CN113090463B - 一种风电机组的储能系统、风电机组及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于风力发电领域，公开了一种风电机组的储能系统，包括进气管道、控制系统和若干个设置在进气管道内的能量转换与存储系统；进气管道设置在风电机组的轮毂和塔架内；每个能量转换与存储系统包括叶轮和弹簧马达，叶轮与弹簧马达一端连接，叶轮设置在进风侧；弹簧马达另一端与发电机连接，控制系统与弹簧马达和风电机组连接，用于根据风电机组的运行状态控制弹簧马达存储或释放能量。还公开了包含其的风电机组和使用方法，在不影响风机在任何时段出力的情况下，以“削峰填谷”的方式对其出力进行二次补充，具有放电快的特殊优势，可真正实现风机出力的平顺化，减少出力的波动和对电网的冲击，做到电网友好型发电设备。

Description

一种风电机组的储能系统、风电机组及其使用方法
技术领域
本发明属于风力发电领域，具体涉及一种风电机组的储能系统、风电机组及其使用方法。
背景技术
风力发电技术严重依赖自然界大气中冷热空气流动带来的风，因风力的大小和持续时间具有不确定性以及不可准确预知等特点，导致风电场的出力无法稳定输出，在很长一段时间内风力发电对电网的冲击都比较大。
为了应对此类问题的发生，风电主机通过一系列优化算法努力平滑风机的出力，但只能通过削弱风机的出力，而且鉴于输入的能量具有高度的不确定性和不稳定性，因此面对风速变化快、频次高的情况时实现平滑出力是很困难的。目前风电场也在逐步配置一定容量的电池储能来化解该问题，但配置储能占据大量的空间，不仅独立于风力发电系统，融合度较低，需要向电网索要大量额外的电力或对风机出力采用“削峰”来实现“填谷”之目的，并无法实现自我发电自我补充，而且目前可市场化的储能技术(指具有一定性价比的产品)放电速度慢，无法应对风速变化快、频次高的情况，因此此类方法实为无奈之下的临时救急，不能从根本上解决问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种风电机组的储能系统、风电机组及其使用方法，解决了目前的储能技术无法应对风速变化快、频次高的问题。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种风电机组的储能系统，包括进气管道、控制系统和若干个设置在进气管道内的能量转换与存储系统；
进气管道设置在风电机组的轮毂和塔架内；在进气管道内设有增压装置，增压装置设置在能量转换与存储系统前端；
每个能量转换与存储系统包括叶轮和弹簧马达，叶轮与弹簧马达一端连接，叶轮设置在进风侧，弹簧马达另一端与发电机连接；
控制系统与增压装置、弹簧马达和风电机组连接，控制系统用于根据风电机组的运行状态控制增压装置对气体增压，弹簧马达存储或释放能量。
进一步，进气管道包括第一管道和第二管道，第一管道和第二管道垂直连接，第一管道设置在轮毂内，第二管道设置在塔架内。
进一步，第二管道的直径由上至下逐渐变小。
进一步，增压装置采用气体增压泵。
进一步，在进气管道上设有检测过滤系统，检测过滤系统包括前风压检测单元、后风压检测单元和过滤装置，过滤装置设置在前风压检测单元和后风压检测单元之间，前风压检测单元用于检测过滤前的前风压，后风压检测单元用于检测过滤后的后风压；前风压检测单元和后风压检测单元与控制系统连接，控制系统内预设有第一阈值，第一阈值为前风压与后风压的差值；控制系统连接有报警单元，当检测到的前风压和后风压相差超过第一阈值时，说明过滤系统堵塞，控制系统用于启动报警单元。
进一步，在进气管道的进气口设有管道保护罩，管道保护罩包括驱动装置和罩体，罩体一侧铰接在风电机组的机舱前端；罩体与驱动装置连接，驱动装置与控制系统连接；
控制系统内还预设有第二阈值，第二阈值为前风压的最大极限值，当检测到的前风压超过第二阈值时，控制系统用于启动驱动装置关闭罩体。
本发明还公开了一种风电机组，包含所述储能系统。
本发明还公开了所述储能系统的使用方法，包括以下情况：
当风电机组周围的风力正常时，控制系统启动增压装置，风经过进气管道的增压装置加速后传递给每个能量转换与存储系统的叶轮，叶轮旋转，将风能转化为弹簧马达的压缩势能，并储存起来；
当风电机组周围的风力较小时，控制系统控制弹簧马达，将弹簧马达储存的势能转化为电能释放出来，同时同步进行能量的存储，做到边释放能量边存储能量。
进一步，在进气管道上设有检测过滤系统，检测过滤系统包括前风压检测单元、后风压检测单元和过滤装置，过滤装置设置在前风压检测单元和后风压检测单元之间；前风压检测单元和后风压检测单元与控制系统连接，控制系统内预设有第一阈值，第一阈值为前风压与后风压的差值；控制系统连接有报警单元；
当前风压检测单元检测到的前风压和后风压检测单元检测到的后风压相差超过第一阈值时，说明过滤系统堵塞，控制系统启动报警单元。
进一步，在进气管道的进气口设有管道保护罩，管道保护罩包括驱动装置和罩体，罩体一侧铰接在风电机组的机舱前端；罩体与驱动装置连接，驱动装置与控制系统连接；控制系统内还预设有第二阈值，第二阈值为前风压检测单元检测到的前风压的最大极限值；
当控制系统检测到的前风压超过第二阈值时，控制系统启动驱动装置，罩体关闭，增压装置关闭。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开了一种风电机组的储能系统，包括进气管道、控制系统和若干个设置在进气管道内的能量转换与存储系统；每个能量转换与存储系统包括叶轮和弹簧马达，叶轮与弹簧马达一端连接，叶轮设置在进风侧，弹簧马达另一端与发电机连接；控制系统与弹簧马达和风电机组连接，当风机较大时，控制系统控制弹簧马达存储能量，当风力较小时，控制系统控制弹簧马达释放能量，同时弹簧马达也存储能量。可在全时段进行能量转换和存储，具体表现为当风力较小(风机未启动)、风机出力的过程中以及飓风(风机停机)时，储能系统先将快速流动的空气能量转化成弹性势能储存起来，需要的时候，可以通过弹簧马达对外输出能量，在不影响风机在任何时段出力的情况下，以“削峰填谷”的方式对其出力进行二次补充，而且具有放电快的特殊优势，可在毫秒内实现电力的快速补充，可真正实现风机出力的平顺化，减少出力的波动和对电网的冲击，做到电网友好型发电设备。
进一步，进气管道包括第一管道和第二管道，第二管道的上部管道直径大，便于布置增压装置和能量转换与存储系统，下部管道直径小，形成狭管效应，方便管道内气体增压和流速加快。
进一步，在进气管道内设有前风压检测单元、后风压检测单元和过滤装置，通过过滤装置过滤掉风中的杂物，避免进入第二管道中，同时又需要防止长期下来将过滤装置堵塞，所以设计了两个风压检测单元，实时监测前后风压，当当检测到的前风压和后风压相差超过第一阈值时，说明过滤系统堵塞，控制系统启动报警单元，提醒工作人员及时更换过滤装置。
进一步，在进气管道的进气口设有管道保护罩，管道保护罩包括驱动装置和罩体，控制系统内预设有前风压的最大极限值，当检测到的前风压超过该极限值时，控制系统启动驱动装置，关闭罩体，避免风速过大损伤管道内的设备。
附图说明
图1为本发明的风电机组的储能系统的总布置图；
图2是弹簧马达储能前示意图；
图3是弹簧马达储能后示意图。
其中，1为罩体，2为前风压检测单元，3为过滤系统，4为后风压检测单元，5为进气管道，6为增压装置，7为能量转换与存储系统；
71为叶轮，72为弹簧马达。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
如图1～3所示，本发明公开了一种风电机组的储能系统，包括进气管道5、控制系统和若干个设置在进气管道5内的能量转换与存储系统7；进气管道5设置在风电机组的轮毂和塔架内；每个能量转换与存储系统7包括叶轮71和弹簧马达72，叶轮71与弹簧马达72一端连接，叶轮71设置在进风侧，弹簧马达72另一端与发电机连接；控制系统与增压装置6、弹簧马达72和风电机组连接，根据风电机组的运行状态控制增压装置6对气体进行增压，弹簧马达72存储或释放能量，具体地说，控制系统同时控制和协调风电机组运行和储能系统的运行。
进气管道5包括第一管道和第二管道，第一管道和第二管道垂直连接，第一管道设置在轮毂内，第二管道设置在塔架内。
第二管道的直径由上至下逐渐变小，上部管道直径大，便于布置增压装置6和能量转换与存储系统7，下部管道直径小，形成狭管效应，方便管道内气体增压和流速加快。
在第二管道内设有增压装置6，增压装置6设置在能量转换与存储系统7前端，当需要储能时，控制系统让增压装置6运行，加速的风才能驱动储能系统运行。增压装置6可采用气体增压泵，经过增压装置6提高风速，使管道形成类似风洞的环境。
更优地，如图1所示，在第一管道内设有检测过滤系统3，检测过滤系统3包括前风压检测单元2、后风压检测单元4和过滤装置，过滤装置设置在前风压检测单元2和后风压检测单元4之间，前风压检测单元2用于检测过滤前的前风压，后风压检测单元4用于检测过滤后的后风压；前风压检测单元2和后风压检测单元4与控制系统连接，控制系统内预设有第一阈值，第一阈值为前风压与后风压的差值；控制系统连接有报警单元，当检测到的前风压和后风压相差超过第一阈值时，说明过滤系统3堵塞，控制系统用于启动报警单元。
更优地，如图1所示，在进气管道5的进气口设有管道保护罩，管道保护罩包括驱动装置和罩体1，罩体1一侧铰接在风电机组的机舱前端；罩体1与驱动装置连接，驱动装置与控制系统连接；控制系统内还预设有第二阈值，第二阈值为前风压的最大极限值，当检测到的前风压超过第二阈值时，控制系统用于启动驱动装置关闭罩体1。
具体地，驱动装置包括同步电机和铰链，控制系统控制同步电机的运行，同步电机带动铰链，铰链带动罩体1开关。当然，这只是其中的一种实现结构，不限于此，只要能够使罩体1自动开闭就可以。
本发明设计的储能系统可以独立于风电机组工作，不管风电机组是否工作，储能系统都可以通过增压装置6将管道里面的空气加速，从而驱动管道里面的储能装置工作。
本发明的储能系统包括能量存储过程和能量释放过程，具体为：
能量存储过程：
管道保护罩处于常开状态，风进入管道后，经过增压装置6提高风速，使管道形成类似风洞的环境，高风速的风经过管道传递给布置于塔架内的若干个能量转换与存储系统7，经过增压的高压风会驱动叶轮71旋转，叶轮71旋转会转化成弹簧马达72的压缩势能并储存起来。当需要的时候，可以通过弹簧马达72将弹簧储存的势能转化成电能并释放出来，发电机输出的电力直接并入单台风机配置的箱变中，从而为风机的调峰做出贡献。
更优地，在进气管道5上设有检测过滤系统3时，风进入管道内部后，先由过滤系统3进行过滤，管压检测单元对过滤系统3前后两侧的风压进行检测，并实时反馈给控制系统，当过滤系统3前后风压相差超过第一阈值时，启动报警程序，预警空气过滤系统3堵塞，需及时更换；当前风压检测单元2检测风压超过第一阈值时，为了安全，进风的罩体1会关闭，同时增压装置6不再运行。
能量释放过程：
首次使用前，弹簧马达72处于满容量状态；当风电机组周围的风力较小时，包括风机的出力明显下降，或者根据风场周边天气预警感知系统的反馈短期内风力不会显著提高，控制系统将根据风机实时出力情况自主优化确定每个时点的输出能量，迅速将弹簧马达72储存的势能转化为电能释放出来，同时同步进行能量的存储，做到边释放能量边存储能量。
通过采用本发明的储能系统，风电机组可在全时段进行能量转换和存储，具体表现为当风力较小(风机未启动)、风机出力的过程中(风力正常)以及飓风(风机停机)时，能量转换与存储系统7均处于运行状态并对能量进行存储，在不影响风机在任何时段出力的情况下，以“削峰填谷”的方式对其出力进行二次补充，而且具有放电快的显著优势，可在毫秒内实现电力的快速补充，可真正实现风机出力的平顺化，减少出力的波动和对电网的冲击，做到电网友好型发电设备。

Claims (6)

1.一种风电机组的储能系统，其特征在于，包括进气管道(5)、控制系统和若干个设置在进气管道(5)内的能量转换与存储系统(7)；
进气管道(5)设置在风电机组的轮毂和塔架内；在进气管道(5)内设有增压装置(6)，增压装置(6)设置在能量转换与存储系统(7)前端；
每个能量转换与存储系统(7)包括叶轮(71)和弹簧马达(72)，叶轮(71)与弹簧马达(72)一端连接，叶轮(71)设置在进风侧，弹簧马达(72)另一端与发电机连接；
控制系统与增压装置(6)、弹簧马达(72)和风电机组连接，控制系统用于根据风电机组的运行状态控制增压装置(6)对气体增压，弹簧马达(72)存储或释放能量；
在进气管道(5)上设有检测过滤系统(3)，检测过滤系统(3)包括前风压检测单元(2)、后风压检测单元(4)和过滤装置，过滤装置设置在前风压检测单元(2)和后风压检测单元(4)之间，前风压检测单元(2)用于检测过滤前的前风压，后风压检测单元(4)用于检测过滤后的后风压；前风压检测单元(2)和后风压检测单元(4)与控制系统连接，控制系统内预设有第一阈值，第一阈值为前风压与后风压的差值；控制系统连接有报警单元，当检测到的前风压和后风压相差超过第一阈值时，说明过滤系统(3)堵塞，控制系统用于启动报警单元；
在进气管道(5)的进气口设有管道保护罩，管道保护罩包括驱动装置和罩体(1)，罩体(1)一侧铰接在风电机组的机舱前端；罩体(1)与驱动装置连接，驱动装置与控制系统连接；
控制系统内还预设有第二阈值，第二阈值为前风压的最大极限值，当检测到的前风压超过第二阈值时，控制系统用于启动驱动装置关闭罩体(1)。
2.根据权利要求1所述的一种风电机组的储能系统，其特征在于，进气管道(5)包括第一管道和第二管道，第一管道和第二管道垂直连接，第一管道设置在轮毂内，第二管道设置在塔架内。
3.根据权利要求1所述的一种风电机组的储能系统，其特征在于，第二管道的直径由上至下逐渐变小。
4.根据权利要求1所述的一种风电机组的储能系统，其特征在于，增压装置(6)采用气体增压泵。
5.一种风电机组，其特征在于，包含权利要求1～4任意一项所述储能系统。
6.权利要求1～4任意一项所述储能系统的使用方法，其特征在于，包括以下情况：
当风电机组周围的风力正常时，控制系统启动增压装置(6)，风经过进气管道(5)的增压装置(6)加速后传递给每个能量转换与存储系统(7)的叶轮(71)，叶轮(71)旋转，将风能转化为弹簧马达(72)的压缩势能，并储存起来；
当风电机组周围的风力较小时，控制系统控制弹簧马达(72)，将弹簧马达(72)储存的势能转化为电能释放出来，同时同步进行能量的存储，做到边释放能量边存储能量；
在进气管道(5)上设有检测过滤系统(3)，检测过滤系统(3)包括前风压检测单元(2)、后风压检测单元(4)和过滤装置，过滤装置设置在前风压检测单元(2)和后风压检测单元(4)之间；前风压检测单元(2)和后风压检测单元(4)与控制系统连接，控制系统内预设有第一阈值，第一阈值为前风压与后风压的差值；控制系统连接有报警单元；
当前风压检测单元(2)检测到的前风压和后风压检测单元(4)检测到的后风压相差超过第一阈值时，说明过滤系统(3)堵塞，控制系统启动报警单元；
在进气管道(5)的进气口设有管道保护罩，管道保护罩包括驱动装置和罩体(1)，罩体(1)一侧铰接在风电机组的机舱前端；罩体(1)与驱动装置连接，驱动装置与控制系统连接；控制系统内还预设有第二阈值，第二阈值为前风压检测单元(2)检测到的前风压的最大极限值；
当控制系统检测到的前风压超过第二阈值时，控制系统启动驱动装置，罩体(1)关闭，增压装置(6)关闭。
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