专利名称：基于中央控制系统的储能型风电场的制作方法
技术领域：
本发明属于电能转换技术以及电力电子技术领域，属于风电场控制领域，尤其涉及储能型风电场的控制装置。
背景技术：
风能等新能源发电固有的随机性、间歇性特征决定了其属于能量密度低、稳定性差、调节能力差的电能，发电量受天气及地域的影响较大，若直接将其全部电力并网，会对电网安全、稳定、经济运行以及电网的供电质量造成不利影响。当风电发电容量占电网容量超过一定比例后，对局部电网将产生明显冲击。风电的电网接入问题已成为制约风电产业发展的瓶颈问题，主要表现为以下三个方面(1)风电的随机性及不可控性给电力系统规划和稳定运行带来新的挑战；(2)风电功率的波动特性与电网负荷的波动特性难以一致，使电网的调峰问题更加突出，对调峰容量和响应速度都提出了更高的要求；(3)由于风速变化，风电机组容易引起电网电压和功率波动问题，以及由此带来的无功电压控制和电能质量问题。为了解决现存风力发电并网的问题，提高风力发电上网电能质量，从而提高电网安全性和稳定性，为风电场配备了储能装置，利用储能技术，从电源侧改善电能质量的角度出发，构成储能型风电场。现有的这种储能型风电场主要包括风力发电机、变压器、储能电池系统、电池管理系统(BMS)、能量转换系统(PCS)、决策层控制系统、环境监控单元等。但是，其构成较传统风电场复杂，储能系统的存在对控制的实时性、准确性、安全性都提出了更高要求。
发明内容
为了解决现有技术中存在的以上问题，实现风电场和储能系统的全集成一体化控制，本发明提出一种基于中央控制系统的储能型风电场。为了实现上述目的，本发明具体采用以下技术方案。一种基于中央控制系统的储能型风电场，包括风力发电机1、风机箱式变压器2、 主变压器3，所述风力发电机1依次通过风机箱式变压器2和/或主变压器3与交流电网4 连接；其特征在于所述储能型风电场还包括储能系统、储能系统继电保护装置(5)、中央控制系统 (8)、风功率预测系统(15)、能量管理系统EMS(ll)、电网调度接口 (9)；所述储能系统包括储能电池系统(12)、电池管理系统BMS(IO)、能量转换系统 PCS (13)、能量转换系统匹配变压器(14)；所述储能电池系统12通过能量转换系统(PCS) 13并经能量转换系统匹配变压器14、储能系统继电保护装置5连接至储能型风电场交流母线，通过所述能量转换系统 (PCS) 13实现储能电池系统12与储能型风电场交流母线间的能量转换、功率调节和控制；
所述电池管理系统(BMS) 10采集储能电池系统12的电压、电流、温度等状态信息并上传至中央控制系统8，所述中央控制系统8通过电池管理系统(BMS) 10实现对储能电池系统12的实时监测和控制；所述中央控制系统8还分别与风力发电机1、能量转换系统(PCS) 13、风功率预测系统15、能量管理系统(EMS) 11、电网调度接口 9进行信息交互，根据风力发电机1、风功率预测系统15上传的风力发电机状态信息和风功率预测值实施控制策略，并结合电池管理系统(BMS) 10上传的各储能单元电池系统充/放电状态信息和电池组参数，生成有功/无功调度命令下发至能量转换系统(PCS) 13，能量转换系统(PCS) 13通过控制功率器件通断实现对储能电池系统12的充放电控制。同时，中央控制系统监测电网及储能型风电场交流母线电压、频率状况，并根据储能系统设定的参考电压、电压调整率、功率因数等参数，在一定范围内自动调节无功功率的输出，达到抑制电网电压、频率波动的目的。并且，中央控制系统通过与电网调度接口 9的互联，实现电网调度中心对储能型风电场的直接调度。本发明具有如下的突出的有益效果1、该发明通过构建储能型风电场的中央控制系统，解决了储能型风电场系统规模庞大、网络结构复杂(环型网络、总线型网络等多种形式并存)、控制难度大的问题，在DCS、 PLC、SIS和SCADA等监控系统的基础上，储能型风电场中央控制系统综合覆盖了过程控制、 电气控制、逻辑控制等监控方向，对各子系统运行参数进行优化设置，根据要求自动或手动发出控制指令，实现了高效安全的储能型风电场全集成一体化控制。2、中央控制系统在已成功应用于大型火力发电厂SIS中的实时历史数据库的基础上，配备针对储能型风电场所需的海量实时历史数据库，为上层应用以及风电场运行期的海量数据保存与挖掘应用提供有力保证。3、基于中央控制系统构的储能型风电场风实现了功率预测功能、能量管理功能、 电网直接调度功能和全风场低电压穿越功能，能有效增强风电机组的低电压穿越能力、增大电力系统的风电穿透功率极限、改善电能质量及优化系统的经济性，以便配合电网公司提高风电上网接纳能力，优先调度风电，增加风能利用。
图1储能型风电场总体结构；图2中央控制系统网络结构图；图中标号名称为1风力发电机；2风机箱式变压器；3主变压器；4电网；5储能系统继电保护装置；6电网调度中心；7环境监控单元；8中央控制系统；9电网调度接口 ；10 电池管理系统(BMS) ；11能量管理系统(EMS) ；12储能电池系统；13能量转换系统；14能量转换系统匹配变压器；15风功率预测系统；16数值天气预报。
具体实施例方式如图1所示，一种基于中央控制系统的储能型风电场，包括传统风电场的风力发电机1、风机箱式变压器2、主变压器3等所有要件。基于中央控制系统的储能型风电场在传统风电场的基础上主要增加了储能电池系统12、电池管理系统(BMS) 10、能量转换系统 (PCS) 13、中央控制系统8、风功率预测系统15、能量管理系统(EMS)ll、电网调度接口 9 ；
储能电池系统12由电池管理系统(BMS) 10实时监测、控制。电池管理系统(BMS) 10 通过高压管理、通讯、热管理、充放电管理、单体电池均衡管理、电池容量SOC计算、峰值功率预测、数据采集及存储、故障诊断等功能，实时监测各单体电池状态，监测电池充放电电流，并将上述信息上传至中央控制系统8 ；储能电池系统12通过能量转换系统(PCS) 13并经能量转换系统匹配变压器14、储能系统继电保护装置5连接至储能型风电场交流母线，通过能量转换系统(PCS) 13实现储能电池系统12与储能型风电场交流母线间的能量储存、释放和快速功率交换。能量转换系统(PCS) 13主要实现以下功能双向功率变换，即将储能电池系统12直流电逆变成三相交流电并网或把三相交流电整流成直流对储能电池系统12充电；功率调节和控制，控制模式包括以中央控制系统8设定的有功、无功输出功率值为参考的能量转换系统(PCS) 13功率输出动态调节模式、根据能量转换系统(PCQ 13输出交流电频率设定值吸收或发出有功功率以调节储能型风电场交流母线频率的调频模式、根据交流母线电压水平向储能型风电场交流母线注入感性或容性无功功率的电压控制模式、从系统解列后保持运行的孤岛运行模式等ο中央控制系统8还分别与风力发电机1、能量转换系统(PCS) 13、风功率预测系统 15、能量管理系统(EMS) 11、电网调度接口 9进行信息交互，中央控制系统8实现上述各设备的协调与调度功能。根据风力发电机1、风功率预测系统15上传的风力发电机状态信息和风功率预测值实施控制策略，并结合电池管理系统(BMS) 10上传的各储能单元电池系统充 /放电状态信息和电池组参数，生成有功/无功调度命令下发至能量转换系统(PCQ 13，能量转换系统(PCS) 13通过控制功率器件通断实现对储能电池系统12的充放电控制。同时， 中央控制系统监测电网和交流母线电压、频率状况，并根据储能系统设定的参考电压、电压调整率、功率因数等参数，在一定范围内自动调节无功功率的输出，达到抑制电网电压、频率波动的目的。并且，中央控制系统通过与电网调度接口 9的互联，实现电网调度中心对储能型风电场的直接调度。所述储能型风电场还包括环境监控单元7，其输出信息发送至所述中央控制系统 8，实现对储能型风电场的环境监测。储能型风电场中央控制系统网络结构如图2所示。风力发电机主控系统信息、电网状态信息、电网调度中心接口信息、电池管理系统信息、能量转换系统(PCS)信息、通过 PTU接入中央控制系统，能量管理系统、风功率预测系统功能作为高级应用通过应用服务器实现。中央控制系统8是整个风电场的控制中枢，中央控制系统8将传统风电场的自动化监控系统全部纳入，风功率预测系统15、能量管理系统11等作为高级应用子系统接在中央控制系统8主干网络上。储能型风电场在上述系统构成的基础上通过中央控制系统实现风功率预测功能、 能量管理功能、电网直接调度功能和全风场低电压穿越功能。风功率预测系统利用当前气象预报数据、历史观测气象数据、实际测量数据，综合风电场地形、地表植被及粗糙度、周围障碍物等信息，通过集成了物理模型、时间序列模型及智能模型的综合预测方法，对风电场风功率情况进行预测，得到风电出力，使得风力发电机1控制更精确，能大幅降低电网备用容量，降低发电成本，便于电网安排发电计划，使电网调度运行更加经济合理。能量管理系统利用储能系统的快速响应能力及充放电状态的快速切换能力，实现抑制分钟级的风电场输出功率短期波动功能、平滑风电场的有功功率输出；构建储能系统与风力发电出力的互补机制，配合发电计划，弥补电网发电计划与风电场实际发电量之间的缺口。基于中央控制系统8的储能型风电场设立了电网调度接口，并配合直接调度技术，实现电网对储能型风电场的直接调度模式。为了提高电网运行的可靠性，基于中央控制系统的储能型风电场具备低电压穿越能力，在电网电压出现异常跌落时不立即脱网，起到支撑电网的作用。装置具备一定的耐受电压异常的能力，当检测到电网电压跌落到一定门槛时，或立即停止蓄电池放电，以防止过多能量注入，保护能量转换系统(PCS) 13的安全；或立即停止对电池的充电过程，以防电网故障时仍从电网吸收有功；控制交流侧实时追踪电网电压情况，在自身允许的范围内向电网注入连续稳定的期望大小的无功电流，以协助电网电压恢复，减小电网电压崩溃的可能；而一旦电网电压恢复，能在极短的时间内恢复到故障前的正常工作状态。此外，还有一台PCS匹配变压器14，实现风电场内部母线到能量转换系统(PCS) 13 输入的电压等级匹配。环境监控单元7是储能型风电场的重要辅助单元，环境条件对于电池的寿命影响很大，电池的安全运行也需要一定的环境条件保证，为保证储能系统的长期安全稳定运行，需要控制储能系统环境温度在合理范围内。这里以本发明的实施例为中心展开了详细的说明，所描述的优选方式或某些特性的具体体现，应当理解为本说明书仅仅是通过给出实施例的方式来描述本发明，实际上在组成、构造和使用的某些细节上会有所变化，包括部件的组合和组配，这些变形和应用都应该属于本发明的范围内。
权利要求
1.一种基于中央控制系统的储能型风电场，包括风力发电机(1)、风机箱式变压器 O)、主变压器(3)，所述风力发电机(1)依次通过风机箱式变压器( 和/或主变压器(3) 与交流电网(4)连接；其特征在于所述储能型风电场还包括储能系统、储能系统继电保护装置(5)、中央控制系统(8)、 风功率预测系统(15)、能量管理系统EMS(Il)、电网调度接口 (9)；所述储能系统包括储能电池系统(12)、电池管理系统BMS(IO)、能量转换系统 PCS (13)、能量转换系统匹配变压器(14)；所述储能电池系统(1 依次通过能量转换系统PCS(13)、能量转换系统匹配变压器 (14)、储能系统继电保护装置(5)连接至储能型风电场交流母线，通过所述能量转换系统 PCS(13)实现储能电池系统(12)与储能型风电场交流母线间的能量转换、功率调节和控制；所述电池管理系统BMS(IO)采集储能电池系统(12)的电压、电流、温度等状态信息并上传至中央控制系统(8)，所述中央控制系统(8)通过电池管理系统BMS(10)实现对储能电池系统(12)的实时监测和控制；所述中央控制系统(8)还分别与风力发电机(1)、能量转换系统PCS(13)、风功率预测系统(15)、能量管理系统EMS11、电网调度接口(9)进行信息交互，根据风力发电机(1)、风功率预测系统(15)上传的风力发电机状态信息和风功率预测值实施控制策略，并结合电池管理系统BMS (10)上传的所述储能电池系统的状态信息，生成有功/无功调度命令下发至能量转换系统PCS (13)，能量转换系统PCS (13)通过控制功率器件通断实现对储能电池系统(12)的充放电控制；中央控制系统(8)监测交流电网及储能型风电场交流母线电压、频率状况，并根据储能系统设定的参考电压、电压调整率、功率因数参数，在一定范围内自动调节无功功率的输出，达到抑制电网电压、频率波动的目的；中央控制系统(8)通过与电网调度接口(9)的互联，实现电网调度中心对储能型风电场的直接调度。
2.根据权利要求1所述的基于中央控制系统的储能型风电场，其特征在于所述风功率预测系统(15)和能量管理系统EMS(Il)作为高级应用子系统接在中央控制系统⑶主干网络上。
3.根据权利要求1所述的基于中央控制系统的储能型风电场，其特征在于所述电池管理系统BMS(IO)实现储能电池系统(12)的充放电管理、单体电池均衡管理、电池容量SOC计算、峰值功率预测、数据采集及存储、故障诊断，实时监测各单体电池状态，监测电池充放电电流。
4.根据权利要求1所述的基于中央控制系统的储能型风电场，其特征在于所述能量转换系统PCS(13)能够实现储能电池系统(12)与储能型风电场交流母线间的双向能量转换，即将储能电池系统(1 直流电逆变成三相交流电并网或把三相交流电整流成直流对储能电池系统(1 充电。
5.根据权利要求1或4所述的基于中央控制系统的储能型风电场，其特征在于所述能量转换系统PCS(13)通过控制储能电池系统(12)充/放电所实现的功率调节和控制模式包括以中央控制系统设定的有功、无功输出功率值为参考的能量转换系统PCS(13)功率输出动态调节模式、根据能量转换系统PCS(U)输出交流电频率设定值吸收或发出有功功率以调节系统频率的调频模式、根据交流母线电压水平向储能型风电场交流母线注入感性或容性无功功率的电压控制模式、从系统解列后保持运行的孤岛运行模式。
6.根据权利要求1所述的基于中央控制系统的储能型风电场，其特征在于 所述储能型风电场还包括环境监控单元(7)，其输出信息发送至所述中央控制系统 (8)，实现对储能型风电场的环境监测。
全文摘要
本发明涉及配置储能系统的风力发电场控制技术领域，提出基于中央控制系统的储能型风电场。本发明在传统风电场的基础上增加储能系统，并通过中央控制系统将储能电池系统的监控、能量转换系统的监控、全场风机的监控、升压站的监控、全场箱式变压器的监控全部融为一体，并设立了电网调度接口，实现储能型风电场的全集成一体化控制。并在中央控制系统平台上实现了功率预测功能、能量管理功能、电网直接调度功能和全风场低电压穿越功能，解决了现存风力发电并网的问题，提升风力发电上网电能质量，并提高了储能型风力发电场的控制实时性、准确性和安全性。
文档编号H02J15/00GK102496948SQ20111044589
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月28日 优先权日2011年12月28日
发明者余康, 吴国荣, 李志强, 裴丽娜, 赵计生, 黄哲, 黄振江 申请人:北京华电天仁电力控制技术有限公司