專利名稱：一種兆瓦級風電蓄電池組合獨立電源系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種電源系統，特別是關于一種兆瓦級風電蓄電池組合獨立電源系統。
背景技術：
我國電網尚無法覆蓋全國各個區域，比如偏遠地區、海上油田平臺等，這是由于遠 距離輸電，不僅會造成很多電能損耗，大大提高成本，而且實現難度也很大。眾所周知，海上 和有些偏遠地區風資源豐富，如果能夠有效地利用風資源，建立一個獨立電源系統，則可以 很好地解決"孤島電網"供電難的問題。但是，由于風能的間歇性、波動性和不可控性等特 點，因此需要一個蓄電池儲能調節裝置來平衡風機風力的波動，以穩定獨立電源系統的輸 出電壓和頻率，提高電能質量。就目前已有的技術而言，千瓦級風力發電(下文簡稱風電) 蓄電池組合獨立電源系統已有廣泛應用，而兆瓦級風電蓄電池獨立電源系統現在還沒有， 而且從千瓦級到兆瓦級的風電獨立系統的電壓和頻率波動增大，系統的電壓和頻率穩定控 制面臨更大的挑戰，需要更加優越的控制方法和合理的系統結構來保證系統的穩定性。

發明內容
針對上述問題，本發明的目的是提供一種易于實現，節約成本，能夠輸出高質量電 能的兆瓦級風電蓄電池獨立電源系統。 為實現上述目的，本發明采取以下技術方案一種兆瓦級風電蓄電池組合獨立電 源系統，其特征在于，它包括若干組風電機組，其各輸出端并聯接入高壓主母線；一蓄電 池儲能調節系統，其包括若干充放電管理系統，每一所述充放電管理系統交流側并聯接入 所述公共母線上后，再接入所述高壓主母線；以及一系統主監控器，其通過若干CAN接口與 各所述充放電管理系統進行信息交互，并按照所述充放電管理系統的指令工作；若干組蓄 電池組，其與所述充放電管理系統一一對應，每一所述蓄電池組連接對應的所述充放電管 理系統的直流端，并在上、下限電壓值范圍內與所述高壓主母線和蓄電池儲能調節系統形 成的PCC點進行有功功率、無功功率的雙向調節，使所述PCC點的電壓和頻率穩定；一外部 備用電源，其在所述蓄電池儲能調節系統中的系統主監控器的控制下為所述高壓主母線供 電，使所述PCC點的電壓和頻率穩定；一卸載電荷，其在所述蓄電池儲能調節系統中的系統 主監控器的控制下消耗掉所述高壓主母線輸出的電能，使所述PCC點的電壓和頻率穩定； 若干變壓器，其分別連接在每一所述風電機組的輸出端，所述公共母線與所述高壓主母線 之間，以及所述高壓主母線與所述卸載電荷之間。 每一所述充放電管理系統包括一電壓源逆變器，其與所述PCC點之間進行有功 功率、無功功率雙向調節，使所述PCC點的電壓和頻率穩定；若干電能要素采樣器，采集所 述高壓主母線的實際電能要素，所述電壓源逆變器與變壓器之間的公共母線上的電能要 素，以及所述蓄電池組兩端的電壓；模數轉換模塊，將所述電能要素采樣器采集到的各種電 能要素轉換成數字信號；一 DSP核心控制器，其中預設置有所述PCC點電壓和頻率值，以及所述蓄電池組兩端的上、下限電壓值；所述DSP核心控制器根據所述模數轉換模塊輸入的 電能要素，控制所述PCC點電壓和頻率為預設值，同時判斷所述蓄電池組兩端的電壓值是 否超出了所述預設的上、下限電壓值，以控制所述電壓源逆變器和/或所述系統主監控器 的工作。 所述蓄電池組采用鈦酸鋰電池、鈉硫電池、液流電池、鋰電池和鉛酸電池中的一種 或多種。 當所述DSP核心控制器判斷出所述PCC點的實際電壓、頻率值均大于所述預設的 電壓、頻率值，且所述蓄電池組兩端的電壓值位于所述預設的上、下限電壓范圍內時，所述 電壓源逆變器吸收有功功率，使所述PCC點電壓、頻率穩定為預設值。 當所述DSP核心控制器判斷出所述PCC點的實際電壓、頻率值均大于所述預設的 電壓、頻率值，且所述蓄電池組兩端的電壓值與所述預設上限電壓值相等時，所述DSP核心 控制器通過所述系統主監控器控制卸載負荷消耗掉所述高壓主母線輸出的電能，使所述 PCC點電壓、頻率穩定為預設值。 當所述DSP核心控制器判斷出實際有功功率值小于預設的額定有功功率值，且所 述蓄電池組兩端的電壓值位于所述預設的上、下限電壓范圍內時，所述電壓源逆變器發出 有功功率，使PCC點的電壓和頻率穩定為預設值。 當所述DSP核心控制器判斷出實際有功功率值小于預設的額定有功功率值，且所 述蓄電池組兩端的電壓值位于所述預設的上、下限電壓范圍內時，所述電壓源逆變器發出 有功功率，同時所述DSP核心控制器通過所述系統主監控器啟動所述外部備用電源給所述 高壓主母線供電，使PCC點的電壓和頻率穩定為預設值。 當所述DSP核心控制器判斷出實際有功功率值小于所述預設的額定有功功率值， 且所述蓄電池組兩端的電壓值與所述預設的下限電壓值相等時，所述DSP核心控制器通過 所述系統主監控器啟動所述外部備用電源給所述高壓主母線供電，使PCC點的電壓和頻率 穩定為預設值。 還包括一上位機和一人機界面，所述上位機通過RS485接口與所述系統主監控器 進行信息交互，以對所述充放電管理系統進行遠程監測與控制，所述人機界面通過所述CAN 接口與所述系統主監控器進行信息交互，以對所述充放電管理系統進行人機對話、遠程控 制。 本發明由于采取以上技術方案，其具有以下優點1、由于本發明包括至少兩個與 蓄電池組相對應的充放電管理系統，且每一充放電管理系統采用了 DSP核心控制器，其中 預設置有一額定有功功率值和無功功率值，以及蓄電池組兩端的電壓的上、下限值，DSP核 心控制器根據模數轉換模塊輸入的電能要素，計算出高壓主母線的實際有功功率值和無功 功率值，并將實際有功功率值和無功功率值分別與預設的額定有功功率值和無功功率值進 行比較，同時判斷蓄電池組兩端的電壓值是否超出了預設的電壓上、下限，以通過電壓源逆 變器控制蓄電池組與PCC點之間進行有功功率、無功功率雙向交換，因此可以很容易地控 制了PCC點的頻率和電壓保持穩定，從而提高了電能的輸出質量，而且還適用于與兆瓦級 風電機組組成獨立電源系統。2、由于本發明的每一蓄電池組可以直接插入對應的充放電管 理系統的直流端，且每一充放電管理系統并聯接入一公共母線上，并分別通過一變壓器接 入高壓主母線，因此可以降低每個充放電管理系統的額定容量，便于實現。3、本發明的接線方式采用基于6-10kV交流母線連接的單母線放射式，各部分均通過公共母線并聯接入高 壓主母線，各負荷分別并聯接入高壓主母線，因此可以實現模塊化，便于系統擴容，易于集 中管理。4、由于本發明的蓄電池組的種類可以采用鈦酸鋰電池、鈉硫電池、液流電池、鋰電 池和鉛酸電池中的任一種或多種，因此易于實現。本發明易于實現，節約了成本，且適用與 兆瓦級風電機組組成獨立電源系統，適用于海上油田平臺和偏遠地區的供電。


圖1是本發明的結構示意圖 圖2是本發明中蓄電池儲能調節裝置的結構示意圖
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。 如圖1所示，本發明包括兆瓦級的若干風電機組1、若干蓄電池組2、若干蓄電池儲 能調節系統(Power Conditioning System, PCS) 3、一外部備用電源4、一卸載負荷5、多個 變壓器6和一高壓主母線7 (相當于電網)。考慮到風電機組1的容量較大、電力變換效率、 海上采油平臺的制約、維修方便和價格因素等特點，本發明的接線方式采用基于6-10kV交 流母線連接的單母線放射式，各部分均通過公共母線8并聯接入高壓主母線7，各負荷9分 別并聯接入高壓主母線7，優點是可實現模塊化，便于系統擴容，易于集中管理。蓄電池儲能 調節系統3與高壓主母線7連接的接點形成一 PCC點(Point ofcommon coupling,公共耦 合點)，PCC點的電壓和頻率值的穩定，保證負荷11用電的穩定。 本發明的風電機組1的組數是根據能量守恒原理，以負荷9需求計算得到。每一 風電機組1的輸出端連接一變壓器6，再并聯接入高壓主母線7，以將風電機組1輸出的波 動較大的電經過變壓器6初步穩壓后，輸送到高壓主母線7上。 本發明的蓄電池組2的組數的確定方法是首先根據充放電極限功率計算蓄電池 組2的最低功率，從而得到蓄電池組2的最小能量；再由實測小時風速得到外部備用電源4 發電量及本發明系統的總成本，最后按經濟性最優選取蓄電池模塊數量。另外，還可以根據 蓄電池組2持續帶載8小時的要求，篩選出本發明系統正常工作的風速區段，計算出在不投 入外部備用電源4的情況下，所需的最小蓄電池組2的組數。本實施例中，蓄電池組2的種 類可以采用鈦酸鋰電池、鈉硫電池、液流電池、鋰電池和鉛酸電池中的任一種或多種。
如圖2所示，本發明的蓄電池儲能調節系統3包括至少兩個充放電管理系統31、一 系統主監控器32和若干CAN接口 33。其中，充放電管理系統31與蓄電池組2 —一對應，每 一蓄電池組2接入對應的充放電管理系統31的直流端，并在充放電管理系統31的控制下 進行充放電。各充放電管理系統31分別通過一 CAN接口 33與系統主監控器32進行信息 交互，每一充放電管理系統31的交流側并聯接入公共母線8上，并分別通過一變壓器6接 入高壓主母線7(相當于電網)。 每一充放電管理系統31包括一電壓源逆變器311、若干電能要素采樣器312、模數 轉換模塊313和一 DSP核心控制器314。其中，電壓源逆變器311按照DSP核心控制器314 的指令，與PCC點之間進行有功功率、無功功率雙向交換，電壓源逆變器311吸收有功功率 時，即將高壓主母線7上剩余的電量存儲在蓄電池組2中；電壓源逆變器311發出有功功率時，即公蓄電池組2給高壓主母線7供電。電能要素采樣器312用于采集高壓主母線7的 實際電能要素，電壓源逆變器311與變壓器6之間的公共母線8上的電能要素，以及蓄電池 組2兩端的電壓Vdc，本實施例中，電能要素采樣器312采用的是電壓霍爾傳感器和電流霍 爾傳感器。電能要素通常包括電壓、頻率和電流。模數轉換模塊313將電能要素采樣器312 采集到的各種電能要素轉換成數字信號。DSP核心控制器314中預設置PCC點的電壓和頻 率值，以及蓄電池組2兩端的上、下限電壓值。DSP核心控制器314根據模數轉換模塊313 輸入的電能要素，控制PCC點的電壓和頻率穩定為預設值，同時判斷蓄電池組2兩端的電壓 值是否超出了預設的電壓上、下限，以控制電壓源逆變器311和/或系統主監控器32的工 作。 DSP核心控制器314控制系統主監控器32工作的情況是一旦判斷出蓄電池組2 兩端的電壓值大于預設的上限電壓值，則DSP核心控制器314通過系統主監控器32，控制卸 載負荷5消耗掉高壓主母線7輸出的電能，使PCC點的電壓和頻率穩定為預設值。若判斷 出蓄電池組2兩端的電壓值小于預設的下限電壓值，則DSP核心控制器314通過系統主監 控器32，控制外部備用電源4啟動，向高壓主母線7供電，使PCC點的電壓和頻率穩定為預 設值。 上述實施例中，本發明還包括一上位機IO，其通過RS485接口 11與系統主監控器 32進行信息交互，以對本發明進行遠程監測與控制。上位機10還包括一人機界面12，其通 過CAN接口 33與系統主監控器32進行信息交互，以對充放電管理系統31進行人機對話、 遠程控制等。 本發明對電能進行調節的工作如下 1)當DSP核心控制器314判斷出PCC點的實際電壓、頻率值均大于預設的PCC點 電壓、頻率值，且蓄電池組2兩端的電壓值位于預設的上、下限電壓范圍內時，電壓源逆變 器311吸收有功功率，即電壓源逆變器311將高壓主母線7中剩余的電能存儲在蓄電池組 2中，使PCC點電壓、頻率穩定為預設值。 2)當DSP核心控制器314判斷出PCC點的實際電壓、頻率值均大于預設的PCC點 電壓、頻率值，且蓄電池組2兩端的電壓值與預設上限電壓值相等時，DSP核心控制器314通 過系統主監控器2控制卸載負荷5消耗掉高壓主母線7輸出的電能，使PCC點電壓、頻率穩 定為預設值。 3)當DSP核心控制器314判斷出PCC點的實際電壓頻率值小于預設的PCC點電 壓、頻率值，且蓄電池組2兩端的電壓值位于預設的上、下限電壓范圍內時，電壓源逆變器 311發出有功功率，即電壓源逆變器311將蓄電池組2中存儲的電能通過公共母線8給高壓 主母線7供電，使PCC點電壓、頻率穩定為預設值。 4)當DSP核心控制器314判斷出PCC點的實際電壓頻率值小于預設的PCC點電 壓、頻率值，且蓄電池組2兩端的電壓值與預設的下限電壓值相等時，DSP核心控制器314通 過系統主監控器2啟動外部備用電源4給高壓主母線7供電，使PCC點電壓、頻率穩定為預 設值。 本發明通過與PCC點之間的有功功率、無功功率的雙向調節，即四象限運行。在本 發明與兆瓦級風電機組組成獨立電源系統出現擾動時，本發明可以在額定范圍內動態平衡 獨立電源系統的有功功率和無功功率，以控制PCC點的頻率和電壓穩定為預設值。
上述各實施例僅用于說明本發明，其中各部件的結構、連接方式都是可以有所變 化的，凡是在本發明技術方案的基礎上進行的等同變換和改進，均不應排除在本發明的保 護范圍之外。
權利要求
一種兆瓦級風電蓄電池組合獨立電源系統，其特征在于，它包括若干組風電機組，其各輸出端并聯接入高壓主母線；一蓄電池儲能調節系統，其包括若干充放電管理系統，每一所述充放電管理系統交流側并聯接入所述公共母線上后，再接入所述高壓主母線；以及一系統主監控器，其通過若干CAN接口與各所述充放電管理系統進行信息交互，并按照所述充放電管理系統的指令工作；若干組蓄電池組，其與所述充放電管理系統一一對應，每一所述蓄電池組連接對應的所述充放電管理系統的直流端，并在上、下限電壓值范圍內與所述高壓主母線和蓄電池儲能調節系統形成的PCC點進行有功功率、無功功率的雙向調節，使所述PCC點的電壓和頻率穩定；一外部備用電源，其在所述蓄電池儲能調節系統中的系統主監控器的控制下為所述高壓主母線供電，使所述PCC點的電壓和頻率穩定；一卸載電荷，其在所述蓄電池儲能調節系統中的系統主監控器的控制下消耗掉所述高壓主母線輸出的電能，使所述PCC點的電壓和頻率穩定；若干變壓器，其分別連接在每一所述風電機組的輸出端，所述公共母線與所述高壓主母線之間，以及所述高壓主母線與所述卸載電荷之間。
2. 如權利要求1所述的一種兆瓦級風電蓄電池組合獨立電源系統，其特征在于，每一所述充放電管理系統包括一電壓源逆變器，其與所述PCC點之間進行有功功率、無功功率雙向調節，使所述PCC 點的電壓和頻率穩定；若干電能要素采樣器，采集所述高壓主母線的實際電能要素，所述電壓源逆變器與變 壓器之間的公共母線上的電能要素，以及所述蓄電池組兩端的電壓；模數轉換模塊，將所述電能要素采樣器采集到的各種電能要素轉換成數字信號；一 DSP核心控制器，其中預設置有所述PCC點電壓和頻率值，以及所述蓄電池組兩端的 上、下限電壓值；所述DSP核心控制器根據所述模數轉換模塊輸入的電能要素，控制所述PCC點電壓和 頻率為預設值，同時判斷所述蓄電池組兩端的電壓值是否超出了所述預設的上、下限電壓 值，以控制所述電壓源逆變器和/或所述系統主監控器的工作。
3. 如權利要求1所述的一種兆瓦級風電蓄電池組合獨立電源系統，其特征在于所述 蓄電池組采用鈦酸鋰電池、鈉硫電池、液流電池、鋰電池和鉛酸電池中的一種或多種。
4. 如權利要求2所述的一種兆瓦級風電蓄電池組合獨立電源系統，其特征在于所述 蓄電池組采用鈦酸鋰電池、鈉硫電池、液流電池、鋰電池和鉛酸電池中的一種或多種。
5. 如權利要求1或2或3或4所述的一種兆瓦級風電蓄電池組合獨立電源系統，其特 征在于當所述DSP核心控制器判斷出所述PCC點的實際電壓、頻率值均大于所述預設的電 壓、頻率值，且所述蓄電池組兩端的電壓值位于所述預設的上、下限電壓范圍內時，所述電 壓源逆變器吸收有功功率，使所述PCC點電壓、頻率穩定為預設值。
6. 如權利要求1或2或3或4所述的一種兆瓦級風電蓄電池組合獨立電源系統，其特 征在于當所述DSP核心控制器判斷出所述PCC點的實際電壓、頻率值均大于所述預設的電 壓、頻率值，且所述蓄電池組兩端的電壓值與所述預設上限電壓值相等時，所述DSP核心控制器通過所述系統主監控器控制卸載負荷消耗掉所述高壓主母線輸出的電能，使所述PCC 點電壓、頻率穩定為預設值。
7. 如權利要求1或2或3或4所述的一種兆瓦級風電蓄電池組合獨立電源系統，其特 征在于當所述DSP核心控制器判斷出實際有功功率值小于預設的額定有功功率值，且所 述蓄電池組兩端的電壓值位于所述預設的上、下限電壓范圍內時，所述電壓源逆變器發出 有功功率，使PCC點的電壓和頻率穩定為預設值。
8. 如權利要求7所述的一種兆瓦級風電蓄電池組合獨立電源系統，其特征在于當所 述DSP核心控制器判斷出實際有功功率值小于預設的額定有功功率值，且所述蓄電池組兩 端的電壓值位于所述預設的上、下限電壓范圍內時，所述電壓源逆變器發出有功功率，同時 所述DSP核心控制器通過所述系統主監控器啟動所述外部備用電源給所述高壓主母線供 電，使PCC點的電壓和頻率穩定為預設值。
9. 如權利要求1或2或3或4所述的一種兆瓦級風電蓄電池組合獨立電源系統，其特 征在于當所述DSP核心控制器判斷出實際有功功率值小于所述預設的額定有功功率值， 且所述蓄電池組兩端的電壓值與所述預設的下限電壓值相等時，所述DSP核心控制器通過 所述系統主監控器啟動所述外部備用電源給所述高壓主母線供電，使PCC點的電壓和頻率 穩定為預設值。
10. 如權利要求1至9中任一項所述的一種兆瓦級風電蓄電池組合獨立電源系統，其特 征在于還包括一上位機和一人機界面，所述上位機通過RS485接口與所述系統主監控器 進行信息交互，以對所述充放電管理系統進行遠程監測與控制，所述人機界面通過所述CAN 接口與所述系統主監控器進行信息交互，以對所述充放電管理系統進行人機對話、遠程控 制。
全文摘要
本發明涉及一種兆瓦級風電蓄電池組合獨立電源系統，包括若干組風電機組，其各輸出端并聯接入高壓主母線；一蓄電池儲能調節系統包括若干充放電管理系統，每一充放電管理系統交流側并聯接入公共母線上后，再接入高壓主母線；以及一系統主監控器，其通過若干CAN接口與各充放電管理系統進行信息交互，并按照充放電管理系統的指令工作；若干組蓄電池組，每一蓄電池組連接對應的充放電管理系統的直流端，并在上、下限電壓值范圍內與高壓主母線和蓄電池儲能調節系統形成的PCC點進行有功功率、無功功率的雙向調節，使PCC點的電壓和頻率穩定；一外部備用電源，其在蓄電池儲能調節系統中的系統主監控器的控制下為高壓主母線供電，使PCC點的電壓和頻率穩定；一卸載電荷，其在蓄電池儲能調節系統中的系統主監控器的控制下消耗掉高壓主母線輸出的電能，使PCC點的電壓和頻率穩定。本發明易于實現，節約了成本，能夠輸出高質量電能，可以應用在海上油田平臺和偏遠地區供電。
文檔編號H02J7/00GK101794997SQ20101014229
公開日2010年8月4日 申請日期2010年4月2日 優先權日2010年4月2日
發明者尚景宏, 施剛, 曹云峰, 朱鵬, 李征, 林偉明, 羅銳, 蔡旭 申請人:中國海洋石油總公司;中海油新能源投資有限責任公司;上海交通大學