基于超级电容器和蓄电池混合储能的双馈风力发电机励磁系统技术方案

本发明专利技术属于风力发电电能质量控制技术领域，其特征在于：该系统包括转子侧变流器３、网侧变流器４，斩波器Ａ５、斩波器Ｂ７、超级电容器６、蓄电池８、双向开关、限流电阻Ｒ１及直流侧电容Ｃ；斩波器Ａ５、斩波器Ｂ７、超级电容器６、蓄电池８组成的混合储能装置并联在直流侧电容的两端。转子侧变流器３负责向风力发电机提供励磁功率，网侧变流器４负责与风机定子侧输出端交换功率，通过对斩波器Ａ５、Ｂ７的控制，精确控制蓄电池和超级电容器的充放电功率，补偿外界功率波动。本发明专利技术的效果和益处是风力发电机在风速频繁波动的情况下，发出稳定电能，提高风电场大规模并网运行的安全稳定性，此外该励磁系统还可广泛于海洋能发电：如波浪发电、潮汐发电中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于风力发电电能质量控制
，涉及到一种加入混合储能装置的双馈风力发电机励磁系统，特别涉及基于蓄电池与超级电容器混合储能系统的励磁变换器在 风电系统中的应用。
技术介绍
开发利用可再生能源为解决世界性能源与环境问题开辟了新的途径，对改善能源 结构，保证国民经济可持续发展具有重要的战略意义。风能是目前最具大规模开发利用潜 力的可再生能源，并且风力发电被认为是实现我国能源和电力可持续发展战略的最显示的 选择。 风电并网运行是实现风能大规模利用的有效方式，但由于风电场输出功率取决于 风速，因此风电功率具有不可控和不可预期性。电力系统电源通常是按发电曲线来计划发 电。但是，风力发电由于风能的随机性，如要最大利用风能，则造成风电功率不可控，从而增 加系统的备用容量。随着风力发电容量的快速增长，给电力系统安全稳定运行和调度管理 带来很大的困难。为了实现按计划曲线发电，同时最大限度地利用风能，需要精确地预测风 速以及风功率。以目前的研究成果，风速短期(小时)预测误差20%左右，使得按曲线运行 出现风功率过多或不足，造成系统热备用的浪费。 为了提高风能利用效率，目前风电机组一般都是按照最大风能捕获模式运行，使 风轮转速随风速的变化而变化，从而保证风轮的叶尖速比处于最优状态，提高风轮捕获风 能的效率，同时减少了风轮承受的应力。但在这种运行方式下，风速发生波动时，相应就会 带来风力发电机输出功率的波动。当电力系统中，接纳的风电机组容量超过一定比例时，风 电功率的波动将造成参与调频机组的运行成本增加，并且当功率波动超过电力系统调峰能 力范围时，还将进一步导致电力系统频率越限，严重威胁电力系统的安全运行；另外，风电 场多数位于电网末端，而且风电机组运行通常需要较强的无功支持，所以风电场输出功率 的波动还将造成风电场接入点电压的明显变化，这既影响了电力系统的供电质量，又影响 了风电场的功率送出，严重时还可能导致电压稳定破坏；此外，当风电场并网规模较大时， 若突然因风速过小造成风电场无法发出电能，此时风电场输出功率的突然下坡会给整个 并网系统带来灾难性的影响。因此，风电场输出功率的不可控是限制风电场并网规模的主 要因素。 目前世界各国风电场并网导则中都根据各国电网的实际情况对风电场的有功功 率变化提出了要求，并做出了相应的规定。电力系统每时每刻都要保持发电与用电的基本 平衡，保持系统频率的稳定。风电场输出功率的波动对系统的功率平衡、电能质量带来一定 的影响。针对我国现阶段的风电发展水平及电网的实际情况，我国在2006年颁布了有关的 国家标准和国家电网公司风电场接入电力系统技术规定。其中也对有功功率的变化做出了 具体要求电网故障或特殊运行方式下要求降低风电场有功功率，以防止输电线路发生过载，确保电力系统稳定性；当电网频率过高时，如果常规调频电厂容量不足，可降低风电场 有功功率；最大功率变化率包括lmin功率变化率和10min功率变化率，变化率与风电场的 装机容量有关。装机容量小于30丽时，10min最大变化量为20丽，lmin最大变化量为6丽， 装机容量为30-150MW时，10min最大变化量为装机容量/1. 5， lmin最大变化量为装机容量 /5，装机容量大于150丽时，10min最大变化量为IOO丽，lmin最大变化量为30丽。 现阶段，越来越多的专家学者倾向于采用储能技术来调控风电机组的功率输出， 通过储能系统快速吸收多余的能量和补偿功率的缺额，来响应功率的波动，从而实现了功 率的平稳输出。使风电场成为灵活可控的电源，提高现有电力系统规模下的风电场接纳能 力，推动风力发电的大规模发展。通过对风电机组的日常运行曲线分析可以得知，由于风速的影响，风力发电输出功率的波动大致分为3类1、瞬时大功率波动；2、长期功率波动；3、短时内的往复性频繁波动。因此，我们应当根据上述风电功率波动的特点，有针对性的选择 储能装置，从而实现对风电功率的平抑。当前风力发电系统中所应用的储能方式主要有蓄 电池储能、超导储能、超级电容器储能、飞轮储能、压縮空气储能、抽水蓄能等。其中超导储 能、压縮空气储能、抽水蓄能等储能方式对运行的物理条件及地理环境有比较苛刻的要求， 不便于广泛的应用。近年来以蓄电池为代表的电池技术和电力电子技术的发展促进了电池 储能系统在电力系统中的应用。可充电蓄电池如铅酸电池、镉镍电池、氢镍电池、锂离子电 池、NaS电池等，由于其能量可以随时进行双向流动(充电与放电)的特点，特别适用于风 电场输出功率的削峰填谷方面的应用，从而平抑风电场输出功率的波动。但该类蓄电池 同时也存在一些不足首先，由于风速波动是随机性的，因此风电功率的波动也具有间断性和不可预期性等特点，为了平抑波动就需要蓄电池进行频繁的充电放电的循环，这种小循 环的充放电会严重影响蓄电池的容量，大大减少蓄电池的使用寿命，增加了风电场的运行 成本。其次，蓄电池虽然具有较高的能量密度，但其功率密度较低，即瞬时平均功率值较低。 而风电场会常常出现较大的阵风，这会带来风电场输出功率的短时大范围的波动，为了保 证系统的正常运行，在实际设计过程中，需要配置容量较大的蓄电池组，以满足平抑尖峰功 率的需求，这也就带来了成本的提高。除此之外，蓄电池的使用过程中需要定期进行维护， 并且使用后残留金属会造成严重的环境污染。 超级电容器亦称双电层电容器是近年来出现的一种新型能源器件，之所以称之为 超级，是因为与常规电容器不同，其容量可达到法拉级甚至数千法拉。超级电容器填补了 电池和传统的物理电容之间的空白。由于不存在介质，系统为达到电化学的平衡，电荷在电 极和电解质的界面之间自发的分配形成阴阳离子的界面，从而达到保存能量的目的。它既 具有静电电容器的高放电功率优势又像电池一样具有较大电荷储存能力。此外，超级电容 器还具有容量配置灵活、易于实现模块化设计、循环使用寿命长、工作温度范围宽、环境友 好、免维护等优点，这些特性使其更适于苛刻的工作环境。近年来随着碳纳米技术的发展， 超级电容器的制造成本不断降低，而其功率密度和能量密度却不断提高，这些都将进一步 拓展并加快超级电容器在新型电力储能方面的应用。 在平抑风电功率波动的应用中，超级电容器具有两个突出的两个优点1、极高的 功率密度、可以短时间内进行大电流、高效率的充放电，这非常适合用于平抑风电场短时大 功率的波动。2、较长的循环使用寿命，由于超级电容器的充放电过程始终是物理过程，不存 在电化学反应，因此循环使用寿命较长。这一特点对于在风电场中平抑功率波动过程中常常需要储能装置进行小循环充放电来说是非常有利的。超级电容器的储能密度较低，对于 风电场中常常出现的功率长期波动来说，仅仅使用超级电容器进行功率的平抑则会大大提 高对超级电容器容量的要求，从而使设备过于庞大笨重，并且造价也高。 如果将超级电容器与蓄电池混合使用，使得蓄电池能量密度大与超级电容器功率 密度大，循环寿命长的特点相结合，将给储能系统的性能带来很大提高。超级电容器与蓄电 池混合使用，可以使得储能系统的负载适应能力(尤其是大功率脉动负载)有较大的提高， 改善蓄电池的循环使用寿命，提高储能系统的响应速度，縮小储能系统的体积，改善可靠性 和经济性。由超级电容器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于超级电容器和蓄电池混合储能的双馈风力发电机励磁系统，其特征在于：该系统包括转子侧变流器（３）、网侧变流器（４），斩波器Ａ（５）、斩波器Ｂ（７）、超级电容器（６）、蓄电池（８）、双向开关（９）（１０）、限流电阻Ｒ１及直流侧电容Ｃ；转子侧变流器（３）和网侧变流器（４）分别接在直流侧电容Ｃ的两侧，斩波器Ａ、斩波器Ｂ、超级电容器（６）、蓄电池（８）、限流电阻Ｒ１、功率开关管Ｇ１３、Ｇ１４、Ｇ１５、Ｇ１６、二极管Ｄ１３、Ｄ１４、Ｄ１５、Ｄ１６组成了混合储能装置，混合储能装置的出口即斩波器Ａ的高压侧并联在直流侧电容的两端。

【技术特征摘要】
一种基于超级电容器和蓄电池混合储能的双馈风力发电机励磁系统，其特征在于该系统包括转子侧变流器(3)、网侧变流器(4)，斩波器A(5)、斩波器B(7)、超级电容器(6)、蓄电池(8)、双向开关(9)(10)、限流电阻R1及直流侧电容C；转子侧变流器(3)和网侧变流器(4)分别接在直流侧电容C的两侧，斩波器A、斩波器B、超级电容器(6)、蓄电池(8)、限流电阻R1、功率开关管G13、G14、G15、G16、二极管D13、D14、D15、D16组成了混合储能装置，混合储能装置的出口即斩波器A的高压侧并联在直流侧电容的两端。2. 根据权利要求1所述的一种基于超级电容器和蓄电池混合储能的双馈风力发电机 励磁系统，其特征在于由蓄电池(8)和超级电容器(6)，及斩波器A(...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙辉，于芃，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：91[中国|大连]