基於中央控制系統的儲能型風電場的製作方法

2023-06-10 18:11:26 1

專利名稱：基於中央控制系統的儲能型風電場的製作方法
技術領域：
本發明屬於電能轉換技術以及電力電子技術領域，屬於風電場控制領域，尤其涉及儲能型風電場的控制裝置。
背景技術：
風能等新能源發電固有的隨機性、間歇性特徵決定了其屬於能量密度低、穩定性差、調節能力差的電能，發電量受天氣及地域的影響較大，若直接將其全部電力併網，會對電網安全、穩定、經濟運行以及電網的供電質量造成不利影響。當風電發電容量佔電網容量超過一定比例後，對局部電網將產生明顯衝擊。風電的電網接入問題已成為制約風電產業發展的瓶頸問題，主要表現為以下三個方面(1)風電的隨機性及不可控性給電力系統規劃和穩定運行帶來新的挑戰；(2)風電功率的波動特性與電網負荷的波動特性難以一致，使電網的調峰問題更加突出，對調峰容量和響應速度都提出了更高的要求；(3)由於風速變化，風電機組容易引起電網電壓和功率波動問題，以及由此帶來的無功電壓控制和電能質量問題。為了解決現存風力發電併網的問題，提高風力發電上網電能質量，從而提高電網安全性和穩定性，為風電場配備了儲能裝置，利用儲能技術，從電源側改善電能質量的角度出發，構成儲能型風電場。現有的這種儲能型風電場主要包括風力發電機、變壓器、儲能電池系統、電池管理系統(BMS)、能量轉換系統(PCS)、決策層控制系統、環境監控單元等。但是，其構成較傳統風電場複雜，儲能系統的存在對控制的實時性、準確性、安全性都提出了更高要求。

發明內容
為了解決現有技術中存在的以上問題，實現風電場和儲能系統的全集成一體化控制，本發明提出一種基於中央控制系統的儲能型風電場。為了實現上述目的，本發明具體採用以下技術方案。一種基於中央控制系統的儲能型風電場，包括風力發電機1、風機箱式變壓器2、 主變壓器3，所述風力發電機1依次通過風機箱式變壓器2和/或主變壓器3與交流電網4 連接；其特徵在於所述儲能型風電場還包括儲能系統、儲能系統繼電保護裝置(5)、中央控制系統 (8)、風功率預測系統(15)、能量管理系統EMS(ll)、電網調度接口 (9)；所述儲能系統包括儲能電池系統(12)、電池管理系統BMS(IO)、能量轉換系統 PCS (13)、能量轉換系統匹配變壓器(14)；所述儲能電池系統12通過能量轉換系統(PCS) 13並經能量轉換系統匹配變壓器14、儲能系統繼電保護裝置5連接至儲能型風電場交流母線，通過所述能量轉換系統 (PCS) 13實現儲能電池系統12與儲能型風電場交流母線間的能量轉換、功率調節和控制；
所述電池管理系統(BMS) 10採集儲能電池系統12的電壓、電流、溫度等狀態信息並上傳至中央控制系統8，所述中央控制系統8通過電池管理系統(BMS) 10實現對儲能電池系統12的實時監測和控制；所述中央控制系統8還分別與風力發電機1、能量轉換系統(PCS) 13、風功率預測系統15、能量管理系統(EMS) 11、電網調度接口 9進行信息交互，根據風力發電機1、風功率預測系統15上傳的風力發電機狀態信息和風功率預測值實施控制策略，並結合電池管理系統(BMS) 10上傳的各儲能單元電池系統充/放電狀態信息和電池組參數，生成有功/無功調度命令下發至能量轉換系統(PCS) 13，能量轉換系統(PCS) 13通過控制功率器件通斷實現對儲能電池系統12的充放電控制。同時，中央控制系統監測電網及儲能型風電場交流母線電壓、頻率狀況，並根據儲能系統設定的參考電壓、電壓調整率、功率因數等參數，在一定範圍內自動調節無功功率的輸出，達到抑制電網電壓、頻率波動的目的。並且，中央控制系統通過與電網調度接口 9的互聯，實現電網調度中心對儲能型風電場的直接調度。本發明具有如下的突出的有益效果1、該發明通過構建儲能型風電場的中央控制系統，解決了儲能型風電場系統規模龐大、網絡結構複雜(環型網絡、總線型網絡等多種形式並存)、控制難度大的問題，在DCS、 PLC、SIS和SCADA等監控系統的基礎上，儲能型風電場中央控制系統綜合覆蓋了過程控制、 電氣控制、邏輯控制等監控方向，對各子系統運行參數進行優化設置，根據要求自動或手動發出控制指令，實現了高效安全的儲能型風電場全集成一體化控制。2、中央控制系統在已成功應用於大型火力發電廠SIS中的實時歷史資料庫的基礎上，配備針對儲能型風電場所需的海量實時歷史資料庫，為上層應用以及風電場運行期的海量數據保存與挖掘應用提供有力保證。3、基於中央控制系統構的儲能型風電場風實現了功率預測功能、能量管理功能、 電網直接調度功能和全風場低電壓穿越功能，能有效增強風電機組的低電壓穿越能力、增大電力系統的風電穿透功率極限、改善電能質量及優化系統的經濟性，以便配合電網公司提高風電上網接納能力，優先調度風電，增加風能利用。


圖1儲能型風電場總體結構；圖2中央控制系統網絡結構圖；圖中標號名稱為1風力發電機；2風機箱式變壓器；3主變壓器；4電網；5儲能系統繼電保護裝置；6電網調度中心；7環境監控單元；8中央控制系統；9電網調度接口 ；10 電池管理系統(BMS) ；11能量管理系統(EMS) ；12儲能電池系統；13能量轉換系統；14能量轉換系統匹配變壓器；15風功率預測系統；16數值天氣預報。
具體實施例方式如圖1所示，一種基於中央控制系統的儲能型風電場，包括傳統風電場的風力發電機1、風機箱式變壓器2、主變壓器3等所有要件。基於中央控制系統的儲能型風電場在傳統風電場的基礎上主要增加了儲能電池系統12、電池管理系統(BMS) 10、能量轉換系統 (PCS) 13、中央控制系統8、風功率預測系統15、能量管理系統(EMS)ll、電網調度接口 9 ；
儲能電池系統12由電池管理系統(BMS) 10實時監測、控制。電池管理系統(BMS) 10 通過高壓管理、通訊、熱管理、充放電管理、單體電池均衡管理、電池容量SOC計算、峰值功率預測、數據採集及存儲、故障診斷等功能，實時監測各單體電池狀態，監測電池充放電電流，並將上述信息上傳至中央控制系統8 ；儲能電池系統12通過能量轉換系統(PCS) 13並經能量轉換系統匹配變壓器14、儲能系統繼電保護裝置5連接至儲能型風電場交流母線，通過能量轉換系統(PCS) 13實現儲能電池系統12與儲能型風電場交流母線間的能量儲存、釋放和快速功率交換。能量轉換系統(PCS) 13主要實現以下功能雙向功率變換，即將儲能電池系統12直流電逆變成三相交流電併網或把三相交流電整流成直流對儲能電池系統12充電；功率調節和控制，控制模式包括以中央控制系統8設定的有功、無功輸出功率值為參考的能量轉換系統(PCS) 13功率輸出動態調節模式、根據能量轉換系統(PCQ 13輸出交流電頻率設定值吸收或發出有功功率以調節儲能型風電場交流母線頻率的調頻模式、根據交流母線電壓水平向儲能型風電場交流母線注入感性或容性無功功率的電壓控制模式、從系統解列後保持運行的孤島運行模式等ο中央控制系統8還分別與風力發電機1、能量轉換系統(PCS) 13、風功率預測系統 15、能量管理系統(EMS) 11、電網調度接口 9進行信息交互，中央控制系統8實現上述各設備的協調與調度功能。根據風力發電機1、風功率預測系統15上傳的風力發電機狀態信息和風功率預測值實施控制策略，並結合電池管理系統(BMS) 10上傳的各儲能單元電池系統充 /放電狀態信息和電池組參數，生成有功/無功調度命令下發至能量轉換系統(PCQ 13，能量轉換系統(PCS) 13通過控制功率器件通斷實現對儲能電池系統12的充放電控制。同時， 中央控制系統監測電網和交流母線電壓、頻率狀況，並根據儲能系統設定的參考電壓、電壓調整率、功率因數等參數，在一定範圍內自動調節無功功率的輸出，達到抑制電網電壓、頻率波動的目的。並且，中央控制系統通過與電網調度接口 9的互聯，實現電網調度中心對儲能型風電場的直接調度。所述儲能型風電場還包括環境監控單元7，其輸出信息發送至所述中央控制系統 8，實現對儲能型風電場的環境監測。儲能型風電場中央控制系統網絡結構如圖2所示。風力發電機主控系統信息、電網狀態信息、電網調度中心接口信息、電池管理系統信息、能量轉換系統(PCS)信息、通過 PTU接入中央控制系統，能量管理系統、風功率預測系統功能作為高級應用通過應用伺服器實現。中央控制系統8是整個風電場的控制中樞，中央控制系統8將傳統風電場的自動化監控系統全部納入，風功率預測系統15、能量管理系統11等作為高級應用子系統接在中央控制系統8主幹網絡上。儲能型風電場在上述系統構成的基礎上通過中央控制系統實現風功率預測功能、 能量管理功能、電網直接調度功能和全風場低電壓穿越功能。風功率預測系統利用當前氣象預報數據、歷史觀測氣象數據、實際測量數據，綜合風電場地形、地表植被及粗糙度、周圍障礙物等信息，通過集成了物理模型、時間序列模型及智能模型的綜合預測方法，對風電場風功率情況進行預測，得到風電出力，使得風力發電機1控制更精確，能大幅降低電網備用容量，降低發電成本，便於電網安排發電計劃，使電網調度運行更加經濟合理。能量管理系統利用儲能系統的快速響應能力及充放電狀態的快速切換能力，實現抑制分鐘級的風電場輸出功率短期波動功能、平滑風電場的有功功率輸出；構建儲能系統與風力發電出力的互補機制，配合發電計劃，彌補電網發電計劃與風電場實際發電量之間的缺口。基於中央控制系統8的儲能型風電場設立了電網調度接口，並配合直接調度技術，實現電網對儲能型風電場的直接調度模式。為了提高電網運行的可靠性，基於中央控制系統的儲能型風電場具備低電壓穿越能力，在電網電壓出現異常跌落時不立即脫網，起到支撐電網的作用。裝置具備一定的耐受電壓異常的能力，當檢測到電網電壓跌落到一定門檻時，或立即停止蓄電池放電，以防止過多能量注入，保護能量轉換系統(PCS) 13的安全；或立即停止對電池的充電過程，以防電網故障時仍從電網吸收有功；控制交流側實時追蹤電網電壓情況，在自身允許的範圍內向電網注入連續穩定的期望大小的無功電流，以協助電網電壓恢復，減小電網電壓崩潰的可能；而一旦電網電壓恢復，能在極短的時間內恢復到故障前的正常工作狀態。此外，還有一臺PCS匹配變壓器14，實現風電場內部母線到能量轉換系統(PCS) 13 輸入的電壓等級匹配。環境監控單元7是儲能型風電場的重要輔助單元，環境條件對於電池的壽命影響很大，電池的安全運行也需要一定的環境條件保證，為保證儲能系統的長期安全穩定運行，需要控制儲能系統環境溫度在合理範圍內。這裡以本發明的實施例為中心展開了詳細的說明，所描述的優選方式或某些特性的具體體現，應當理解為本說明書僅僅是通過給出實施例的方式來描述本發明，實際上在組成、構造和使用的某些細節上會有所變化，包括部件的組合和組配，這些變形和應用都應該屬於本發明的範圍內。
權利要求
1.一種基於中央控制系統的儲能型風電場，包括風力發電機(1)、風機箱式變壓器 O)、主變壓器(3)，所述風力發電機(1)依次通過風機箱式變壓器( 和/或主變壓器(3) 與交流電網(4)連接；其特徵在於所述儲能型風電場還包括儲能系統、儲能系統繼電保護裝置(5)、中央控制系統(8)、 風功率預測系統(15)、能量管理系統EMS(Il)、電網調度接口 (9)；所述儲能系統包括儲能電池系統(12)、電池管理系統BMS(IO)、能量轉換系統 PCS (13)、能量轉換系統匹配變壓器(14)；所述儲能電池系統(1 依次通過能量轉換系統PCS(13)、能量轉換系統匹配變壓器 (14)、儲能系統繼電保護裝置(5)連接至儲能型風電場交流母線，通過所述能量轉換系統 PCS(13)實現儲能電池系統(12)與儲能型風電場交流母線間的能量轉換、功率調節和控制；所述電池管理系統BMS(IO)採集儲能電池系統(12)的電壓、電流、溫度等狀態信息並上傳至中央控制系統(8)，所述中央控制系統(8)通過電池管理系統BMS(10)實現對儲能電池系統(12)的實時監測和控制；所述中央控制系統(8)還分別與風力發電機(1)、能量轉換系統PCS(13)、風功率預測系統(15)、能量管理系統EMS11、電網調度接口(9)進行信息交互，根據風力發電機(1)、風功率預測系統(15)上傳的風力發電機狀態信息和風功率預測值實施控制策略，並結合電池管理系統BMS (10)上傳的所述儲能電池系統的狀態信息，生成有功/無功調度命令下發至能量轉換系統PCS (13)，能量轉換系統PCS (13)通過控制功率器件通斷實現對儲能電池系統(12)的充放電控制；中央控制系統(8)監測交流電網及儲能型風電場交流母線電壓、頻率狀況，並根據儲能系統設定的參考電壓、電壓調整率、功率因數參數，在一定範圍內自動調節無功功率的輸出，達到抑制電網電壓、頻率波動的目的；中央控制系統(8)通過與電網調度接口(9)的互聯，實現電網調度中心對儲能型風電場的直接調度。
2.根據權利要求1所述的基於中央控制系統的儲能型風電場，其特徵在於所述風功率預測系統(15)和能量管理系統EMS(Il)作為高級應用子系統接在中央控制系統⑶主幹網絡上。
3.根據權利要求1所述的基於中央控制系統的儲能型風電場，其特徵在於所述電池管理系統BMS(IO)實現儲能電池系統(12)的充放電管理、單體電池均衡管理、電池容量SOC計算、峰值功率預測、數據採集及存儲、故障診斷，實時監測各單體電池狀態，監測電池充放電電流。
4.根據權利要求1所述的基於中央控制系統的儲能型風電場，其特徵在於所述能量轉換系統PCS(13)能夠實現儲能電池系統(12)與儲能型風電場交流母線間的雙向能量轉換，即將儲能電池系統(1 直流電逆變成三相交流電併網或把三相交流電整流成直流對儲能電池系統(1 充電。
5.根據權利要求1或4所述的基於中央控制系統的儲能型風電場，其特徵在於所述能量轉換系統PCS(13)通過控制儲能電池系統(12)充/放電所實現的功率調節和控制模式包括以中央控制系統設定的有功、無功輸出功率值為參考的能量轉換系統PCS(13)功率輸出動態調節模式、根據能量轉換系統PCS(U)輸出交流電頻率設定值吸收或發出有功功率以調節系統頻率的調頻模式、根據交流母線電壓水平向儲能型風電場交流母線注入感性或容性無功功率的電壓控制模式、從系統解列後保持運行的孤島運行模式。
6.根據權利要求1所述的基於中央控制系統的儲能型風電場，其特徵在於 所述儲能型風電場還包括環境監控單元(7)，其輸出信息發送至所述中央控制系統 (8)，實現對儲能型風電場的環境監測。
全文摘要
本發明涉及配置儲能系統的風力發電場控制技術領域，提出基於中央控制系統的儲能型風電場。本發明在傳統風電場的基礎上增加儲能系統，並通過中央控制系統將儲能電池系統的監控、能量轉換系統的監控、全場風機的監控、升壓站的監控、全場箱式變壓器的監控全部融為一體，並設立了電網調度接口，實現儲能型風電場的全集成一體化控制。並在中央控制系統平臺上實現了功率預測功能、能量管理功能、電網直接調度功能和全風場低電壓穿越功能，解決了現存風力發電併網的問題，提升風力發電上網電能質量，並提高了儲能型風力發電場的控制實時性、準確性和安全性。
文檔編號H02J15/00GK102496948SQ20111044589
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月28日 優先權日2011年12月28日
發明者餘康, 吳國榮, 李志強, 裴麗娜, 趙計生, 黃哲, 黃振江 申請人:北京華電天仁電力控制技術有限公司