CN111379667A - 一种分布式离网风电独立供能的冷热双效蓄能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式离网风力发电冷热双效蓄能系统。采用分布式风能独立供能驱动有效缓解电网压力，充分利用分布式风力资源。以水为储能工质，通过制冷/制热的方式取代蓄电池进行蓄能，大幅降低成本，解决环境污染问题。采用优化的风能最大功率点跟踪捕获方法，提高风电转化效率。对供能、蓄能、用能和辅助蓄电池容量进行耦合匹配，保证系统能够全天候连续运行。设计控制器，根据风况接通或断开辅助蓄电池，既维持了系统运行的稳定性，又能够优先将风电用于制冷/制热，有效提高系统综合效率。同时加装四通阀和三向电磁阀，实现蒸发器与冷凝器功能互换，达到冷热双效蓄能的目的。

Description

一种分布式离网风电独立供能的冷热双效蓄能系统

技术领域

本发明涉及一种分布式离网风电独立供能的冷热双效蓄能系统，属于风电应用及蓄能领域，特别是离网风电系统的设计领域和分布式能源驱动的冷热双效蓄能领域。

背景技术

风能是一种清洁的可再生能源，分布范围广，蕴含量巨大，全年均可有效利用。我国大部分地区全年风电可利用小时数较长，2017年全国平均利用小时数达1948小时。近年来，我国的风力发电利用以集中式并网为主，2017年全国风电新增装机1503万千瓦，全年风电发电量达3057亿千瓦。但受电网接纳能力不足、风速波动较大等因素的影响，2017年全国平均弃风率高达15%，意味着超过450亿千瓦的电能无法利用。因此，对于电网难以覆盖、风力资源等级较低的偏远地区，发展小规模的分布式离网风电，可与集中式并网风电形成互补，优化现有的能源结构体系。

风速的随机波动和风电转化效率的非线性，使得风能输出功率波动，而用电需求也是变化的，这导致分布式离网风力发电系统的供需不匹配、不同步。因此，系统必须和蓄能装置联合运用，以保证其连续稳定地运行。目前常用的蓄能装置为蓄电池，蓄电池虽然具有充放电效率高、负荷跟踪动态特性好的优点，但其投资和维护成本较高，寿命较短，且能量转化过程中存在一定的损失，废弃后对环境污染严重。

发明内容

为克服现有分布式离网风电系统蓄能电池成本高、转化效率低及污染严重的问题，本发明提出分布式离网风电独立供能的冷热双效蓄能系统，如图1所示。该系统主要由分布式风力发电系统、冷热双效蓄能系统和控制系统这三个子系统组成。为增加系统普适性，以水作为储能工质，根据气候条件和实际需求，通过分布式离网风电驱动制冷热双效蓄能系统运行，把制得的冰、低温冷水或中高温热水储存在储水箱中，实现风-电-冷和风-电-热的转化，将不稳定、难以利用的风能转化为稳定、易利用的热能存储。要解决的技术问题为。

1. 分布式风力发电系统的最大功率点跟踪捕获。

2. 非稳态风况下，冷热双效蓄能系统的连续稳定运行。

3. 以减小能量转化损失为目标的系统运行模式优化。

4. 分布式风力发电系统、冷热双效蓄能系统和辅助蓄电池之间的能量耦合匹配。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为。

1. 采用分布式离网风电独立供能，不仅能合理利用可再生能源，解决环境问题，还能缓解电网输电及用电压力。本发明系统通过永磁同步风力发电机将分布式风能转化为电能，风力发电机的风轮转速随风速不断变化，输出电能功率也不断变化。但是风速和输出电能功率之间并非线性对应关系，不同风速条件下存在最佳转速，此时风力发电机的风电转化效率最高。因此，当风速变化时，需要通过调整风轮转速来提高风电转化效率，使输出电能功率最大化，即风电最大功率点的跟踪捕获。

风电最大功率点的跟踪捕获可通过升压变换器实现。控制系统通过采集实时风轮转速信号和实时输出功率信号，经过控制程序对比判断后，输出调制信号改变升压变换器的占空比。升压变换器的占空比改变时，阻抗也随之变换，而后端的阻抗变化则会间接引起风力发电机风轮转速的变化。如此循环，最终找到不同风速条件下的最佳转速，从而使风电转化效率最大化。

同时，本发明提出利用风速传感仪发出的风速信号计算风速变化率，判断实时风况，并根据结果调节扰动比例因子的大小，使得占空比调制步长可根据风速变化率自动适应。这样能够大幅提高控制器的响应速度，更快地将风轮调整至最佳转速，进一步提高风电转化效率。

2. 传统的分布式离网风力发电系统，一般需要大容量蓄电池进行蓄能。本发明提出用制冷/制热的方式取代蓄电池进行蓄能，但由于风能的波动性和间歇性，使用风电作为单一驱动电源难以实现系统的连续稳定运行。因此，增加低容量的辅助蓄电池，仅用于满足控制器用电需求和在风速波动较大时维持压缩机的稳定运行，而不作为主要的蓄能装置。本发明在保证系统正常运行的前提下，能通过匹配计算最大限度地缩减所需蓄电池数量及容量。

若采用定频压缩机，将导致风电输出功率与压缩机运行功率时常不匹配。由于压缩机自带保护功能，当风电功率过高或过低时，压缩机将停止工作，此时大部分风电将充入辅助蓄电池，给蓄电池带来极大的负担。因此，本发明采用直流变频压缩机，风速变化时，风电输出功率随之变化，升压器将整流后的风电电压等级提高到压缩机运行电压，压缩机正常工作，但压缩机转速随输入电流变化而不断调整，制冷/制热系统运行稳定性大大增加。

若采用回水换冷/换热的方式为储水箱中水体供冷/供热，不仅会降低制冷/制热效率，水泵也会增加额外的电能消耗。因此将制冷循环中的蒸发器（即制热循环中的冷凝器）直接置于储水箱中，浸泡于水体内，这样能够提高系统效率并增加系统稳定性。

综上所述，增加辅助蓄电池、采用变频压缩机并优化制冷/制热系统结构，能够保证系统在各种复杂多变的非稳态风况下连续稳定地运行。

3. 当辅助蓄电池接通时，系统处于浮充运行模式；辅助蓄电池断开时，系统处于直驱运行模式。

系统需要借助蓄电池保证连续稳定的运行，但是蓄电池端电压对风机输出具有明显的钳制作用，当风速较低时，风机功率无法输出，导致风轮空转，造成大量的能量浪费，这一现象在风力资源等级较低的地区尤为明显。若完全摒弃蓄电池，则能够优先将风电用于制冷/制热，并有效提高风-电-冷和风-电-热转化效率，但是风速波动剧烈时系统无法实现稳定运行，压缩机频繁停机，能量损失较为严重。

因此，需要根据实时风速对系统运行模式进行调整。本发明设计的控制器通过风速传感仪采判断当前风况，自动接通或断开辅助蓄电池，使系统在浮充和直驱模式之间切换。在短期无风或风速达不到直驱条件时，使用蓄电池作为主电源供电；低风速且风速较为稳定时，断开蓄电池采用直驱模式，解除蓄电池端电压对风电输出的钳制作用；中高风速时，接通蓄电池采用浮充模式，在满足压缩机运行功率的前提下，将剩余的风电存入蓄电池中；当风速过高时，为保护系统部件不受损害，对永磁同步风力发电机进行刹车控制；最后，当蓄电池端电压低于保护电压，即蓄电池剩余电量较低时，完全切断蓄电池，只有当风速满足浮充条件时才再次接通。

根据风况切换系统运行模式，能够在保证系统平稳运行的基础上，最大限度地减少能量转换损失，更为有效地利用低风速工况下的风能资源。

4. 为保证充分且合理地应用风能资源，同时满足系统稳定运行的要求，需要对供能、蓄能、用能和辅助蓄电池容量进行耦合匹配。

首先，对本发明应用地区的风力资源进行为期至少一年的测量及统计，包括风速频率分布及年可利用小时数，并模拟计算全年发电量。其次，分析夏季供冷及冬季供热需求，结合模拟发电量进行压缩机的选型匹配。在满足冷热需求的基础上，压缩机应选择运行额定功率较低的型号，以保证系统能够不间断运行。最后，根据平均发电量及用电量，选择蓄电池容量，蓄电池需要将高风速工况时多余的风电存储，在短期无风或低风速工况时满足压缩机的用电需求，实现风电的“削峰填谷”，保证系统能够全天候连续运行。

附图说明

图1 为本发明提供的分布式离网风电独立供能的冷热双效蓄能系统结构及部件图。

图2为本发明提供的系统不同运行模式的工作流程图。

图3为本发明提供的分布式风力发电系统电路原理图。

图4为本发明提供的冷热双效蓄能系统具体结构及运行流程图。

图5为本发明提供的控制系流程及功能图。

具体实施方式

下面将结合附图介绍本发明系统的具体实施方式。系统共有制冷和制热两种实施方式，每种实施方式又分为直驱模式和浮充模式两种运行模式。制冷蓄能具体实施方式由实施例1说明，制热蓄能具体实施方式由实施例2说明。

实施示例1

如附图1所示，本发明提出的分布式离网风电独立供能的冷热双效蓄能系统主要由分布式风力发电系统、控制系统和冷热双效蓄冷系统三个子系统组成。控制器5从风速传感仪2采集实时风速信号，当风速满足不同条件时，断开或接通蓄电池开关7，使系统处于直驱或浮充运行模式。两种运行模式具体流程如附图2所示。

直驱运行模式：如附图1所示，风速较低且较为稳定时，断开蓄电池开关7采用直驱运行模式，解除辅助蓄电池组8的端电压对风电输出的钳制作用。此时分布式风力发电系统开始运行，风轮通过捕获分布式风力资源1开始旋转，将风能转化为机械能，并通过转轴带动永磁同步发电机3运行，发电机输出三相交流电，将机械能转化为电能。三相整流桥4将三相交流电变换为直流电，并输出至升压变换器6。控制器5采集永磁同步风力发电机3的实时转速信号和三相整流桥4的实时直流电功率信号，经过控制程序对比判断后，输出调制信号改变升压变换器6的占空比并调节其阻抗，追踪捕获最大功率点并提高直流电输出电压等级。最终将电能输送冷热双效蓄能系统，使其能够正常运行。

分布式风力发电系统的电路原理如附图3所示，三相整流桥由六个二极管组成，其单向导通的特性能够将永磁同步风力发电机发出的三相电整流成直流电。DC-DC升压变换器由电感L、二极管D、电容C和绝缘栅双极型晶体管S组成，绝缘栅双极型晶体管S接收来自控制器的脉冲宽度调制（PWM）信号，改变周期内电流导通时长，以此提高电压等级并改变输入阻抗。

浮充运行模式：风速较高或风速波动剧烈时，接通蓄电池开关7采用浮充运行模式。该模式前端流程同直驱运行模式，但最终输出的电能优先充入辅助蓄电池组8中。此时辅助蓄电池组8处于边充边放的工作状态。若分布式风力发电系统发电量较高，则主要使用风电为冷热双效蓄能系统供电，并将剩余的风电存入辅助蓄电池组8中；若分布式风力发电系统发电量较低，则主要由辅助蓄电池组8为冷热双效蓄能系统供电，并由风电提供电流补偿。

通过控制器5调节冷热双效机组10，将其设置为制冷模式，变频压缩机9驱动工质循环，降低储水箱11内的水体温度，实现制冷蓄能的目的。

冷热双效蓄能系统具体结构及运行图如附图4所示，控制器6通过停止向四通阀3中的线圈供电和改变三向电磁阀7的工作状态，将系统调节为制冷模式。电源1即上述提到的分布式风力发电系统及辅助蓄电池组，电源1为压缩机2供电，压缩机2运行带动工质循环。压缩机2吸入低温低压的气态工质，耗电做功进行绝热压缩，使低温低压的气态工质变为高温高压的气态工质。工质进入冷凝器12后向外放出热量，冷凝成为液态。将低温高压的液态工质导入储液罐10中暂存，并经由膨胀阀11调整工质流量，降低工质压力。低温低压的液态工质进入蒸发器4后，吸收储水箱5内水体的热量并蒸发成为气态，水体温度降低实现制冷蓄能。最终，低温低压的气态工质再次被压缩机2吸收，完成制冷循环。

经过上述过程，本系统实现风-电-冷的转化，将分布式风能转化为冷水中的冷量和冰中的相变潜热进行存储。

实施示例2

如附图4所示，控制器6通过向四通阀3中的线圈供电和改变三向电磁阀7的工作状态，将系统设置为制热模式，分布式风力发电系统运行流程与实施示例1相同。

制热循环与制冷循环工质流向相反，蒸发器4和冷凝器12功能互换。压缩机2吸入低温低压的气态工质，耗电做功进行绝热压缩，使低温低压的气态工质变为高温高压的气态工质。工质进入蒸发器4后向储水箱5内的常温水体放出热量，同时自身冷凝成为液态。将低温高压的液态工质导入储液罐8中暂存，并经由膨胀阀11调整工质流量，降低工质压力。低温低压的液态工质进入冷凝器12后，吸收周围环境的热量并蒸发成为气态。最终，低温低压的气态工质再次被压缩机2吸收，完成制热循环。

经过上述过程，本系统实现风-电-热的转化，将分布式风能转化为中高温热水中的热量进行存储。

Claims (7)

1.一种分布式离网风电独立供能的冷热双效蓄能系统，其特征在于采用分布式离网风电独立供能驱动系统运行，有效缓解电网压力，充分利用分布式风力资源，以水为储能工质，通过制冷/制热的方式取代蓄电池进行蓄能，大幅降低成本，解决环境污染问题，为提高系统能量综合利用效率，对风能最大功率点进行跟踪捕获并优化控制方式，对供能、蓄能、用能和辅助蓄电池容量进行耦合匹配，根据风况对系统运行模式进行实时调节，同时对功能单一的制冷/制热系统进行改造，实现冷热双效蓄能。

2.根据权利要求1所述的采用分布式离风电独立供能驱动系统运行，其特征在于系统所需能量全部由风电供给，采用AC/DC三相整流桥将永磁同步风力发电机发出的三相电整流为直流电；采用控制器对风电最大功率点进行跟踪捕获，使得风力发电机的风轮始终保持最佳转速，实现风电转化效率的提高；采用DC/DC升压变换器对波动性较大的直流电进行升压稳压，实现稳定的直流电输出。

3.根据权利要求1所述的通过制冷/制热的方式取代蓄电池进行蓄能，其特征在于以水作为储能工质，取代蓄电池，将风能转化为冷水中的冷量或热水中的热量进行存储，但由于风能的波动性和间歇性，使用风电作为单一驱动电源难以实现系统的连续稳定运行，因此，增加低容量的辅助蓄电池，仅用于满足控制器用电需求和在风速波动较大时维持压缩机的正常运行，而不作为主要的储能装置。

4.根据权利要求1和2所述的对风电最大功率点进行跟踪捕获并优化控制方式，其特征在于对现有的风电最大功率点跟踪爬山搜索法进行优化，利用风速传感仪发出的风速信号计算风速变化率，判断实时风况，并根据结果调节扰动比例因子的大小，使得占空比调制步长可根据风速变化率自动适应，实现控制器响应速度的大幅提高，更快地将风轮调整至最佳转速，进一步提高风电转化效率。

5.根据权利要求1和3所述的对供能、蓄能、用能和辅助蓄电池容量进行耦合匹配，其特征在于通过模拟计算选取最佳蓄电池容量，实现系统全天候连续运行，对应用地区的风力资源进行测量和统计，模拟计算全年发电量，分析夏季供冷及冬季供热需求，选择合适功率的压缩机，根据发电量及用电量，选择辅助蓄电池容量，满足压缩机在短期无风或低风速工况时的用电需求。

6.根据权利要求1所述的根据风况对系统运行模式进行实时调节，其特征在于控制器通过风速传感仪采判断当前风况，自动接通或断开辅助蓄电池，使系统在浮充和直驱模式之间切换，系统需要借助辅助蓄电池保证连续稳定的运行，但是蓄电池端电压对风机输出具有明显的钳制作用，控制器在无风时，接通蓄电池作为主电源供电；低风速且风速较为稳定时，断开辅助蓄电池采用直驱模式，解除蓄电池端电压对风电输出的钳制作用；中高风速时，接通辅助蓄电池采用浮充模式，在满足压缩机运行功率的前提下，将剩余的风电存入辅助蓄电池中，在保证系统稳定运行的前提下，优先将风电用于制冷/制热，有效提高风-电-冷和风-电-热转化效率。

7.根据权利要求1所述的对功能单一的制冷/制热系统进行改造，其特征在于加装四通阀和三向电磁阀，通过控制器切换冷热双效系统的运行模式，实现蒸发器和冷凝器的功能互换，在同一储水箱内储存冷水或热水，系统以制冷模式运行时，蒸发器吸热制冷；以制热模式运行时，蒸发器和冷凝器位置不变，功能互相调换，此时由蒸发器放热制热。

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