CN102651553A - 风电场储能调节*** - Google Patents

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朴海国
刘辉
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Abstract

本发明涉及风力发电，公开了一种风电场储能调节***，包括：在风电场与并网变压器之间设置一个风电机组，风电机组的信号控制端连接有一个中央储能控制***；中央储能控制***通过CAN总线与一个锂电储能***和一个并网双向逆变器连接；锂电储能***通过并网双向逆变器并联在风电机组输出端与并网变压器的连接处。本发明解决了风电场并网时导致突然的瞬间电压跌落，致使电网电压波动以及风电机组的频繁掉线，以及并网后电力调度计划的安排和实施等问题，取得了改善风电场并网时的性能、平稳风电场的功率输出、提高***的机械、电气设备寿命，保证电网频率的稳定等有益效果。

Description

风电场储能调节***
技术领域
本发明涉及风力发电；具体涉及风电场的储能调节***。
背景技术
风力发电的电场接入电网***，向电网输送绿色电力的同时，可能对电网造成诸多不良影响，这些不良影响因于风的随机性、间歇性和不可控性。风的这些特性导致风电场并网时具有和其他常规能源电厂不同的特点。具体的讲：因为风的随机、间歇和不可控性，风电场中的风电机组不易调节和控制出力，从而引起风电机组发出电能的波动与随机变化。这些波动与随机变化又进一步对电网的电压、频率造成不良影响。风电场对电网电压的影响主要有因风速变化、风机投切、风湍流等引起的电压波动和闪变，从而也对电网电压的稳定性产生影响，尤其是在较为薄弱的电网，将导致突然的瞬间电压跌落，致使电网电压波动以及风电机组的频繁掉线，从而造成更大的电压波动和电量损失。
风电场对电网频率的影响主要由风电场容量占***总容量的比例决定。风电场通常位于距电力主***和负荷中心较远的偏远地区或沿海岛屿，与相对较为薄弱的电网相连。当风电场容量较小时，其特性对电力***的影响并不显著，但随着风电场容量在***中所占比例的增加，风电场对***的影响越加显著。其输出功率的随机波动性对电网频率的影响也会比较显著，进而影响电网的电能质量和***中频率敏感负荷的正常工作。
电网传统调度计划的编制及实施，完全基于电源的可靠性和负荷的可预测性。当***风电容量达到一定的规模后，风的随机、间歇和不可控性对传统调度计划的安排和实施提出挑战。
近年来，风电场的风电机组的安全运行控制开始受到重视，在存在电压、频率波动、三相不平衡和瞬时电压跌落，甚至外部短路等非理想因素的电力***中，如何延长的风力发电机组的运行时间，减少不必要的脱网次数，保护机组免受因频繁制动刹车造成的机械与电气冲击，成为了研究热点。
目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。
发明内容
为了解决风电场并网时导致突然的瞬间电压跌落，致使电网电压波动以及风电机组的频繁掉线，从而造成更大的电压波动和电量损失，以及并网后电力调度计划的安排和实施等问题，本发明的目的在于提供一种风电场储能调节***。利用本发明，可有效改善由风的随机、间歇和不可控性引起的风电场各种并网问题，保护风电场风电机组的安全运行，提高风电场的利用率，改善风电场并网时对电网的诸多不良影响。
为了达到上述发明目的，本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种风电场储能调节***，该装置包括：
在风电场与并网变压器之间设置有一个风电机组，用于检测风力发电机的输出电压、电流信号和电网的电压、电流信号；风电机组的信号控制端连接有一个中央储能控制***；中央储能控制***通过CAN总线与一个锂电储能***和一个并网双向逆变器连接；锂电储能***通过并网双向逆变器并联在风电机组输出端与并网变压器的连接处；并网双向逆变器对风电机组的功率输出进行锁相、锁频和调幅；中央储能控制***通过CAN通信方式与锂电储能***的电池管理***进行相互通信，接收来自风电机组检测所得的电压、电流信号和电网的电压、电流信号，并经控制策略的运算与决策，对并网双向逆变器和锂电储能***的锂电池组的充放电进行控制。
上述风电机组可以是多个，它们的功率输出端与并网双向逆变器的输出端并联；它们的信号控制端与中央储能控制***的信号输入端并联。
本发明风电场储能调节***，由于采取上述技术方案，提供了一种基于锂电池组的风电场储能***，设计了由电池子模块控制单元LECU、电池模块管理单元BMU构成的风电场锂电储能***专用的电池组管理***BMS和中央储能控制***ESS，给出了基于锂电池组的风电场储能控制策略。储能电源通过双向并网逆变器连接于并网变压器与风电场之间。储能控制器根据电网的电压、电流检测信号、风电场风电机组的控制器信号、电池组管理***信号，执行储能控制策略程序，对锂电储能模块进行充电、放电控制，实现风电场并网时对电网的诸多不良影响的改善。因此，本发明解决了风电场并网时导致突然的瞬间电压跌落，致使电网电压波动以及风电机组的频繁掉线，从而造成更大的电压波动和电量损失，以及并网后电力调度计划的安排和实施等问题，取得了改善风电场并网时的性能、平稳风电场的功率输出、提高***的机械、电气设备寿命，保证电网频率的稳定等有益效果。
附图说明
图1为本发明风电场储能调节***的原理框图；
图2为本发明风电场储能调节***另一实施例的原理框图；
图3为储能电池组电源管理***的电原理图；
图4为风电场储能***控制信号原理框图。
具体实施方式
下面结合附图说明本发明的优选实施例。
图1为本发明风电场储能调节***的原理框图，如图1的实施例所示，该装置包括：
在风电场与并网变压器之间设置有一个风电机组，用于检测风力发电机的输出电压、电流信号和电网的电压、电流信号；风电机组的信号控制端连接有一个中央储能控制***；中央储能控制***通过CAN总线与一个锂电储能***和一个并网双向逆变器连接；锂电储能***通过并网双向逆变器并联在风电机组输出端与并网变压器的连接处；并网双向逆变器对风电机组的功率输出进行锁相、锁频和调幅；上述中央储能控制***通过CAN通信方式与锂电储能***的电池管理***进行相互通信，接收来自风电机组检测所得的电压、电流信号和电网的电压、电流信号，并经控制策略的运算与决策，对并网双向逆变器和锂电储能***的锂电池组的充放电进行控制。从而实现整个风电场协调工作，进而实现***功能，并将与其相连接的各部件实时电压、电流、功率等信号值通过液晶彩屏组态显示。同时，通过通信方式与上位机实现远程通信监控，实现无人值守功能。锂电储能***中，电池管理***用于对电池组的工况进行实时监控，其功能说明在图3中将予以说明。
如图1所示的风电场储能调节***实施例方案主要由多台风电机组、多台储能电池组、多台双向并网逆变器、和多组中央控制***构成。其中，一台储能电池组对应一台风电机组，通过并网逆变器连于风电机组的交流处，对该风电机组输出的功率进行吸收或是补偿，进而达到稳定输出、保护风电机组、改善并网不良影响的目的。
上述并网双向逆变器具有锁相、锁频、调幅的功能，用于保障锂电池组输出的电压与并网处的电网电压具有相同的相位、频率和幅值，减小因不同相位等引起的环流对设备和电网的冲击及其不良影响，同时，通过整流或逆变的方式实现风电机组和储能锂电池组的相互作用。
图2为本发明风电场储能调节***另一实施例的原理框图；如图2的实施例所示，上述风电机组可以是多个，它们的功率输出端与并网双向逆变器的输出端并联；它们的信号控制端与中央储能控制***的信号输入端并联。该实施例与图1中实施例相比较可知，其不同之处在于储能调节***的并网位置有所改变，储能调节***的个数也由多台变为单台，由分布式改为集中式，锂电储能***的电池组功率亦有所上升变大。该实施例中，储能调节***同时对整个风电场的并网功率进行吸收或补偿，以改善整个风电场并网时对电网的不良影响。该实施例采用了与图1实施例中相似的控制策略。
图1、图2实施例中，中央储能控制***还通过CAN总线网络与上位工控机进行数据交换，CAN总线是一种标准工业总线，其物理结构与串行通讯结构基本相同，采用两根读写通讯线向上位工控机传输***运行的电流、电压、功率、故障等运行状态及数据，在上位机界面上显示，方便***监控和调试，并接收上位机传来的启动，停止，以及各种运行状态的设定值等指令信息。上位工控机采用数据采集卡从CAN总线上读取所需数据，进一步处理后进行储存或者显示，方便对***运行数据进行分析。上述CAN信息标识符为11位。
图3为储能电池组电源管理***的电原理图；该***具有***自检、充放电保护、过热保护、充电状态预测、电池组均衡及高压保护等功能；该***由多个电池子模块控制单元LECU和一个电池模块管理单元BMU构成。其中，BMU是BMS***的核心器件，通过Local CAN网络与LECU进行通信，收集锂电池组的单体电池电压、温度和模块的充电状态数据，进行处理后，通过CANB与中央储能控制***ESS进行通信；同时根据电池组的状态通过Local CAN网络向LECU发送数据同步、休眠、模块间均衡、以及循环寿命等参数。整个电控***的电源来自于外部12V的DC/DC直流电源。
图3中，BMU除通信功能，还具有预充电功能，在电池组与并网逆变器连接前，对并网逆变器的高压电容进行预充电，保证高压接触器接通时，不对锂电池组***产生冲击。BMU通过电流传感器、总电压传感器对电池组充放电电流及总电压进行采集，并对锂电池组单体电压的判断，采用旁路放电的方法，控制LECU进行模块间均衡或者模块内均衡。同时，BMU具有不断电时钟，用于保证时间的持续记录，并针对***的重要信息，例如故障类型和发生时间、充放电容量等，能够定时在EEPROM进行存储和清除。
图3中，LECU为BMS***底层模块控制单元，直接对单体电池进行通信控制，在电池与BMU之间起承上启下的作用。其控制电源由BMU通过隔离变换方式提供。LECU通过CAN总线与BMU进行通信，通过与BMU通信，对蓄电池进行旁路放电的均衡，能实现模块内均衡以及模块间均衡功能，其CAN信息标识符为11位。每个LECU可以实现8个单体电压的测量，并具有8个温度传感器信号，实现对8个单体电池的温度采集。
图4为风电场储能***控制信号原理框图，给出了整个风电场储能***的信号通信示意图。由图可知，中央储能控制***ESS为整个储能***的核心部分，联系着风电场(Wind Farm)、电网(Grid)、并网双向逆变器(Inverter)、BMU、冷却***(Cooling Model)和上位机等***。ESS通过CAN通信方式与锂电储能***的电池管理***BMS和上位机***进行相互通信，并接受来自风电机组检测所得的电压、电流信号和电网的电压、电流信号。这些通信、检测信号进行控制策略的运算与决策，对逆变器和锂电池组的充放电进行控制，实现整个风电场协调工作，进而实现***功能，并将与其相连接的各部件实时电压、电流、功率等信号值通过液晶彩屏组态显示。
综上所述，本发明为风电场储能设计了专用的一种基于储能电池的风电场储能***，有利于改善风电场并网时的性能表现，确保风电场发电并网的顺利接入。更有利于减少因风力间歇而导致地风电场与电网之间不必要的脱网、并网次数，延长风力发电机组的运行时间。
该储能***有利于风电场的风电机组的安全运行，平稳风电场的功率输出，在存在电压、频率波动、三相不平衡和瞬时电压跌落，甚至外部短路等非理想因素的电力***中，提高***的机械、电气设备寿命，保护机组免受因频繁制动刹车造成的机械与电气冲击。
该储能***有利于对风的紊流所造成的风电场输出功率波动进行平波，增加接入电网后的电网平稳运行。风电场对电网电压的影响主要有因风速变化、风机投切、风湍流等引起的电压波动和闪变，从而也对电网电压的稳定性产生影响，尤其是在较为薄弱的电网，将导致突然的瞬间电压跌落，致使电网电压波动以及风电机组的频繁掉线，从而造成更大的电压波动和电量损失。运用本发明的***，改善了风电场并网输出功率的稳定性，进而降低了风电场对电网的不良影响。
该储能***有利于改善风电场对弱电网输送电力的稳定性。风电场一般分布在距电力主***和负荷中心较远的偏远地区或沿海岛屿，与相对较为薄弱的电网相连，当风电场容量较小时，这些特性对电力***的影响并不显著，但随着风电场容量在***中所占比例的增加，风电场对***的影响就会越来越显著。运用本发明的***，改善了风电场对弱电网的冲击，这对于弱电网的稳定运行具有重要意义。
该储能***有利于保证电网的频率稳定性。风电场对电网频率的影响主要由风电场容量占***总容量的比例决定。当风电场容量较小时，其特性对电力***的影响并不显著，但随着风电场容量在***中所占比例的增加，风电场对***的影响越加显著。其输出功率的随机波动性对电网频率的影响也会比较显著，进而影响电网的电能质量和***中频率敏感负荷的正常工作。当电网出现发电与负荷供需不平衡而导致频率降低时，风电场储能***可以短时增加功率的输出以满足电网对有功功率的短时增加的需求，从而保证电网频率的稳定。
该***有利于增加风电场的执信度，改变风电场的不可调度性。由于风能的不可控性，因而不可能根据负荷的大小来对风力发电进行调度，给电网调度带来不小的压力。运用本发明的***，保障了风电场在一定功率范围内的可调度性，从而改善了风电场在电网中的执信度，增加了电网的安全运行。

Claims (8)

1.一种风电场储能调节***，其特征在于，该装置包括：
在风电场与并网变压器之间设置有一个风电机组，用于检测风力发电机的输出电压、电流信号和电网的电压、电流信号；风电机组的信号控制端连接有一个中央储能控制***；中央储能控制***通过CAN总线与一个锂电储能***和一个并网双向逆变器连接；锂电储能***通过并网双向逆变器并联在风电机组输出端与并网变压器的连接处；并网双向逆变器对风电机组的功率输出进行锁相、锁频和调幅；所述的中央储能控制***通过CAN通信方式与锂电储能***的电池管理***进行相互通信，接收来自风电机组检测所得的电压、电流信号和电网的电压、电流信号，并经控制策略的运算与决策，对并网双向逆变器和锂电储能***的锂电池组的充放电进行控制。
2.如权利要求1所述的储能调节***，其特征在于：所述的风电机组可以是多个，它们的功率输出端与并网双向逆变器的输出端并联；它们的信号控制端与中央储能控制***的信号输入端并联。
3.如权利要求1所述的储能调节***，其特征在于：所述的中央储能控制***通过CAN总线网络与上位工控机进行数据交换，向上位工控机传输***运行的电流、电压、功率、故障的状态及数据，在上位机界面上显示；上位工控机采用数据采集卡从CAN总线上读取所需数据，处理后进行储存或者显示；上述CAN信息标识符为11位。
4.如权利要求1所述的储能调节***，其特征在于：所述的储能电池组包括一个电源管理***，由多个电池子模块控制单元LECU和一个电池模块管理单元BMU构成；BMU通过Local_CAN网络与LECU进行通信，收集锂电池组的单体电池电压、温度和模块的充电状态数据，进行处理后，通过CANB总线与中央储能控制***ESS进行通信；同时根据电池组的状态通过Local_CAN网络向LECU发送数据同步、休眠、模块间均衡、以及循环寿命参数。
5.如权利要求4所述的储能调节***，其特征在于：所述储能电池组的BMU在电池组与并网逆变器连接前，对并网逆变器的高压电容进行预充电，BMU通过电流传感器、总电压传感器对电池组充放电电流及总电压进行采集，并根据锂电池组单体电压的判断，采用旁路放电控制LECU进行模块间均衡或者模块内均衡。
6.如权利要求4或5所述的储能调节***，其特征在于：所述的BMU具有不断电时钟，并针对***故障类型和发生时间、充放电容量，定时在EEPROM进行存储和清除。
7.如权利要求4所述的储能调节***，其特征在于：所述储能电池组的LECU为BMS***底层模块控制单元，直接对单体电池进行通信控制；其控制电源由BMU通过隔离变换方式提供；该LECU通过CAN总线与BMU进行通信，对蓄电池进行旁路放电，其CAN信息标识符为11位；每个LECU可以实现8个单体电压的测量，并具有8个温度传感器信号，实现对8个单体电池的温度采集。
8.如权利要求1或4所述的储能调节***，其特征在于：所述的中央储能控制***ESS由PLC***或是工控机***实现。
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