专利名称：一种兆瓦级风电蓄电池组合独立电源系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种电源系统，特别是关于一种兆瓦级风电蓄电池组合独立电源 系统。
背景技术：
我国电网尚无法覆盖全国各个区域，比如偏远地区、海上油田平台等，这是由于远 距离输电，不仅会造成很多电能损耗，大大提高成本，而且实现难度也很大。众所周知，海上 和有些偏远地区风资源丰富，如果能够有效地利用风资源，建立一个独立电源系统，则可以 很好地解决“孤岛电网”供电难的问题。但是，由于风能的间歇性、波动性和不可控性等特 点，因此需要一个蓄电池储能调节装置来平衡风机风力的波动，以稳定独立电源系统的输 出电压和频率，提高电能质量。就目前已有的技术而言，千瓦级风力发电(下文简称风电) 蓄电池组合独立电源系统已有广泛应用，而兆瓦级风电蓄电池独立电源系统现在还没有， 而且从千瓦级到兆瓦级的风电独立系统的电压和频率波动增大，系统的电压和频率稳定控 制面临更大的挑战，需要更加优越的控制方法和合理的系统结构来保证系统的稳定性。
发明内容针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种易于实现，节约成本，能够输出高质 量电能的兆瓦级风电蓄电池独立电源系统。为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案一种兆瓦级风电蓄电池组合独 立电源系统，其特征在于，它包括若干组风电机组，其各输出端并联接入高压主母线；一 蓄电池储能调节系统，其包括若干充放电管理系统，每一所述充放电管理系统交流侧并联 接入所述公共母线上后，再接入所述高压主母线；以及一系统主监控器，其通过若干CAN接 口与各所述充放电管理系统进行信息交互，并按照所述充放电管理系统的指令工作；若干 组蓄电池组，其与所述充放电管理系统一一对应，每一所述蓄电池组连接对应的所述充放 电管理系统的直流端，并在上、下限电压值范围内与所述高压主母线和蓄电池储能调节系 统形成的PCC点进行有功功率、无功功率的双向调节，使所述PCC点的电压和频率稳定；一 外部备用电源，其在所述蓄电池储能调节系统中的系统主监控器的控制下为所述高压主母 线供电，使所述PCC点的电压和频率稳定；一卸载电荷，其在所述蓄电池储能调节系统中的 系统主监控器的控制下消耗掉所述高压主母线输出的电能，使所述PCC点的电压和频率稳 定；若干变压器，其分别连接在每一所述风电机组的输出端，所述公共母线与所述高压主母 线之间，以及所述高压主母线与所述卸载电荷之间。每一所述充放电管理系统包括一电压源逆变器，其与所述PCC点之间进行有功 功率、无功功率双向调节，使所述PCC点的电压和频率稳定；若干电能要素采样器，采集所 述高压主母线的实际电能要素，所述电压源逆变器与变压器之间的公共母线上的电能要 素，以及所述蓄电池组两端的电压；模数转换模块，将所述电能要素采样器采集到的各种电 能要素转换成数字信号；一 DSP核心控制器，其中预设置有所述PCC点电压和频率值，以及所述蓄电池组两端的上、下限电压值；所述DSP核心控制器根据所述模数转换模块输入的 电能要素，控制所述PCC点电压和频率为预设值，同时判断所述蓄电池组两端的电压值是 否超出了所述预设的上、下限电压值，以控制所述电压源逆变器和/或所述系统主监控器 的工作。所述蓄电池组采用钛酸锂电池、钠硫电池、液流电池、锂电池和铅酸电池中的一种 或多种。当所述DSP核心控制器判断出所述PCC点的实际电压、频率值均大于所述预设的 电压、频率值，且所述蓄电池组两端的电压值位于所述预设的上、下限电压范围内时，所述 电压源逆变器吸收有功功率，使所述PCC点电压、频率稳定为预设值。当所述DSP核心控制器判断出所述PCC点的实际电压、频率值均大于所述预设的 电压、频率值，且所述蓄电池组两端的电压值与所述预设上限电压值相等时，所述DSP核心 控制器通过所述系统主监控器控制卸载负荷消耗掉所述高压主母线输出的电能，使所述 PCC点电压、频率稳定为预设值。当所述DSP核心控制器判断出实际有功功率值小于预设的额定有功功率值，且所 述蓄电池组两端的电压值位于所述预设的上、下限电压范围内时，所述电压源逆变器发出 有功功率，使PCC点的电压和频率稳定为预设值。当所述DSP核心控制器判断出实际有功功率值小于预设的额定有功功率值，且所 述蓄电池组两端的电压值位于所述预设的上、下限电压范围内时，所述电压源逆变器发出 有功功率，同时所述DSP核心控制器通过所述系统主监控器启动所述外部备用电源给所述 高压主母线供电，使PCC点的电压和频率稳定为预设值。当所述DSP核心控制器判断出实际有功功率值小于所述预设的额定有功功率值， 且所述蓄电池组两端的电压值与所述预设的下限电压值相等时，所述DSP核心控制器通过 所述系统主监控器启动所述外部备用电源给所述高压主母线供电，使PCC点的电压和频率 稳定为预设值。还包括一上位机和一人机界面，所述上位机通过RS485接口与所述系统主监控器 进行信息交互，以对所述充放电管理系统进行远程监测与控制，所述人机界面通过所述CAN 接口与所述系统主监控器进行信息交互，以对所述充放电管理系统进行人机对话、远程控 制。本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、由于本实用新型包括至 少两个与蓄电池组相对应的充放电管理系统，且每一充放电管理系统采用了 DSP核心控制 器，其中预设置有一额定有功功率值和无功功率值，以及蓄电池组两端的电压的上、下限 值，DSP核心控制器根据模数转换模块输入的电能要素，计算出高压主母线的实际有功功率 值和无功功率值，并将实际有功功率值和无功功率值分别与预设的额定有功功率值和无功 功率值进行比较，同时判断蓄电池组两端的电压值是否超出了预设的电压上、下限，以通过 电压源逆变器控制蓄电池组与PCC点之间进行有功功率、无功功率双向交换，因此可以很 容易地控制了 PCC点的频率和电压保持稳定，从而提高了电能的输出质量，而且还适用于 与兆瓦级风电机组组成独立电源系统。2、由于本实用新型的每一蓄电池组可以直接插入对 应的充放电管理系统的直流端，且每一充放电管理系统并联接入一公共母线上，并分别通 过一变压器接入高压主母线，因此可以降低每个充放电管理系统的额定容量，便于实现。3、本实用新型的接线方式采用基于6-10kV交流母线连接的单母线放射式，各部分均通过公 共母线并联接入高压主母线，各负荷分别并联接入高压主母线，因此可以实现模块化，便于 系统扩容，易于集中管理。4、由于本实用新型的蓄电池组的种类可以采用钛酸锂电池、钠硫 电池、液流电池、锂电池和铅酸电池中的任一种或多种，因此易于实现。本实用新型易于实 现，节约了成本，且适用与兆瓦级风电机组组成独立电源系统，适用于海上油田平台和偏远 地区的供电。
图1是本实用新型的结构示意图图2是本实用新型中蓄电池储能调节装置的结构示意图
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述。如图1所示，本实用新型包括兆瓦级的若干风电机组1、若干蓄电池组2、若干蓄 电池储能调节系统(Power Conditioning System，PCS) 3、一外部备用电源4、一卸载负荷 5、多个变压器6和一高压主母线7 (相当于电网)。考虑到风电机组1的容量较大、电力变 换效率、海上采油平台的制约、维修方便和价格因素等特点，本实用新型的接线方式采用基 于6-10kV交流母线连接的单母线放射式，各部分均通过公共母线8并联接入高压主母线 7，各负荷9分别并联接入高压主母线7，优点是可实现模块化，便于系统扩容，易于集中管 理。蓄电池储能调节系统3与高压主母线7连接的接点形成一 PCC点(Point of common coupling，公共耦合点)，PCC点的电压和频率值的稳定，保证负荷11用电的稳定。本实用新型的风电机组1的组数是根据能量守恒原理，以负荷9需求计算得到。每 一风电机组1的输出端连接一变压器6，再并联接入高压主母线7，以将风电机组1输出的 波动较大的电经过变压器6初步稳压后，输送到高压主母线7上。本实用新型的蓄电池组2的组数的确定方法是首先根据充放电极限功率计算蓄 电池组2的最低功率，从而得到蓄电池组2的最小能量；再由实测小时风速得到外部备用电 源4发电量及本实用新型系统的总成本，最后按经济性最优选取蓄电池模块数量。另外，还 可以根据蓄电池组2持续带载8小时的要求，筛选出本实用新型系统正常工作的风速区段， 计算出在不投入外部备用电源4的情况下，所需的最小蓄电池组2的组数。本实施例中，蓄 电池组2的种类可以采用钛酸锂电池、钠硫电池、液流电池、锂电池和铅酸电池中的任一种 或多种。如图2所示，本实用新型的蓄电池储能调节系统3包括至少两个充放电管理系统 31、一系统主监控器32和若干CAN接口 33。其中，充放电管理系统31与蓄电池组2 —一对 应，每一蓄电池组2接入对应的充放电管理系统31的直流端，并在充放电管理系统31的控 制下进行充放电。各充放电管理系统31分别通过一 CAN接口 33与系统主监控器32进行 信息交互，每一充放电管理系统31的交流侧并联接入公共母线8上，并分别通过一变压器 6接入高压主母线7 (相当于电网)。每一充放电管理系统31包括一电压源逆变器311、若干电能要素采样器312、模数 转换模块313和一 DSP核心控制器314。其中，电压源逆变器311按照DSP核心控制器314
6的指令，与PCC点之间进行有功功率、无功功率双向交换，电压源逆变器311吸收有功功率 时，即将高压主母线7上剩余的电量存储在蓄电池组2中；电压源逆变器311发出有功功率 时，即公蓄电池组2给高压主母线7供电。电能要素采样器312用于采集高压主母线7的 实际电能要素，电压源逆变器311与变压器6之间的公共母线8上的电能要素，以及蓄电池 组2两端的电压Vdc，本实施例中，电能要素采样器312采用的是电压霍尔传感器和电流霍 尔传感器。电能要素通常包括电压、频率和电流。模数转换模块313将电能要素采样器312 采集到的各种电能要素转换成数字信号。DSP核心控制器314中预设置PCC点的电压和频 率值，以及蓄电池组2两端的上、下限电压值。DSP核心控制器314根据模数转换模块313 输入的电能要素，控制PCC点的电压和频率稳定为预设值，同时判断蓄电池组2两端的电压 值是否超出了预设的电压上、下限，以控制电压源逆变器311和/或系统主监控器32的工 作。DSP核心控制器314控制系统主监控器32工作的情况是一旦判断出蓄电池组2 两端的电压值大于预设的上限电压值，则DSP核心控制器314通过系统主监控器32，控制卸 载负荷5消耗掉高压主母线7输出的电能，使PCC点的电压和频率稳定为预设值。若判断 出蓄电池组2两端的电压值小于预设的下限电压值，则DSP核心控制器314通过系统主监 控器32，控制外部备用电源4启动，向高压主母线7供电，使PCC点的电压和频率稳定为预 设值。上述实施例中，本实用新型还包括一上位机10，其通过RS485接口 11与系统主监 控器32进行信息交互，以对本实用新型进行远程监测与控制。上位机10还包括一人机界 面12，其通过CAN接口 33与系统主监控器32进行信息交互，以对充放电管理系统31进行 人机对话、远程控制等。本实用新型对电能进行调节的工作如下1)当DSP核心控制器314判断出PCC点的实际电压、频率值均大于预设的PCC点 电压、频率值，且蓄电池组2两端的电压值位于预设的上、下限电压范围内时，电压源逆变 器311吸收有功功率，即电压源逆变器311将高压主母线7中剩余的电能存储在蓄电池组 2中，使PCC点电压、频率稳定为预设值。2)当DSP核心控制器314判断出PCC点的实际电压、频率值均大于预设的PCC点 电压、频率值，且蓄电池组2两端的电压值与预设上限电压值相等时，DSP核心控制器314通 过系统主监控器2控制卸载负荷5消耗掉高压主母线7输出的电能，使PCC点电压、频率稳 定为预设值。3)当DSP核心控制器314判断出PCC点的实际电压频率值小于预设的PCC点电 压、频率值，且蓄电池组2两端的电压值位于预设的上、下限电压范围内时，电压源逆变器 311发出有功功率，即电压源逆变器311将蓄电池组2中存储的电能通过公共母线8给高压 主母线7供电，使PCC点电压、频率稳定为预设值。4)当DSP核心控制器314判断出PCC点的实际电压频率值小于预设的PCC点电 压、频率值，且蓄电池组2两端的电压值与预设的下限电压值相等时，DSP核心控制器314通 过系统主监控器2启动外部备用电源4给高压主母线7供电，使PCC点电压、频率稳定为预 设值。本实用新型通过与PCC点之间的有功功率、无功功率的双向调节，即四象限运行。在本实用新型与兆瓦级风电机组组成独立电源系统出现扰动时，本实用新型可以在额定范 围内动态平衡独立电源系统的有功功率和无功功率，以控制PCC点的频率和电压稳定为预 设值。 上述各实施例仅用于说明本实用新型，其中各部件的结构、连接方式都是可以有 所变化的，凡是在本实用新型技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本 实用新型的保护范围之外。
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权利要求一种兆瓦级风电蓄电池组合独立电源系统，其特征在于，它包括若干组风电机组，其各输出端并联接入高压主母线；一蓄电池储能调节系统，其包括若干充放电管理系统，每一所述充放电管理系统交流侧并联接入一公共母线上后，再接入所述高压主母线；以及一系统主监控器，其通过若干CAN接口与各所述充放电管理系统进行信息交互，并按照所述充放电管理系统的指令工作；若干组蓄电池组，其与所述充放电管理系统一一对应，每一所述蓄电池组连接对应的所述充放电管理系统的直流端，并在上、下限电压值范围内与所述高压主母线和蓄电池储能调节系统形成的PCC点进行有功功率、无功功率的双向调节，使所述PCC点的电压和频率稳定；一外部备用电源，其在所述蓄电池储能调节系统中的系统主监控器的控制下为所述高压主母线供电，使所述PCC点的电压和频率稳定；一卸载电荷，其在所述蓄电池储能调节系统中的系统主监控器的控制下消耗掉所述高压主母线输出的电能，使所述PCC点的电压和频率稳定；若干变压器，其分别连接在每一所述风电机组的输出端，所述公共母线与所述高压主母线之间，以及所述高压主母线与所述卸载电荷之间。
2.如权利要求1所述的一种兆瓦级风电蓄电池组合独立电源系统，其特征在于，每一 所述充放电管理系统包括一电压源逆变器，其与所述PCC点之间进行有功功率、无功功率双向调节，使所述PCC 点的电压和频率稳定；若干电能要素采样器，采集所述高压主母线的实际电能要素，所述电压源逆变器与变 压器之间的公共母线上的电能要素，以及所述蓄电池组两端的电压；模数转换模块，将所述电能要素采样器采集到的各种电能要素转换成数字信号；一 DSP核心控制器，其中预设置有所述PCC点电压和频率值，以及所述蓄电池组两端的 上、下限电压值；所述DSP核心控制器根据所述模数转换模块输入的电能要素，控制所述PCC点电压和 频率为预设值，同时判断所述蓄电池组两端的电压值是否超出了所述预设的上、下限电压 值，以控制所述电压源逆变器和/或所述系统主监控器的工作。
3.如权利要求1所述的一种兆瓦级风电蓄电池组合独立电源系统，其特征在于所述 蓄电池组采用钛酸锂电池、钠硫电池、液流电池、锂电池和铅酸电池中的一种或多种。
4.如权利要求2所述的一种兆瓦级风电蓄电池组合独立电源系统，其特征在于所述 蓄电池组采用钛酸锂电池、钠硫电池、液流电池、锂电池和铅酸电池中的一种或多种。
5.如权利要求1或2或3或4所述的一种兆瓦级风电蓄电池组合独立电源系统，其特 征在于当所述DSP核心控制器判断出所述PCC点的实际电压、频率值均大于所述预设的电 压、频率值，且所述蓄电池组两端的电压值位于所述预设的上、下限电压范围内时，所述电 压源逆变器吸收有功功率，使所述PCC点电压、频率稳定为预设值。
6.如权利要求1或2或3或4所述的一种兆瓦级风电蓄电池组合独立电源系统，其特 征在于当所述DSP核心控制器判断出所述PCC点的实际电压、频率值均大于所述预设的电 压、频率值，且所述蓄电池组两端的电压值与所述预设上限电压值相等时，所述DSP核心控制器通过所述系统主监控器控制卸载负荷消耗掉所述高压主母线输出的电能，使所述PCC 点电压、频率稳定为预设值。
7.如权利要求1或2或3或4所述的一种兆瓦级风电蓄电池组合独立电源系统，其特 征在于当所述DSP核心控制器判断出实际有功功率值小于预设的额定有功功率值，且所 述蓄电池组两端的电压值位于所述预设的上、下限电压范围内时，所述电压源逆变器发出 有功功率，使PCC点的电压和频率稳定为预设值。
8.如权利要求7所述的一种兆瓦级风电蓄电池组合独立电源系统，其特征在于当所 述DSP核心控制器判断出实际有功功率值小于预设的额定有功功率值，且所述蓄电池组两 端的电压值位于所述预设的上、下限电压范围内时，所述电压源逆变器发出有功功率，同时 所述DSP核心控制器通过所述系统主监控器启动所述外部备用电源给所述高压主母线供 电，使PCC点的电压和频率稳定为预设值。
9.如权利要求1或2或3或4所述的一种兆瓦级风电蓄电池组合独立电源系统，其特 征在于当所述DSP核心控制器判断出实际有功功率值小于所述预设的额定有功功率值， 且所述蓄电池组两端的电压值与所述预设的下限电压值相等时，所述DSP核心控制器通过 所述系统主监控器启动所述外部备用电源给所述高压主母线供电，使PCC点的电压和频率 稳定为预设值。
10.如权利要求1或2或3或4或8所述的一种兆瓦级风电蓄电池组合独立电源系统， 其特征在于还包括一上位机和一人机界面，所述上位机通过RS485接口与所述系统主监 控器进行信息交互，以对所述充放电管理系统进行远程监测与控制，所述人机界面通过所 述CAN接口与所述系统主监控器进行信息交互，以对所述充放电管理系统进行人机对话、 远程控制。
11.如权利要求5所述的一种兆瓦级风电蓄电池组合独立电源系统，其特征在于还 包括一上位机和一人机界面，所述上位机通过RS485接口与所述系统主监控器进行信息交 互，以对所述充放电管理系统进行远程监测与控制，所述人机界面通过所述CAN接口与所 述系统主监控器进行信息交互，以对所述充放电管理系统进行人机对话、远程控制。
12.如权利要求6所述的一种兆瓦级风电蓄电池组合独立电源系统，其特征在于还 包括一上位机和一人机界面，所述上位机通过RS485接口与所述系统主监控器进行信息交 互，以对所述充放电管理系统进行远程监测与控制，所述人机界面通过所述CAN接口与所 述系统主监控器进行信息交互，以对所述充放电管理系统进行人机对话、远程控制。
13.如权利要求7所述的一种兆瓦级风电蓄电池组合独立电源系统，其特征在于还 包括一上位机和一人机界面，所述上位机通过RS485接口与所述系统主监控器进行信息交 互，以对所述充放电管理系统进行远程监测与控制，所述人机界面通过所述CAN接口与所 述系统主监控器进行信息交互，以对所述充放电管理系统进行人机对话、远程控制。
14.如权利要求9所述的一种兆瓦级风电蓄电池组合独立电源系统，其特征在于还 包括一上位机和一人机界面，所述上位机通过RS485接口与所述系统主监控器进行信息交 互，以对所述充放电管理系统进行远程监测与控制，所述人机界面通过所述CAN接口与所 述系统主监控器进行信息交互，以对所述充放电管理系统进行人机对话、远程控制。
专利摘要本实用新型涉及一种兆瓦级风电蓄电池组合独立电源系统包括若干组风电机组，其各输出端并联接入高压主母线；一蓄电池储能调节系统包括若干充放电管理系统，每一充放电管理系统交流侧并联接入公共母线上后，再接入高压主母线；以及一系统主监控器，其通过若干CAN接口与各充放电管理系统进行信息交互，并按照充放电管理系统的指令工作；若干组蓄电池组，每一蓄电池组连接对应的充放电管理系统的直流端，并在上、下限电压值范围内与高压主母线和蓄电池储能调节系统形成的PCC点进行有功功率、无功功率的双向调节，使PCC点的电压和频率稳定；一外部备用电源，其在蓄电池储能调节系统中的系统主监控器的控制下为高压主母线供电，使PCC点的电压和频率稳定；一卸载电荷，其在蓄电池储能调节系统中的系统主监控器的控制下消耗掉高压主母线输出的电能，使PCC点的电压和频率稳定。本实用新型易于实现，节约了成本，能够输出高质量电能，可以应用在海上油田平台和偏远地区供电。
文档编号H02J3/00GK201699416SQ20102015345
公开日2011年1月5日 申请日期2010年4月2日 优先权日2010年4月2日
发明者尚景宏, 施刚, 曹云峰, 朱鹏, 李征, 林伟明, 罗锐, 蔡旭 申请人:中国海洋石油总公司;中海油新能源投资有限责任公司;上海交通大学