风力发电基础,第5章 独立运行的风力发电系统,化学工业出版社,2,目录 5.1 独立运行风力发电系统的组成 5.2 独立运行风力发电系统的储能装置 5.3 独立运行风力发电系统的控制系统 5.4 独立运行风力发电系统的逆变装置 5.5 独立运行风力发电系统的供电系统,3,5.1 独立运行的风力发电系统的组成,独立运行风力发电机组的供电方式 配以蓄电池储能的独立运行方式,4,采用负载自动调节法的独立运行方式,5,负载自动调节法基本的控制思想 为了更多地获取风能，同时也为了使风力发电机组能够在安全转速下运行，需要在不同的风速下接入数量不同的负载。输出电压可通过调节发电机的励磁进行控制，使风力发电机在达到某一最低运行转速后维持输出电压基本不变。风力机的转速可以通过输出频率来反映，因此可以用频率的高低来决定可调负载的投入和切除。 转速控制可以采用最佳叶尖速比控制和恒速控制。,6,5.2 独立运行风力发电系统的储能装置,独立运行风力发电系统的蓄能装置 蓄电池储能技术 蓄电池储能系统（Battery Energy Storage System，BESS）主要是利用电池正负极的氧化还原反应进行充放电，一般由蓄电池、直一交逆变器、控制装置和辅助设备（安全、环境保护设备）等组成。 蓄电池 由电极、电解质、隔膜、外壳组成 电极：核心，由活性物质和导电骨架组成 活性物质：正负极中参加成流反应的物质 化学活性高，自发反应的能力强 质量比容量和体积比容量大 在电解液中的化学稳定性高，电子导电性好,7,电解质：在电池内部正负极之间传递电荷 比电导高，溶液欧姆电压降小 化学性质稳定，电池的自放电容量损失小 对固体电解质，要具有离子导电性，而不具有电子导电性 隔膜：防止正负极活性物质直接接触导致内部短路 薄膜、板材、棒材等形状 良好绝缘体 对电解质离子运动的阻力小 化学性能稳定，有一定的机械强度 外壳：电池的容器 机械强度高、耐振动、耐冲击 耐腐蚀 耐温差变化,8,蓄电池的种类及其型号 （化学电源） 根据蓄电池的使用性能 一次电池 原电池，如果电解质不流动，称为干电池 电池反应不可逆 锌-锰干电池、锌-汞电池 二次电池 习惯称为蓄电池 反复多次循环使用 铅酸、镉镍、锂离子电池,9,蓄电池的种类及其型号 根据蓄电池的化学成分 铅酸蓄电池 碱性电池 胶体电池 硅能蓄电池 燃料电池,10,蓄电池的名称由单体蓄电池格数、型号、额定容量、电池功能或形状组成。,6 - G F M-50,10小时率的额定容量,阀控型,固定型,6个单体，电压为12V,11,蓄电池的主要性能参数 电压 电池的理论充放电电压：开路电压 电池的工作电压：实际放电电压 电池的充电电压：大于开路电压 电池的终止电压：最低工作电压,12,容量 蓄电池的额定容量C，单位安时（Ah）：是放电电流安（A）和放电时间小时（h）的乘积。 由于对于同一个电池，用不同的放电参数所得到的Ah是不同的，为了便于对电池容量进行描述、测量和比较，必须事先设定统一的条件。 实践中，电池容量被定义为：用设定的电流把电池放电至设定的电压所得到的能量。也可以描述为：用设定的电流把电池放电至设定的电压所经历的时间和这个电流的乘积。 理论容量 m0：活性物质完全反应的质量 M：活性物质摩尔质量 n：成流反应得失电子数 q：活性物质电化学当量,13,放电率对蓄电池容量的影响,14,电解液温度对蓄电池容量的影响（温度 ，容量 ）,图5-4 温度对蓄电池容量的影响曲线,15,电解液浓度及层化对蓄电池容量的影响 增加电解液的浓度就等于增加了反应物质，因此蓄电池的容量也随着增加 层化是指上下部电解液浓度的差异 蓄电池的能量 在一定的放电条件下，可以从单位质量（体积）电池中获得的能量，即蓄电池所释放的电能 理论能量：W0=C0E 蓄电池的功率 在一定的放电条件下，单位时间内电池输出的电能，单位为W或kW。 蓄电池的比功率是指单位质量（体积）电池所能输出的功率，单位为W/kg或W/L,16,蓄电池的效率 放出的电能与输入的电能之比 铅酸蓄电池效率的典型值 能量效率约为71%79% 安时效率约为87%93% 电压效率85%左右 影响蓄电池能量效率的电能损失因素 充电末期产生电解作用，将水电解为氢和氧而消耗电能； 蓄电池的局部放电作用（或漏电）消耗了部分电能； 蓄电池的内阻产生热损耗而损失电能 蓄电池的寿命 环境温度 1520 过度放电 过度充电 浮充电,17,蓄电池失效的主要形式 电池失水 充电末期，水电解，硫酸浓度增加导致极板腐蚀 负极板硫酸化 长期存在会失去活性，不能再参与化学反应 正极板腐蚀 热失控 电池温度累积增强，逐步损坏电池 浮充电压应合理选择 外壳鼓包、漏气，电池容量下降，严重的还会引起极板形变，最后失效,18,铅酸蓄电池 1859年普兰特（plante）发明 负极活性物质 ：海绵状的金属铅 正极活性物质：二氧化铅 电解液 ：浓度为27%37%的硫酸水溶液 铅酸蓄电池类型 固定式铅酸蓄电池 小型密封铅酸蓄电池 工业型密封铅酸蓄电池 汽车、摩托车启动用铅酸蓄电池,19,铅酸蓄电池组成、工作原理,双极硫酸化理论,极板：铅、铅镍合金做支架，极板组、极板群 隔板材料：木质、微孔橡胶、微孔塑料 以及浸树脂纸质等 外壳：应耐酸、耐热、耐震。玻璃容器、 衬铅木质容器、硬橡胶容器和塑料容器 电解液：一定浓度的稀硫酸,20,其他种类蓄电池 碱性蓄电池 镉镍蓄电池 铁镍蓄电池 胶体电池 电解液呈胶态 硅能蓄电池 低钠盐化成液作电解质 燃料电池,21,22,蓄电池组的串并联 串联 增加电压 电压增倍、内阻增倍,23,并联 增加电池容量 内阻减倍，电流缓慢增加 复联 大电流,组合电池：选用同一系列、同一规格、性能一致的单体电池,负载,12V 1A,12V 1A,12V 1A,+,+,+,24,例如：某系统需要直流电压48V,蓄电池能存储电量48 kWh，用一组2V/500Ah的蓄电池如何实现？ 首先，把24个2V/500Ah的蓄电池串联，组成一个48V/500Ah的电池串。然后，再把相同的两组串联的蓄电池组并联，就构成了一个满足系统要求的蓄电池组。 电压：2V24=48V； 容量：500Ah2=1000 Ah； 总存储电量：48V1000 Ah=48000 AVh=48kWh； 共需要2V/500Ah的蓄电池48个。,25,2、 现有一组2V/500Ah的蓄电池若干，某直流用电器额定电压为48V，额定功率为48 W，若该用电器要连续工作1000h，问：若以该蓄电池作为该用电器的供电电源，如何实现？（不考虑蓄电池内阻）,26,蓄电池组容量选择与计算 年能量平衡法 例如：某户安装100W风力发电机组，年发电量为260kWh，扣除损耗功率，全年剩余电能约为15kWh。其中15月份和1012月份共富余电能21.4 kWh，而69月份共亏电能7.0kWh。蓄电池的功能便是尽量将风电富余月的电能存储起来补足亏点的69月份。 已知风力发电机组的输出电压为24V,若完全保证69月份不中断供电，则配备的蓄电池容量应为：,27,无效风时能量平衡法 风电盈亏平衡计算法 基本负荷连续供电保障小时计算法,28,其他形式的蓄能装置 飞轮蓄能 电解水制氢蓄能 抽水蓄能 压缩空气蓄能 超导磁场蓄能 超级电容蓄能,29,5.3 独立运行风力发电系统的控制系统,一、风力发电控制器的分类和基本参数 按照控制器功能特征分类： 简易型控制器 自动保护型控制器 程序控制型控制器 按照控制器电流输入类型分类： 直流输入型控制器 交流输入型控制器 按照控制器对蓄电池充电调节原理的不同分类 串联控制器 多阶控制器 脉冲控制器 脉宽调制(PWM)控制器,30,控制器的型号 控制器型号按以下方式进行编制： 代号用汉语拼音字母FK表示，F代表风力发电机，K代表充电型控制器。 控制器类型用汉语拼音字母表示：Z为直流输入型；J为交流输入型。 控制器产品改型序号，用汉语拼音字母A,B,C,D,.表示：A为第一次改 型；B为第二次改型；其余依次类推。,31,控制器的基本参数 控制器的额定输出参数包括：额定功率、额定电流、额定电压、蓄电池的容量等。其数值均应按GB/T 321-1980 R10系列优先采用。其中额定电压应在12V、24V、36V、48V、（72V，非优先值）、110V、220V中选择。 控制器的额定输入参数包括直流输入电压、交流输入电压、风力发电机组功率等。其中，直流输入电压、交流输入电压应在12V、24V、36V、 48V、（72V,非优先值）、110V、 220V中选择。,32,二、控制器的基本工作原理及总体结构 风力发电机组的控制系统是一个综合性的系统，它要监视风况和机组运行数据，根据风速和风向的变化对机组进行优化控制，提高发电机的运行效率和发电质量。现代风力发电机组一般都采用微机控制。 风力发电机的微机控制是输入离散型控制，是将风向仪、风速仪、风轮转速，发电机的电压、频率、电流，发电机和增速齿轮箱等的温升，机舱和塔架的振动，电缆过缠绕等传感器的信号经过模/数转换输送给微机，由微机根据设计程序发出各种控制指令。,33,三、控制系统的功能 风力发电控制系统的控制目标主要有以下几点： 保证系统的可靠运行； 能量利用率最大； 电能质量高； 机组寿命长；,34,风力发电系统常规的控制功能有： 在运行的风速范围内，确保系统的稳定； 低风速时，跟踪最佳叶尖速比，获取最大风能； 高风速时，限制风能的捕获，保持风力发电机组的输出功率； 减小阵风引起的转矩波动峰值，减小风轮的机械应力和输出功率的波动，避免共振； 减小功率传动链的暂态响应； 控制器简单，控制代价小，对一些输入信号进行限幅； 确保机组输出电压和频率的稳定。,35,四、控制系统对蓄电池充放电的控制机理 控制器对蓄电池充电的机理 蓄电池充电控制的目的是：在保证蓄电池被充满的前提下尽量避免电解水。 控制器应具有对蓄电池门限电压进行自动温度补偿的功能。温度系数一般为单只（3-5）mV/。,36,控制器对蓄电池的过放电的机理 铅酸蓄电池的放电特性,37,常规过放电保护原理 在控制器中设置电压测量和电压比较电路，通过监测出C点电压值，即可判断蓄电池是否应结束放电。C点电压称为“门限电压”或“电压阈值”。 蓄电池剩余容量控制法,38,蓄电池剩余容量控制法：蓄电池在使用过程中（蓄电池处于放电状态时），系统随时检测蓄电池的剩余容量（SOC),并根据蓄电池的荷电状态SOC自动调整负载的大小或调整负载的工作时间，使负载和蓄电池剩余容量相匹配，以确保蓄电池的剩余容量不低于设定值（如50%），从而保证蓄电池不被过放电。,39,5.4 独立运行风力发电系统的逆变装置,逆变器之必要性 直流电变为稳定的交流电 对逆变器的要求 高效 高可靠性 较宽的直流输入电压范围 逆变器工作原理,40,逆变器的基本技术参数 直流输入电压（15% ） 额定输出电压（单相220V 5% ） 输出电压稳定度 （3% ，6% ） 额定输出电流 额定输出容量 输出电压的波形失真度 额定输出频率 最大谐波含量 过载能力 逆变器输出效率 负载功率因数,41,负载的非对称性 输出电压的非对称性 启动特性 保护功能 干扰与抗干扰 噪音 显示 使用环境条件,42,逆变器的选用 额定输出容量 输出电压稳定度 整机效率 必要的保护功能 安全的启动性能 过载能力 宽的输入电压范围 高效（任意负载下） 维护方便,43,逆变器基本类型 方波、阶梯波、正弦波,44,逆变器功率选择推荐参数 电阻性负载：逆变器功率=实际功率倍数（1.52倍） 电感性负载：逆变器功率=实际功率倍数（57倍） 电容性负载：逆变器功率=实际功率