CN109842149A - 兼具离网、并网两种模式的风力发电系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了兼具离网、并网两种模式的风力发电系统，包括：风电机组，其通过变压器及开关与高压电网主母线连接，高压电网主母线上连接有用户负载；若干蓄电池组及一蓄电池储能调节系统(包括若干充放电管理系统及一系统主监控器)，蓄电池组对应连接充放电管理系统的直流端，交流端并联接入一公共母线，再通过变压器、开关与高压电网主母线连接(形成一PCC点)，充放电管理系统包括DSP核心控制器及电压源逆变器；一卸载负荷，其通过变压器与高压电网主母线连接，并与系统主监控器通讯连接；风电机组与蓄电池储能调节系统通过开关连接；在电网不许并网时进入离网模式，通过控制PCC点的频率和电压稳定，为用户负载供电，避免风资源浪费。

Description

兼具离网、并网两种模式的风力发电系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及风力发电领域，具体地，涉及一种兼具离网、并网两种模式的风力发电系统及其工作方法。

背景技术

目前由于电网接纳能力有限，经常出现大风时机组停运弃风的现象，因此可以使风力发电机组增加离网运行的功能，这样可以在电网不需要电量时风力发电机组进入离网运行模式，通过蓄电池组为附近用户负载及风电场升压站供电。

发明内容

本发明的目的是供一种兼具离网、并网两种模式的风力发电系统及其工作方法，可以在电网不允许并网时进入离网工作模式，从而为风电场升压站及附近用户负载供电，避免弃风导致的风资源浪费。

为了实现上述目的，本发明采用以下方案：

兼具离网、并网两种模式的风力发电系统，包括：

一台或若干台风电机组，所述每一风电机组的输出端通过变压器及开关与高压电网主母线连接，所述高压电网主母线上连接有用户负载；若干蓄电池组及一蓄电池储能调节系统，所述蓄电池储能调节系统包括若干充放电管理系统及与充放电管理系统连接的一系统主监控器，所述蓄电池组与充放电管理系统一一对应，每一所述蓄电池组连接对应的充放电管理系统的直流端，每一所述充放电管理系统的交流端并联接入一公共母线，再通过变压器、开关与所述高压电网主母线连接，连接点形成一PCC点，所述充放电管理系统包括DSP核心控制器及与DSP核心控制器连接的电压源逆变器；一卸载负荷，其通过变压器与高压电网主母线连接，且所述卸载负荷与系统主监控器通讯连接；所述风电机组与蓄电池储能调节系统通过开关连接。

进一步地，还包括一通过变压器与高压电网主母线连接的外部备用电源，所述系统主监控器还与所述外部备用电源通讯连接。

进一步地，所述充放电管理系统与公共母线的接线方式采用基于6-10kV交流母线连接的单母线放射式。

进一步地，所述系统主监控器通过若干CAN接口与各所述充放电管理系统连接。

进一步地，所述蓄电池组采用钛酸锂电池、钠硫电池、液流电池、锂电池和铅酸电池中的一种或多种。

进一步地，还包括一主控系统，所述主控系统与各开关连接。

进一步地，还包括一上位机，所述上位机通过RS485接口与所述系统主监控器通讯连接，且所述上位机包括一人机界面，所述人机界面通过CAN接口与所述系统主监控器通讯连接。

兼具离网、并网两种模式的风力发电系统的工作方法为：

当风电机组启动时，检查离网模式是否开启，如未开启，则进入并网模式，闭合风电机组与高压电网主母线之间的开关，并断开蓄电池储能调节系统与风电机组的之间的开关及蓄电池储能调节系统与高压电网主母线之间的开关，风电机组为高压电网主母线供电；

如离网模式开启，则进入离网模式，断开风电机组与高压电网主母线之间的开关，并闭合蓄电池储能调节系统与风电机组的之间开关及蓄电池储能调节系统与高压电网主母线之间的开关，风电机组为蓄电池组供电；

蓄电池组通过蓄电池储能调节系统调节PCC点的电压、频率稳定，充放电管理系统的DSP核心控制器内预设有PCC点的电压、频率值及蓄电池组两端的电压的上、下限值；

当DSP核心控制器判断出PCC点的实际电压、频率值均大于预设的电压、频率值，且蓄电池组两端的电压值位于预设的上、下限电压范围内时，电压源逆变器吸收有功功率，使PCC点电压、频率稳定为预设值；

当DSP核心控制器判断出PCC点的实际电压、频率值均大于预设的电压、频率值，且蓄电池组两端的电压值与预设上限电压值相等时，DSP核心控制器通过系统主监控器控制卸载负荷消耗掉高压电网主母线输出的电能，使PCC点电压、频率稳定为预设值；

当DSP核心控制器判断出PCC点的实际电压、频率值均小于预设的电压、频率值，且蓄电池组两端的电压值位于预设的上、下限电压范围内时，电压源逆变器发出有功功率，使PCC点的电压和频率稳定为预设值。

进一步地，当DSP核心控制器判断出PCC点的实际电压、频率值均小于预设的电压、频率值，且蓄电池组两端的电压值位于预设的上、下限电压范围内时，DSP核心控制器还通过系统主监控器启动外部备用电源给高压电网主母线供电，使PCC点的电压和频率稳定为预设值；

当DSP核心控制器判断出PCC点的实际电压、频率值均小于预设的电压、频率值，且蓄电池组两端的电压值与预设的下限电压值相等时，DSP核心控制器通过系统主监控器启动外部备用电源给高压电网主母线供电，使PCC点的电压和频率稳定为预设值。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：

1、由于本发明包括至少两个与蓄电池组相对应的充放电管理系统，且每一充放电管理系统采用了DSP核心控制器，其中预设置有PCC点的电压、频率值以及蓄电池组两端的电压的上、下限值，DSP核心控制器根据高压电网主母线PCC点的实际电压、频率值与预设的电压、频率值进行比较，同时判断蓄电池组两端的电压值是否超出了预设的电压上、下限，以通过电压源逆变器控制蓄电池组与PCC点之间进行有功功率、无功功率双向交换，因此可以很容易地控制了PCC点的频率和电压保持稳定，从而提高了电能的输出质量，而且还适用于与兆瓦级风电机组组成独立电源系统。

2、由于本发明的每一蓄电池组可以直接插入对应的充放电管理系统的直流端，且每一充放电管理系统并联接入一公共母线上，因此可以降低每个充放电管理系统的额定容量，便于实现。

3、本发明的充放电管理系统与公共母线的接线方式采用基于6-10kV交流母线连接的单母线放射式，各部分均通过公共母线并联接入高压电网主母线，因此可以实现模块化，便于系统扩容，易于集中管理。

4、由于本发明的蓄电池组的种类可以采用钛酸锂电池、钠硫电池、液流电池、锂电池和铅酸电池中的任一种或多种，因此易于实现。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的兼具离网、并网两种模式的风力发电系统的结构示意图；

图2为本发明的兼具离网、并网两种模式的风力发电系统工作方法的流程图(部分)。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明的兼具离网、并网两种模式的风力发电系统，包括：

一台或若干台兆瓦级的风电机组1，每一风电机组1的输出端通过变压器61及开关与高压电网主母线7(相当于电网)连接，高压电网主母线7上并联有用户负载9。若干蓄电池组2及一蓄电池储能调节系(Power Conditioning System，PCS)3，蓄电池储能调节系统3包括若干充放电管理系统及一系统主监控器，系统主监控器通过若干CAN接口与各充放电管理系统连接进行信息交互，并按照充放电管理系统的指令工作；蓄电池组2与充放电管理系统一一对应，每一蓄电池组2连接对应的充放电管理系统的直流端，每一充放电管理系统的交流端并联接入一公共母线8(接线方式采用基于6-10kV交流母线连接的单母线放射式)，再通过变压器62、开关与高压电网主母线7连接，连接点形成一PCC点(Point of commoncoupling，公共耦合点)，PCC点的电压和频率值的稳定，可保证用户负载9用电的稳定；充放电管理系统包括DSP核心控制器及与DSP核心控制器连接的电压源逆变器。一卸载负荷5，其通过变压器63与高压电网主母线7连接，且卸载负荷5与系统主监控器通讯连接，用于在系统主监控器的控制下消耗掉高压电网主母线7输出的电能，使PCC点的电压和频率稳定。一外部备用电源4，其通过变压器64与高压电网主母线7连接，且外部备用电源4还与系统主监控器通讯连接，用于在系统主监控器的控制下为高压电网主母线7供电，使PCC点的电压和频率稳定。风电机组1与蓄电池储能调节系统3通过开关连接。

本发明的风电机组1的组数是根据能量守恒原理，以用户负载9需求计算得到。每一风电机组1的输出端连接一变压器61，再并联接入高压电网主母线7，以将风电机组1输出的波动较大的电经过变压器61初步稳压后，输送到高压电网主母线7上。

本发明的蓄电池组2的组数的确定方法是：首先根据充放电极限功率计算蓄电池组2的最低功率，从而得到蓄电池组2的最小能量；再由实测小时风速得到外部备用电源4发电量及本发明系统的总成本，最后按经济性最优选取蓄电池组2数量。另外，还可以根据蓄电池组2持续带载8小时的要求，筛选出本发明系统正常工作的风速区段，计算出在不投入外部备用电源4的情况下，所需的最小蓄电池组2的组数。在上述实施例中，蓄电池组2的种类可以采用钛酸锂电池、钠硫电池、液流电池、锂电池和铅酸电池中的任一种或多种。

在上述实施例中，还包括一主控系统，主控系统与各开关连接。

在上述实施例中，还包括一上位机，上位机通过RS485接口与系统主监控器进行信息交互，以对充放电管理系统进行远程监测与控制，上位机还包括一人机界面，其通过CAN接口与系统主监控器进行信息交互，以对充放电管理系统进行人机对话、远程控制等。

如图2所示，本发明的兼具离网、并网两种模式的风力发电系统工作方法为：

当风电机组启动时，主控系统检查离网模式是否开启，如未开启(否)，则进入并网模式，闭合风电机组与高压电网主母线之间的开关(并网开关)，并断开蓄电池储能调节系统与风电机组的之间的开关及蓄电池储能调节系统与高压电网主母线之间的开关，风电机组为高压电网主母线供电。

如离网模式开启(是)，则进入离网模式，断开风电机组与高压电网主母线之间的开关(并网开关)，并闭合蓄电池储能调节系统与风电机组的之间开关及蓄电池储能调节系统与高压电网主母线之间的开关，风电机组为蓄电池组供电。

蓄电池组通过蓄电池储能调节系统调节PCC点的电压、频率稳定，充放电管理系统的DSP核心控制器内预设有PCC点的电压、频率值及蓄电池组两端的电压的上、下限值：

当DSP核心控制器判断出PCC点的实际电压、频率值均大于预设的电压、频率值，且蓄电池组两端的电压值位于预设的上、下限电压范围内时，电压源逆变器吸收有功功率，使PCC点电压、频率稳定为预设值。

当DSP核心控制器判断出PCC点的实际电压、频率值均大于预设的电压、频率值，且蓄电池组两端的电压值与预设上限电压值相等时，DSP核心控制器通过系统主监控器控制卸载负荷消耗掉高压电网主母线输出的电能，使PCC点电压、频率稳定为预设值。

当DSP核心控制器判断出PCC点的实际电压、频率值均小于预设的电压、频率值，且蓄电池组两端的电压值位于预设的上、下限电压范围内时，电压源逆变器发出有功功率，使PCC点的电压和频率稳定为预设值。

当DSP核心控制器判断出PCC点的实际电压、频率值均小于预设的电压、频率值，且蓄电池组两端的电压值位于预设的上、下限电压范围内时，DSP核心控制器还通过系统主监控器启动外部备用电源给高压电网主母线供电，使PCC点的电压和频率稳定为预设值。

当DSP核心控制器判断出PCC点的实际电压、频率值均小于预设的电压、频率值，且蓄电池组两端的电压值与预设的下限电压值相等时，DSP核心控制器通过系统主监控器启动外部备用电源给高压电网主母线供电，使PCC点的电压和频率稳定为预设值。

本发明通过蓄电池组与PCC点之间的有功功率、无功功率的双向调节，在蓄电池组与兆瓦级风电机组组成独立电源系统出现扰动时，本发明可以在额定范围内动态平衡独立电源系统的有功功率和无功功率，以控制PCC点的频率和电压稳定为预设值。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.兼具离网、并网两种模式的风力发电系统，其特征在于，包括：

一台或若干台风电机组，所述每一风电机组的输出端通过变压器及开关与高压电网主母线连接，所述高压电网主母线上连接有用户负载；

若干蓄电池组及一蓄电池储能调节系统，所述蓄电池储能调节系统包括若干充放电管理系统及与充放电管理系统连接的一系统主监控器；所述蓄电池组与充放电管理系统一一对应，每一所述蓄电池组连接对应的充放电管理系统的直流端，每一所述充放电管理系统的交流端并联接入一公共母线，再通过变压器、开关与所述高压电网主母线连接，连接点形成一PCC点；所述充放电管理系统包括DSP核心控制器及与DSP核心控制器连接的电压源逆变器；

一卸载负荷，其通过变压器与高压电网主母线连接，且所述卸载负荷与系统主监控器通讯连接；

所述风电机组与蓄电池储能调节系统通过开关连接。

2.根据权利要求1所述的兼具离网、并网两种模式的风力发电系统，其特征在于，还包括一通过变压器与高压电网主母线连接的外部备用电源，所述系统主监控器还与所述外部备用电源通讯连接。

3.根据权利要求1或2所述的兼具离网、并网两种模式的风力发电系统，其特征在于，所述充放电管理系统与公共母线的接线方式采用基于6-10kV交流母线连接的单母线放射式。

4.根据权利要求1或2所述的兼具离网、并网两种模式的风力发电系统，其特征在于，所述系统主监控器通过若干CAN接口与各所述充放电管理系统连接。

5.根据权利要求1或2所述的兼具离网、并网两种模式的风力发电系统，其特征在于，所述蓄电池组采用钛酸锂电池、钠硫电池、液流电池、锂电池和铅酸电池中的一种或多种。

6.根据权利要求1或2所述的兼具离网、并网两种模式的风力发电系统，其特征在于，还包括一主控系统，所述主控系统与各开关连接。

7.根据权利要求1或2所述的兼具离网、并网两种模式的风力发电系统，其特征在于，还包括一上位机，所述上位机通过RS485接口与所述系统主监控器通讯连接，且所述上位机包括一人机界面，所述人机界面通过CAN接口与所述系统主监控器通讯连接。

8.根据权利要求1所述的兼具离网、并网两种模式的风力发电系统的工作方法，其特征在于：

当风电机组启动时，检查离网模式是否开启，如未开启，则进入并网模式，闭合风电机组与高压电网主母线之间的开关，并断开蓄电池储能调节系统与风电机组的之间的开关及蓄电池储能调节系统与高压电网主母线之间的开关，风电机组为高压电网主母线供电；

如离网模式开启，则进入离网模式，断开风电机组与高压电网主母线之间的开关，并闭合蓄电池储能调节系统与风电机组的之间开关及蓄电池储能调节系统与高压电网主母线之间的开关，风电机组为蓄电池组供电；

蓄电池组通过蓄电池储能调节系统调节PCC点的电压、频率稳定，充放电管理系统的DSP核心控制器内预设有PCC点的电压、频率值及蓄电池组两端的电压的上、下限值；

当DSP核心控制器判断出PCC点的实际电压、频率值均大于预设的电压、频率值，且蓄电池组两端的电压值位于预设的上、下限电压范围内时，电压源逆变器吸收有功功率，使PCC点电压、频率稳定为预设值；

当DSP核心控制器判断出PCC点的实际电压、频率值均大于预设的电压、频率值，且蓄电池组两端的电压值与预设上限电压值相等时，DSP核心控制器通过系统主监控器控制卸载负荷消耗掉高压电网主母线输出的电能，使PCC点电压、频率稳定为预设值；

当DSP核心控制器判断出PCC点的实际电压、频率值均小于预设的电压、频率值，且蓄电池组两端的电压值位于预设的上、下限电压范围内时，电压源逆变器发出有功功率，使PCC点的电压和频率稳定为预设值。

9.根据权利要求8所述的兼具离网、并网两种模式的风力发电系统的工作方法，其特征在于：

当DSP核心控制器判断出PCC点的实际电压、频率值均小于预设的电压、频率值，且蓄电池组两端的电压值位于预设的上、下限电压范围内时，DSP核心控制器还通过系统主监控器启动外部备用电源给高压电网主母线供电，使PCC点的电压和频率稳定为预设值；

当DSP核心控制器判断出PCC点的实际电压、频率值均小于预设的电压、频率值，且蓄电池组两端的电压值与预设的下限电压值相等时，DSP核心控制器通过系统主监控器启动外部备用电源给高压电网主母线供电，使PCC点的电压和频率稳定为预设值。