CN113217291B - 一种集成压缩空气储能功能的双馈风电机组及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于风力发电设备领域，特别涉及一种集成压缩空气储能功能的双馈风电机组，包括双馈风电机组、离合器、空气压缩机、高压气体容器和控制器；双馈风电机组包括风轮、齿轮箱和双馈发电机；离合器一端与双馈发电机的输出轴连接，另一端与空气压缩机连接；空气压缩机与高压气体容器连通；离合器与控制器连接，用于控制离合器的吸合和断开；离合器吸合状态下，双馈发电机的输出轴与空气压缩机连通，高压气体容器中用于储存压缩后的高压气体；离合器断开状态下，双馈发电机的输出轴与空气压缩机断开。输送到电网风电机组可以直接通过机械传动的方式驱动空气压缩机工作，能量转化链条短，结构简单，能量转化效率相对较高，投资成本低。

Description

一种集成压缩空气储能功能的双馈风电机组及其工作方法
技术领域
本发明属于风力发电设备领域，特别涉及一种集成压缩空气储能功能的双馈风电机组及其工作方法。
背景技术
近年来，风力发电在世界范围内得到了快速发展。随着风电装机量不断增大,风力发电在为电网输送大量清洁电能的同时,对电力系统可靠性、稳定性等方面的影响愈发显著。究其原因,主要在于风速的波动性、间歇性及随机性引起风电功率波动,并且难以准确预测。因此,研究平滑风电出力,实现稳定可靠的风电输出具有重要意义。
储能就是伴随新能源快速发展的契机下，由于其能改善电能质量，吸纳弃风弃光电量的优势得到新能源业内的重视，电力投资企业、电网公司等对储能电站的关注也达到了空前热度。现有的储能技术手段主要包括：物理储能、化学储能和电磁储能，其中抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮等是物理储能的主要手段；化学储能以电池技术为主，例如较早的镍镉电池、铅酸电池，也有新型的技术包括液流电池等；电磁储能包括超导线圈、超级电容等。
压缩空气储能是指在电网负荷低谷期(或电站电量高峰期)将电能用于压缩空气，将空气高压密封在报废矿井、沉降的海底储气罐、山洞、过期油气井或新建储气井中，在电网负荷高峰期释放压缩空气推动气轮机发电的储能方式。压缩空气储能主要特点：容量大，运行方式灵活，启动时间短，污染物少，投资相对于抽水电站更少，但是需要一定的地质条件。
储能作为新能源发展的支撑技术，现阶段由于其高成本及相关技术水平的不完善，仍旧未进入大规模商业化应用。目前，以上储能技术除电化学储能的电池外，其他技术应用于风电场的储能均还在研究中。现有储能技术，都是根据容量比例，单独进行设计并配置到风电场中，由于储能系统成本过高，目前风电场极少配置储能，只有个别风电场配置了小规模的集中式电池储能系统，但由于储能成本很高，所以，配置的储能容量都比较小，调峰能力有限，这种储能系统与现有的风电场无法实现有效的协调控制，储能的作用无法有效发挥，而且投资过高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集成压缩空气储能功能的双馈风电机组及其工作方法，解决了目前风电场配置储能系统无法实现有效控制的问题。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种集成压缩空气储能功能的双馈风电机组，包括双馈风电机组、离合器、空气压缩机、高压气体容器和控制器；
双馈风电机组包括依次连接的风轮、齿轮箱和双馈发电机；
离合器一端与双馈发电机的输出轴连接，另一端与空气压缩机连接；空气压缩机与高压气体容器连通；
离合器与控制器连接，用于控制离合器的吸合和断开；离合器吸合状态下，双馈发电机的输出轴与空气压缩机连通，高压气体容器用于储存压缩后的高压气体；离合器断开状态下，双馈发电机的输出轴与空气压缩机断开。
进一步，空气压缩机设置在风力发电机组的机舱内。
进一步，采用风力发电机组的塔筒作为高压气体容器。
进一步，在高压气体容器底部布设有输出设备，用于将高压气体容器中存储的气体能量转换成电能。
进一步，输出设备采用透平或飞轮装置。
进一步，空气压缩机与双馈发电机的输出轴均通过联轴器和离合器相连。
进一步，所述集成压缩空气储能功能的双馈风电机组包括正常发电模式、储能模式及正常发电与储能相结合模式；
正常发电模式时，风能全部转化为电能；
储能模式时，风能全部转化为高压气体能量存储起来；
正常发电与储能相结合模式时，一部分风能转化成电能输送给电网，另一部分风能转化成高压气体能量存储起来。
进一步，双馈风电机组还包括变频器、第一变压器和第二变压器。
进一步，双馈发电机的转子绕组通过变频器和第一变压器与电网连接，定子绕组通过第二变压器与电网相连。
本发明还公开了所述集成压缩空气储能功能的双馈风电机组的工作方法，根据电网负载端需求调整集成压缩空气储能功能的双馈风电机组的工作模式，具体为：
当电网负载端需求大时，控制器控制离合器断开，风轮能量传递给齿轮箱，齿轮箱通过双馈发电机将能量传递给电网，风能全部转化为电能并输送至电网；
当电网负载端无需求时，控制器控制离合器吸合，风轮能量传递给齿轮箱，双馈发电机的转子作为空气压缩机的输入轴使用，齿轮箱通过双馈发电机的转子轴将能量传递给空气压缩机，空气压缩机对气体增压做功，高压气体存储于高压气体容器中；
当电网负载端需求较小时，控制器根据电网负载端的需求计算出双馈发电机转子的励磁扭矩，通过转子励磁扭矩控制双馈发电机的功率输出；离合器吸合，发电机的转子轴既作为发电机的转子使用，同时作为空气压缩机的输入轴使用；一部分风能按照电网的需求转化成的电能输送给电网，另一部分风能转化成高压气体能量存储于高压气体容器中。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开了一种集成压缩空气储能功能的双馈风电机组，将压缩空气储能技术与双馈风电机组相结合，现有利用空气压缩机将气体增压储能的技术是成熟的，但现有技术都是将风电机组发出的多余的电，用电能来驱动空气压缩机工作从而实现储能的目的。本发明将双馈风电机组与储能的空气压缩机一体化集成设计，利用离合器将双馈风电机组的发电机的输出轴与空气压缩机的输入轴相连，通过控制离合器的吸合和断开，来控制发电机输出轴和空气压缩机的输入轴的连接和断开，离合器吸合状态下，发电机的输出轴带动空气压缩机运转，空气压缩机运转会进行空气压缩的做功，并将能量储存起来；离合器断开状态下，风电机组吸收的能量将由发电机全部转化为电能。输送到电网风电机组可以直接通过机械传动的方式驱动空气压缩机工作，能量转化链条短，结构简单，能量转化效率相对较高，投资成本低。
进一步，压缩的高压气体，可以储存在塔筒的密闭容器中，节省了大量的占地面积。
进一步，储存的高压气体的能量，通过透平或飞轮可以转化成电能，透平或飞轮装置置于塔筒底部，便于设备的安装、运行及维护等。
进一步，可以将空气压缩机放置于风电机组的机舱里面，与风电机组的发电机的输出轴相连，系统集成度高。
附图说明
图1为双馈风力发电机组发电原理示意图；
图2为本发明的集成空气储能功能的双馈风电机组的结构示意图；
图3为本发明集成空气储能功能的双馈风电机组的安装结构示意图。
其中，1为齿轮箱，2为双馈发电机，3为变频器，4为第一变压器，5为第二变压器，6为电网，7为离合器，8为空气压缩机，9为高压气体容器，10为塔筒，11为输出设备。
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所示，双馈风力发电机组主要由风轮、齿轮箱1、双馈发电机2、变频器3、变压器等组成。风轮经过增速后带动双馈发电机2的转子旋转，发电机定子绕组线端是发电机电力的输出端，通过开关箱连接到交流电网6。
双馈发电机2是一种绕线式感应发电机，是变速恒频风力发电机组的核心部件。双馈发电机的定子绕组通过第二变压器5直接与电网6相连，转子绕组通过变频器3和第一变压器4与电网6连接，转子绕组电源的频率、电压、幅值和相位按运行要求由变频器3自动调节，机组可以在不同的转速下实现恒频发电，满足用电负载和并网的要求。
如图2所示，本发明公开了一种集成压缩空气储能功能的双馈风电机组，包括双馈风电机组、离合器7、空气压缩机8、高压气体容器9和控制器；离合器7一端与双馈发电机2的输出轴连接，另一端与空气压缩机8连接；空气压缩机8与高压气体容器9连通；离合器7与控制器连接，用于控制离合器7的吸合和断开；离合器7吸合状态下，双馈发电机2的输出轴与空气压缩机8连通，高压气体容器9中用于储存压缩后的高压气体；离合器7断开状态下，双馈发电机2的输出轴与空气压缩机8断开，风能全部转化为电能。
利用离合器7将双馈发电机2的输出轴与空气压缩机8的输入轴相连，通过控制离合器7的吸合和断开，来控制双馈发电机2输出轴和空气压缩机8的输入轴的连接和断开。离合器7吸合状态下，发电机的输出轴带动空气压缩机8运转，空气压缩机8运转会进行空气压缩的做功，并将能量储存起来；离合器7断开状态下，风电机组吸收的能量将由双馈发电机2全部转化为电能输送到电网6。
如图3所示，空气压缩机8将气体增压后，通过管道将高压气体输送并存储于密闭容器即高压气体容器9中，但由于容器体积较大，风力发电机组的机舱容纳不下，而支撑风力发电机组的塔筒10为高耸圆柱结构，通过一定的密封处理后，可作为密闭容器使用，用来存储高压气体。
更优地，压缩的高压气体可以通过透平或飞轮装置将能量释放出来。透平或飞轮装置可以布置于塔筒10底部，通过管道与塔筒10相连，塔筒10里面存储的高压气体通过管道传输到透平或飞轮装置，并驱动其运转发电，从而将储存的能量释放出来。
所述集成压缩空气储能功能的双馈风电机组包括正常发电模式、储能模式及正常发电与储能相结合模式；正常发电模式时，风能全部转化为电能；储能模式时，风能全部转化为高压气体能量存储起来；正常发电与储能相结合模式时，一部分风能转化成电能输送给电网6，另一部分风能转化成高压气体能量存储起来。
当电网6负载端需求大，需风力发电机组全力发电时，连接发电机输出轴和空气压缩机8的离合器7断开，本发明机组可按正常双馈风力发电机组模式进行发电，将吸收的风能全部转化为电能并输送至电网6。
当电网6负载端没有需求，需风力发电机组停机时，可切换为储能的运行模式，此模式下，风机脱网，连接双馈发电机2输出轴和空气压缩机8的离合器7吸合，双馈发电机2的转子作为空气压缩机8的输入轴使用，此时，叶轮能量传递给齿轮箱1，齿轮箱1通过双馈发电机2的转子轴将能量传递给空气压缩机8，空气压缩机8对气体增压做功，高压气体通过管道可存储于塔筒10或其他密闭容器中。此模式下，叶轮的能量全部转化成了高压气体的能量存储起来，后续需要的时候，可以通过塔筒10底部的透平或飞轮装置，将储存的高压气体的能量转化成电能输送到电网6。
当电网6负载端需求较小，对风力发电机组的上网电量有限制要求时，通过控制器计算得出风力发电机组发出的能量需要多少转化为电能发送给电网6，需要多少通过空气压缩机8转化成高压气体存储起来。再通过控制算法，计算得出转子的励磁扭矩，通过给定的转子励磁扭矩控制发电机的功率输出。连接双馈发电机2输出轴和空气压缩机8的离合器7吸合，双馈发电机2转子旋转的能量，仍然会通过空气压缩机8转化成高压气体进行能量存储。此模式下，双馈发电机2的转子轴既作为发电机的转子使用，也作为空气压缩机8的输入轴使用。风力发电机组的能量转化为两部分，一部分是按照电网6的需求转化成的电能输送给电网6，另一部分是多余的能量转化成高压气体的能量存储起来，后续需要的时候，再通过透平或飞轮装置将储存的高压气体的能量转化成电能输送到电网6。

Claims (7)

1.一种集成压缩空气储能功能的双馈风电机组的工作方法，其特征在于，所述集成压缩空气储能功能的双馈风电机组包括双馈风电机组、离合器（7）、空气压缩机（8）、高压气体容器（9）和控制器；
双馈风电机组包括依次连接的风轮、齿轮箱（1）和双馈发电机（2）；
离合器（7）一端与双馈发电机（2）的输出轴连接，另一端与空气压缩机（8）连接；空气压缩机（8）与高压气体容器（9）连通；
离合器（7）与控制器连接，用于控制离合器（7）的吸合和断开；离合器（7）吸合状态下，双馈发电机（2）的输出轴与空气压缩机（8）连通，高压气体容器（9）用于储存压缩后的高压气体；离合器（7）断开状态下，双馈发电机（2）的输出轴与空气压缩机（8）断开；
采用风力发电机组的塔筒（10）作为高压气体容器（9）；
所述集成压缩空气储能功能的双馈风电机组包括正常发电模式、储能模式及正常发电与储能相结合模式；
正常发电模式时，风能全部转化为电能；
储能模式时，风能全部转化为高压气体能量存储起来；
正常发电与储能相结合模式时，一部分风能转化成电能输送给电网（6），另一部分风能转化成高压气体能量存储起来；根据电网（6）负载端需求调整集成压缩空气储能功能的双馈风电机组的工作模式，具体为：
当电网（6）负载端需求大时，控制器控制离合器（7）断开，风轮能量传递给齿轮箱（1），齿轮箱（1）通过双馈发电机（2）将能量传递给电网（6），风能全部转化为电能并输送至电网（6）；
当电网（6）负载端无需求时，控制器控制离合器（7）吸合，风轮能量传递给齿轮箱（1），双馈发电机（2）的转子作为空气压缩机（8）的输入轴使用，齿轮箱（1）通过双馈发电机（2）的转子轴将能量传递给空气压缩机（8），空气压缩机（8）对气体增压做功，高压气体存储于高压气体容器（9）中；
当电网（6）负载端需求较小时，控制器根据电网（6）负载端的需求计算出双馈发电机（2）转子的励磁扭矩，通过转子励磁扭矩控制双馈发电机（2）的功率输出；离合器（7）吸合，发电机的转子轴既作为发电机的转子使用，同时作为空气压缩机（8）的输入轴使用；一部分风能按照电网（6）的需求转化成的电能输送给电网（6），另一部分风能转化成高压气体能量存储于高压气体容器（9）中。
2.根据权利要求1所述的一种集成压缩空气储能功能的双馈风电机组的工作方法，其特征在于，空气压缩机（8）设置在风力发电机组的机舱内。
3.根据权利要求1所述的一种集成压缩空气储能功能的双馈风电机组的工作方法，其特征在于，在高压气体容器（9）底部布设有输出设备（11），用于将高压气体容器（9）中存储的气体能量转换成电能。
4.根据权利要求3所述的一种集成压缩空气储能功能的双馈风电机组的工作方法，其特征在于，输出设备（11）采用透平或飞轮装置。
5.根据权利要求1所述的一种集成压缩空气储能功能的双馈风电机组的工作方法 ，其特征在于，空气压缩机（8）与双馈发电机（2）的输出轴均通过联轴器和离合器（7）相连。
6.根据权利要求1所述的一种集成压缩空气储能功能的双馈风电机组的工作方法，其特征在于，双馈风电机组还包括变频器（3）、第一变压器（4）和第二变压器（5）。
7.根据权利要求6所述的一种集成压缩空气储能功能的双馈风电机组的工作方法，其特征在于，双馈发电机（2）的转子绕组通过变频器（3）和第一变压器（4）与电网（6）连接，定子绕组通过第二变压器（5）与电网（6）相连。
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