一种用于风电场大规模储热时空平移装置论文和设计-曹正

全文摘要

本实用新型属于风力发电技术领域。为了解决受风力和风向变化的影响导致风电场输出功率有波动，无法保证风力发电机满发运转和造成风能利用浪费问题，本实用新型公开了一种用于风电场大规模储热时空平移装置。该装置包括功率调整单元、蓄热单元和蒸汽发电单元；功率调整单元位于风电场和升压站之间，用于分流风电场输出的高功率电能；蓄热单元与功率调整单元连接，用于将电能转换为热能并存储；蒸汽发电单元与蓄热单元连接，用于将蓄热单元中的热能转换为电能并送至升压站，补充风电场输出的低功率电能。本装置可以对风电场产生的功率波动以热能形式进行时空上的平移，实现恒功率电能输出并且风力发电机可以长期处于满发状态，提高风能利用率。

设计方案

1.一种用于风电场大规模储热时空平移装置，其特征在于，包括功率调整单元、蓄热单元和蒸汽发电单元；所述功率调整单元位于风电场和升压站之间，用于分流由风电场输出的高功率电能；所述蓄热单元与所述功率调整单元连接，用于将所述功率调整单元分流出来的电能以热能的方式进行存储；所述蒸汽发电单元与所述蓄热单元连接，用于将所述蓄热单元存储的热能转换为电能并输出至升压站，补充风电场输出的低功率电能；其中，以所述功率调整单元设定的功率值为标准功率，风电场输出电能的功率高于所述标准功率的部分为高功率电能，低于所述标准功率的部分为低功率电能。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述蓄热单元，包括加热器、蓄热罐和储热材料；其中，所述加热器的输入端与所述功率调整单元的输出端连接，所述加热器的输出端位于所述蓄热罐内，并且与所述蓄热罐内的蓄热材料直接接触。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述加热器选用电阻式加热器。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述蓄热材料选用高温熔盐。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述蒸汽发电单元，包括蒸气涡轮发电机、循环管道和循环泵；其中，所述循环管道依次穿过所述蓄热单元、所述蒸气涡轮发电机和所述循环泵，形成闭环回路，并且在闭环回路内充满传热介质。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述蒸汽发电单元，还设有冷却池；沿传热介质的流动方向，所述冷却池位于所述蒸气涡轮发电机的下游位置。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述蒸汽发电单元，还包括补充管路；所述补充管路与所述循环管道连通，用于补充传热介质。

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述循环管道以盘管形式位于所述蓄热单元内，进行热量交换。

9.根据权利要求1-8中任意一项所述的装置，其特征在于，该装置还设有功率检测单元，用于检测风电场的输出功率，并由此控制所述蒸汽发电单元的发电动作。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述功率检测单元同时与风电场中的SVG和所述功率调整单元连接，根据风电场输出功率与所述功率调整单元的设定功率，控制所述蒸汽发电单元的发电动作。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于风力发电技术领域，具体涉及一种用于风电场大规模储热时空平移装置。

背景技术

风能作为一种清洁的可再生能源，已经在我国得到大力发展并且其铺设和使用规模仍在逐步扩大。但是，由于风是由大气压力差引起的空气流动所产生的，导致风向和风力大小都时时刻刻在变化，使风能存在波动性、间歇性和随机性等特征，而这些特征最终导致风电场输出的电能存在功率波动。

目前，在风电场的实际运行过程中，由于受风力大小和风向变化的影响，输出的电能存在功率波动而会导致并网过程中对地区电网的整体平稳运行产生影响，由此造成风电场无法实现持续稳定的并网输电操作，进而使风电场中风力发电机无法持续进行满发运转，造成对风资源的浪费。

实用新型内容

为了解决由于受风力大小和风向变化的影响导致风电场输出功率存在波动，而无法保证风力发电机持续进行满发运转以及造成对风资源浪费的问题，本实用新型提出了一种用于风电场大规模储热时空平移装置。该装置包括功率调整单元、蓄热单元和蒸汽发电单元；所述功率调整单元位于风电场和升压站之间，用于分流由风电场输出的高功率电能；所述蓄热单元与所述功率调整单元连接，用于将所述功率调整单元分流出来的电能以热能的方式进行存储；所述蒸汽发电单元与所述蓄热单元连接，用于将所述蓄热单元存储的热能转换为电能并输出至升压站，补充风电场输出的低功率电能；其中，以所述功率调整单元设定的功率值为标准功率，风电场输出电能的功率高于所述标准功率的部分为高功率电能，低于所述标准功率的部分为低功率电能。

优选的，所述蓄热单元，包括加热器、蓄热罐和储热材料；其中，所述加热器的输入端与所述功率调整单元的输出端连接，所述加热器的输出端位于所述蓄热罐内，并且与所述蓄热罐内的蓄热材料直接接触。

进一步优选的，所述加热器选用电阻式加热器。

进一步优选的，所述蓄热材料选用高温熔盐。

优选的，所述蒸汽发电单元，包括蒸气涡轮发电机、循环管道和循环泵；其中，所述循环管道依次穿过所述蓄热单元、所述蒸气涡轮发电机和所述循环泵，形成闭环回路，并且在闭环回路内充满传热介质。

进一步优选的，所述蒸汽发电单元，还设有冷却池；沿传热介质的流动方向，所述冷却池位于所述蒸气涡轮发电机的下游位置。

进一步优选的，所述蒸汽发电单元，还包括补充管路；所述补充管路与所述循环管道连通，用于补充传热介质。

进一步优选的，所述循环管道以盘管形式位于所述蓄热单元内，进行热量交换。

优选的，该装置还设有功率检测单元，用于检测风电场的输出功率，并由此控制所述蒸汽发电单元的发电动作。

进一步优选的，所述功率检测单元同时与风电场中的SVG和所述功率调整单元连接，根据风电场输出功率与所述功率调整单元的设定功率，控制所述蒸汽发电单元的发电动作。

采用本实用新型的大规模储热时空平移装置辅助风电场进行发电并网操作时，具有以下有益效果：

1、在本实用新型的装置中，通过功率调整单元和蓄热单元可以将风电场输出高于设定功率的电能转换为热能进行存储，对风电场输出电能的功率波峰进行消除存储，达到削峰蓄能效果，通过蓄热单元和蒸汽发电单元又可以将预先存储的热能转换为电能输出，对风电场输出电能的功率波谷进行填波补偿，达到补偿发电效果。此时就可以对风电场输出电能的功率波动进行削峰填谷，实现以热能的形式对风电场输出电能进行时空上的转移，即预先将输出电能为功率波动中波峰时期的电能进行存储，待输出电能为功率波动的波谷时期再进行电能释放达到平稳风电场输出电能的功率波动，从而保证风电场可以持续输出恒功率电能进行并网输电，实现风力发电机持续满发运转，大大提高对风资源的利用效率。

2、在本实用新型中，采用蓄热的方式进行电能存储，而且直接采用热转换效率近乎接近100％的电阻式加热器进行热能的转换，同时配合综合效率在85％～87％的涡轮蒸汽发电机进行电能转换，最终可以将整个大规模储热时空平移装置的工作效率控制在80％左右，极大的提高了对电能进行存储和再利用的效率，提高了整个发电装置利用风资源进行发电的综合效率。

附图说明

图1为实施例中用于风电场大规模储热时空平移装置的工作原理示意图；

图2为实施例中用于风电场大规模储热时空平移装置在功率波动阶段的工作示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案进行详细介绍。

结合图1所示，本实施例中用于风电场大规模储热时空平移装置，包括功率调整单元1、蓄热单元2和蒸汽发电单元3。功率调整单元1位于风电场4和升压站5之间并且与风电场4和升压站5之间的电路连接，用于分流由风电场4输出的高功率电能。蓄热单元2与功率调整单元1连接，用于将功率调整单元1分流出来的电能以热能的方式进行存储。蒸汽发电单元3与蓄热单元2连接，用于将蓄热单元2存储的热能再次转换为电能并输出至升压站5，补充风电场1输出的低功率电能。其中，将功率调整单元1中设定的功率值作为标准功率，当风电场4输出电能的功率高于标准功率的部分为高功率电能，当风电场4输出电能的功率低于标准功率的部分为低功率电能。

在本实施例中，选用调功器作为功率调整单元。同样，在其他实施例中，根据设计要求或设备情况，也可以选用其他装置作为功率调整单元，实现对高功率部分电能的分流处理。

结合图2所示，采用实施例中大规模储热时空平移装置作为风电场的辅助装置时，首先，通过预先计算获得特定时间周期内风电场的输出功率变化，将该周期内输出功率的平均值作为标准功率并将其设定至功率调整单元中。然后，风电场在该周期内的运行过程中，当风电场输出电能的功率高于功率调整单元中设定的标准功率时，功率调整单元对高出标准功率部分的电能进行分流并以热能的方式存储至蓄热单元中，达到对功率波动的削峰蓄能作用；反之，当风电场输出电能的功率低于功率调整单元中设定的标准功率时，则由蒸汽发电单元从蓄热单元中获取热能并转换为电能输出以弥补风电场输出的低功率电能，达到对功率波动的填谷补偿作用。这样就可以实现以热能的形式对风电场输出电能进行时空上的转移，即预先将输出电能为功率波动中波峰时期的电能进行存储，待输出电能为功率波动的波谷时期再进行电能释放达到平稳风电场输出电能的功率波动，从而保证风电场可以持续输出恒功率电能进行并网操作，实现风力发电机持续满发运转，大大提高对风资源的利用效率

在本实施例中，可以选定连续的7天为一个周期，并且借助天气预报,以往经验(或其它预测方法)获得该相应周期内的风力情况，从而计算得出该周期内风电场输出功率的分布情况，进而得出其平均功率值并设定为功率调整单元的标准功率值。同样，在其他实施例中，也可以选择其他时间长度作为风电场的运行周期，以及根据不同工况的要求，采用其他方式选定标准功率值。

结合图1所示，在本实施例中，蓄热单元2包括加热器21、蓄热罐22和储热材料23。其中，加热器21的输入端与功率调整单元1的输出端连接，加热器21的输出端位于蓄热罐22内，并且与蓄热罐22内的蓄热材料23直接接触。这样，通过加热器21就可以将功率调整单元1分流出来的电能转为热能，并且将热能传递至位于蓄热罐22中的蓄热材料23内进行热能存储。

优选的，加热器21可以采用电阻式加热器，例如选用电热炉并将其置于蓄热罐22内的蓄热材料23中。这样，可以以电阻发热的方式将电能近乎100％的转化率转换为热能，达到对电能最大限度的收集转换利用。

进一步优选的，在本实施例中，蓄热材料23选用高温熔盐。此时，以高温熔盐作为载热体，不仅可以利用高温熔盐所具有的传热蓄热性能好以及高温、高热通量和低运行压力的特点，大大提高整个蓄热单元的热效率和运行可靠性，而且与电阻式加热器相互配合，可以最大限度的将加热器释放的热能进行快速、高效率的蓄热存储，从而实现将电能转为热能并进行存储的最大效率。

结合图1所示，在本实施例中，蒸汽发电单元3，包括蒸气涡轮发电机31、循环管道32和循环泵33。其中，在循环管道32内充有传热介质，并且依次穿过蓄热单元2中的蓄热罐22、蒸气涡轮发电机31和循环泵33，形成闭环回路。在本实施中选择最常见的纯水作为传热介质，同时选择水泵作为循环泵进行传热介质流动的驱动源。同样，在其他实施例中，根据设计要求和工况环境，也可以选择其他液体作为传热介质进行热量的传输。

此时，作为传热介质的纯水在循环泵33的驱动下，首先进入蓄热罐22内进行热能的吸收，形成高温高压蒸汽，接着高温高压蒸汽在循环管道32的引导作用下进入蒸气涡轮发电机31中进行能量释放，驱动蒸气涡轮发电机31运转产生电能，并将电能输送至升压站5处对风电场输出的低功率电能的补偿，释放能量后的高温高压蒸汽则转换为低温低压蒸汽，并且在循环管道32内流动的过程中逐渐冷凝成纯水，从而在循环泵33的驱动下可以再次进入蓄热罐22内进行热能吸收，形成对热能传输的循环回路，使蓄热单元2内存储的热量可以全部传输至蒸汽发电单元3产生电能，实现存储热能转换为电能的目的以及对风电场输出电能的功率波动进行填谷补偿效果。

优选的，在本实施例中，位于蓄热单元2内的循环管道32采用盘管形式与蓄热材料23进行接触，以此增加循环管道与蓄热材料的接触面积，延长传热介质的吸热时间，提高对热量的传输效率。

结合图1所示，在本实施例的蒸汽发电单元3中还设有一个冷却池34。沿纯水的流动方向，冷却池34位于蒸气涡轮发电机31的下游位置，借助冷却池34可以快速将释放能量后的低温低压蒸汽冷凝为纯水，以便于缩短冷凝时间，加快其再次进入蓄热单元2进行热量吸收的速度，提高将热能转换为电能的效率，达到对风电场输出电能功率波动的快速填谷补偿效果，实现持续恒功率并网输电目的。

结合图1所示，在本实施例的蒸汽发电单元3中还设有一个补充管路35。补充管路35与循环管道32连通，用于向循环管道内进行传热介质的补充，保证热量传输操作的可靠运行。

此外，在本实施例的大规模储热时空平移装置中还可以设置一个功率检测单元，用于检测风电场输出电能的功率，并由此准确控制蒸汽发电单元的发电作业。例如，当检测单元检测到风电场输出电能的功率低于功率调整单元中设定的标准功率时，启动蒸汽发电单元中的循环泵和蒸气涡轮发电机进行热能传输和发电作业；反之，当检测单元检测到风电场输出电能的功率高于或等于功率调整单元中设定的标准功率时，则停止蒸汽发电单元中循环泵和蒸气涡轮发电机的动作，从而可以及时准确控制蒸汽发电单元的发电动作，保证该大规模储热时空平移装置可以准确进行削峰蓄能和填谷补偿处理。

在本实施例中，通过将功率检测单元与风电场中SVG(静止无功发生器)的连接，就可以直接获取风电场输出电能的功率。与此同时，功率检测单元还与功率调整单元连接，用于读取功率调整单元中设定的标准功率以及与风电场输出电能的功率进行比对，从而根据比对结果可以自动、准确控制蒸汽发电单元的发电动作，提高控制的自动化程度和精准度。

此外，结合图1所示，在本实施例的大规模储热时空平移装置中分别设置了三个功率调整单元、三个蓄热单元和两个蒸汽发电单元，此时通过冗余设置，不仅可以保证整个装置的可靠运行，而且还可以增加电能与热能之间相互转换的能力，提高该装置的响应速度，实现整个风电场的持续恒功率并网输电。同样，在其他实施例中，根据实际工况的需要也可以调整该大规模储热时空平移装置中功率调整单元、蓄热单元和蒸汽发电单元的设置数量，从而达到最佳工作运行效果。

例如，根据风电场输出功率的波动情况可以有选择的控制功率调整单元的工作数量，从而准确控制单位时间内对高功率电能的分流量。进一步还可以将多个功率调整单元中的标准功率分别设定为不同值，以此由大到小呈阶梯分流的方式对高功率电能进行逐渐分流处理，降低功率调整单元单次削峰处理的幅值，这样不仅可以降低单个功率调整单元的分流负载，保证功率调整单元的工作可靠性，而且还可以达到对功率波动更为平稳的削峰处理效果，避免功率调整单元直接进行大幅度削峰时可能对功率波动造成的影响。同理，通过多个蓄热单元和多个蒸汽发电单元的选择性配合，可以准确控制蒸汽发电单元输出的补充电能量，达到对功率波动的精准、快速填谷操作，最大限度的保证功率平稳输出。

设计图

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