专利名称：风电场热储能发电系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于一种能量储存及应用系统，主要用于风力发电场的电能储存。该系统将风电机组发出的电能转化为热能储存起来，需要时将热能转化为电能。
背景技术：
风力发电机组将风能转化为电能，但由于风电的随机性和间歇性，导致风电难于被电网消纳，尤其是风电装机规模不断加大，风电在电力系统装机比重不断增加的情况下，风电给电网安全、稳定、经济运行带来巨大挑战，在这种条件下，储能为风电消纳问题提供了解决方案。当前风电储能采用的技术方案有物理储能方案，包括抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能；电化学储能，包括铅酸、镍氢、镍镉、锂离子、钠硫和液流等电池储能；电磁储能，·包括超导、超级电容和高能密度电容储能等。抽水蓄能和压缩空气储能对储能项目的地形有限制，其它储能技术的储能容量小，技术不成熟，造价高。公开号为US2008022683 (Al)的美国专利 “Storing Thermal Energy andGenerating Electricity”同样介绍了一种热储能和发电系统,这种储能系统将全部风力发电和光伏发电转化为热能，缺点是能量循环利用效率低且热能发电环节使用化石燃料，产生温室气体排放。公开号为CN102200098A的专利“大型风力发电机储热储能方法及专用设备”同样介绍了一种风电储热方法，这种方法仅涉及储热材料和容器的介绍，缺少风电产生热能的方法和所储热能的循环利用。
发明内容为了克服现有抽水蓄能和压缩空气储能技术对风电储能应用有地形限制的缺点，也为了克服现有电池储能和电磁储能技术的储能容量小，技术不成熟和造价高的缺点，本实用新型提出了采用储热作为风电储能方式的技术，不仅储能容量大，而且应用方便、灵活，技术成熟，造价低廉。为实现本实用新型的目的，本实用新型提供了一种风电场热储能发电系统，所述风电场热储能发电系统主要包括风力发电机组(201)，变压器(213)，输电线路(214)，功率控制器(202)，电加热器(206)，高温储热罐(207)，低温储热罐(208)，预热加热器(217)，蒸汽发生器(209)，汽轮机(211)，发电机(212)，冷却器(215)，除氧器(216)以及泵(210);所述风力发电机组(201) —路与变压器(213)、输电线路(214)连接，将一部分电能由变压器和输电线路送入电网，另一路与功率控制器(202)连接，将其余电能送入功率控制器；功率控制器与电加热器(206)相连，并控制流入电加热器的电能；电加热器分别与低温储热罐(208)和高温储热罐(207)连接，把来自低温储热罐的储热介质加热，送入到高温储热罐；蒸汽发生器(209)分别与高温储热罐和低温储热罐连接，把来自高温储热罐的储热介质冷却，送回到低温储热罐，蒸汽发生器同时加热水，把水变为高温高压水蒸汽；蒸汽发生器与汽轮机(211)连接，高温高压水蒸汽进入汽轮机做功，推动汽轮机旋转，带动发电机(212)发电，将热能转化为电能，经过变压器和输电线路送入电网；做功后的水蒸汽被抽入冷却器(215)，冷凝为水，经过除氧器(216)去氧和预加热后，重新送入蒸汽发生器。根据本实用新型的一个实施例，所述风力发电机组依次与功率控制器、电加热器连接，功率控制器实时控制输入到电加热器的电功率。根据本实用新型的一个实施例，所述功率控制器和电加热器构成的支路与变压器支路构成并联结构，风电机组发出的电能可以全部输送入电网，也可以全部用于储能，也可以一部分输送电网，其余用于储能。 根据本实用新型的一个实施例，所述风电场热储能系统采用高温储热罐和低温储热罐2个储热容器，这2个储热罐内均配置预热加热器(217)，预热加热器的电能输入端与功率控制器连接。根据本实用新型的一个实施例，所述电加热器可以独立设置，也可以内置在高温储热罐内。根据本实用新型的一个实施例，所述功率控制器由交流功率控制器(203)和直流功率控制器(204)并联构成，也可以由交流功率控制器或直流功率控制器单独构成。根据本实用新型的一个实施例，所述交流功率控制器由反向并联的电力电子开关元件(301)构成，也可由双向电力电子开关元件构成；所述直流功率控制器由三相全桥全控换流器(401)连接直流电压控制器(402)构成；该三相全桥全控换流器拓扑结构可以采用多重化和多电平技术实现抑制谐波并增加换流器容量。根据本实用新型的一个实施例，所述三相全桥全控换流器的直流侧可以并联电容器或电池储能设备(205)，也可以不并联电容器或电池储能设备(205)。根据本实用新型的一个实施例，所述交流功率控制器(203)和直流功率控制器(204)由电力电子开关元件构成，这些开关元件可以是普通晶闸管SCR，可关断晶闸管GT0，电力晶体管GTR，电力场效应晶体管P-M0SFET，绝缘门极晶体管IGBT，注入增强门极晶体管IEGT, MOS控制晶闸管MCT，集成门极换流晶闸管IGCT，静电感应晶体管SIT，静电感应晶闸管SITH组成。本实用新型还提供了一种所述交流功率控制器的控制系统，所述控制系统主要由测量模块、控制模块和执行模块构成；所述测量模块测量风力发电机组发出的电压和电流；所述控制模块对所述测量模块的输出信号进行分析处理，交流功率控制器运行在功率跟踪模式，控制模块发出控制信号，使流过交流功率控制器的电流随风力发电机组发出的电流波动；执行模块将控制信号转换为控制电力电子开关元件导通或关断的脉冲信号，并将脉冲信号发送到电力电子开关元件。本实用新型还提供了一种所述直流功率控制器的控制系统，所述控制系统主要由测量模块、控制模块和执行模块构成；所述测量模块测量风力发电机组发出的电压，电流和三相全桥全控换流器直流侧电压；所述控制模块对所述测量模块的输出信号进行分析处理，三相全桥全控换流器运行在有功功率跟踪模式和无功控制模式，使流过直流功率控制器的电流随风力发电机组发出的电流波动，并控制换流器向电网提供动态无功补偿；直流电压控制器运行在直流电压模式，使直流电压保持稳定；执行模块将控制信号转换为控制电力电子开关元件导通或关断的脉冲信号，并将脉冲信号发送到电力电子开关元件。
图I是公开号为US2008022683(A1)的美国专利的拓扑结构图。图2是风电场热储能发电系统的拓扑结构图。图3是交流功率控制器的拓扑结构图。图4是直流功率控制器的拓扑结构图。图5是交流功率控制器的控制系统模块原理框图。图6是直流功率控制器的控制系统模块原理框图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的风电场热储能发电系统作进一步说明。图2是风电场热储能发电系统的拓扑结构图，系统主要元件有风力发电机组(201)，变压器(213)，输电线路(214)，功率控制器(202)，电加热器(206)，高温储热罐(207)，低温储热罐(208)，预热加热器(217)，蒸汽发生器(209)，汽轮机(211)，发电机(212)，冷却器(215)，除氧器(216)以及泵(210)。风力发电机组(201)将风能转化为电能，一部分电能通过变压器(213)和输电线路(214)送到电网，另一部分电能通过功率控制器(202)输送到电加热器(206)。功率控制器可以是交流功率控制器(203)，也可以是直流功率控制器(204)，也可以是二者的并联。交流功率控制器主电路由反向并联的电力电子开关元件(301)或双向电力电子元件构成，其控制系统由测量模块、控制模块和执行模块构成。测量模块测量风力发电机组发出的电压和电流，控制模块对电压和电流信号进行分析处理，交流功率控制器运行在功率跟踪模式，根据得到的风力发电机组输出瞬时有功功率，将该功率与电网调度的功率指令比较，二者的差值即为储能功率值，控制模块发出功率控制信号到执行模块，执行模块将控制信号转换为控制电力电子开关元件导通或关断的脉冲触发信号，并将该信号发送到电力电子开关元件。直流功率控制器主电路由三相全桥全控换流器(401)连接直流电压控制器(402)构成，三相全桥全控换流器的直流侧可以并联电容器、电池等储能设备，其控制系统由测量模块、控制模块和执行模块构成。测量模块测量风力发电机组发出的电压，电流和三相全桥全控换流器直流侧电压；控制模块对测量模块的输出信号进行分析处理，三相全桥全控换流器运行在有功功率跟踪模式和无功控制模式，根据得到的风力发电机组输出的瞬时有功功率，将有功功率与电网调度的功率指令比较，二者的差值即为储能功率值，根据得到的并网点的无功功率平衡情况，控制模块发出动态无功补偿指令，控制模块发出控制信号到三相全桥全控换流器的执行模块；直流电压控制器运行在直流电压模式，使直流电压保持稳定，控制模块发出控制信号到直流电压控制器的执行模块；执行模块将控制信号转换为控制电力电子开关元件导通或关断的脉冲信号，并将脉冲信号发送到电力电子开关元件。电加热器将多余的电能转化为热能，并把热量传递给储热介质，使液态储热介质的温度升高，成为高温储热介质，控制储热介质在电加热器内的流速就能调节储热介质的温度。[0035]泵(210)将高温储热介质送入到高温储热罐(207)，形成热能储存，当需要电能时，高温储热介质泵入蒸汽发生器(209)，把热量传递给水，变为低温储热介质，被泵回低温储热罐(208)。高、低温储热罐用来储存储热介质，并保持较高的绝热效率。在蒸汽发生器内，高温储热介质把热量传递给水，使水变为高温高压水蒸汽，储热介质温度降低，泵回低温储热罐，完成热量交换循环。高温高压水蒸汽导入到汽轮机(211)，经过膨胀做功，将热能转化为机械能，推动汽轮机旋转，带动同轴的发电机(212)发电，将热能转化为电能，经过变压器(213)和输电线路(214)送入电网。做功后的水蒸汽形成乏汽，冷却系统在汽轮机排气口将乏汽抽出，并经过冷却系统(215)的热交换将水蒸汽冷凝为水，除氧器(216)将水中的游离氧除去，并将水预热，重新进入蒸汽发生器进行热量交换。尽管为了完整和清晰的公开，参照特定实施方式对本实用新型进行了描述，但所·附权利要求并不受限于此，并且所附权利要求可被构造为体现所有完全落入本说明书中所阐明的基本教导内的所属技术领域技术人员可想到的修改和替代性结构。
权利要求1.一种风电场热储能发电系统，其特征在于，所述风电场热储能发电系统主要包括风力发电机组(201)，变压器(213)，输电线路(214)，功率控制器(202)，电加热器(206)，高温储热罐(207)，低温储热罐(208)，预热加热器(217)，蒸汽发生器(209)，汽轮机(211)，发电机(212)，冷却器(215)，除氧器(216)以及泵(210);所述风力发电机组(201) —路与变压器(213)、输电线路(214)连接，将一部分电能由变压器和输电线路送入电网，另一路与功率控制器(202)连接，将其余电能送入功率控制器；功率控制器与电加热器(206)相连，并控制流入电加热器的电能；电加热器分别与低温储热罐(208)和高温储热罐(207)连接，把来自低温储热罐的储热介质加热，送入到高温储热罐；蒸汽发生器(209)分别与高温储热罐和低温储热罐连接，把来自高温储热罐的储热介质冷却，送回到低温储热罐，蒸汽发生器加热水，把水变为高温高压水蒸汽；蒸汽发生器与汽轮机(211)连接，高温高压水蒸汽进入汽轮机做功，推动汽轮机旋转，带动发电机(212)发电，将热能转化为电能，经过变压器和输电线路送入电网；做功后的水蒸汽被抽入冷却器(215)，冷凝为水，经过除氧器(216)去氧和预加热后，重新送入蒸汽发生器。
2.如权利要求I所述的风电场热储能发电系统，其特征在于所述风力发电机组依次与功率控制器、电加热器连接，功率控制器实时控制输入到电加热器的电功率。·
3.如权利要求I所述的风电场热储能发电系统，其特征在于所述功率控制器和电加热器构成的支路与变压器支路构成并联结构，风电机组发出的电能可以全部输送入电网，也可以全部用于储能，也可以一部分输送电网，其余用于储能。
4.如权利要求I所述的风电场热储能发电系统，其特征在于所述风电场热储能系统采用高温储热罐(207)和低温储热罐(208) 2个储热容器，这2个储热罐内均配置预热加热器(217)，预热加热器的电能输入端与功率控制器连接。
5.如权利要求I所述的风电场热储能发电系统，其特征在于所述电加热器(206)可以独立设置，也可以内置在高温储热罐内。
6.如权利要求I所述的风电场热储能发电系统，其特征在于所述功率控制器由交流功率控制器(203)和直流功率控制器(204)并联构成，也可以由交流功率控制器或直流功率控制器单独构成。
7.如权利要求6所述的风电场热储能发电系统，其特征在于所述交流功率控制器由反向并联的电力电子开关元件(301)构成，也可由双向电力电子开关元件构成；所述直流功率控制器由三相全桥全控换流器(401)连接直流电压控制器(402)构成；该三相全桥全控换流器拓扑结构可以采用多重化和多电平技术实现抑制谐波并增加换流器容量。
8.如权利要求7所述的风电场热储能发电系统，其特征在于所述三相全桥全控换流器的直流侧可以并联电容器或电池储能设备(205)，也可以不并联电容器或电池储能设备(205)。
9.如权利要求6所述的风电场热储能发电系统，其特征在于所述交流功率控制器(203)和直流功率控制器(204)由电力电子开关元件构成，这些开关元件可以是普通晶闸管SCR，可关断晶闸管GTO，电力晶体管GTR，电力场效应晶体管P-MOSFET，绝缘门极晶体管IGBT，注入增强门极晶体管IEGT，MOS控制晶闸管MCT，集成门极换流晶闸管IGCT，静电感应晶体管SIT，静电感应晶闸管SITH组成。
专利摘要风电场热储能发电系统，将风力发电机组(201)分别与变压器(213)和功率控制器(202)连接，将一部分电能送入电网，其余电能送入功率控制器，功率控制器与电加热器(206)连接，实时调节电加热器的输入功率；电加热器分别与高温储热罐(207)、低温储热罐(208)和蒸汽发生器(209)连接，储热介质从电加热器吸收热量，温度升高后泵入高温储热罐进行能量储存，需要电能时，高温储热介质进入蒸汽发生器把水变为高温高压蒸汽，水蒸汽进入汽轮机(211)做功，推动汽轮机旋转，带动发电机组(212)发电。
文档编号H02J3/18GK202759240SQ201220039429
公开日2013年2月27日 申请日期2012年2月8日 优先权日2012年2月8日
发明者张勇 申请人:张勇