突破大力發展風電瓶頸的方法及其供電系統的製作方法
2023-10-23 16:09:07 1
專利名稱：突破大力發展風電瓶頸的方法及其供電系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及的風力發電系統為直流發電系統，風電並聯成直流風電網。它與網電、 高耗能負載和模式切換開關構成了本發明方法的四個組成部分。模式切換開關由兩組大功 率直流繼電器Sl和S2構成，它們配合使用來實現下列三種措施 1)將第一組模式切換開關S1與風電網閉合，第二組模式切換開關S2開路，風電網 直接與高耗能負載連接； 2)將第一組模式切換開關Sl與風電網閉合，第二組模式切換開關S2與市電網相 連，風電網和市電網共同與高耗能負載連接； 這兩種措施，直流風電網並不併入現有的國家電網即市面上電網，而是直接或與 市電網共同為高耗能負載供電。其特徵在於與每一颱風力發電機和網電都相連有DC/DC直 流轉換電路，通過它們調節各支路電流，實現風機的最大風能捕捉和恆功率輸出以及網電
4功率調節。 3)將S1、S2與網電相連，風電併網，高耗能負載為電網調峰。 這種措施，風電網經過逆變後併入公共電網。由於風的波動性和間歇性特點，風電 功率的波動性和間歇性會對局部電網電壓的穩定性和電能質量產生影響。高載能產業對並 網風電的調峰是指為風電場就近配置相應規模的高耗能產業，通過調節高耗能負載功率， 使其與風電功率波動一致，減少風電在電網中的比例，從而減少風電對電網的衝擊，平滑風 電輸出功率，保證下遊電網供電穩定性和電能質量。 本發明風電網直接為高耗能負載供電，就地消化，減小或完全消除對電網的影響，
突破風電併網瓶頸。既能大力發展風電，又能將對電網的不利影響降到最低，能產生巨大的
經濟效益和社會效益，是一種切實可行的能突破大力發展風電瓶頸的好方法。 同時由於風電組成直流風電網直接與高耗能負載相連，能有效降低風電成本。以
1.5麗風力發電機組為例，為了滿足併網的穩頻、穩壓和穩相位的要求，採用複雜的雙饋變
速恆頻發電機組並採用變速箱等，而本發明採用直流風力發電系統，對頻率和相位沒有要
求，可以簡化發電機結構，並省去變速箱，可以降低總成本約20% ;同時變槳距控制裝置可
以取消，採用定槳距控制，通過控制來流角的方式達到控制葉尖速比的目的，可降低成本約
6% ;併網控制器改為DC/DC直流變換器可降低成本約8%，從而總成本可降低約30-35%，
且故障概率由於風力發電系統的簡化可降低45%左右。
附圖1是本發明的突破大力發展風電瓶頸的供電系統的結構示意圖； 附圖2是風電網直接為高耗能負載供電的結構示意圖； 附圖3是風電網和市電網共同為高耗能負載供電的結構示意圖； 附圖4是將風電與市電併網，用高耗能負載為電網調峰的供電結構示意圖。 上述附圖中的G為風力發電機，AC/DC為整流電路，DC/DC為直流變換電路，DC/AC
為逆變電路。
具體實施例方式結合附圖對本發明作進一步描述如下 高耗能負載以天津大陸制氫設備有限公司水電解制氫設備FDQ-4/3. 2_IV型為 例，其氫氣產量為4mVh，額定功率為22kW，額定電壓為DC34V，額定電流為550A。選用1臺 50KW的風力發電機組進行供電，該風力發電機可選購青島風王風力發電機有限公司，型號 為FD18. 0-50KW的風力發電機，其直流輸出電壓為360V。 根據高耗能負載的特性，DC/DC為電流型直流變換器。DC/DC變換器採用Buck電
路。其輸入阻抗的大小可以通過控制開關電源的佔空比來改變，從而可以通過改變耗能產
業的輸入功率來控制發電機的輸出電流，改變風力發電機的負載特性來控制風機葉尖速
比。整流電路採用可控整流橋。該電路通過控制6個功率開關管實現電壓的可調。 Buck直流變換器作為控制系統主電路，採用IGBT作為主開關管，主要技術參數
為工作頻率20kHz，額定輸入電壓360V，輸出電壓34V。控制系統採用南京全樂科技有
限公司的電力控制系統。
如圖1所示，本發明降低風電成本和突破風電併網瓶頸措施電路原理圖主要由風 電網、市電網、高耗能負載和模式切換開關組成。模式切換開關由兩組大功率直流繼電器S1 和S2構成。Sl有3個觸點1、2和3，其中2為空觸點，S2有2個觸點l和2，其中1為空觸 點，它們共同組合構成3種供電結構的具體措施 第一種是S1與1觸點接觸，S2斷開，風電網單獨與高耗能負載連接而直接為高耗 能負載供電，如圖2所示。各直流風力發電機組通過DC/DC直流變換器後連接成直流風電 網。各風力機通過動態調節DC/DC變換器電流，實時控制發電機電磁力矩，從而根據風力機 特性曲線，調節發電機轉矩，額定風速以下時實現最大功率跟蹤，額定風速以上時實現恆功 率輸出。 第二種是S1與觸點1接觸，S2與觸點2接觸，風電網和市電網共同為高耗能負載 供電，如圖3所示。網電經過AC/DC整流和DC/DC直流變換後與風電網相連，風電網為主和 市網電為輔互補為高耗能負載供電。通過控制網電DC/DC變換器電流，調節網電功率，當風 電功率升高，市電功率相應地降低；反之，市電功率相應地增加；在沒有風電時，利用市電 保持生產所需最小供電，從而實現對高耗能負載的穩定、連續和可靠供電。特別地，當夜間 等用電低谷時，高耗能負載在確保使用全部風電外，還可以儘可能多的消耗市電，實現風電 網為輔和市網電為主互補供電，從而起到為電網調峰的作用。 第三種是S1與觸點3接觸，S2與觸點2接觸，風電網經DC/AC逆變後併入市電網， 再將市電網電經過AC/DC整流和DC/DC直流變換後與高耗能負載相連。如圖4所示。通 過調節與高耗能負載相連的DC/DC變換器電流，調節高耗能負載功率，使其與風電功率波 動一致，減少風電在電網中的比例，平滑風電輸出功率，保證下遊電網供電穩定性和電能質 如設大型風電場輸出有功功率Pm、無功功率Qm、高耗能負載的有功功率和無功 功率消耗，根據功率平衡定理有 Pgrid = Pm_PL Qgrid = Qm—QL 其中，PgHd和Qgrid分別為經過調峰後的風電場併網有功功率和無功功率。從上式
可知，通過調節高耗能負載功率，使其與風電場輸出功率波動一致，即任意時刻Pm = Py則
風電的波動性得到了完全的抑制。為了控制風電場併網功率不超過電網總容量^的8%， 高耗能負載功率應該為Qm-8% Pe。 為了實現高耗能負載功率跟隨風電場輸出功率波動，風電網側變流器採用常規逆 變器DC/AC的控制方法來實現有功和無功功率的解耦控制。高耗能負載側直流變換器DC/ DC對直流母線的有功功率進行控制，它的作用體現在兩個方面一方面是通過有功功率調 節維持直流母線電壓的恆定，另一方面跟蹤由系統給出的有功功率參考信號，以實現兩個 P麗變流器的功率協調。 本發明提供的方法和供電系統，是一種既能大力發展風電，又能將對電網的不利 影響降到最低，還能明顯降低風電成本，產生巨大的經濟效益和社會效益的切實可行的突 破風電瓶頸的最佳途徑。因為風電技術已是成熟技術，只需克服現有觀念，將風電獨立建成 風電網，即可不再受併網比例的限制而能大力發展，又因現有的高耗能負載是消耗掉現有 市電網中的大部分供電量而只產生較低附加值的負載，將這類較低附加值的高耗能負載改
6為主要由風電網供電後，即可使現有的市電網減輕負擔而有足夠的能力為城鄉和高附加值 的負載供電。可使我國政府承諾的2020年單位GDP碳排放將比2005年減少40% -45%的 目標早日實現，為全球溫室氣體減排提供切實可行的有效措施。
權利要求
一種突破大力發展風電瓶頸的方法，其特徵在於將風電場內的各颱風力發電機的輸出電壓經DC/DC變換成電壓相同的直流電壓，再相互並聯成該風電場的獨立的風電網，由該風電網直接為高耗能負載供電；或由該風電網為主、市電網為輔，即夜間用電低谷時可以市電網為主，風電網為輔，為市電網進行調峰，共同為高耗能負載供電；或將風電網經DC/AC逆變器與市電網併網後為高耗能負載供電。
2. 權利l所述方法的供電系統，包括市電網、高耗能負載、風電場及其場內的風力發電 機，其特徵在於還包括獨立的風電網和兩組模式切換開關，所述獨立的風電網是由風電場 內的各颱風力發電機的輸出電壓經DC/DC直流變換器變換成電壓相同的直流電壓後再相 互並聯而成，風電網的輸出電壓與第一組模式切換開關的動觸點連接，第一組模式切換開 關的第一定觸點與第二組模式切換開關的動觸點和高耗能負載連接，第一組模式切換開關 的第三定觸點經DC/AC逆變器與市電網連接，市電網經AC/DC整流器和DC/DC直流變換器 與第二組模式切換開關的第二定觸點連接。
3. 如權利要求2所述的供電系統，其特徵在於所述高耗能負載為氯鹼工業、電解鋁工 業、規模化電解水制氫、風/煤多能源系統、海水淡化、風沼電一體化或抽水蓄能以及高揚 程大流量輸水工程。
全文摘要
本發明的突破大力發展風電瓶頸的方法及其供電系統，主要是將風電場內的各颱風力發電機的輸出電壓經DC/DC變換成電壓相同的直流電壓，再相互並聯成該風電場的獨立的風電網，由該風電網直接為高耗能負載供電；或由該風電網為主、市電網為輔共同為高耗能負載供電；或將風電網經DC/AC逆變器與市電網併網後為高耗能負載供電。因為風電技術已是成熟技術，只需克服現有的傳統觀念，將風電獨立建成風電網，即可不再受併網比例的限制而能大力發展，是一種既能大力發展風電，又能將對電網的不利影響降到最低的切實可行的突破風電瓶頸的最佳途徑。可使中國政府承諾的2020年單位GDP碳排放將比2005年減少40％-45％的目標早日實現，為全球溫室氣體減排提供切實可行的有效措施。
文檔編號H02J1/00GK101741083SQ200910264109
公開日2010年6月16日 申請日期2009年12月30日 優先權日2009年12月30日
發明者顧為東 申請人:江蘇省信息化研究中心