专利名称：离网型组合蓄能风力发电系统及其运行和配置方法
技术领域：
本发明是一种完全依赖风能为用户提供长期稳定不间断供电的离网型风力 发电系统及其运行和配置方法，该系统的风能利用率高、动态性能好、零排放、 无污染，且运行效率高、成本较低，它属于新能源发电技术领域，特别是利用可 再生能源进行发电的装置和技术。
背景技术：
随着能源危机的日益严重和人们环保意识的逐渐增强，可再生能源的开发利 用己成为当今世界的趋势和热点。风力发电技术是目前人们掌握得最为成熟、最 有市场竞争力的可再生能源发电技术之一。其中离网型风力发电系统一般应用于 常规电网覆盖不到且风能比较丰富的地方(如偏僻的海岛、分散的乡村)等解决 用户的供电问题。风力发电的特点是，风能随机变化，忽大忽小，且风电机组的 风能转换为电能的效率相对风速成非线性变化，使得风力发电系统发出的电能波 动剧烈。而用户端对于电能的需求也是时变的，并且和风力发电产生的电能严重 不匹配。离网型风力发电系统必须借助储能装置缓冲并消除这种失配的影响，即 在风力发电产生的电能充足时，电能除了满足用户需求，多余的电能将转换为其 他方式的能量存贮于储能装置中；在风力发电产生电能不足时，储能装置中的能 量将转换为电能供应给用户。目前大多数的风电系统采用单一的蓄电池作为储能 装置。但蓄电池虽然充放电效率较高、负荷跟随动态特性好，但其能量密度低、 自漏电率较高，无法单独担负起长期储能缓冲作用，系统无法实现独立自治运行 (即仅依靠风能且保证不间断供电)若选用大容量蓄电池，则系统不仅成本高 且体积庞大，且由于自漏电的原因，系统仍无法长期稳定地供电；若蓄电池容量 不够，则系统或为防止蓄电池过放电而不得不中断供电，或为防止蓄电池过充电 而采用泻荷装置放电，白白浪费电能，使风能利用效率降低。为改善常规离网风 电系统供电的可靠性，目前常采用风力-柴油混合发电或风光互补混合发电。然虽可实现不间断供电，但采用柴油发电装置会增加系 统成本，且燃油消耗一方面增加了运营成本，另一方面会带来污染和噪音；由于 风和太阳辐射的随机波动均很大，利用风光之间的互补性虽然可以减缓系统电能 波动的影响，但并不足以保证系统不间断供电。而且这些系统仍需使用泻荷装置。 因此，研制开发风能利用率高、动态特性好，能够完全独立自治运行、成本较低 且零排放的新型离网型风力发电系统， 一直是该领域技术人员追求的目标。发明内容技术问题本发明所要解决的技术问题是提出一种离网型组合蓄能风力发电 系统，通过组合蓄能缓冲方式消除不稳定、间歇的风能与变化的用户负荷之间的 严重不匹配，既取消了泻荷装置，又不需要添加柴油等辅助发电装置，使得离网 式风力发电系统完全依赖风能为用户提供长期、稳定、不间断的电力供应，是一 种利用风能实现独立自治运行、零排放、无污染、风能利用率高的系统。针对该 系统的优化运行和配置方案，使系统运行效率高、动态特性好，降低了系统的成 本、体积和重量。技术方案本发明离网型组合蓄能风力发电系统是这样实现的该发电系统包括风力发电机组、蓄电池、电解氢装置、氢气容器、燃料电池、 系统监控制装置、动力母线、其他蓄能方式、第一功率变换器、第二功率变换器、 第三功率变换器、第四功率变换器、第五功率变换器、第六功率变换器；其中风 力发电机组的输出端接第一功率变换器，第一功率变换器的输出端通过动力母线 分别接第一功率变换器、第二功率变换器、第三功率变换器、第四功率变换器、 第五功率变换器，第三功率变换器接蓄电池，第四功率变换器接其他蓄能方式， 第五功率变换器接电解氢装置，电解氢装置的氢气输出通过氢气容器接燃料电 池，燃料电池通过第六功率变换器输出至动力母线，第二功率变换器的输出端接 用户负荷。所述的风力发电机组所用的电机为交流电机或直流电机，动力母线为 直流母线或交流母线。所述的蓄电池所用的电池为铅酸电池、或镍氢电池、或锂 电池等，其他蓄能方式为超级电容、或超导储能装置、或飞轮装置等。所述的氢 气容器为压力容器罐、或金属氢化物储氢罐、或液化氢绝热容器等，氢气容器除 了设有接口连接燃料电池供给氢气，还有设有接口用于释放氢气用作燃料之用。离网型组合蓄能风力发电系统的运行方法，该发电系统按照如下运行的模式工 作，即任一时刻功率总是尽量沿着能量传输效率最高的路径流动1) 风电机组通过第一功率变换器的输出端发出功率Pw;2) 监控装置检测获取功率P 、用户负荷P,。ad和蓄电池的充电状态，按照以 下规则来确定装置的功率分配当P》P一时，Pw将分配出与P^d相同大小的功率直接经动力母线通过第二功 率变换器送往用户；若蓄电池和或其他蓄能方式未充满电，则多余的功率Pf Plrad 将优先通过第三功率变换器用于蓄电池和或通过第四功率变换器用于其他蓄能 方式的充电；若蓄电池和或其他蓄能方式已充满电，则多余的功率Pw-Py将通 过第五功率变换器送往电解氢装置将水电解成氢气存贮于氢气容器中；当Pw〈P^时，P"每全部直接经动力母线通过第二功率变换器送往用户；若蓄 电池和或其他蓄能方式电力足够，则不足的功率Pw-P,一将优先由蓄电池通过第 三功率变换器和或由其他蓄能方式通过第四功率变换器放电提供；若蓄电池和或其他蓄能方式电力不足，则不足的功率Pw-Pu将由燃料电池利用氢气容器中的 氢气发电并通过第六功率变换器提供的Pk来朴充。离网型组合蓄能风力发电系统的配置方法，该发电系统采用的蓄能方式由蓄 电池、由电解氢装置、氢气容器、燃料电池组成的氢能蓄能方式、以及其他蓄能 方式相组合而成，蓄电池容量取值为 一般取用户负荷一天至数天的电能需求量； 氢气容器的容量选取值为 一般取用户负荷数月至一两年的电能需求量；电解氢 装置的额定功率取值小于等于风电机组的额定功率值；燃料电池的额定功率取值 大于等于用户负荷平均值功率值；其他蓄能方式用于取代蓄电池，或作为蓄电池 的附加，其他蓄能方式与蓄电池的容量之和一般取用户负荷一天至数天的电能需 求量。该发电系统采用两种蓄能方式组合蓄能蓄电池蓄能方式以及由电解氢装 置、氢气容器、燃料电池组成的氢能蓄能方式；或另采用两种蓄能方式组合蓄能 其他蓄能方式以及由电解氢装置、氢气容器、燃料电池组成的氢能蓄能方式；或 釆用多种蓄能方式组合蓄能蓄电池蓄能方式、由电解氢装置、氢气容器、燃料 电池组成的氢能蓄能方式、以及其他蓄能方式。有益效果本发明所提供的离网型风力发电系统及其运行和配置方法的有益效果主要有1、 完全依赖风力发电为用户提供不间断的长期稳定的电力供应，而不需要 添加柴油发电等装置，免除了燃油等运行成本并消除了由燃油燃烧带来 的污染和排放；2、 去除了泄荷装置，提高了系统对风能的利用率；3、 组合蓄能方式的运行和配置方法，保证了系统能完全自治运行，提高了 系统运行效率以及对负载功率变化的动态响应，降低了系统总体的成本、 体积和重量。4、 除了供应用户电力，还可用于生产清洁的燃料氢气，供氢能源动力车辆、 燃烧加热等多用途。
图1是本发明离网型组合蓄能风力发电系统的组成图， 图2是采用离网型组合蓄能风力发电系统的示意图，其中有风力发电机组l，蓄电池2，电解氢装置3、氢气容器4和燃料电 池5，系统监控装置6，动力母线7，其他蓄能方式8，第一功率变换装置9、第 二功率变换装置IO、第三功率变换装置ll、第四功率变换装置12、第五功率变 换装置13、第六功率变换装置14。
具体实施方式
离网型组合蓄能风力发电系统包括风力发电机组1、蓄电池2、电解氢装置 3、氢气容器4、燃料电池5、系统监控制装置6、动力母线7、其他蓄能方式8、 第一功率变换器9、第二功率变换器10、第三功率变换器ll、第四功率变换器 12、第五功率变换器13、第六功率变换器14;其中风力发电机组1的输出端接 第一功率变换器9，第一功率变换器9的输出端通过动力母线7分别接第一功率 变换器9、第二功率变换器IO、第三功率变换器ll、第四功率变换器12、第五 功率变换器13，第三功率变换器11接蓄电池2，第四功率变换器12接其他蓄能 方式8，第五功率变换器13接电解氢装置3，电解氢装置3的氢气输出通过氢气 容器4接燃料电池5，燃料电池5通过第六功率变换器14输出至动力母线7，第二功率变换器10的输出端接用户负荷。所述的风力发电机组1所用的电机为交流电机或直流电机，动力母线7为直流母线或交流母线。所述的蓄电池2所用的 电池为铅酸电池、或镍氢电池、或锂电池等，其他蓄能方式为超级电容、或超导 储能装置、或飞轮装置等。所述的氢气容器4为压力容器罐、或金属氢化物储氢 罐、或液化氢绝热容器等，氢气容器4除了设有接口连接燃料电池5供给氢气， 还有设有接口用于释放氢气用作燃料之用。本发明所涉及的离网型组合蓄能风力发电系统的采用的运行方式如下图1 所示的风力发电系统采用了两种或多种优势互补的蓄能方式相组合取代了单一 的蓄能方式，即用能量密度低、效率较高、负载跟随动态响应较快的小容量蓄电 池2和或其他蓄能方式8进行短时动态蓄能缓冲，同时采用电解氢装置3、大容 量氢气容器4和负载跟随动态响应较慢的燃料电池5来生产、存贮和利用能量密 度高、易长期贮存的氢气以迸行长期的蓄能缓冲。该系统工作时，风力发电机组 l将风能转换电能，电能将送往用户端供应电力。当风电机组发出的电能Pw超出 用户需要P一时，多余的电能将优先由小容量的蓄电池2和或其他蓄能方式8存 储起来，在蓄电池2和或其他蓄能方式8充满电至设定的上限值后，蓄电池2 和或其他蓄能方式8停止充电，而多余的电能将由电解氢装置3转化为氢气在大 容量的氢气容器4中存储起来；而在系统风力发电产生的电能Pw低于用户需要 P^时，将首先由蓄电池2和或其他蓄能方式8释放出电能补足电能的不足，在 蓄电池2和或其他蓄能方式8放电至设定的底线值后，燃料电池5将开启将氢气容器4中的氢气转换为一定功率电能Pn:以补足系统供电不足，此时系统中的剩余的电能瞬时波动仍由蓄电池2和或其他蓄能方式8吸收缓冲。这样通过以上两 种或多种蓄能方式相组合就完全消除了风能与用户负荷之间的短期和长期的不 匹配，系统仅依赖风力发电就可以给用户提供长期稳定不间断的电力供应，不仅 取消了泄荷装置，大大提高了系统对风能的利用率，而且不需要柴油发电装置，实现了系统零排放。由于将P"专送到用户的路径优先顺序依次为用户负载〉蓄 电池〉电解水制氢，而这些路径的能量传输效率由高至低的顺序依次为用户负 载〉蓄电池〉电解水制氢，即任一时刻功率总是尽量沿着能量传输效率最高的路径 流动，因而上述运行方式为运行效率最优方式。离网型组合蓄能风力发电系统的组合蓄能的配置方法为小容量的蓄电池2蓄能方式与大容量的电解氢蓄能方式组合。其中蓄电池2用于短时动态蓄能缓 冲，其充放电效率高、负载跟随动态响应较快，但能量密度低、自漏电率较高， 其容量选取得小，容量大小的选择取决于风能Pw与用户负荷P^的失配情况，失 配严重时，蓄电池2的容量应选取大一些的值，反之其容量应选得小一些， 一般 取值用户负荷一天至数天的电能需求量。而系统中的电解氢装置3、氢气容器4 和燃料电池5构成长期的转换效率较低的蓄能缓冲方式，由于氢气的能量密度 高、易长期存贮无泄漏，且压力氢气容器成本低，氢气容器4的容量选取得大， 一般应能满足数月至一两年的用户负荷的电能需求，容量的具体大小取决于风能 和用户负载不匹配的严重程度以及用户对氢燃料的需求量的大小等；电解氢装置 3主要用于吸收风电机组发出电能的功率波动，其输入功率等级一般与风电机组 1发出电能的功率值相匹配，风电机组1的功率等级越大则电解氢装置3的输入 功率等级选取得越大；而负荷跟随动态响应较慢的燃料电池5主要用于补足用户 负荷的不足，其输出功率等级一般与系统用户负荷功率平均值相匹配，负荷平均 值越大则其输出功率等级选取得越大，反之亦然。以上这样的两种蓄能方式的优 化设计和组合使得系统既能够利用蓄电池动态响应快的优点消除短期和瞬时的 能量失配，又能够利用电解氢能量密度高、易长期存贮无泄漏的特点以较低的成 本和体积等长期存储和利用大容量的能量消除长期的能量供需失配，这保证了系 统能完全自治运行，并且能降低系统总体的成本、体积和重量，系统运行效率较 高。对于部分负荷波动剧烈的用户，由于蓄电池的放电速率所限，系统可用超级 电容等其他蓄能方式8替代蓄电池2，或增添超级电容等其他蓄能方式8用作为 蓄电池2的补充蓄能方式，用于短时动态蓄能，其功率密度高。其他蓄能方式8 和蓄电池2的容量之和一般取值用户负荷一天至数天的电能需求量，其他蓄能方 式8的应用提高了系统对负载功率变化的动态响应速率。以一台采用交流发电机、直流母线以及交流用户负荷的离网型组合蓄能风力 发电系统为例，其拓扑结构如图2所示，系统主要有以下部分组成采用交流电 机的风力发电机组l，蓄电池2，电解氢装置3、氢气容器4，燃料电池5，系统 监控制装置6直流母线7、 AC/DC功率变换装置8、 DC/AC功率变换装置9, DC/DC 功率变换。系统采用两种蓄能方式进行组合蓄能小容量的蓄电池2用作小容量 的短时动态蓄能缓冲，电解氢装置3、大容量氢气容器4和燃料电池5用作大容 量的长期蓄能缓冲。该系统工作时，风力发电机组l将风能转换电能Pw，电能将送往直流母线7。当风电机组发出的电能超出用户需要P^时，多余的电能将优 先由小容量的蓄电池2存储起来，在蓄电池2充满电至设定的上限值后，蓄电池 2停止充电，而多余的电能将由电解氢装置转化为氢气在大容量的氢气容器4中 存储起来；而在系统风力发电产生的电能PJ氏于用户需要Py时，将首先由蓄电 池2释放出电能补足电能的不足，在蓄电池2放电至设定的底线值后，开启燃料 电池5将氢气容器4中的氢气转换为一定功率电能Ppc以补足系统供电不足，此 时系统中的剩余的电能瞬时波动仍由蓄电池2吸收缓冲。以上的系统工作状态的 监测和功率流向的控制由系统监控装置6实现。这样通过以上两种蓄能方式相组 合就完全消除了风能与用户负荷之间的短期和长期的不匹配，系统仅依赖风力发 电就可以给用户提供长期稳定不间断的电力供应。在系统设置设计方面，蓄电池 2的容量选取得较小,氢气容器4的容量选取得大，电解氢装置3的功率等级一 般与风电机组1发出电能的功率值相匹配，燃料电池的输出功率等级的功率等级 一般与系统用户负荷的功率平均值相匹配。上述方式的运行和配置保证了系统能 完全自治运行，并使得系统的成本较低、运行效率高、动态响应好。本发明在离网型风力发电系统中采用两种或多种优势互补的短期蓄能方式 与长期储能方式相组合取代单一的蓄能方式，消除了系统不稳定、间歇的风能与 变化的用户符合之间的严重不匹配的问题，既取消了泻荷装置，又不需要添加柴 油等辅助发电装置，使得离网式风力发电系统完全依赖风能为用户提供长期、稳 定、不间断的电力供应，并且零排放、无污染、风能利用率高。此外针对该系统 提出了系统的优化运行与配置方案，使得系统动态响应好、运行效率高、成本低、 体积小、重量轻。
权利要求
1.一种离网型组合蓄能风力发电系统，其特征在于该发电系统包括风力发电机组(1)、蓄电池(2)、电解氢装置(3)、氢气容器(4)、燃料电池(5)、系统监控制装置(6)、动力母线(7)、其他蓄能方式(8)、第一功率变换器(9)、第二功率变换器(10)、第三功率变换器(11)、第四功率变换器(12)、第五功率变换器(13)、第六功率变换器(14)；其中风力发电机组(1)的输出端接第一功率变换器(9)，第一功率变换器(9)的输出端通过动力母线(7)分别接第一功率变换器(9)、第二功率变换器(10)、第三功率变换器(11)、第四功率变换器(12)、第五功率变换器(13)，第三功率变换器(11)接蓄电池(2)，第四功率变换器(12)接其他蓄能方式(8)，第五功率变换器(13)接电解氢装置(3)，电解氢装置(3)的氢气输出通过氢气容器(4)接燃料电池(5)，燃料电池(5)通过第六功率变换器(14)输出至动力母线(7)，第二功率变换器(10)的输出端接用户负荷。
2. 根据权利要求1所述的离网型组合蓄能风力发电系统，其特征在于所述的 风力发电机组(1)所用的电机为交流电机或直流电机，动力母线(7)为直流母 线或交流母线。
3. 根据权利要求1所述的离网型组合蓄能风力发电系统，其特征在于所述的 蓄电池(2)所用的电池为铅酸电池、或镍氢电池、或锂电池等，其他蓄能方式 为超级电容、或超导储能装置、或飞轮装置等。
4. 根据权利要求1所述的离网型组合蓄能风力发电系统，其特征在于所述的 氢气容器(4)为压力容器罐、或金属氢化物储氢罐、或液化氢绝热容器等，氢 气容器(4)除了设有接口连接燃料电池(5)供给氢气，还有设有接口用于释放 氢气用作燃料之用。
5. —种适用于离网型组合蓄能风力发电系统的运行方法，其特征在于该发 电系统按照如下运行的模式工作，即任一时刻功率总是尽量沿着能量传输效率最 高的路径流动1) 风力发电机组(1)通过第一功率变换器(9)的输出端发出功率Pw;2) 系统监控装置(6)检测获取功率Pw、用户负荷P^和蓄电池(2)的充电状态，按照以下规则来确定装置的功率分配当P》P一时，Ps将分配出与P,。ad相同大小的功率直接经动力母线(7)通过 第二功率变换器(10)送往用户；若蓄电池(2)和或其他蓄能方式(8)未充满 电，则多余的功率P广P^将优先通过第二功率变换器(10)用于蓄电池(2)和或通过第四功率变换器(12)用于其他蓄能方式(8)的充电；若蓄电池(2)和 或其他蓄能方式(8)已充满电，则多余的功率Pw-P^将通过第五功率变换器(13) 送往电解氢装置(3)将水电解成氢气存贮于氢气容器(4)中；当P^Pi。ad时，Pw将全部直接经动力母线(7)通过第二功率变换器(10)送 往用户；若蓄电池(2)和或其他蓄能方式(8)电力足够，则不足的功率P*-PlMd 将优先由蓄电池(2)通过第二功率变换器(10)和或由其他蓄能方式(8)通过 第四功率变换器(12)放电提供；若蓄电池(2)和或其他蓄能方式(8)电力不 足，则不足的功率PfP—将由燃料电池(5)利用氢气容器(4)中的氢气发电 并通过第六功率变换器提供的P^来补充。
6. —种适用于离网型组合蓄能风力发电系统的配置方法，其特征在于该发 电系统采用的蓄能方式由蓄电池(2)、由电解氢装置(3)、氢气容器(4)、燃料 电池(5)组成的氢能蓄能方式、以及其他蓄能方式(8)相组合而成，容量取值 为 一般取用户负荷一天至数天的电能需求量；氢气容器(4)的容量选取值为 一般取用户负荷数月至一两年的电能需求量；电解氢装置(3)的额定功率取值 小于等于风电机组(1)的额定功率值；燃料电池(5)的额定功率取值大于等于 用户负荷平均值功率值；其他蓄能方式(8)用于取代蓄电池(2)，或作为蓄电 池(2)的附加，其他蓄能方式(8)与蓄电池(2)的容量之和一般取用户负荷 一天至数天的电能需求量。
7. 根据权利要求6所述的离网型组合蓄能风力发电系统的配置方法，其特征 在于该发电系统采用两种蓄能方式组合蓄能蓄电池(2)蓄能方式以及由电解 氢装置(3)、氢气容器(4)、燃料电池(5)组成的氢能蓄能方式；或另采用两种 蓄能方式组合蓄能其他蓄能方式(8)以及由电解氢装置(3)、氢气容器(4)、燃料电池(5)组成的氢能蓄能方式；或采用多种蓄能方式组合蓄能蓄电池(2)蓄能方式、由电解氢装置(3)、氢气容器(4)、燃料电池(5)组成的氢能蓄能方 式、和其他蓄能方式(8)蓄能方式。
全文摘要
离网型组合蓄能风力发电系统是采用两种或多种优势互补的蓄能方式相组合来缓冲风能与用户负荷需求之间的不匹配，使得该系统仅依赖风能为用户提供长期、稳定、不间断的电力供应，并且零排放、无污染、风能利用率高。此外针对该系统提出了优化运行与配置方案，使得系统动态响应好、运行效率高、成本低、体积小、重量轻。该系统主要由风力发电机组1，蓄电池2，电解氢装置3，氢气容器4，燃料电池5，功率变换装置，动力母线7以及系统监控制装置6，以及可选的其他蓄能方式8组成。
文档编号H02J7/34GK101330227SQ200810020849
公开日2008年12月24日 申请日期2008年7月29日 优先权日2008年7月29日
发明者卢闻州, 周克亮, 菁 宋, 王利娜, 明 程 申请人:东南大学