兼具離網、併網兩種模式的風力發電系統及其工作方法
2023-09-22 03:57:10
兼具離網、併網兩種模式的風力發電系統及其工作方法
【專利摘要】本發明公開了兼具離網、併網兩種模式的風力發電系統，包括：風電機組，其通過變壓器及開關與高壓電網主母線連接，高壓電網主母線上連接有用戶負載；若干蓄電池組及一蓄電池儲能調節系統(包括若干充放電管理系統及一系統主監控器)，蓄電池組對應連接充放電管理系統的直流端，交流端並聯接入一公共母線，再通過變壓器、開關與高壓電網主母線連接(形成一PCC點)，充放電管理系統包括DSP核心控制器及電壓源逆變器；一卸載負荷，其通過變壓器與高壓電網主母線連接，並與系統主監控器通訊連接；風電機組與蓄電池儲能調節系統通過開關連接；在電網不許併網時進入離網模式，通過控制PCC點的頻率和電壓穩定，為用戶負載供電，避免風資源浪費。
【專利說明】兼具離網、併網兩種模式的風力發電系統及其工作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及風力發電領域，具體地，涉及一種兼具離網、併網兩種模式的風力發電系統及其工作方法。
【背景技術】
[0002]目前由於電網接納能力有限，經常出現大風時機組停運棄風的現象，因此可以使風力發電機組增加離網運行的功能，這樣可以在電網不需要電量時風力發電機組進入離網運行模式，通過蓄電池組為附近用戶負載及風電場升壓站供電。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是供一種兼具離網、併網兩種模式的風力發電系統及其工作方法，可以在電網不允許併網時進入離網工作模式，從而為風電場升壓站及附近用戶負載供電，避免棄風導致的風資源浪費。
[0004]為了實現上述目的，本發明採用以下方案:
[0005]兼具離網、併網兩種模式的風力發電系統，包括:
[0006]一臺或若干颱風電機組，所述每一風電機組的輸出端通過變壓器及開關與高壓電網主母線連接，所述高壓電網主母線上連接有用戶負載；若干蓄電池組及一蓄電池儲能調節系統，所述蓄電池儲能調節系統包括若干充放電管理系統及與充放電管理系統連接的一系統主監控器，所述蓄電池組與充放電管理系統一一對應，每一所述蓄電池組連接對應的充放電管理系統的直流端，每一所述充放電管理系統的交流端並聯接入一公共母線，再通過變壓器、開關與所述高壓電網主母線連接，連接點形成一 PCC點，所述充放電管理系統包括DSP核心控制器及與DSP核心控制器連接的電壓源逆變器；一卸載負荷，其通過變壓器與高壓電網主母線連接，且所述卸載負荷與系統主監控器通訊連接；所述風電機組與蓄電池儲能調節系統通過開關連接。
[0007]進一步地，還包括一通過變壓器與高壓電網主母線連接的外部備用電源，所述系統主監控器還與所述外部備用電源通訊連接。
[0008]進一步地，所述充放電管理系統與公共母線的接線方式採用基於6-10kV交流母線連接的單母線放射式。
[0009]進一步地，所述系統主監控器通過若干CAN接口與各所述充放電管理系統連接。
[0010]進一步地，所述蓄電池組採用鈦酸鋰電池、鈉硫電池、液流電池、鋰電池和鉛酸電池中的一種或多種。
[0011 ] 進一步地，還包括一主控系統，所述主控系統與各開關連接。
[0012]進一步地，還包括一上位機，所述上位機通過RS485接口與所述系統主監控器通訊連接，且所述上位機包括一人機界面，所述人機界面通過CAN接口與所述系統主監控器通訊連接。
[0013]兼具離網、併網兩種模式的風力發電系統的工作方法為:[0014]當風電機組啟動時，檢查離網模式是否開啟，如未開啟，則進入併網模式，閉合風電機組與高壓電網主母線之間的開關，並斷開蓄電池儲能調節系統與風電機組的之間的開關及蓄電池儲能調節系統與高壓電網主母線之間的開關，風電機組為高壓電網主母線供電；
[0015]如離網模式開啟，則進入離網模式，斷開風電機組與高壓電網主母線之間的開關，並閉合蓄電池儲能調節系統與風電機組的之間開關及蓄電池儲能調節系統與高壓電網主母線之間的開關，風電機組為蓄電池組供電；
[0016]蓄電池組通過蓄電池儲能調節系統調節PCC點的電壓、頻率穩定，充放電管理系統的DSP核心控制器內預設有PCC點的電壓、頻率值及蓄電池組兩端的電壓的上、下限值；
[0017]當DSP核心控制器判斷出PCC點的實際電壓、頻率值均大於預設的電壓、頻率值，且蓄電池組兩端的電壓值位於預設的上、下限電壓範圍內時，電壓源逆變器吸收有功功率，使PCC點電壓、頻率穩定為預設值；
[0018]當DSP核心控制器判斷出PCC點的實際電壓、頻率值均大於預設的電壓、頻率值，且蓄電池組兩端的電壓值與預設上限電壓值相等時，DSP核心控制器通過系統主監控器控制卸載負荷消耗掉高壓電網主母線輸出的電能，使PCC點電壓、頻率穩定為預設值；
[0019]當DSP核心控制器判斷出PCC點的實際電壓、頻率值均小於預設的電壓、頻率值，且蓄電池組兩端的電壓值位於預設的上、下限電壓範圍內時，電壓源逆變器發出有功功率，使PCC點的電壓和頻率穩定為預設值。
[0020]進一步地，當DSP核心控制器判斷出PCC點的實際電壓、頻率值均小於預設的電壓、頻率值，且蓄電池組兩端的電壓值位於預設的上、下限電壓範圍內時，DSP核心控制器還通過系統主監控器啟動外部備用電源給高壓電網主母線供電，使PCC點的電壓和頻率穩定為預設值；
[0021]當DSP核心控制器判斷出PCC點的實際電壓、頻率值均小於預設的電壓、頻率值，且蓄電池組兩端的電壓值與預設的下限電壓值相等時，DSP核心控制器通過系統主監控器啟動外部備用電源給高壓電網主母線供電，使PCC點的電壓和頻率穩定為預設值。
[0022]本發明由於採取以上技術方案，其具有以下有益效果:
[0023]1、由於本發明包括至少兩個與蓄電池組相對應的充放電管理系統，且每一充放電管理系統採用了 DSP核心控制器，其中預設置有PCC點的電壓、頻率值以及蓄電池組兩端的電壓的上、下限值，DSP核心控制器根據高壓電網主母線PCC點的實際電壓、頻率值與預設的電壓、頻率值進行比較，同時判斷蓄電池組兩端的電壓值是否超出了預設的電壓上、下限，以通過電壓源逆變器控制蓄電池組與PCC點之間進行有功功率、無功功率雙向交換，因此可以很容易地控制了 PCC點的頻率和電壓保持穩定，從而提高了電能的輸出質量，而且還適用於與兆瓦級風電機組組成獨立電源系統。
[0024]2、由於本發明的每一蓄電池組可以直接插入對應的充放電管理系統的直流端，且每一充放電管理系統並聯接入一公共母線上，因此可以降低每個充放電管理系統的額定容量，便於實現。
[0025]3、本發明的充放電管理系統與公共母線的接線方式採用基於6-10kV交流母線連接的單母線放射式，各部分均通過公共母線並聯接入高壓電網主母線，因此可以實現模塊化，便於系統擴容，易於集中管理。[0026]4、由於本發明的蓄電池組的種類可以採用鈦酸鋰電池、鈉硫電池、液流電池、鋰電池和鉛酸電池中的任一種或多種，因此易於實現。
[0027]下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]圖1為本發明的兼具離網、併網兩種模式的風力發電系統的結構示意圖；
[0029]圖2為本發明的兼具離網、併網兩種模式的風力發電系統工作方法的流程圖(部分)。
【具體實施方式】
[0030]以下結合附圖對本發明的優選實施例進行說明，應當理解，此處所描述的優選實施例僅用於說明和解釋本發明，並不用於限定本發明。
[0031]如圖1所示，本發明的兼具離網、併網兩種模式的風力發電系統，包括:
[0032]一臺或若干臺兆瓦級的風電機組1，每一風電機組I的輸出端通過變壓器61及開關與高壓電網主母線7(相當於電網)連接，高壓電網主母線7上並聯有用戶負載9。若干蓄電池組2及一蓄電池儲能調節系(Power Conditioning System,PCS) 3,蓄電池儲能調節系統3包括若干充放電管理系統及一系統主監控器，系統主監控器通過若干CAN接口與各充放電管理系統連接進行信息交互，並按照充放電管理系統的指令工作；蓄電池組2與充放
電管理系統--對應,每一蓄電池組2連接對應的充放電管理系統的直流端，每一充放電
管理系統的交流端並聯接入一公共母線8 (接線方式採用基於6-10kV交流母線連接的單母線放射式)，再通過變壓器62、開關與高壓電網主母線7連接，連接點形成一 PCC點(Pointof common coupling,公共稱合點)，PCC點的電壓和頻率值的穩定,可保證用戶負載9用電的穩定；充放電管理系統包括DSP核心控制器及與DSP核心控制器連接的電壓源逆變器。一卸載負荷5，其通過變壓器63與高壓電網主母線7連接，且卸載負荷5與系統主監控器通訊連接，用於在系統主監控器的控制下消耗掉高壓電網主母線7輸出的電能，使PCC點的電壓和頻率穩定。一外部備用電源4，其通過變壓器64與高壓電網主母線7連接，且外部備用電源4還與系統主監控器通訊連接，用於在系統主監控器的控制下為高壓電網主母線7供電，使PCC點的電壓和頻率穩定。風電機組I與蓄電池儲能調節系統3通過開關連接。
[0033]本發明的風電機組I的組數是根據能量守恆原理，以用戶負載9需求計算得到。每一風電機組I的輸出端連接一變壓器61，再並聯接入高壓電網主母線7，以將風電機組I輸出的波動較大的電經過變壓器61初步穩壓後，輸送到高壓電網主母線7上。
[0034]本發明的蓄電池組2的組數的確定方法是:首先根據充放電極限功率計算蓄電池組2的最低功率，從而得到蓄電池組2的最小能量；再由實測小時風速得到外部備用電源4發電量及本發明系統的總成本，最後按經濟性最優選取蓄電池組2數量。另外，還可以根據蓄電池組2持續帶載8小時的要求，篩選出本發明系統正常工作的風速區段，計算出在不投入外部備用電源4的情況下，所需的最小蓄電池組2的組數。在上述實施例中，蓄電池組2的種類可以採用鈦酸鋰電池、鈉硫電池、液流電池、鋰電池和鉛酸電池中的任一種或多種。
[0035]在上述實施例中，還包括一主控系統，主控系統與各開關連接。
[0036]在上述實施例中，還包括一上位機，上位機通過RS485接口與系統主監控器進行信息交互，以對充放電管理系統進行遠程監測與控制，上位機還包括一人機界面，其通過CAN接口與系統主監控器進行信息交互，以對充放電管理系統進行人機對話、遠程控制等。
[0037]如圖2所示，本發明的兼具離網、併網兩種模式的風力發電系統工作方法為:
[0038]當風電機組啟動時，主控系統檢查離網模式是否開啟，如未開啟(否)，則進入併網模式，閉合風電機組與高壓電網主母線之間的開關(併網開關)，並斷開蓄電池儲能調節系統與風電機組的之間的開關及蓄電池儲能調節系統與高壓電網主母線之間的開關，風電機組為高壓電網主母線供電。
[0039]如離網模式開啟(是)，則進入離網模式，斷開風電機組與高壓電網主母線之間的開關(併網開關)，並閉合蓄電池儲能調節系統與風電機組的之間開關及蓄電池儲能調節系統與高壓電網主母線之間的開關，風電機組為蓄電池組供電。
[0040]蓄電池組通過蓄電池儲能調節系統調節PCC點的電壓、頻率穩定，充放電管理系統的DSP核心控制器內預設有PCC點的電壓、頻率值及蓄電池組兩端的電壓的上、下限值:
[0041]當DSP核心控制器判斷出PCC點的實際電壓、頻率值均大於預設的電壓、頻率值，且蓄電池組兩端的電壓值位於預設的上、下限電壓範圍內時，電壓源逆變器吸收有功功率，使PCC點電壓、頻率穩定為預設值。
[0042]當DSP核心控制器判斷出PCC點的實際電壓、頻率值均大於預設的電壓、頻率值，且蓄電池組兩端的電壓值與預設上限電壓值相等時，DSP核心控制器通過系統主監控器控制卸載負荷消耗掉高壓電網主母線輸出的電能，使PCC點電壓、頻率穩定為預設值。
[0043]當DSP核心控制器判斷出PCC點的實際電壓、頻率值均小於預設的電壓、頻率值，且蓄電池組兩端的電壓值位於預設的上、下限電壓範圍內時，電壓源逆變器發出有功功率，使PCC點的電壓和頻率穩定為預設值。
[0044]當DSP核心控制器判斷出PCC點的實際電壓、頻率值均小於預設的電壓、頻率值，且蓄電池組兩端的電壓值位於預設的上、下限電壓範圍內時，DSP核心控制器還通過系統主監控器啟動外部備用電源給高壓電網主母線供電，使PCC點的電壓和頻率穩定為預設值。
[0045]當DSP核心控制器判斷出PCC點的實際電壓、頻率值均小於預設的電壓、頻率值，且蓄電池組兩端的電壓值與預設的下限電壓值相等時，DSP核心控制器通過系統主監控器啟動外部備用電源給高壓電網主母線供電，使PCC點的電壓和頻率穩定為預設值。
[0046]本發明通過蓄電池組與PCC點之間的有功功率、無功功率的雙向調節，在蓄電池組與兆瓦級風電機組組成獨立電源系統出現擾動時，本發明可以在額定範圍內動態平衡獨立電源系統的有功功率和無功功率，以控制PCC點的頻率和電壓穩定為預設值。
[0047]最後應說明的是:以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，儘管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，對於本領域的技術人員來說，其依然可以對前述實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.兼具離網、併網兩種模式的風力發電系統，其特徵在於，包括: 一臺或若干颱風電機組，所述每一風電機組的輸出端通過變壓器及開關與高壓電網主母線連接，所述高壓電網主母線上連接有用戶負載； 若干蓄電池組及一蓄電池儲能調節系統，所述蓄電池儲能調節系統包括若干充放電管理系統及與充放電管理系統連接的一系統主監控器；所述蓄電池組與充放電管理系統一一對應，每一所述蓄電池組連接對應的充放電管理系統的直流端，每一所述充放電管理系統的交流端並聯接入一公共母線，再通過變壓器、開關與所述高壓電網主母線連接，連接點形成一 PCC點；所述充放電管理系統包括DSP核心控制器及與DSP核心控制器連接的電壓源逆變器； 一卸載負荷，其通過變壓器與高壓電網主母線連接，且所述卸載負荷與系統主監控器通訊連接； 所述風電機組與蓄電池儲能調節系統通過開關連接。
2.根據權利要求1所述的兼具離網、併網兩種模式的風力發電系統，其特徵在於，還包括一通過變壓器與高壓電網主母線連接的外部備用電源，所述系統主監控器還與所述外部備用電源通訊連接。
3.根據權利要求1或2所述的兼具離網、併網兩種模式的風力發電系統，其特徵在於，所述充放電管理系統與公共母線的接線方式採用基於6-10kV交流母線連接的單母線放射式。
4.根據權利要求1或2所述的兼具離網、併網兩種模式的風力發電系統，其特徵在於，所述系統主監控器通過若干CAN接口與各所述充放電管理系統連接。
5.根據權利要求1或2所述的兼具離網、併網兩種模式的風力發電系統，其特徵在於，所述蓄電池組採用鈦酸鋰電池、鈉硫電池、液流電池、鋰電池和鉛酸電池中的一種或多種。
6.根據權利要求1或2所述的兼具離網、併網兩種模式的風力發電系統，其特徵在於，還包括一主控系統，所述主控系統與各開關連接。
7.根據權利要求1或2所述的兼具離網、併網兩種模式的風力發電系統，其特徵在於，還包括一上位機，所述上位機通過RS485接口與所述系統主監控器通訊連接，且所述上位機包括一人機界面，所述人機界面通過CAN接口與所述系統主監控器通訊連接。
8.根據權利要求1所述的兼具離網、併網兩種模式的風力發電系統的工作方法，其特徵在於: 當風電機組啟動時，檢查離網模式是否開啟，如未開啟，則進入併網模式，閉合風電機組與高壓電網主母線之間的開關，並斷開蓄電池儲能調節系統與風電機組的之間的開關及蓄電池儲能調節系統與高壓電網主母線之間的開關，風電機組為高壓電網主母線供電； 如離網模式開啟，則進入離網模式，斷開風電機組與高壓電網主母線之間的開關，並閉合蓄電池儲能調節系統與風電機組的之間開關及蓄電池儲能調節系統與高壓電網主母線之間的開關，風電機組為蓄電池組供電； 蓄電池組通過蓄電池儲能調節系統調節PCC點的電壓、頻率穩定，充放電管理系統的DSP核心控制器內預設有PCC點的電壓、頻率值及蓄電池組兩端的電壓的上、下限值； 當DSP核心控制器判斷出PCC點的實際電壓、頻率值均大於預設的電壓、頻率值，且蓄電池組兩端的電壓值位於預設的上、下限電壓範圍內時，電壓源逆變器吸收有功功率，使PCC點電壓、頻率穩定為預設值； 當DSP核心控制器判斷出PCC點的實際電壓、頻率值均大於預設的電壓、頻率值，且蓄電池組兩端的電壓值與預設上限電壓值相等時，DSP核心控制器通過系統主監控器控制卸載負荷消耗掉高壓電網主母線輸出的電能，使PCC點電壓、頻率穩定為預設值； 當DSP核心控制器判斷出PCC點的實際電壓、頻率值均小於預設的電壓、頻率值，且蓄電池組兩端的電壓值位於預設的上、下限電壓範圍內時，電壓源逆變器發出有功功率，使PCC點的電壓和頻率穩定為預設值。
9.根據權利要求8所述的兼具離網、併網兩種模式的風力發電系統的工作方法，其特徵在於: 當DSP核心控制器判斷出PCC點的實際電壓、頻率值均小於預設的電壓、頻率值，且蓄電池組兩端的電壓值位於預設的上、下限電壓範圍內時，DSP核心控制器還通過系統主監控器啟動外部備用電源給高壓電網主母線供電，使PCC點的電壓和頻率穩定為預設值； 當DSP核心控制器判斷出PCC點的實際電壓、頻率值均小於預設的電壓、頻率值，且蓄電池組兩端的電壓值與預設的下限電壓值相等時，DSP核心控制器通過系統主監控器啟動外部備用電源給高壓電網主母線供電，使PCC點的電壓和頻率穩定為預設值。
【文檔編號】H02J3/32GK103683316SQ201210349502
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年9月19日 優先權日:2012年9月19日
【發明者】華冰, 屈曉娟, 吳兵 申請人:國電聯合動力技術有限公司