤a：初始化设备参数；
步骤b：开始建立系统数学模型；
步骤c：根据步骤b的数学模型对计算结果进行优化选择；
步骤d：根据步骤c优化的结果，将其带入到智能算法多次迭代优化求解目标函数中，进行计算；
步骤e：将步骤d中的计算结果进行判断，如果结果收敛且符合最优则将结果数据作为设备运行参数进行设置，如果结果非收敛或不符合最优则重新进行步骤b到步骤d的运行计算。
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