一种高空风能的并网发电系统的制作方法

本实用新型涉及高空风能发电领域，具体涉及一种高空风能的并网发电系统。

背景技术：

风能是一种清洁的可再生能源，而高空中蕴藏的风能超过人类社会总需能源的100多倍。高空风能具有风速大、平均能量密度高、地域分布广、稳定性高、常年不断等特点。目前，对高空风能的利用主要是通过在高空中采集风能，将风能转化为机械能，最后将机械能转换为电能或其它形式的能量。现有利用高空风能进行发电的方式主要有两种：一种是将发电机悬置于高空中，如安装有固定涡轮的飞艇、高空风力发电机；另一种是将发电机设置在地面，如高空风筝型发电系统和伞型风力发电系统。

现有技术中，高空风能发电的底面发电机组包括动力卷扬机、容绳卷扬机和下行电机。高空风筝型发电装置和伞型风力发电装置通过缆绳与地面发电机组中的动力卷扬机连接，由高空风筝型发电装置和伞型风力装置上行时通过缆绳带动动力卷扬机转动，将风能转化为电能。对于高空风筝型发电系统/伞型风力发电系统，在实际发电过程中，由于缆绳的长度有限，风筝/做功伞不可能一直处于上升做功状态，因此，高空风筝型发电系统/伞型风力系统在发电过程中，风筝/做功伞是不断地上升、下降的，而当需要收回风筝/做功伞时，目前的技术多是设置一个电机(下行电机)带动动力卷扬机反转将风筝/做功伞拉下来的，如此，大大增加了地面发电机组结构的复杂程度，增加了占用空间，对于地面发电机组的布局和线路布置也增加难度。明显地，高空风筝型发电系统/伞型风力系统的发电过程是一个间歇式的发电过程，而且其不发电时通常需要耗费一定的电量。同时，由于风力发电还具有一定的随机性，因此，高空风能发电接入到电网中对于电网的安全稳定会带来较大的隐患。

现在技术中虽然也公开了一些风力发电的并网发电装置，但是这些并网发电装置适用的是低空的风能发电，多是直驱式和双馈式风力发电系统，其发电过程与风力大小和是否有风密切相关，且其发电过程并不涉及为发电系统供电的情况，因此并不适用于发电机设置在地面的高空风能发电系统。

技术实现要素：

本实用新型旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷(不足)，提供一种结构更精简、并网稳定性和安全性更高的高空风能的并网发电系统。

本实用新型采取的技术方案是，一种高空风能的并网发电系统，包括至少一台电动发电一体机，所述电动发电一体机通过双向ac/dc逆变单元与直流母线连接，所述直流母线通过dc/ac逆变单元与电网连接，所述直流母线还连接有储能单元。其中，在本申请中，电网指的是交流电网。

本方案提供了一种适用于高空风能发电的并网发电系统，其中，所述电动发电一体机既可作为发电机进行发电，也能作为电机进行驱动。当作为发电机发电时，其所发电量通过双向ac/dc逆变单元由交流电转为直流电输送至直流母线；当作为电动机驱动时，则双向ac/dc逆变单元从直流母线获取电能(直流电)转换成交流电，驱动电动发电一体机。本方案无需在发电机之外再另外设置一个电机，有效精简了高空风能发电系统中地面发电机组的结构，且大大简化了系统的电路的线路布置。

同时，本方案还设置有储能单元与直流母线相连，当直流母线上电压过高时，直流母线能够为储能单元充电，当直流母线的电压过低时，则储能单元输出为直流母线供电，如此能够有效稳定直流母线的电压，降低系统发电功率的变化率，提高高空风能发电的并网的电能质量，使得能大大提高高空风能发电并网的安全性和稳定性。在实际使用中，可以是储能单元直接向直流母线供电，为电动发电一体机提供驱动的电能，如此能够实现在电网断电时仍能够将风筝/做功伞拉下来。

作为一种优选的方案，所述并网发电系统还包括动力卷扬机、容绳卷扬机以及缆绳，所述动力卷扬机与所述电动发电一体机连接；所述缆绳一端连接有风筝/做功伞，另一端在所述动力卷扬机的卷筒上绕卷若干圈后，收卷于所述容绳卷扬机中；所述缆绳带动所述动力卷扬机的卷筒转动，从而带动所述电动发电一体机发电。

本方案中，电动发电一体机与动力卷扬机连接，当风筝/做功伞上升做功时，缆绳带动动力卷扬机的卷筒转动，动力卷扬机带动电动发电一体机发电，其发电的电能通过双向ac/dc逆变单元输送至直流母线上；当风筝/做功伞需要收回时，电动发电一体机通过双向ac/dc逆变单元从直流母线上获取电能驱动动力卷扬机反转，卷绕缆绳将风筝/做功伞拉下收回。

作为一种优选的方案，所述双向ac/dc逆变单元连接有至少两台所述电动发电一体机。

作为一种优选的方案，所述双向ac/dc逆变单元为带变频功能的逆变单元，既能逆变并网，又能控制所述电动发电一体机。

作为一种优选的方案，为了保护双向ac/dc逆变单元的元件不会因瞬间的充电电流损坏，所述双向ac/dc逆变单元与所述直流母线之间还设有直流预充开关。

作为一种优选的方案，所述dc/ac逆变单元为afe整流逆变器。相对于传统的二极管或可控制硅整流技术，afe整流逆变器不再是被动地将交流转变成直流，而是具备了很多主动的控制功能。它不仅能消除高次谐波，提高功率因数，而且不受电网波动的影响，具有卓越的动态特性。由于afe整流逆变器能够实现双向逆变，因此本方案还具有在电网用电低谷时，将电网的电存储到储能单元的功能。

作为一种优选的方案，为了达到较高的逆变效率，所述直流母线的电压控制在800～1000v。优选地，所述直流母线的电压控制在900～1000v。

作为一种优选的方案，还包括控制模块，所述控制模块分别与双向ac/dc逆变单元、直流母线、储能单元连接。在本方案中，控制模块根据风筝/做功伞的做功状态控制双向ac/dc逆变单元的电流电压，如此来控制电动发电一体机的工作状态(作为发电机进行发电或作为电机进行驱动)。另外，控制模块能够获取直流母线的电压情况，根据直流母线的电压情况来控制储能单元是充电还是放电，如此来稳定直流母线的电压。

作为一种优选的方案，所述储能单元包括双向dc/dc变流单元和储能电池，所述双向dc/dc变流单元分别与所述直流母线和所述储能电池连接。其中，所述控制模块与所述双向dc/dc变流单元连接。

作为一种优选的方案，所述储能电池为可深度充放电且能快速切换充放电过程的储能电池。选用可深度充放电、并可快速切换充放电过程的储能电池，补充了高空风能的随机性、不稳定性以及需要向电动发电一体机供电的特性，能有效应对电网的极端恶劣情况。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：本实用新型提供了一种高空风能的并网发电系统，通过利用电动发电一体机与直流母线结合，解决了现有技术中需要另外设置电机造成的地面发电系统结构复杂的问题，有效精简了系统的结构，并简化了系统的电路布置。同时，直流母线还连接有储能单元，储能单元通过不断的充放电能够有效稳定直流母线的电压，降低系统发电功率的变化率，提高高空风能发电的并网的电能质量，使得能大大提高高空风能发电并网的安全性和稳定性。本实用新型结构紧凑，布局合理，安全稳定地将高空风能转化成电能并输送至电网，具有非常大的实际意义。

附图说明

图1为实施例中高空风能的并网发电系统的结构示意图。

具体实施方式

本实用新型附图仅用于示例性说明，不能理解为对本实用新型的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例

如图1所示，本实施例提供了一种高空风能的并网发电系统，包括电动发电一体机1，电动发电一体机1通过双向ac/dc逆变单元2与直流母线4连接，其中双向ac/dc逆变单元2与直流母线4之间还设有直流预充开关3。直流母线4通过双向dc/dc变流单元5与储能电池6连接。

在本实施例中，直流母线4通过afe整流逆变器7与电网8连接。在实际应用中，afe整流逆变器7还可以采用其他类型的dc/ac逆变单元代替。在本实施例中，电动发电一体机1采用的是湘潭电机xe128-1000，电压等级690v，在实际应用中也可以采用其他满足条件的型号。

其中，本实施例还包括动力卷扬机、容绳卷扬机以及缆绳，动力卷扬机与电动发电一体机1连接；缆绳一端连接有风筝/做功伞，另一端在动力卷扬机的卷筒上绕卷若干圈后，收卷于容绳卷扬机中。当风筝/做功伞上升做功时，缆绳带动动力卷扬机的卷筒转动，动力卷扬机带动电动发电一体机1发电，其发电的电能通过双向ac/dc逆变单元2输送至直流母线4上；当风筝/做功伞需要收回时，电动发电一体机1通过双向ac/dc逆变单元2从直流母线4上获取电能以驱动动力卷扬机反转，卷绕缆绳将风筝/做功伞拉下收回。

在本实施例中，双向ac/dc逆变单元2为带变频功能的逆变单元；直流母线4的电压恒定为930v；储能电池6为可深度充放电且能快速切换充放电过程的储能电池。

其中，在图1中示出的是每个双向ac/dc逆变单元2只与一台电动发电一体机1连接，在实际应用中，可以是每个双向ac/dc逆变单元2与多台电动发电一体机1连接。

本实施例还包括控制模块，控制模块分别与双向ac/dc逆变单元2、直流母线4、双向dc/dc变流单元5连接。

高空风能发电属于风力发电，具有随机性和不可控性，同时还具有特性——需要消耗电能将风筝/做功伞收回，为了简化系统并提高高空风能发电的并网的电能质量，本实施例提供的方案中采用了电动发电一体机与直流母线结合的方式，无需再设置电机将风筝/做功伞收回，即能够实现高空风能的发电和收回风筝/做功伞。同时，直流母线上连接有储能单元，当直流母线上电压过高时，直流母线能够为储能单元充电，当直流母线的电压过低时，则储能单元输出为直流母线供电，如此能够有效稳定直流母线的电压，降低系统发电功率的变化率，提高高空风能发电的并网的电能质量，使得能大大提高高空风能发电并网的安全性和稳定性。在实际使用中，也可以是储能单元通过双向dc/dc变流单元向直流母线供电，为电动发电一体机提供驱动的电能；在本系统中储能单元还可以向电网供电。

在本实施例中，直流母线afe整流逆变器既可作为整流器工作，也可作用逆变器工作，在实际的工作过程中，当储能单元也无法维持直流母线的恒定电压时，电网可以输送电能通过afe整流逆变器转换成直流电为直流母线提供电能。当电网在用电低谷时，还能够将电网的电存储到储能单元中。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型技术方案所作的举例，而并非是对本实用新型的具体实施方式的限定。凡在本实用新型权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。