[发明专利]一种集成磁悬浮飞轮储能的风力发电机组

说明书

本发明公开了一种集成磁悬浮飞轮储能的风力发电机组。它包括风力发电机组和磁悬浮飞轮储能系统；所述磁悬浮飞轮储能系统安装于风力发电机组的塔筒底部；风力发电机组与磁悬浮飞轮储能系统并联连接；磁悬浮飞轮储能系统为采用磁悬浮轴承的超高速飞轮储能系统；磁悬浮飞轮储能系统辅助维护电力系统安全稳定运行。本发明克服了现有技术由于储能单元控制器与交流系统无直接联系，需要建立交流系统频率与每一台风电机组内部储能控制单元的通讯；超级电容的使用寿命尚远小于风电机组的寿命等缺点；具有辅助实现一次调频、无功调节等有利于维护电力系统安全稳定运行；通过合理选择飞轮储能方案及安装形式，降低系统维护成本，提高系统可靠性和经济性。

技术领域

本发明涉及电力系统新能源发电技术领域，更具体地说它是一种集成磁悬浮飞轮储能的风力发电机组。

背景技术

近年来，随着以光伏发电、风力发电为代表的新能源发电场站在电力系统电源中的占比逐渐升高，电力系统的频率惯性显著下降，常规火电机组的调频和调峰压力剧增，威胁了电力系统的安全稳定运行。

一次调频是指当电力系统频率偏离目标频率时，发电机组自动通过自发调整出力使得系统频率恢复正常，在保障电力系统安全稳定性运行中发挥了重要作用。以风力发电为例，为了实现一次调频功能，如果不配置储能等额外功率来源，则在系统频率跌出人工频率死区时，风电场需要预留一定量的备用发电容量以实现风电功率的快速支援；在系统频率超过人工频率死区时，通过桨距角控制等机械装置的调节来减少捕获的风能，实现风电功率的减小。前者会造成发电量的损失，长期运行时经济性较差；后者一方面调节速度较慢，另一方面机械装置的频繁动作可能会增大机械磨损，增加风机维修风险、减小风电机组寿命。因此，通过在风电项目中配置一定量的储能装置，实现风电并网点功率的快速调节，是一种应用前景广阔的方案。

储能技术主要包括电化学储能、机械储能等形式，其中电化学储能以锂电池为代表，机械储能以飞轮储能为代表。目前，锂电池储能具备成本优势，且能量密度大，但是锂电池面临起火爆炸的安全风险，并且存在运维成本高、回收价值低、对环境污染较大、频繁使用时寿命大大缩短等问题，不定期更换电池也面临循环投资的困境。随着飞轮储能技术的发展，磁悬浮飞轮技术突破了传统飞轮机械轴承的技术瓶颈(江卫良,陈烨.基于磁悬浮飞轮储能的脉冲功率电源系统设计[J].浙江电力,2020,39(05):50-54.)，其采用磁悬浮轴承技术，实现了飞轮转速的跨量级提升，显著提高了能量密度和转化效率，减小了飞轮储能装置的体积。虽然磁悬浮飞轮储能一次性投资成本较大，但是使用寿命长，无循环投资负担。此外，飞轮本体可以实现循环利用，回收价值高，对环境压力小。

目前储能应用于风电场一次调频的方案有集中式方案(文劲宇,潘垣,程时杰,李程昊.专利公开号为CN102412590A，专利名称为《一种含储能装置的风电场群模块化直流并网拓扑》)和分布式方案(颜湘武,崔森,常文斐.考虑储能自适应调节的双馈感应发电机一次调频控制策略[J].电工技术学报,2020)。且现有公开号为CN202971050U，专利名称为《一种风力发电装置》，其公开的风力发电机与飞轮系统通过串联连接，风机与储能系统的功率等级相等，即风机发电，并驱动直流电机带动飞轮转动，随后飞轮带动发电机转动，发出交流电；其中的飞轮储能装置用于持续稳定放电，且利用飞轮储能将夜间风能发电和白天用电衔接起来，实现短周期储能，为一种集中式方案。

集中式方案仅在风电场并网点配置储能，而分布式方案可以将储能配置于单台风电机组。集中式方案关注风电并网点的频率波动，忽略了风电场的内部情况，其安全可靠性风险大于分布式储能。在分布式储能方案中，如果将锂电池储能配置于单台风电机组，其起火爆炸风险会极大危害风电机组的安全，特别是海上风电机组，可能造成巨大损失。并且，目前单台风电机组的使用寿命是20年，而锂电池储能的使用寿命往往较低，二者全生命周期内的维护时间窗口并不统一，运维成本较大。飞轮储能的可循环次数远大于锂电池储能，其使用寿命较长，全生命周期内的维护成本较低，且可以实现与风电机组的同期维护，进一步减少运维成本。