[发明专利]带冗余储能的风电能量转换系统及其应用模式与控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种带冗余储能的风电能量转换系统，适应于大规模集中并网的风电场和智能电（微）网中的分布式发电系统,尤其是电网容量较小或风电装机容量占电网总装机容量比例较大的区域。主要用于提高风电能量转换系统的可靠性和电能质量，并解决风电功率输出间歇性、波动性和可预测性差带来的电网不稳定性问题。

背景技术

随着社会能源需求的不断增长和环境问题的日益突出，寻求社会的可持续发展模式，充分利用可再生能源成为各国政府的重点任务。

风能在未来能源结构中将占有极其重要的位置。但风能具有间歇性和随机波动性的特点，风电机组装机容量和电网容量相比较小时可以利用电网控制与配网技术来保证电网安全稳定运行。在过去几年中，风力发电大规模迅速发展，且我国风力发电机组大多以大规模集中装机的形式开发，个别地区风电机组容量占电网装机容量的比例超过15%，对局部电网产生明显冲击，甚至发生了一系列严重事故。风电大规模集中装机的风力发电场和电网稳定性之间的矛盾日益突出，具体问题可以分为以下几方面：

1) 电力负荷峰谷差日益扩大，风电峰谷分布和电网负荷不一致，电网综合负载率偏低，系统调峰难度不断增大。

2）风电的功率具有波动性，且可预测性差，电网调频调度难度增大。国内已经出现因为风电功率波动超出了电网调峰能力范围而对风电采取拉闸限制的“弃风”现象。

3）我国风能资源最丰富的地区绝大部分远离负荷中心，处于电网末梢，电网建设相对薄弱，为保障电网稳定性需要增加投资配套建造一些火电厂，有违大力发展风电等清洁能源的初衷。

为了充分利用风电，提高风电机组的电能质量，解决电网接纳风电面临的问题，必须对风电机组的输出功率进行平滑，并提高机组的输出功率可预测性。目前风电机组很多具备动态功率控制功能，采用直接调节风电机组运行状态和功率可以在一定程度上抑制风电场的输出功率波动，但该方法无法实现最大风能利用且对功率调节能力有限。国外的研究机构已提出了多种储能方法来对风电场输出功率波动进行抑制，抽水蓄能、飞轮储能、压缩空气储能、超级电容储能、超导储能等储能设备既可抑制有功功率波动，又可调节无功功率，可以在很大程度上缓解风力发电的随机性和波动性问题。但抽水蓄能和压缩空气储能虽具有规模大、能量转换效率高、循环寿命长和运行费用低等优点，但需要特殊的地理条件，建设的局限性较大，且一次性投资费用也较高。飞轮储能、超级电容器、超导储能在蓄电容量和价格等方面的限制，不适用于风电场大规模储能场合。

发明内容

发明目的：本发明提供了一种带冗余储能的风电能量转换系统及其应用模式与控制方法，其目的是解决以往的风电场安全性低、可靠性低、输出功率不可预测和动态无功的支撑能力差的问题。

技术方案：本发明是通过以下技术方案来实现的：

带冗余储能的风电能量转换系统，包括：轮毂、变桨系统、叶片、底座、发电机、变流器、冗余储能电池、偏航系统、塔架，其特征在于：三支叶片安装于轮毂之上，变桨系统安装于轮毂之内并与叶片连接；塔架顶部通过偏航系统连接底座，底座上的发电机连接轮毂；发电机还连接至变流器和冗余储能电池。

发电机为高速发电机或低速发电机，当发电机为高速发电机时，该高速发电机通过齿轮箱和轮毂连接；当发电机为低速发电机时，该发电机和轮毂直接连接。   

当发电机为低速发电机时，轮毂和发电机转子直接通过法兰连接，发电机定子和底架连接。

冗余储能电池与变流器通过直流母线连接。

变流器为双向储能变流器，冗余储能电池经过双向储能变流器和交流母线连接。

如上所述的带冗余储能的风电能量转换系统的应用模式与控制方法，其特征在于：

    功率平滑模式及控制方法：

通过对冗余储能电池的功率P_ess的动态控制对发电机输出功率进行补偿，从而抑制风电能量转换系统的输出P_out的波动；

冗余储能功率补偿的控制目标                                                可以由风电场风功率预测系统给定，也可以通过对发电机输出功率进行惯性滤波得出，对发电机输出功率进行惯性滤波得出控制目标的方法为：

T为滤波的时间窗口，可以根据系统所在区域的风资源和电网具体情况确定，冗余储能电池输出的功率控制采用误差反馈控制，P_ess为：