風電場儲能調節系統的制作方法

專利名稱：風電場儲能調節系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及風カ發電；具體涉及風電場的儲能調節系統。
背景技術：
風カ發電的電場接入電網系統，向電網輸送綠色電力的同時，可能對電網造成諸多不良影響，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時具有和其他常規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節和控制出力，從而引起風電機組發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的電壓、頻率造成不良影響。風電場對電網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，從而也對電網電 壓的穩定性產生影響，尤其是在較為薄弱的電網，將導致突然的瞬間電壓跌落，致使電網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。風電場對電網頻率的影響主要由風電場容量占系統總容量的比例決定。風電場通常位于距電力主系統和負荷中心較遠的偏遠地區或沿海島嶼，與相對較為薄弱的電網相連。當風電場容量較小時，其特性對電カ系統的影響并不顯著，但隨著風電場容量在系統中所占比例的増加，風電場對系統的影響越加顯著。其輸出功率的隨機波動性對電網頻率的影響也會比較顯著，進而影響電網的電能質量和系統中頻率敏感負荷的正常工作。電網傳統調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。當系統風電容量達到一定的規模后，風的隨機、間歇和不可控性對傳統調度計劃的安排和實施提出挑戰。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中，如何延長的風力發電機組的運行時間，減少不必要的脫網次數，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
為了解決風電場并網時導致突然的瞬間電壓跌落，致使電網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，以及并網后電カ調度計劃的安排和實施等問題，本發明的目的在于提供ー種風電場儲能調節系統。利用本發明，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，改善風電場并網時對電網的諸多不良影響。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ー種風電場儲能調節系統，該裝置包括在風電場與并網變壓器之間設置有ー個風電機組，用于檢測風カ發電機的輸出電壓、電流信號和電網的電壓、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；中央儲能控制系統通過CAN總線與一個鋰電儲能系統和ー個并網雙向逆變器連接；鋰電儲能系統通過并網雙向逆變器并聯在風電機組輸出端與并網變壓器的連接處；并網雙向逆變器對風電機組的功率輸出進行鎖相、鎖頻和調幅；中央儲能控制系統通過CAN通信方式與鋰電儲能系統的電池管理系統進行相互通信，接收來自風電機組檢測所得的電壓、電流信號和電網的電壓、電流信號，并經控制策略的運算與決策，對并網雙向逆變器和鋰電儲能系統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雙向逆變器的輸出端并聯；它們的信號控制端與中央儲能控制系統的信號輸入端并聯。本發明風電場儲能調節系統，由于采取上述技術方案，提供了ー種基于鋰電池組的風電場儲能系統，設計了由電池子模塊控制單元LECU、電池模塊管理單元BMU構成的風電場鋰電儲能系統專用的電池組管理系統BMS和中央儲能控制系統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逆變器連接于并網變壓器與風電場之間。儲能控制器根據電網的電壓、電流檢測信號、風電場風電機組的控制器信號、電池組管 理系統信號，執行儲能控制策略程序，對鋰電儲能模塊進行充電、放電控制，實現風電場并網時對電網的諸多不良影響的改善。因此，本發明解決了風電場并網時導致突然的瞬間電壓跌落，致使電網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，以及并網后電力調度計劃的安排和實施等問題，取得了改善風電場并網時的性能、平穩風電場的功率輸出、提高系統的機械、電氣設備壽命，保證電網頻率的穩定等有益效果。


圖I為本發明風電場儲能調節系統的原理框圖；圖2為本發明風電場儲能調節系統另ー實施例的原理框圖；圖3為儲能電池組電源管理系統的電原理圖；圖4為風電場儲能系統控制信號原理框圖。
具體實施例方式下面結合

本發明的優選實施例。圖I為本發明風電場儲能調節系統的原理框圖，如圖I的實施例所示，該裝置包括在風電場與并網變壓器之間設置有ー個風電機組，用于檢測風カ發電機的輸出電壓、電流信號和電網的電壓、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；中央儲能控制系統通過CAN總線與一個鋰電儲能系統和ー個并網雙向逆變器連接；鋰電儲能系統通過并網雙向逆變器并聯在風電機組輸出端與并網變壓器的連接處；并網雙向逆變器對風電機組的功率輸出進行鎖相、鎖頻和調幅；上述中央儲能控制系統通過CAN通信方式與鋰電儲能系統的電池管理系統進行相互通信，接收來自風電機組檢測所得的電壓、電流信號和電網的電壓、電流信號，并經控制策略的運算與決策，對并網雙向逆變器和鋰電儲能系統的鋰電池組的充放電進行控制。從而實現整個風電場協調工作，進而實現系統功能，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顯示。同時，通過通信方式與上位機實現遠程通信監控，實現無人值守功能。鋰電儲能系統中，電池管理系統用于對電池組的エ況進行實時監控，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節系統實施例方案主要由多臺風電機組、多臺儲能電池組、多臺雙向井網逆變器、和多組中央控制系統構成。其中，一臺儲能電池組對應一臺風電機組，通過并網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，進而達到穩定輸出、保護風電機組、改善并網不良影響的目的。上述并網雙向逆變器具有鎖相、鎖頻、調幅的功能，用于保障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風電機組和儲能鋰電池組的相互作用。圖2為本發明風電場儲能調節系統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雙向逆變器的輸出端并聯；它們的信號控制端與中央儲能控制系統的信號輸入端并聯。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節系統的并網位置有所改變，儲能調節系統的個數也由多臺變為單 臺，由分布式改為集中式，鋰電儲能系統的電池組功率亦有所上升變大。該實施例中，儲能調節系統同時對整個風電場的并網功率進行吸收或補償，以改善整個風電場并網時對電網的不良影響。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，中央儲能控制系統還通過CAN總線網絡與上位エ控機進行數據交換，CAN總線是ー種標準エ業總線，其物理結構與串行通訊結構基本相同，采用兩根讀寫通訊線向上位エ控機傳輸系統運行的電流、電壓、功率、故障等運行狀態及數據，在上位機界面上顯示，方便系統監控和調試，并接收上位機傳來的啟動，停止，以及各種運行狀態的設定值等指令信息。上位エ控機采用數據采集卡從CAN總線上讀取所需數據，進ー步處理后進行儲存或者顯示，方便對系統運行數據進行分析。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的電原理圖；該系統具有系統自檢、充放電保護、過熱保護、充電狀態預測、電池組均衡及高壓保護等功能；該系統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構成。其中，BMU是BMS系統的核心器件，通過LocalCAN網絡與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數據，進行處理后，通過CANB與中央儲能控制系統ESS進行通信；同時根據電池組的狀態通過LocalCAN網絡向LE⑶發送數據同步、休眠、模塊間均衡、以及循環壽命等參數。整個電控系統的電源來自于外部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，在電池組與并網逆變器連接前，對并網逆變器的高壓電容進行預充電，保證高壓接觸器接通吋，不對鋰電池組系統產生沖擊。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均衡。同時，BMU具有不斷電時鐘，用于保證時間的持續記錄，并針對系統的重要信息，例如故障類型和發生時間、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，能實現模塊內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8個單體電壓的測量，并具有8個溫度傳感器信號，實現對8個單體電池的溫度采集。圖4為風電場儲能系統控制信號原理框圖，給出了整個風電場儲能系統的信號通信示意圖。由圖可知，中央儲能控制系統ESS為整個儲能系統的核心部分，聯系著風電場(Wind Farm)、電網(Grid)、并網雙向逆變器(Inverter)、BMU、冷卻系統(Cooling Model)和上位機等系統。ESS通過CAN通信方式與鋰電儲能系統的電池管理系統BMS和上位機系統進行相互通信，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，實現整個風電場協調工作，進而實現系統功能，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顯示。綜上所述，本發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，有利于改善風電場并網時的性能表現，確保風電場發電并網的順利接入。更有利于減少 因風カ間歇而導致地風電場與電網之間不必要的脫網、并網次數，延長風力發電機組的運行時間。該儲能系統有利于風電場的風電機組的安全運行，平穩風電場的功率輸出，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中，提高系統的機械、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，増加接入電網后的電網平穩運行。風電場對電網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，從而也對電網電壓的穩定性產生影響，尤其是在較為薄弱的電網，將導致突然的瞬間電壓跌落，致使電網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。運用本發明的系統，改善了風電場并網輸出功率的穩定性，進而降低了風電場對電網的不良影響。該儲能系統有利于改善風電場對弱電網輸送電カ的穩定性。風電場一般分布在距電カ主系統和負荷中心較遠的偏遠地區或沿海島嶼，與相對較為薄弱的電網相連，當風電場容量較小時，這些特性對電カ系統的影響并不顯著，但隨著風電場容量在系統中所占比例的増加，風電場對系統的影響就會越來越顯著。運用本發明的系統，改善了風電場對弱電網的沖擊，這對于弱電網的穩定運行具有重要意義。該儲能系統有利于保證電網的頻率穩定性。風電場對電網頻率的影響主要由風電場容量占系統總容量的比例決定。當風電場容量較小時，其特性對電カ系統的影響并不顯著，但隨著風電場容量在系統中所占比例的増加，風電場對系統的影響越加顯著。其輸出功率的隨機波動性對電網頻率的影響也會比較顯著，進而影響電網的電能質量和系統中頻率敏感負荷的正常工作。當電網出現發電與負荷供需不平衡而導致頻率降低時，風電場儲能系統可以短時增加功率的輸出以滿足電網對有功功率的短時增加的需求，從而保證電網頻率的穩定。該系統有利于增加風電場的執信度，改變風電場的不可調度性。由于風能的不可控性，因而不可能根據負荷的大小來對風カ發電進行調度，給電網調度帶來不小的壓力。運用本發明的系統，保障了風電場在一定功率范圍內的可調度性，從而改善了風電場在電網中的執信度，增加了電網的安全運 行。
權利要求
1.ー種風電場儲能調節系統，其特征在于，該裝置包括 在風電場與并網變壓器之間設置有ー個風電機組，用于檢測風カ發電機的輸出電壓、電流信號和電網的電壓、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；中央儲能控制系統通過CAN總線與一個鋰電儲能系統和ー個并網雙向逆變器連接；鋰電儲能系統通過并網雙向逆變器并聯在風電機組輸出端與并網變壓器的連接處；并網雙向逆變器對風電機組的功率輸出進行鎖相、鎖頻和調幅；所述的中央儲能控制系統通過CAN通信方式與鋰電儲能系統的電池管理系統進行相互通信，接收來自風電機組檢測所得的電壓、電流信號和電網的電壓、電流信號，并經控制策略的運算與決策，對并網雙向逆變器和鋰電儲能系統的鋰電池組的充放電進行控制。
2.如權利要求I所述的儲能調節系統，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雙向逆變器的輸出端并聯；它們的信號控制端與中央儲能控制系統的信號輸入端并聯。
3.如權利要求I所述的儲能調節系統，其特征在于所述的中央儲能控制系統通過CAN總線網絡與上位エ控機進行數據交換，向上位エ控機傳輸系統運行的電流、電壓、功率、故障的狀態及數據，在上位機界面上顯示；上位エ控機采用數據采集卡從CAN總線上讀取所需數據，處理后進行儲存或者顯示；上述CAN信息標識符為11位。
4.如權利要求I所述的儲能調節系統，其特征在于所述的儲能電池組包括一個電源管理系統，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構成;BMU通過Local_CAN網絡與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數據，進行處理后，通過CANB總線與中央儲能控制系統ESS進行通信；同時根據電池組的狀態通過Local_CAN網絡向LE⑶發送數據同步、休眠、模塊間均衡、以及循環壽命參數。
5.如權利要求4所述的儲能調節系統，其特征在于所述儲能電池組的BMU在電池組與并網逆變器連接前，對并網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均衡。
6.如權利要求4或5所述的儲能調節系統，其特征在于所述的BMU具有不斷電時鐘，并針對系統故障類型和發生時間、充放電容量，定時在EEPROM進行存儲和清除。
7.如權利要求4所述的儲能調節系統，其特征在于所述儲能電池組的LE⑶為BMS系統底層模塊控制単元，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8個單體電壓的測量，并具有8個溫度傳感器信號，實現對8個單體電池的溫度采集。
8.如權利要求I或4所述的儲能調節系統，其特征在于所述的中央儲能控制系統ESS由PLC系統或是エ控機系統實現。
全文摘要
本發明涉及風力發電，公開了一種風電場儲能調節系統，包括在風電場與并網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；中央儲能控制系統通過CAN總線與一個鋰電儲能系統和一個并網雙向逆變器連接；鋰電儲能系統通過并網雙向逆變器并聯在風電機組輸出端與并網變壓器的連接處。本發明解決了風電場并網時導致突然的瞬間電壓跌落，致使電網電壓波動以及風電機組的頻繁掉線，以及并網后電力調度計劃的安排和實施等問題，取得了改善風電場并網時的性能、平穩風電場的功率輸出、提高系統的機械、電氣設備壽命，保證電網頻率的穩定等有益效果。
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