專利名稱：風電儲能調頻調峰控制系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及風力發電，具體涉及一種風電儲能調頻調峰控制系統。
背景技術：
如何解決能源危機及其所導致的環境危機成為全球經濟可持續發展所面臨的、亟待解決的重大研究課題。作為綠色環保能源，風電是成本最低的溫室氣體減排技術之一。因此，倍受各國政府青睞，發展迅猛。但由于風的隨機性、間歇性和不可控性導致風電機組在離網或并網發電運行時產生諸多不良影響。具體來講由于風的可變性而引起風電機組發出電能的波動、隨機變化或零輸出，這些波動、隨機變化和零輸出又進一步對電網的電壓、頻率或是所帶負載的運作造成不良影響。如何改善風電機組輸出電能的可靠性與穩定性，是解決風力發電接入問題的關鍵。采用大型儲能電池技術的方法，通過對風力發電進行調頻調峰控制，可以大大提高輸出電能的穩定性。鋰離子電池由于具有高比特性、長循環壽命、綠色環保和易于規模化生產的特點而被看作是最先可能得到推廣應用的一種新型儲能電池技術。儲能蓄電池組與風力發電機的結合涉及許多系統集成關鍵技術，比如儲能蓄電池組的選型與優化配置、大型化設計和運行管理，控制系統的設計與控制策略的實現等。尤其對大型風力發電機而言這些技術的實現難度更大，主要表現在試驗研究所要投入的成本高，這樣很大程度上會阻礙技術的進一步發展。為此，本發明在小型風力發電機結合儲能蓄電池系統調節的試驗基礎上，提供了一種基于儲能鋰離子電池組的風力發電調頻調峰控制系統。更具體地，針對各種風電機組離網或并網連接運行時，因風的隨機性、間歇性和不可控性所導致的各種不良影響，涉及一種基于風電儲能調節的物理仿真控制系統。目前沒有發現同本發明類似技術的說明或報道，也尚未收集到國內外類似的資料。
發明內容
為了解決由于風的可變性而引起風電機組發出電能的波動、隨機變化或零輸出，這些波動、隨機變化和零輸出又進一步對電網的電壓、頻率或是所帶負載的運作造成不良影響等問題，本發明的目的在于提供一種風電儲能調頻調峰控制系統。利用本發明，當輸入的風電功率大于負載所需功率時，蓄電池組吸收過剩輸入功率；當輸入的風電功率小于負載所需功率時，蓄電池組將吸收存儲的能量釋放，從而滿足負載對功率的需要。為了達到上述發明目的，本發明為解決其技術問題所采用的技術方案是提供一種風電儲能調頻調峰控制系統，該裝置包括
連接于風力發電機輸出端的一臺功率模擬器，用于模擬不同風電機組功率曲線；風力發電機的輸出端通過整流濾波電路連接有一臺逆變器和一個蓄電池模塊；逆變器用于對蓄電池模塊輸出的電壓與并網處的電網電壓鎖相、鎖頻和調幅；在逆變器的輸出端連接有一臺可編程負載器，用于模擬變化的生活負載或電網負載；一個充電模塊分別與蓄電池模塊和電網連接；一組能量存儲控制器分別與一個卸荷負載模塊和充電模塊連接，控制上述兩個模塊對蓄電池模塊的充放電時序；上述能量存儲控制器通過Rs485通信方式與蓄電池模塊的電源管理系統BMS進行相互通信，接受來自功率模擬器、可編程負載器、逆變器的電壓、電流信號和電網的電壓、電流信號，經控制策略的運算與決策，對逆變器和蓄電池模塊的鋰電池組的充放電進行控制；并對連接的各部件進行實時電壓、電流、功率等信號值的檢測和顯示。本發明風電儲能調頻調峰控制系統，由于采取上述的技術方案，采用功率模擬器模擬不同風電機組功率曲線，用能量存儲控制器接受來自功率模擬器、可編程負載器、逆變器的電壓、電流信號和電網的電壓、電流信號，經控制策略的運算與決策，對逆變器和蓄電池模塊的鋰電池組的充放電進行控制，當輸入的風電功率大于負載所需功率時，蓄電池組 吸收過剩輸入功率；當輸入的風電功率小于負載所需功率時,蓄電池組將吸收存儲的能量釋放，從而滿足負載對功率的需要。因此，本發明解決了由于風的可變性而引起風電機組發出電能的波動、隨機變化或零輸出對電網的電壓、頻率或是所帶負載的運作造成不良影響的問題，取得了結構簡單可行、操作簡便可靠等有益效果。
圖I是本發明風電儲能調頻調峰控制系統的示意框圖；圖2是功率模擬器示意框圖；圖3是逆變器模塊示意框圖；圖4是可編程負載示意框圖；圖5是卸荷負載模塊不意框圖；圖6是充電模塊示意框圖；圖7是能量存儲控制器ESS示意框圖。
具體實施例方式下面結合
本發明的優選實施例。圖I是本發明風電儲能調頻調峰控制系統的示意框圖，如圖I的實施例所示，該裝置包括連接于小型風力發電機(IOKw風力機)輸出端的一臺功率模擬器1，用于模擬不同風電機組功率曲線；小型風力發電機的輸出端通過整流濾波電路連接有一臺逆變器2和一個蓄電池模塊4 ;上述逆變器2的逆變電路可選用離網或并網型逆變器。逆變器2具有鎖相、鎖頻、調幅的功能，用于保障蓄電池模塊4的鋰電池組輸出的電壓與并網處的電網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流對設備和電網的沖擊及其不良影響，同時，通過整流或逆變的方式實現電網和儲能鋰電池組的相互作用。在逆變器2的輸出端連接有一臺可編程負載器3，用于模擬變化的生活負載或電網負載；一個充電模塊7分別與蓄電池模塊4和電網連接；一組能量存儲控制器(ESS) 5分別與一個卸荷負載模塊6和充電模塊7連接，控制上述兩個模塊對蓄電池模塊4的充放電時序。能量存儲控制器(ESS Unit) 5通過Rs485通信方式與蓄電池模塊4的電源管理系統BMS進行相互通信，接受來自功率模擬器I、可編程負載3、逆變器2的電壓、電流信號和電網的電壓、電流信號。并經控制策略的運算與決策，對逆變器2和蓄電池模塊4的鋰電池組的充放電進行控制，實現整個風電場協調工作，進而實現實驗演示平臺的功能。并對連接的各部件進行實時電壓、電流、功率等信號值的檢測和顯示。上述小型風力發電機選用一臺特定功率等級的小型風電機組。圖2為上述功率模擬器I的示意框圖。功率模擬器的輸入為單相或三相市電輸入，圖中給出的示例為單相輸入。功率模擬器I包括一個整流、濾波、采樣斬波和保護電路模塊，通過主控DSP主板與Rs485通信模塊連接，通過斷路器連接市電，并通過斷路器輸出，其輸出端連接有輸出電壓和電流顯示器。其中，功率模擬器的輸入、輸出均通過斷路器完成，其理由在于實現輸入、輸出的電氣安全，在過流的情況下，中斷功率的輸入，從而保護功率模擬器及其后端電路、設備的安全。功率模擬器的功率變化表通過Rs485通信方式由上位機軟件設定，經上位機軟件與功率模擬器的通信，實現變化功率曲線的設定。同時，功率模擬器的當前直流電壓、電流、功率值通過Rs485的通信方式送于ESS能量存儲控制器顯示，用于監控功率模擬器的運行。功率模擬器通過斬波方式完成功率按一定模式變化的要求，該變化由該設備上主控DSP主板控制實現，并通過Rs485的通信方式，將輸出的電壓、電流值送于能量存儲控制器5用于顯示。圖3為逆變器模塊2的示意框圖。包括一個高頻、低頻濾波、共模、差模電路和輸出電壓、電流顯示電路，其輸入、輸出端分別連接有斷路器。從而保護整流、濾波、逆變電路及其后端電路、設備的安全。上述濾波電路的高頻、低頻、共模和差模濾波電路用于降低功率模擬器輸入功率的諧波。逆變電路根據不同的對象使用不同電路，本實施例給出的逆變器電路為離網型逆變器，對電網相關問題進行研究時，則選用并網雙向逆變器。整流濾波電路用于實現交流電到直流電的變化，輸入的三相或單相交流電經整流和高頻、低頻、共模、差模濾波后，輸出紋波小于3%的直流電。所述逆變電路采用一種智能功率模塊，用于直流電能到交流電能的變換。圖4所示可編程負載電路3的示意框圖，該電路包括一個功率電路和一個液晶顯示及按鍵電路，通過斷路器與逆變器連接。可編程負載電路3的輸入通過斷路器完成，用于保護該電路模塊的安全運行。可編程負載電路3的變化方式用其自帶的按鍵面板設定實現。DSP接受按鍵面板指令，對功率電路進行控制，使其精確的消耗輸入的功率，其設置由可編程負載按鍵面板實現，可編程負載液晶屏顯示當前可編程負載的電壓、電流、功率設定值。可編程負載DSP控制主板按面板所設功率值，控制功率電路靜態、無觸點開關元件，經卸荷負載模塊消耗給定功率。RS485電路將當前實時電壓、電流、功率數據送ESS顯示。同時，其電壓、電流值通過Rs485的方式送于能量存儲控制器5顯不。圖5為卸荷負載模塊6的示意框圖，該模塊包括功率負載電路和卸荷負載電路，通過Rs485通信的方式接受來自能量存儲控制器5的卸荷指令，并通過DSP主板控制功率負載完成卸荷要求，以期保證儲能蓄電池時時正常工作要求。當蓄電池模塊的電源管理系統(BMS)將蓄電池模塊電壓(功率等)狀態信號經串口轉換送至ESS時，若蓄電池狀態信號值高于ESS卸荷參數設定值，開始卸荷，當蓄電池狀態信號值達到卸荷下限，關閉卸荷。為 保護蓄電池，當蓄電池狀態信號值高于ESS卸荷參數設定值時，若ESS沒有發送卸荷指令，卸荷控制裝置將強制卸荷負載模塊自動卸荷，達到設定值時，停止卸荷。
圖6所示充電模塊7的示意框圖，包括一個與電網連接的30Kw配電功率電路，通過一個充電功率電路與蓄電池連接。充電電源取自電網，其輸入、輸出通過斷路器完成，從而保護充電電路及其后端電路、設備的安全。該模塊通過Rs485通信的方式接受來自能量存儲控制器5的充電指令，并通過DSP主板控制充電功率電路完成充電要求，以期保證儲能蓄電池時時正常工作要求。
圖7為能量存儲控制器5的示意框圖。該模塊采用PLC或工控機實現風電儲能的控制策略，通過Rs485通信方式與外圍設備、顯示設備相連，實現對功率模擬器、逆變器、可編程負載模塊等的實時監測，將各部件的實時電壓、電流、功率等信號值進行實時存儲和顯示。從而實現整個系統各設備之間的協調工作。下面進一步對本發明的工作過程進行描述。本發明的系統可由以下四種工作模式進行設功率模擬器的功率為P1，可編程負載的功率為P2，蓄電池的功率為P3 (充電為正值，放電為負值)，且有Pl = P2+P3。A.情況一 P1 > P2工作模式。給定P1，P2，(兩給定值處于獨立的變化中)且Pl>P2。此時，有Pl = P2+P3，P3 > 0，蓄電池充電。若蓄電池滿荷，此時兩種處理方式可選①切換進入Pl斷開工作模式(即情況四)。斷開Pl停止供電，P3放電，此時O = P2+P3,即-P3 = P2，當放電達到給定容量值時，Pl接入，恢復正常工作，即Pl >P2工作模式；②切換進入P3斷開工作模式(即情況三)。P3斷開，單獨通過卸荷電路進行卸荷，此時，應有Pl = P2，即Pl不能按給定值輸出功率，而是按負載值給定值決定具體的輸出功率，當P3放電達到給定容量值時，恢復正常工作，即Pl > P2工作模式。B.情況二 P1 < P2工作模式。給定P1，P2，(兩給定值處于獨立的變化中)且Pl<P2。此時，有Pl = P2+P3，蓄電池放電，P3 < O。若放電達到給定容量值時，此時兩種工作可能，①進入Pl >P2工作模式(即情況一)，P3充電。當充電達到給定容量值時，恢復正常工作模式即Pl < P2工作模式；②進入P3斷開工作模式(即情況三)。P3斷開，單獨通過充電電路進行充電，此時，應有P1 = P2，即Pl不能按給定值輸出功率，而是按負載值給定值決定具體的輸出功率，當P3充電達到給定容量值時，恢復正常工作，即Pl < P2工作模式。C.情況三P3斷開工作模式。此時，Pl = P2+0 (即P3斷開)。D.情況四P1斷開工作模式。此時，O = P2+P3(即Pl斷開)。
權利要求
1.一種風電儲能調頻調峰控制系統，其特征在于，該裝置包括 連接于風力發電機輸出端的一臺功率模擬器，用于模擬不同風電機組功率曲線；風力發電機的輸出端通過整流濾波電路連接有一臺逆變器和一個蓄電池模塊；逆變器用于對蓄電池模塊輸出的電壓與并網處的電網電壓鎖相、鎖頻和調幅；在逆變器的輸出端連接有一臺可編程負載器，用于模擬變化的生活負載或電網負載；一個充電模塊分別與蓄電池模塊和電網連接；一組能量存儲控制器分別與一個卸荷負載模塊和充電模塊連接，控制上述兩個模塊對蓄電池模塊的充放電時序； 所述的能量存儲控制器通過RS485通信方式與蓄電池模塊的電源管理系統進行相互通信，接受來自功率模擬器、可編程負載器、逆變器的電壓、電流信號和電網的電壓、電流信號，經控制策略的運算與決策，對逆變器和蓄電池模塊的鋰電池組的充放電進行控制；并對連接的各部件進行實時電壓、電流、功率等信號值的檢測和顯示。
2.如權利要求I所述的調頻調峰控制系統，其特征在于所述的功率模擬器包括一個整流、濾波、采樣斬波和保護電路模塊，通過斷路器連接市電，并通過斷路器輸出，其輸出端連接有輸出電壓和電流的顯示器；所述功率模擬器的功率變化表通過Rs485通信方式由上位機軟件設定，經上位機軟件與功率模擬器的通信，實現變化功率曲線的設定；所述功率模擬器的當前直流電壓、電流、功率值通過Rs485的通信送于能量存儲控制器顯示。
3.如權利要求I所述的調頻調峰控制系統，其特征在于所述的逆變器模塊包括一個高頻、低頻濾波和共模、差模電路和輸出電壓、電流顯示電路，其輸入、輸出端分別連接有斷路器；所述逆變器模塊用于直流電能到交流電能的變換；其中高頻、低頻、共模和差模濾波電路用于降低功率模擬器輸入功率的諧波。
4.如權利要求I所述的調頻調峰控制系統，其特征在于所述的可編程負載電路包括一個功率電路和一個液晶顯示及按鍵電路，通過斷路器與逆變器連接，通過DSP通信方式接受按鍵面板指令，對功率電路進行控制，其設置由可編程負載按鍵面板實現，可編程負載液晶屏顯示當前可編程負載的電壓、電流、功率設定值；并通過RS485通信方式將當前實時電壓、電流、功率數據送能量存儲控制器顯示。
5.如權利要求I所述的調頻調峰控制系統，其特征在于所述的卸荷負載模塊包括功率負載電路和卸荷負載電路，通過Rs485通信接受來自能量存儲控制器的卸荷指令，并通過DSP主板控制功率負載電路完成卸荷要求，執行如下程序當蓄電池模塊的電源管理系統將蓄電池模塊電壓、功率狀態信號經串口轉換送至能量存儲控制器的ESS時，若蓄電池狀態信號值高于ESS卸荷參數設定值，開始卸荷，當蓄電池狀態信號值達到卸荷下限，關閉卸荷；當蓄電池狀態信號值高于ESS卸荷參數設定值時，若ESS沒有發送卸荷指令，卸荷控制裝置將強制卸荷負載模塊自動卸荷，達到設定值時，停止卸荷。
6.如權利要求I所述的調頻調峰控制系統，其特征在于所述的充電模塊包括一個與電網連接的配電功率電路，通過一個充電功率電路與蓄電池連接；所述充電模塊的充電電源取自電網，其輸入、輸出端連接有斷路器，通過Rs485通信接受來自能量存儲控制器的充電指令，并通過DSP主板控制充電功率電路完成充電。
7.如權利要求I所述的調頻調峰控制系統，其特征在于所述的能量存儲控制器模塊采用PLC或工控機實現風電儲能的控制策略，通過Rs485通信方式與外圍設備、顯示設備相連，實現對功率模擬器、逆變器、可編程負載模塊的實時監測，并對各部件的實時電壓、電流、功率信號值進行實時存儲和 顯示。
全文摘要
本發明涉及風力發電，公開了一種風電儲能調頻調峰控制系統，包括連接于風力發電機輸出端的功率模擬器模擬不同風電機組功率曲線；風力發電機的輸出端連接有逆變器和蓄電池模塊；逆變器的輸出端連接有可編程負載器；充電模塊分別與蓄電池模塊和電網連接；能量存儲控制器分別與卸荷負載模塊和充電模塊連接，控制上述兩個模塊對蓄電池模塊的充放電時序。本發明解決了由于風的可變性而引起風電機組發出電能的波動、隨機變化或零輸出對電網的電壓、頻率或是所帶負載的運作造成不良影響的問題，取得了結構簡單可行、操作簡便可靠等有益效果。
文檔編號H02J3/28GK102651552SQ201110044318
公開日2012年8月29日 申請日期2011年2月24日 優先權日2011年2月24日
發明者馮毅, 劉輝, 張邦玲, 樸海國, 解晶瑩 申請人:上海空間電源研究所