專利名稱：風電場儲能調(diào)節(jié)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風カ發(fā)電；具體涉及風電場的儲能調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
風カ發(fā)電的電場接入電網(wǎng)系統(tǒng)，向電網(wǎng)輸送綠色電力的同時，可能對電網(wǎng)造成諸多不良影響，這些不良影響因于風的隨機性、間歇性和不可控性。風的這些特性導致風電場并網(wǎng)時具有和其他常規(guī)能源電廠不同的特點。具體的講因為風的隨機、間歇和不可控性，風電場中的風電機組不易調(diào)節(jié)和控制出力，從而引起風電機組發(fā)出電能的波動與隨機變化。這些波動與隨機變化又進ー步對電網(wǎng)的電壓、頻率造成不良影響。風電場對電網(wǎng)電壓的影響主要有因風速變化、風機投切、風湍流等引起的電壓波動和閃變，從而也對電網(wǎng)電 壓的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，尤其是在較為薄弱的電網(wǎng)，將導致突然的瞬間電壓跌落，致使電網(wǎng)電壓波動以及風電機組的頻繁掉線，從而造成更大的電壓波動和電量損失。風電場對電網(wǎng)頻率的影響主要由風電場容量占系統(tǒng)總?cè)萘康谋壤龥Q定。風電場通常位于距電力主系統(tǒng)和負荷中心較遠的偏遠地區(qū)或沿海島嶼，與相對較為薄弱的電網(wǎng)相連。當風電場容量較小時，其特性對電カ系統(tǒng)的影響并不顯著，但隨著風電場容量在系統(tǒng)中所占比例的増加，風電場對系統(tǒng)的影響越加顯著。其輸出功率的隨機波動性對電網(wǎng)頻率的影響也會比較顯著，進而影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量和系統(tǒng)中頻率敏感負荷的正常工作。電網(wǎng)傳統(tǒng)調(diào)度計劃的編制及實施，完全基于電源的可靠性和負荷的可預測性。當系統(tǒng)風電容量達到一定的規(guī)模后，風的隨機、間歇和不可控性對傳統(tǒng)調(diào)度計劃的安排和實施提出挑戰(zhàn)。近年來，風電場的風電機組的安全運行控制開始受到重視，在存在電壓、頻率波動、三相不平衡和瞬時電壓跌落，甚至外部短路等非理想因素的電カ系統(tǒng)中，如何延長的風力發(fā)電機組的運行時間，減少不必要的脫網(wǎng)次數(shù)，保護機組免受因頻繁制動剎車造成的機械與電氣沖擊，成為了研究熱點。目前沒有發(fā)現(xiàn)同本發(fā)明類似技術(shù)的說明或報道，也尚未收集到國內(nèi)外類似的資料。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決風電場并網(wǎng)時導致突然的瞬間電壓跌落，致使電網(wǎng)電壓波動以及風電機組的頻繁掉線，從而造成更大的電壓波動和電量損失，以及并網(wǎng)后電カ調(diào)度計劃的安排和實施等問題，本發(fā)明的目的在于提供ー種風電場儲能調(diào)節(jié)系統(tǒng)。利用本發(fā)明，可有效改善由風的隨機、間歇和不可控性引起的風電場各種并網(wǎng)問題，保護風電場風電機組的安全運行，提高風電場的利用率，改善風電場并網(wǎng)時對電網(wǎng)的諸多不良影響。為了達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明為解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是提供ー種風電場儲能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該裝置包括在風電場與并網(wǎng)變壓器之間設置有ー個風電機組，用于檢測風カ發(fā)電機的輸出電壓、電流信號和電網(wǎng)的電壓、電流信號；風電機組的信號控制端連接有ー個中央儲能控制系統(tǒng)；中央儲能控制系統(tǒng)通過CAN總線與一個鋰電儲能系統(tǒng)和ー個并網(wǎng)雙向逆變器連接；鋰電儲能系統(tǒng)通過并網(wǎng)雙向逆變器并聯(lián)在風電機組輸出端與并網(wǎng)變壓器的連接處；并網(wǎng)雙向逆變器對風電機組的功率輸出進行鎖相、鎖頻和調(diào)幅；中央儲能控制系統(tǒng)通過CAN通信方式與鋰電儲能系統(tǒng)的電池管理系統(tǒng)進行相互通信，接收來自風電機組檢測所得的電壓、電流信號和電網(wǎng)的電壓、電流信號，并經(jīng)控制策略的運算與決策，對并網(wǎng)雙向逆變器和鋰電儲能系統(tǒng)的鋰電池組的充放電進行控制。上述風電機組可以是多個，它們的功率輸出端與并網(wǎng)雙向逆變器的輸出端并聯(lián)；它們的信號控制端與中央儲能控制系統(tǒng)的信號輸入端并聯(lián)。本發(fā)明風電場儲能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，由于采取上述技術(shù)方案，提供了ー種基于鋰電池組的風電場儲能系統(tǒng)，設計了由電池子模塊控制單元LECU、電池模塊管理單元BMU構(gòu)成的風電場鋰電儲能系統(tǒng)專用的電池組管理系統(tǒng)BMS和中央儲能控制系統(tǒng)ESS，給出了基于鋰電池組的風電場儲能控制策略。儲能電源通過雙向并網(wǎng)逆變器連接于并網(wǎng)變壓器與風電場之間。儲能控制器根據(jù)電網(wǎng)的電壓、電流檢測信號、風電場風電機組的控制器信號、電池組管 理系統(tǒng)信號，執(zhí)行儲能控制策略程序，對鋰電儲能模塊進行充電、放電控制，實現(xiàn)風電場并網(wǎng)時對電網(wǎng)的諸多不良影響的改善。因此，本發(fā)明解決了風電場并網(wǎng)時導致突然的瞬間電壓跌落，致使電網(wǎng)電壓波動以及風電機組的頻繁掉線，從而造成更大的電壓波動和電量損失，以及并網(wǎng)后電力調(diào)度計劃的安排和實施等問題，取得了改善風電場并網(wǎng)時的性能、平穩(wěn)風電場的功率輸出、提高系統(tǒng)的機械、電氣設備壽命，保證電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定等有益效果。


圖I為本發(fā)明風電場儲能調(diào)節(jié)系統(tǒng)的原理框圖；圖2為本發(fā)明風電場儲能調(diào)節(jié)系統(tǒng)另ー實施例的原理框圖；圖3為儲能電池組電源管理系統(tǒng)的電原理圖；圖4為風電場儲能系統(tǒng)控制信號原理框圖。
具體實施例方式下面結(jié)合

本發(fā)明的優(yōu)選實施例。圖I為本發(fā)明風電場儲能調(diào)節(jié)系統(tǒng)的原理框圖，如圖I的實施例所示，該裝置包括在風電場與并網(wǎng)變壓器之間設置有ー個風電機組，用于檢測風カ發(fā)電機的輸出電壓、電流信號和電網(wǎng)的電壓、電流信號；風電機組的信號控制端連接有ー個中央儲能控制系統(tǒng)；中央儲能控制系統(tǒng)通過CAN總線與一個鋰電儲能系統(tǒng)和ー個并網(wǎng)雙向逆變器連接；鋰電儲能系統(tǒng)通過并網(wǎng)雙向逆變器并聯(lián)在風電機組輸出端與并網(wǎng)變壓器的連接處；并網(wǎng)雙向逆變器對風電機組的功率輸出進行鎖相、鎖頻和調(diào)幅；上述中央儲能控制系統(tǒng)通過CAN通信方式與鋰電儲能系統(tǒng)的電池管理系統(tǒng)進行相互通信，接收來自風電機組檢測所得的電壓、電流信號和電網(wǎng)的電壓、電流信號，并經(jīng)控制策略的運算與決策，對并網(wǎng)雙向逆變器和鋰電儲能系統(tǒng)的鋰電池組的充放電進行控制。從而實現(xiàn)整個風電場協(xié)調(diào)工作，進而實現(xiàn)系統(tǒng)功能，并將與其相連接的各部件實時電壓、電流、功率等信號值通過液晶彩屏組態(tài)顯示。同時，通過通信方式與上位機實現(xiàn)遠程通信監(jiān)控，實現(xiàn)無人值守功能。鋰電儲能系統(tǒng)中，電池管理系統(tǒng)用于對電池組的エ況進行實時監(jiān)控，其功能說明在圖3中將予以說明。如圖I所示的風電場儲能調(diào)節(jié)系統(tǒng)實施例方案主要由多臺風電機組、多臺儲能電池組、多臺雙向井網(wǎng)逆變器、和多組中央控制系統(tǒng)構(gòu)成。其中，一臺儲能電池組對應一臺風電機組，通過并網(wǎng)逆變器連于風電機組的交流處，對該風電機組輸出的功率進行吸收或是補償，進而達到穩(wěn)定輸出、保護風電機組、改善并網(wǎng)不良影響的目的。上述并網(wǎng)雙向逆變器具有鎖相、鎖頻、調(diào)幅的功能，用于保障鋰電池組輸出的電壓與并網(wǎng)處的電網(wǎng)電壓具有相同的相位、頻率和幅值，減小因不同相位等引起的環(huán)流對設備和電網(wǎng)的沖擊及其不良影響，同時，通過整流或逆變的方式實現(xiàn)風電機組和儲能鋰電池組的相互作用。圖2為本發(fā)明風電場儲能調(diào)節(jié)系統(tǒng)另ー實施例的原理框圖；如圖2的實施例所示，上述風電機組可以是多個，它們的功率輸出端與并網(wǎng)雙向逆變器的輸出端并聯(lián)；它們的信號控制端與中央儲能控制系統(tǒng)的信號輸入端并聯(lián)。該實施例與圖I中實施例相比較可知，其不同之處在于儲能調(diào)節(jié)系統(tǒng)的并網(wǎng)位置有所改變，儲能調(diào)節(jié)系統(tǒng)的個數(shù)也由多臺變?yōu)閱?臺，由分布式改為集中式，鋰電儲能系統(tǒng)的電池組功率亦有所上升變大。該實施例中，儲能調(diào)節(jié)系統(tǒng)同時對整個風電場的并網(wǎng)功率進行吸收或補償，以改善整個風電場并網(wǎng)時對電網(wǎng)的不良影響。該實施例采用了與圖I實施例中相似的控制策略。圖I、圖2實施例中，中央儲能控制系統(tǒng)還通過CAN總線網(wǎng)絡與上位エ控機進行數(shù)據(jù)交換，CAN總線是ー種標準エ業(yè)總線，其物理結(jié)構(gòu)與串行通訊結(jié)構(gòu)基本相同，采用兩根讀寫通訊線向上位エ控機傳輸系統(tǒng)運行的電流、電壓、功率、故障等運行狀態(tài)及數(shù)據(jù)，在上位機界面上顯示，方便系統(tǒng)監(jiān)控和調(diào)試，并接收上位機傳來的啟動，停止，以及各種運行狀態(tài)的設定值等指令信息。上位エ控機采用數(shù)據(jù)采集卡從CAN總線上讀取所需數(shù)據(jù)，進ー步處理后進行儲存或者顯示，方便對系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)進行分析。上述CAN信息標識符為11位。圖3為儲能電池組電源管理系統(tǒng)的電原理圖；該系統(tǒng)具有系統(tǒng)自檢、充放電保護、過熱保護、充電狀態(tài)預測、電池組均衡及高壓保護等功能；該系統(tǒng)由多個電池子模塊控制單元LE⑶和ー個電池模塊管理單元BMU構(gòu)成。其中，BMU是BMS系統(tǒng)的核心器件，通過LocalCAN網(wǎng)絡與LECU進行通信，收集鋰電池組的單體電池電壓、溫度和模塊的充電狀態(tài)數(shù)據(jù)，進行處理后，通過CANB與中央儲能控制系統(tǒng)ESS進行通信；同時根據(jù)電池組的狀態(tài)通過LocalCAN網(wǎng)絡向LE⑶發(fā)送數(shù)據(jù)同步、休眠、模塊間均衡、以及循環(huán)壽命等參數(shù)。整個電控系統(tǒng)的電源來自于外部12V的DC/DC直流電源。圖3中，BMU除通信功能，還具有預充電功能，在電池組與并網(wǎng)逆變器連接前，對并網(wǎng)逆變器的高壓電容進行預充電，保證高壓接觸器接通吋，不對鋰電池組系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊。BMU通過電流傳感器、總電壓傳感器對電池組充放電電流及總電壓進行采集，并對鋰電池組單體電壓的判斷，采用旁路放電的方法，控制LECU進行模塊間均衡或者模塊內(nèi)均衡。同時，BMU具有不斷電時鐘，用于保證時間的持續(xù)記錄，并針對系統(tǒng)的重要信息，例如故障類型和發(fā)生時間、充放電容量等，能夠定時在EEPROM進行存儲和清除。圖3中，LE⑶為BMS系統(tǒng)底層模塊控制單元，直接對單體電池進行通信控制，在電池與BMU之間起承上啟下的作用。其控制電源由BMU通過隔離變換方式提供。LE⑶通過CAN總線與BMU進行通信，通過與BMU通信，對蓄電池進行旁路放電的均衡，能實現(xiàn)模塊內(nèi)均衡以及模塊間均衡功能，其CAN信息標識符為11位。每個LECU可以實現(xiàn)8個單體電壓的測量，并具有8個溫度傳感器信號，實現(xiàn)對8個單體電池的溫度采集。圖4為風電場儲能系統(tǒng)控制信號原理框圖，給出了整個風電場儲能系統(tǒng)的信號通信示意圖。由圖可知，中央儲能控制系統(tǒng)ESS為整個儲能系統(tǒng)的核心部分，聯(lián)系著風電場(Wind Farm)、電網(wǎng)(Grid)、并網(wǎng)雙向逆變器(Inverter)、BMU、冷卻系統(tǒng)(Cooling Model)和上位機等系統(tǒng)。ESS通過CAN通信方式與鋰電儲能系統(tǒng)的電池管理系統(tǒng)BMS和上位機系統(tǒng)進行相互通信，并接受來自風電機組檢測所得的電壓、電流信號和電網(wǎng)的電壓、電流信號。這些通信、檢測信號進行控制策略的運算與決策，對逆變器和鋰電池組的充放電進行控制，實現(xiàn)整個風電場協(xié)調(diào)工作，進而實現(xiàn)系統(tǒng)功能，并將與其相連接的各部件實時電壓、電流、功率等信號值通過液晶彩屏組態(tài)顯示。綜上所述，本發(fā)明為風電場儲能設計了專用的一種基于儲能電池的風電場儲能系統(tǒng)，有利于改善風電場并網(wǎng)時的性能表現(xiàn)，確保風電場發(fā)電并網(wǎng)的順利接入。更有利于減少 因風カ間歇而導致地風電場與電網(wǎng)之間不必要的脫網(wǎng)、并網(wǎng)次數(shù)，延長風力發(fā)電機組的運行時間。該儲能系統(tǒng)有利于風電場的風電機組的安全運行，平穩(wěn)風電場的功率輸出，在存在電壓、頻率波動、三相不平衡和瞬時電壓跌落，甚至外部短路等非理想因素的電カ系統(tǒng)中，提高系統(tǒng)的機械、電氣設備壽命，保護機組免受因頻繁制動剎車造成的機械與電氣沖擊。該儲能系統(tǒng)有利于對風的紊流所造成的風電場輸出功率波動進行平波，増加接入電網(wǎng)后的電網(wǎng)平穩(wěn)運行。風電場對電網(wǎng)電壓的影響主要有因風速變化、風機投切、風湍流等引起的電壓波動和閃變，從而也對電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，尤其是在較為薄弱的電網(wǎng)，將導致突然的瞬間電壓跌落，致使電網(wǎng)電壓波動以及風電機組的頻繁掉線，從而造成更大的電壓波動和電量損失。運用本發(fā)明的系統(tǒng)，改善了風電場并網(wǎng)輸出功率的穩(wěn)定性，進而降低了風電場對電網(wǎng)的不良影響。該儲能系統(tǒng)有利于改善風電場對弱電網(wǎng)輸送電カ的穩(wěn)定性。風電場一般分布在距電カ主系統(tǒng)和負荷中心較遠的偏遠地區(qū)或沿海島嶼，與相對較為薄弱的電網(wǎng)相連，當風電場容量較小時，這些特性對電カ系統(tǒng)的影響并不顯著，但隨著風電場容量在系統(tǒng)中所占比例的増加，風電場對系統(tǒng)的影響就會越來越顯著。運用本發(fā)明的系統(tǒng)，改善了風電場對弱電網(wǎng)的沖擊，這對于弱電網(wǎng)的穩(wěn)定運行具有重要意義。該儲能系統(tǒng)有利于保證電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性。風電場對電網(wǎng)頻率的影響主要由風電場容量占系統(tǒng)總?cè)萘康谋壤龥Q定。當風電場容量較小時，其特性對電カ系統(tǒng)的影響并不顯著，但隨著風電場容量在系統(tǒng)中所占比例的増加，風電場對系統(tǒng)的影響越加顯著。其輸出功率的隨機波動性對電網(wǎng)頻率的影響也會比較顯著，進而影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量和系統(tǒng)中頻率敏感負荷的正常工作。當電網(wǎng)出現(xiàn)發(fā)電與負荷供需不平衡而導致頻率降低時，風電場儲能系統(tǒng)可以短時增加功率的輸出以滿足電網(wǎng)對有功功率的短時增加的需求，從而保證電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定。該系統(tǒng)有利于增加風電場的執(zhí)信度，改變風電場的不可調(diào)度性。由于風能的不可控性，因而不可能根據(jù)負荷的大小來對風カ發(fā)電進行調(diào)度，給電網(wǎng)調(diào)度帶來不小的壓力。運用本發(fā)明的系統(tǒng)，保障了風電場在一定功率范圍內(nèi)的可調(diào)度性，從而改善了風電場在電網(wǎng)中的執(zhí)信度，增加了電網(wǎng)的安全運 行。
權(quán)利要求
1.ー種風電場儲能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其特征在于，該裝置包括 在風電場與并網(wǎng)變壓器之間設置有ー個風電機組，用于檢測風カ發(fā)電機的輸出電壓、電流信號和電網(wǎng)的電壓、電流信號；風電機組的信號控制端連接有ー個中央儲能控制系統(tǒng)；中央儲能控制系統(tǒng)通過CAN總線與一個鋰電儲能系統(tǒng)和ー個并網(wǎng)雙向逆變器連接；鋰電儲能系統(tǒng)通過并網(wǎng)雙向逆變器并聯(lián)在風電機組輸出端與并網(wǎng)變壓器的連接處；并網(wǎng)雙向逆變器對風電機組的功率輸出進行鎖相、鎖頻和調(diào)幅；所述的中央儲能控制系統(tǒng)通過CAN通信方式與鋰電儲能系統(tǒng)的電池管理系統(tǒng)進行相互通信，接收來自風電機組檢測所得的電壓、電流信號和電網(wǎng)的電壓、電流信號，并經(jīng)控制策略的運算與決策，對并網(wǎng)雙向逆變器和鋰電儲能系統(tǒng)的鋰電池組的充放電進行控制。
2.如權(quán)利要求I所述的儲能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其特征在于所述的風電機組可以是多個，它們的功率輸出端與并網(wǎng)雙向逆變器的輸出端并聯(lián)；它們的信號控制端與中央儲能控制系統(tǒng)的信號輸入端并聯(lián)。
3.如權(quán)利要求I所述的儲能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其特征在于所述的中央儲能控制系統(tǒng)通過CAN總線網(wǎng)絡與上位エ控機進行數(shù)據(jù)交換，向上位エ控機傳輸系統(tǒng)運行的電流、電壓、功率、故障的狀態(tài)及數(shù)據(jù)，在上位機界面上顯示；上位エ控機采用數(shù)據(jù)采集卡從CAN總線上讀取所需數(shù)據(jù)，處理后進行儲存或者顯示；上述CAN信息標識符為11位。
4.如權(quán)利要求I所述的儲能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其特征在于所述的儲能電池組包括一個電源管理系統(tǒng)，由多個電池子模塊控制單元LE⑶和ー個電池模塊管理單元BMU構(gòu)成;BMU通過Local_CAN網(wǎng)絡與LE⑶進行通信，收集鋰電池組的單體電池電壓、溫度和模塊的充電狀態(tài)數(shù)據(jù)，進行處理后，通過CANB總線與中央儲能控制系統(tǒng)ESS進行通信；同時根據(jù)電池組的狀態(tài)通過Local_CAN網(wǎng)絡向LE⑶發(fā)送數(shù)據(jù)同步、休眠、模塊間均衡、以及循環(huán)壽命參數(shù)。
5.如權(quán)利要求4所述的儲能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其特征在于所述儲能電池組的BMU在電池組與并網(wǎng)逆變器連接前，對并網(wǎng)逆變器的高壓電容進行預充電，BMU通過電流傳感器、總電壓傳感器對電池組充放電電流及總電壓進行采集，井根據(jù)鋰電池組單體電壓的判斷，采用旁路放電控制LECU進行模塊間均衡或者模塊內(nèi)均衡。
6.如權(quán)利要求4或5所述的儲能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其特征在于所述的BMU具有不斷電時鐘，并針對系統(tǒng)故障類型和發(fā)生時間、充放電容量，定時在EEPROM進行存儲和清除。
7.如權(quán)利要求4所述的儲能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其特征在于所述儲能電池組的LE⑶為BMS系統(tǒng)底層模塊控制単元，直接對單體電池進行通信控制；其控制電源由BMU通過隔離變換方式提供；該LECU通過CAN總線與BMU進行通信，對蓄電池進行旁路放電，其CAN信息標識符為11位；每個LECU可以實現(xiàn)8個單體電壓的測量，并具有8個溫度傳感器信號，實現(xiàn)對8個單體電池的溫度采集。
8.如權(quán)利要求I或4所述的儲能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其特征在于所述的中央儲能控制系統(tǒng)ESS由PLC系統(tǒng)或是エ控機系統(tǒng)實現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及風力發(fā)電，公開了一種風電場儲能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，包括在風電場與并網(wǎng)變壓器之間設置一個風電機組，風電機組的信號控制端連接有一個中央儲能控制系統(tǒng)；中央儲能控制系統(tǒng)通過CAN總線與一個鋰電儲能系統(tǒng)和一個并網(wǎng)雙向逆變器連接；鋰電儲能系統(tǒng)通過并網(wǎng)雙向逆變器并聯(lián)在風電機組輸出端與并網(wǎng)變壓器的連接處。本發(fā)明解決了風電場并網(wǎng)時導致突然的瞬間電壓跌落，致使電網(wǎng)電壓波動以及風電機組的頻繁掉線，以及并網(wǎng)后電力調(diào)度計劃的安排和實施等問題，取得了改善風電場并網(wǎng)時的性能、平穩(wěn)風電場的功率輸出、提高系統(tǒng)的機械、電氣設備壽命，保證電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定等有益效果。
文檔編號H02J3/38GK102651553SQ20111004433
公開日2012年8月29日 申請日期2011年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月24日
發(fā)明者馮毅, 劉輝, 張邦玲, 樸海國, 解晶瑩 申請人:上海空間電源研究所