一种基于直驱风机的直流接入式分散式储能系统的制作方法

1.本发明涉及一种分散式储能系统，尤其是涉及一种基于直驱风机的直流接入式分散式储能系统。


背景技术：

2.近年来储能技术得到了快速发展，因其响应速度快、功率指令跟踪精准和无爬坡率限制等优点被广泛应用于新能源发电。在风电场中配置储能形成风储联合发电系统，能有效弥补风电的间歇性和波动性，提高风电输出功率的可控性，增强并网稳定性，改善电能质量，并优化系统运行的经济性。
3.目前风电场场站配置储能系统，一般集中布置在升压站附近，且均以集中型接入方式接入风电场35kv侧。不仅需要额外征地，周期长新增成本高，而且集中布置带来的消防风险和安全隐患较大。相比于集中式储能，分散式储能部署灵活、无需征地，适合存量已建新能源场站，其分散式的特点减少了电池聚集带来的消防风险与隐患，本质上提升了储能系统应用安全性。
4.分散式储能系统，通常采用较为成熟的交流接入方案，即储能电池系统通过pcs、隔离变等设备并联接入到风机箱变低压侧，参与到全场的功率控制，但是需要新增变压设备和通讯系统，无法充分利用风电场现有电力设备，储能系统建设成本仍然偏高。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于直驱风机的直流接入式分散式储能系统，该系统根据风电场机位分散的特点，选择配置分散式储能系统，减少发电曲线和agc性能考核，满足一次调频要求。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.根据本发明的一个方面，提供了一种基于直驱风机的直流接入式分散式储能系统，包括直驱风机、储能单元和风储协同控制系统，所述的直驱风机和储能单元采用“一机一储”的分散式储能接入方式，每台直驱风机单独配置一个储能单元，所有储能单元并入风储协同控制系统进行统一控制管理。
8.作为优选的技术方案，所述的储能单元采用户外柜的形式，整体布置在直驱风机塔筒底部外侧附近的空地上，其中单套储能单元容量不低于10％单台风机容量。
9.作为优选的技术方案，所述的储能单元以直流形式接入风机的全功率变流器直流侧，结合风机变流器功率控制策略，实现储能与风机的直流耦合。
10.作为优选的技术方案，所述的储能单元包括电池组、电池管理系统bms以及双向dc/dc，所述的全功率变流器直流侧通过断路器装置与双向dc/dc连接，再通过接触器装置与电池组串联，形成通路；
11.所述电池组的直流电通过双向dc/dc接入变压流入风机变流器直流母线，经网侧变流器变成交流后进入变压器低压侧，实现并网。
12.作为优选的技术方案，每个所述的储能单元由两个电池簇并联构成，每个电池簇由多个电池组和一个高压箱组成；
13.其中高压箱内包含电池簇管理单元，用于对该路电池簇各电池组管理单元进行监测控制，同时可控制该簇电气元件对储能系统进行保护。
14.作为优选的技术方案，每个电池组配置一个电池组管理单元，用于对该电池组的电压、温度信息的采集和上传；所述的电池组采用磷酸铁锂电池，电池簇内采用全串联形式，充放电倍率选择低倍率1c。
15.作为优选的技术方案，所述的风机的全功率变流器在主回路部分直流部分增加变流器直流连接铜排和带防护侧板，将变流器直流铜排引出，连接储能单元的dc/dc设备。
16.作为优选的技术方案，所述的风储协同控制系统，配置风储多目标控制策略，以风电场场控系统作为风储协同控制系统的分散式从机，用于接收储能单元发出的充放电功率调度指令，并通过储能单元的自身控制系统负责对自身的dc/dc、bms、环控系统进行管理调度。
17.作为优选的技术方案，所述的风储协同控制系统根据负荷变化规律、限电规律、风功率预测结果、储能日前状态，计算并调整风功率预测曲线上报策略；
18.同时所述的风储协同控制系统综合储能单元状态、功率预测偏差、电网功率预测考核容许偏差信息，采用有选择的偏差充放策略，在满足场站功率预测考核同时，尽量保持储能电量维持在高效状态，并避免储能过冲或过放，实现光伏场站和储能系统整体运行性能最优；
19.当由于天气、风况条件突变导致风机功率突然增大或减少时，所述的风储协同控制系统在同步接受电网调度下达的agc指令的同时，实时采集场站的总功率、单台机组功率以及各个储能单元的电池状态，根据实际功率与预测功率偏差的方向和幅度，设定储能单元的充放电指令，并通过风机场控系统传送到风机网侧变流器，进而传递到储能单元的dc/dc和bms系统，调整储能单元的出力，使风电场的整体输出功率保持在发电曲线附近。
20.作为优选的技术方案，所述的储能单元日常运行过程中以弥补功率预测偏差为主，通过设定储能系统的充/放电指令，以调节实际功率与agc指令、发电曲线的偏差为目的，使风机的输出功率叠加储能单元的输出/吸收功率后，在并网点满足agc或者发电曲线的要求。
21.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
22.1)本发明通过集中控制来减少直驱风电场短期和超短期功率预测偏差考核，提高风电功率平滑波动控制能力，提升agc功率精度和调节速度以及agc补偿调用补偿收益，降低电站外购电成本；
23.2)本发明减少场站弃风电量，增加发电量，提高场站收益；
24.3)本发明降低风电场站配置储能系统安全隐患和消防风险，提高储能系统应用安全性；
25.4)本发明避免场控通讯系统硬件升级，利用风场原通讯回路和输电回路，降低储能设备建设成本；
26.5)本发明改善储能系统并网性能，提高储能系统整体运行效率，降低新增变压器损耗；同时增加风电机组发电灵活度，提升单机运行性能；
27.6)本发明储能单元通过dc/dc设备，以直流方式接入风机变流器直流母线处，减少逆变等环节的电能损耗，保证高转换效率。在降低设备硬件成本的同时，减少新增/改造风场通讯系统的硬件成本，最大程度利用风电场输电回路、设备容量余量。
28.7)本发明通过风储一体化协同控制系统，对风电场全部储能单位进行集中控制，配置风-储多目标协同控制策略，取消储能单独的能量管理系统(ems)，既满足储能分散布置集中监控的要求，也减少控制系统接口，在一体化的控制平台上实现更先进灵活的控制策略。
附图说明
29.图1为分散式储能系统示意图；
30.图2为储能单元接入变流器直流母线示意图
31.图3为永磁直驱风机发电系统结构示意图；
32.图4为储能直流接入示意图。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
34.如图1所示，本发明一种基于直驱风机的直流接入式分散式储能系统，包括直驱风机、储能单元和风储协同控制系统，所述的直驱风机和储能单元采用“一机一储”的分散式储能接入方式，每台直驱风机单独配置一个储能单元，所有储能单元并入风储协同控制系统进行统一控制管理，实现储能系统在空间上的分散布置与能量管理集群式控制的协调统一。
35.如图2所示，所述的储能单元包括电池组、电池管理系统bms以及双向dc/dc，所述的全功率变流器直流侧通过断路器装置与双向dc/dc连接，再通过接触器装置与电池组串联，形成通路；所述电池组的直流电通过双向dc/dc接入变压流入风机变流器直流母线，经网侧变流器变成交流后进入变压器低压侧，实现并网。
36.风电场在考虑风电机组空间位置分布不同、风资源不平衡、各台机组运行状况不一致的情形下，对10％容量内每台机组增设一台储能单元，采用“一机一储”的分散接入方式。储能单元采用户外柜的形式，整体布置在风机塔筒底部外侧附近空地。储能单元以直流形式接入风机的全功率变流器直流侧，深度结合风机变流器功率控制策略，实现储能与风机的直流耦合。
37.所有储能单元并入风储协同控制系统进行统一控制管理，以减少短期/超短期功率预测、agc等考核成本为储能响应目标，考虑电池管理、站内协同效率、使用寿命等边界条件，在一体化的控制平台上配置多目标控制策略，实现储能与原有监控系统的整体性能最优。风储协调控制系统同步接收电网调度的agc指令，实时采集各个储能单元及相应风机的运行数据，通过控制平台计算得出每台风机的调节量、每套储能设备的充放量，并下发指令到风场场控，进而通过风场场控协同控制储能系统和风电机组，使风机并网侧功率达到设
定要求，从而实现储能系统在空间上的分散布置与能量管理集群式控制的协调统一。
38.本发明提出一种储能系统以分散方式、直流形式接入电网的风电场配置储能的方法，应用于以直驱风机为主的风电场。
39.以永磁直驱风机为基础，风机结构如图3所示，风机采用全功率变流器采用双pwm结构，电机侧整流与电网侧逆变均为可控器件，风机出力与发电机出力的协同控制由这两部分完成。
40.场站布置分散式储能系统，采用一机一储形式，单套储能设备容量不低于10％单台风机容量，分散部署储能系统。储能直流接入方式如图4所示，储能电池系统通过dc/dc并联接入全功率变流器中的直流母线，再通过风机网侧变流器接入风机箱变低压侧，实现并网。
41.直流储能系统主要包含电池组(含bms)、双向dcdc等，其中电池系统选用锂电池作为电池单元。根据电压等级和容量选择合适的双向dc/dc，并根据风机变流器的有功功率指令，完成电池系统充放电。
42.本发明的详细工作原理如下：
43.1.1.利用分散式储能系统接入以直驱风机为主的风电场。
44.1.2.分散式储能系统为风力发电系统中的10％容量内的每一台风机都接入一套储能系统，采用“一机一储”的配置方式，满足1h的储能需求。
45.1.3.分散式储能系统采用电池系统、bms系统、dc/dc一体的户外柜形式，布置于风机塔筒底部附近储能平台。
46.1.4.分散式储能系统由多个储能单元组成，单个储能单元由2个电池簇并联构成，每个电池簇由多个电池组和1个高压箱组成。高压箱内包含电池簇管理单元和保护、控制电气元器件，用于对整个电池簇运行状态的管理与保护。
47.1.5.储能单元配置1个电池系统管理单元，用于整个储能单元内数据处理、监测控制，同时和能量管理系统实现通信。
48.1.6.每个电池簇配置1个电池簇管理单元，用于对该路电池簇各电池组管理单元进行监测控制，同时可控制该簇电气元件对储能系统进行保护。
49.1.7.每个电池组配置1个电池组管理单元，用于对该电池箱的电压、温度信息的采集和上传。
50.1.8.储能电池系统采用磷酸铁锂电池，电池簇内采用全串联形式，充放电倍率选择低倍率1c。
51.1.9.储能电池系统通过双向dc/dc设备，以风机全功率变流器的直流母线处作为直流接入点，电压等级不高于1.5kv，配合变流器直流侧电压等级。
52.1.10.针对直驱风机的电气系统结构，改造风机变流器双pmp结构，在主回路部分直流部分增加变流器直流连接铜排和带防护侧板，将变流器直流铜排引出，连接储能系统dc/dc设备。
53.1.11.直流接入的储能系统容量不小于所在风机单机容量的10％，充分利用风机现有变流器、变压器的容量余量。
54.1.12.直流接入的分散式储能系统，通过dc/dc能够宽电压范围的与风机进行充放电。
55.1.13.搭建风储协同控制系统平台，配置风储多目标控制策略，以风电场场控作为风储协同控制系统的分散式从机，负责接收风储系统发出的充放电功率调度指令，风机单体控制系统负责对dc/dc、bms、环控系统等进行管理调度。
56.1.14.风储协同控制系统根据负荷变化规律、限电规律、风功率预测结果、储能日前状态，计算并调整风功率预测曲线上报策略；
57.1.15.风储协同控制系统综合储能量能状态、功率预测偏差、电网功率预测考核容许偏差等信息，采用有选择的偏差充放策略，在满足场站功率预测考核同时，尽量保持储能电量维持在高效状态(比如中间电量状态20％-90％)，并避免储能过冲或过放，实现光伏场站和储能系统整体运行性能最优；
58.1.16.储能单元日常运行过程中以弥补功率预测偏差为主，通过设定储能系统的充/放电指令，以调节实际功率与agc指令、发电曲线的偏差为目的，使风机的输出功率叠加储能系统的输出/吸收功率后，在并网点满足agc或者发电曲线的要求。
59.1.17.当由于天气、风况条件突变导致风机功率突然增大或减少时，风储协同控制系统在同步接受电网调度下达的agc指令的同时，实时采集场站的总功率、单台机组功率以及各个储能单元的电池状态等，根据实际功率与预测功率偏差的方向和幅度，设定储能系统的充、放电指令，并通过风机场控传送到风机网侧变流器，进而传递到储能单元的dc/dc、bms系统，调整储能单元的出力，使风电场的整体输出功率保持在发电曲线附近。
60.1.18.通过控制模块监测分布式储能的火灾探测、报警及灭火功能，具备联动控制功能，各系统在收到联动信号后能及时响应。
61.1.19.采用独立电池仓设计并于每个仓室部署多级消防灭火设备，综合化学、物理手段确保完全灭火。
62.1.20.风电场一次调频时，根据风机单机调频能力、风电场全场风机调频能力、分布式储能调频能力，能合理分配功率及响应时序。
63.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。