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突破大力发展风电瓶颈的方法及其供电系统

摘要

本发明的突破大力发展风电瓶颈的方法及其供电系统,主要是将风电场内的各台风力发电机的输出电压经DC/DC变换成电压相同的直流电压,再相互并联成该风电场的独立的风电网,由该风电网直接为高耗能负载供电;或由该风电网为主、市电网为辅共同为高耗能负载供电;或将风电网经DC/AC逆变器与市电网并网后为高耗能负载供电。因为风电技术已是成熟技术,只需克服现有的传统观念,将风电独立建成风电网,即可不再受并网比例的限制而能大力发展,是一种既能大力发展风电,又能将对电网的不利影响降到最低的切实可行的突破风电瓶颈的最佳途径。可使中国政府承诺的2020年单位GDP碳排放将比2005年减少40%-45%的目标早日实现,为全球温室气体减排提供切实可行的有效措施。

著录项

  • 公开/公告号CN101741083A

    专利类型发明专利

  • 公开/公告日2010-06-16

    原文格式PDF

  • 申请/专利权人 江苏省信息化研究中心;

    申请/专利号CN200910264109.5

  • 发明设计人 顾为东;

    申请日2009-12-30

  • 分类号H02J1/00(20060101);H02J3/38(20060101);

  • 代理机构32206 南京众联专利代理有限公司;

  • 代理人周新亚

  • 地址 210013 江苏省南京市北京西路70号9幢108室

  • 入库时间 2023-12-18 00:27:04

法律信息

  • 法律状态公告日

    法律状态信息

    法律状态

  • 2019-12-20

    未缴年费专利权终止 IPC(主分类):H02J1/00 授权公告日:20111214 终止日期:20181230 申请日:20091230

    专利权的终止

  • 2011-12-14

    授权

    授权

  • 2010-09-01

    实质审查的生效 IPC(主分类):H02J1/00 申请日:20091230

    实质审查的生效

  • 2010-06-16

    公开

    公开

说明书

技术领域

本发明涉及一种有利于迅速减少温室气体排放,大力发展风电的方法,特别是能突破大力发展风电瓶颈的方法,属于供电或配电领域。

背景技术

当今,全球气候变化受到了世界各国的普遍关注。从最新的温室气体排放增加速度来看,到本世纪末地球气候将有6~7℃的严酷升温,远超出2℃的地球生态警戒线。经济高速增长的中国,2008年二氧化碳排放量为71.2亿吨,约占世界排放总量316亿吨的1/4,超过美国是世界上最大的温室气体排放国。在哥本哈根气候会议召开前夕,中国政府承诺2020年单位GDP碳排放将比2005年减少40%-45%,未来将面临巨大的二氧化碳减排压力。

风能作为一种最廉价、最方便、最清洁的绿色环保的可再生能源,提供了一种重要的可替代煤炭来发电的能源,在二氧化碳减排方面有很大潜力。中国拥有丰富的风能资源,据测算中国陆上每年可开发风能资源在24.7PWh左右,约为目前全国用电量的7倍。中国也把发展风能作为二氧化碳减排的一个重要途径。根据中国的风能分布特点,中国已经规划了内蒙古、甘肃和江苏等七个千万千瓦级风电建设基地,构建以七大超千万千瓦级的风电基地为核心的“人”字型风电产业空间布局。

根据中国电力联合会披露的数据,我国的风电总装机容量在2008年就已达1221万千瓦,成为世界上第4个超过1000万千瓦的风电大国,目前又有5个千万千瓦级的风电基地正在积极筹建或开工建设,如果建成将会使我国的风电装机容量远超6000万千瓦,随着风电场的新建扩建,我国的风电设备的生产能力迅速提高,整机制造厂已经超过70家,年产量超过100台单机容量为1.5兆瓦大型风机的企业已经超过4家,由上可见,风电事业正以其节能减排的可再生的绿色能源为特征而迅猛发展,这原本是一个天赐良机,但由于现有大规模风电的使用方式都是将国家电网(简称电网或市电网)作负载,即:将风电与市电并网是目前世界上大规模风电场的唯一应用方式。风能的利用主要按照“风轮—发电机—电网—用户(负载)”这个路线来进行,使电网成为风电的负载,而风电就只能通过与电网并网后才能向用户供电。为了能将风电与市电并网,各风电场对符合国家电网于2009年7月30日发布的《风电场接入电网技术规定》要求的风电才有可能与电网并网,同时,由于风电的输出功率受制于风速的变化,具有与风速同步的间歇性和波动性,与电网并网运行时会对电网运行和电网质量带来诸多不利影响,所以还要求并网风电总量在没有水电、燃气发电等调峰时不得超过电网总量的8%。低于8%的比例就是严重限制风电发展的最主要瓶颈。所以在2009年下半年国家发改委根据风电并网的现实,作出了不得已而为之的风电产能过剩和限制风电设备生产的决定,使风能资源不能发挥应有的作用。

另外,风电上网对风力机提出了满足电网稳频、稳压和稳相位的要求,为了使风电满足并网要求,需要风力机输出的风电进行稳频、稳压和稳相位处理,由此大幅度增加了风力机制造成本和风电价格,使风电大规模应用受到限制。此外,风电场位置一般远离负荷中心,也远离常规电厂,这是目前国内风电场建设中的一个普遍现象。风能资源丰富的地区往往远离主要的电力需求区域,这就给传输风电带来了困难,意味着需要对现有电网结构或框架进行改造和变动,如扩建电网等,而这不仅仅是替换一些设备就可以实现的,这又将使风电成本进一步提高。也是使电网公司根本不愿意购买风电的一个重要原因。在2006年施行的《可再生能源法》中,虽然规定了电网企业必须全额收购可再生能源电量,但也只有在政府强制性制定购买政策时,电网才被动的、而非按市场经济规则购买风电并网。

综上所述,目前各国普遍使用的将风电与市电并网后再向用户供电的方法,使电网成为风电负载,已成为限制风电大力发展的最主要的瓶颈,该瓶颈如不能突破,将会使通过发展风电而达到节能减排的目标难以实现。

发明内容

本发明的主要目的是为了冲破限制风电发展的瓶颈,提供一种既能大力发展风电,又能将对电网的不利影响降到最低,还能明显降低风电成本,产生巨大的经济效益和社会效益的切实可行的一种能降低风电成本和突破大力发展风电瓶颈的方法。

本发明的另一目的是为实现上述方法而提供一种供电系统。

本发明的突破大力发展风电瓶颈的方法,主要是将风电场内的各台风力发电机的输出电压经DC/DC变换成电压相同的直流电压,再相互并联成该风电场的独立的风电网,由该风电网直接为高耗能负载供电;或以该风电网为主、市电网为辅,即夜间用电低谷时可以市电网为主,风电网为辅,为市电网进行调峰,共同为高耗能负载供电;或将风电网经DC/AC逆变器与市电网并网后为高耗能负载供电。

本发明的突破大力发展风电瓶颈的供电系统,包括市电网、高耗能负载、风电场及其场内的风力发电机,其特征在于还包括独立的风电网和两组模式切换开关,所述独立的风电网是由风电场内的各台风力发电机的输出电压经DC/DC直流变换器变换成电压相同的直流电压后再相互并联而成,风电网的输出电压与第一组模式切换开关的动触点连接,第一组模式切换开关的第一定触点与第二组模式切换开关的动触点和高耗能负载连接,第一组模式切换开关的第三定触点经DC/AC逆变器与市电网连接,市电网经AC/DC整流器和DC/DC直流变换器与第二组模式切换开关的第二定触点连接。

所述高耗能负载为氯碱工业、电解铝工业、规模化制氢、风/煤多能源系统、海水淡化、风沼电一体化、抽水蓄能以及高扬程大流量输水工程。

本发明涉及的风力发电系统为直流发电系统,风电并联成直流风电网。它与网电、高耗能负载和模式切换开关构成了本发明方法的四个组成部分。模式切换开关由两组大功率直流继电器S1和S2构成,它们配合使用来实现下列三种措施:

1)将第一组模式切换开关S1与风电网闭合,第二组模式切换开关S2开路,风电网直接与高耗能负载连接;

2)将第一组模式切换开关S1与风电网闭合,第二组模式切换开关S2与市电网相连,风电网和市电网共同与高耗能负载连接;

这两种措施,直流风电网并不并入现有的国家电网即市面上电网,而是直接或与市电网共同为高耗能负载供电。其特征在于与每一台风力发电机和网电都相连有DC/DC直流转换电路,通过它们调节各支路电流,实现风机的最大风能捕捉和恒功率输出以及网电功率调节。

3)将S1、S2与网电相连,风电并网,高耗能负载为电网调峰。

这种措施,风电网经过逆变后并入公共电网。由于风的波动性和间歇性特点,风电功率的波动性和间歇性会对局部电网电压的稳定性和电能质量产生影响。高载能产业对并网风电的调峰是指为风电场就近配置相应规模的高耗能产业,通过调节高耗能负载功率,使其与风电功率波动一致,减少风电在电网中的比例,从而减少风电对电网的冲击,平滑风电输出功率,保证下游电网供电稳定性和电能质量。

本发明风电网直接为高耗能负载供电,就地消化,减小或完全消除对电网的影响,突破风电并网瓶颈。既能大力发展风电,又能将对电网的不利影响降到最低,能产生巨大的经济效益和社会效益,是一种切实可行的能突破大力发展风电瓶颈的好方法。

同时由于风电组成直流风电网直接与高耗能负载相连,能有效降低风电成本。以1.5MW风力发电机组为例,为了满足并网的稳频、稳压和稳相位的要求,采用复杂的双馈变速恒频发电机组并采用变速箱等,而本发明采用直流风力发电系统,对频率和相位没有要求,可以简化发电机结构,并省去变速箱,可以降低总成本约20%;同时变桨距控制装置可以取消,采用定桨距控制,通过控制来流角的方式达到控制叶尖速比的目的,可降低成本约6%;并网控制器改为DC/DC直流变换器可降低成本约8%,从而总成本可降低约30-35%,且故障概率由于风力发电系统的简化可降低45%左右。

附图说明

附图1是本发明的突破大力发展风电瓶颈的供电系统的结构示意图;

附图2是风电网直接为高耗能负载供电的结构示意图;

附图3是风电网和市电网共同为高耗能负载供电的结构示意图;

附图4是将风电与市电并网,用高耗能负载为电网调峰的供电结构示意图。

上述附图中的G为风力发电机,AC/DC为整流电路,DC/DC为直流变换电路,DC/AC为逆变电路。

具体实施方式

结合附图对本发明作进一步描述如下:

高耗能负载以天津大陆制氢设备有限公司水电解制氢设备:FDQ-4/3.2-IV型为例,其氢气产量为4m3/h,额定功率为22kW,额定电压为DC34V,额定电流为550A。选用1台50KW的风力发电机组进行供电,该风力发电机可选购青岛风王风力发电机有限公司,型号为FD18.0-50KW的风力发电机,其直流输出电压为360V。

根据高耗能负载的特性,DC/DC为电流型直流变换器。DC/DC变换器采用Buck电路。其输入阻抗的大小可以通过控制开关电源的占空比来改变,从而可以通过改变耗能产业的输入功率来控制发电机的输出电流,改变风力发电机的负载特性来控制风机叶尖速比。整流电路采用可控整流桥。该电路通过控制6个功率开关管实现电压的可调。

Buck直流变换器作为控制系统主电路,采用IGBT作为主开关管,主要技术参数为:工作频率:20kHz,额定输入电压:360V,输出电压:34V。控制系统采用南京全乐科技有限公司的电力控制系统。

如图1所示,本发明降低风电成本和突破风电并网瓶颈措施电路原理图主要由风电网、市电网、高耗能负载和模式切换开关组成。模式切换开关由两组大功率直流继电器S1和S2构成。S1有3个触点1、2和3,其中2为空触点,S2有2个触点1和2,其中1为空触点,它们共同组合构成3种供电结构的具体措施:

第一种是S1与1触点接触,S2断开,风电网单独与高耗能负载连接而直接为高耗能负载供电,如图2所示。各直流风力发电机组通过DC/DC直流变换器后连接成直流风电网。各风力机通过动态调节DC/DC变换器电流,实时控制发电机电磁力矩,从而根据风力机特性曲线,调节发电机转矩,额定风速以下时实现最大功率跟踪,额定风速以上时实现恒功率输出。

第二种是S1与触点1接触,S2与触点2接触,风电网和市电网共同为高耗能负载供电,如图3所示。网电经过AC/DC整流和DC/DC直流变换后与风电网相连,风电网为主和市网电为辅互补为高耗能负载供电。通过控制网电DC/DC变换器电流,调节网电功率,当风电功率升高,市电功率相应地降低;反之,市电功率相应地增加;在没有风电时,利用市电保持生产所需最小供电,从而实现对高耗能负载的稳定、连续和可靠供电。特别地,当夜间等用电低谷时,高耗能负载在确保使用全部风电外,还可以尽可能多的消耗市电,实现风电网为辅和市网电为主互补供电,从而起到为电网调峰的作用。

第三种是S1与触点3接触,S2与触点2接触,风电网经DC/AC逆变后并入市电网,再将市电网电经过AC/DC整流和DC/DC直流变换后与高耗能负载相连。如图4所示。通过调节与高耗能负载相连的DC/DC变换器电流,调节高耗能负载功率,使其与风电功率波动一致,减少风电在电网中的比例,平滑风电输出功率,保证下游电网供电稳定性和电能质量。

如设大型风电场输出有功功率Pm、无功功率Qm、高耗能负载的有功功率PL和无功功率QL消耗,根据功率平衡定理有:

Pgrid=Pm-PL

Qgrid=Qm-QL

其中,Pgrid和Qgrid分别为经过调峰后的风电场并网有功功率和无功功率。从上式可知,通过调节高耗能负载功率,使其与风电场输出功率波动一致,即任意时刻Pm=PL,则风电的波动性得到了完全的抑制。为了控制风电场并网功率不超过电网总容量PG的8%,高耗能负载功率应该为Qm-8%PG

为了实现高耗能负载功率跟随风电场输出功率波动,风电网侧变流器采用常规逆变器DC/AC的控制方法来实现有功和无功功率的解耦控制。高耗能负载侧直流变换器DC/DC对直流母线的有功功率进行控制,它的作用体现在两个方面:一方面是通过有功功率调节维持直流母线电压的恒定,另一方面跟踪由系统给出的有功功率参考信号,以实现两个PWM变流器的功率协调。

本发明提供的方法和供电系统,是一种既能大力发展风电,又能将对电网的不利影响降到最低,还能明显降低风电成本,产生巨大的经济效益和社会效益的切实可行的突破风电瓶颈的最佳途径。因为风电技术已是成熟技术,只需克服现有观念,将风电独立建成风电网,即可不再受并网比例的限制而能大力发展,又因现有的高耗能负载是消耗掉现有市电网中的大部分供电量而只产生较低附加值的负载,将这类较低附加值的高耗能负载改为主要由风电网供电后,即可使现有的市电网减轻负担而有足够的能力为城乡和高附加值的负载供电。可使我国政府承诺的2020年单位GDP碳排放将比2005年减少40%-45%的目标早日实现,为全球温室气体减排提供切实可行的有效措施。

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