一种电热储一体式的风力涡轮机系统及其工作方法

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种电热储一体式的风力涡轮机系统及其工作方法。

背景技术

风力涡轮机是一种低碳近零排放的发电方式，其可以将风能转化为电能，从而为电网提供清洁可再生的电力。与此同时，其也可用作制热，即以风能作为驱动力，不经过发电环节而直接将风能转化为热能。风热机组由于减少了风能与电能的能量转换损失，使系统造价降低的同时系统效率大幅度提升，经济指标远优于当前主流的清洁能源供热/供冷技术。

目前，风力涡轮机大部分均只单独用作发电的风电机组或制热的风热机组，未能发挥其最大效益。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种电热储一体式的风力涡轮机系统及其工作方法，能够提高风力涡轮机整体的能量利用率，提升风力涡轮机的发电效率。

本发明通过以下技术方案来实现：

本发明公开的一种电热储一体式的风力涡轮机系统，包括风轮系统、低速轴、齿轮传动系统、第一高速轴、第二高速轴、发电机单元和热泵单元；

风轮系统通过低速轴与齿轮传动系统的输入端连接，齿轮传动系统两个输出端分别与第一高速轴和第二高速轴连接；第一高速轴与发电机单元连接，发电机单元连接至电力调节单元，电力调节单元分别与电网和储能系统连接；第二高速轴与热泵单元连接，热泵单元连接至热用户。

优选地，齿轮传动系统包括太阳轮、第一行星轮和第二行星轮，太阳轮分别与第一行星轮和第二行星轮啮合，太阳轮与低速轴连接，第一行星轮与第一高速轴连接，第二行星轮与第二高速轴连接。

优选地，热泵单元包括压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器，压缩机与第二高速轴连接，冷凝器与热用户换热。

进一步优选地，储能系统包括冷却单元，蒸发器与冷却单元换热。

优选地，电力调节单元包括整流器、逆变器、变压器和电控柜；整流器一端与发电机单元连接，另一端与逆变器连接，逆变器与变压器连接，变压器分别与电网和储能系统连接，电控柜分别与整流器、逆变器和变压器连接。

优选地，电网接入点设有电负荷监测单元，热用户接入点设有热负荷监测单元。

进一步优选地，电负荷监测单元和热负荷监测单元的监测刷新频率为1～10Hz。

优选地，储能系统为磷酸铁锂电池储能系统或三元锂电池储能系统。

优选地，热泵单元的循环介质为二氧化碳或氟利昂。

本发明公开的上述电热储一体式的风力涡轮机系统的工作方法，包括：

风轮系统捕获风能通过低速轴输入齿轮传动系统；

当电网允许接入负荷大于系统出力时，第一高速轴接入齿轮传动系统，第二高速轴不接入齿轮传动系统，发电机单元的发电量全部进行并网；

当电网允许接入负荷小于系统出力，且热网允许接入负荷大于系统最大制热量时，第一高速轴接入齿轮传动系统，第二高速轴接入齿轮传动系统，风轮系统捕获的风能优先满足电网所需的电量缺口后，其余能量用于热泵单元制热并供给热用户；

当电网允许接入负荷小于系统出力，且热网允许接入负荷小于系统最大制热量时，风轮系统捕获的风能满足电网所需的电量缺口和热用户所需热量后，剩余能量通过储能系统进行储存。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的电热储一体式的风力涡轮机系统，风轮系统捕获风能通过低速轴输入齿轮传动系统，并能够通过第一高速轴和第二高速轴输出，分别带动发电机单元发电和热泵单元制热，并且多余电量能够通过储能系统进行存储。风力涡轮机是一种低碳近零排放的发电方式，可以将风能转化为电能，从而为电网提供清洁可再生的电力。与此同时，也可用作制热，即以风能作为驱动力，不经过发电环节而直接将风能转化为热能。风热机组由于减少了风能与电能的能量转换损失，使系统造价降低的同时系统效率大幅度提升，经济指标远优于当前主流的清洁能源供热/供冷技术。

由于电网的需求处于不断的变动中，白天是电网的用电高峰期，而夜晚电网的消纳能力则会下降。对于热网来说，尤其在北方地区秋冬时节，晚间是用热的高峰，其余电网负荷在时间上呈现互补的情况。对风力涡轮机来说，其出力受白天和夜晚的影响较不明显，因此，可以充分利用电网和热网时间上的互补性，切换风力涡轮机的运行模式，实现风能最大效益的利用。本发明一方面同时满足了电、热等多种能源需求。另一方面，最大限度地利用了风力涡轮机的效益，实现供电、供暖、储能等多功能一体化，避免因电网限电等因素导致风电机组能源大量浪费，从而提高了机组的经济效益。

进一步地，热泵单元的冷凝器给热用户放出热量，同时蒸发器能够吸收储能系统中冷却单元的热量，充分利用了系统中的能量。

进一步地，电网接入点设有电负荷监测单元，热用户接入点设有热负荷监测单元，能够实时对网侧的负荷进行实时监测，对系统的运营策略进行优化调整。

本发明公开的上述电热储一体式的风力涡轮机系统的工作方法，自动化程度高，能够提高风力涡轮机整体的能量利用率，提升风力涡轮机的发电效率，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明的电热储一体式的风力涡轮机系统的整体结构示意图。

图中，1为风轮系统，2为低速轴，3为太阳轮，4为第一行星轮，5为第二行星轮，6为第一高速轴，7为第二高速轴，8为发电机单元，9为热泵单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构和工作原理做进一步详细描述：

如图1，本发明的电热储一体式的风力涡轮机系统，包括风轮系统1、低速轴2、齿轮传动系统、第一高速轴6、第二高速轴7、发电机单元8和热泵单元9。

风轮系统1通过低速轴2与齿轮传动系统的输入端连接，齿轮传动系统两个输出端分别与第一高速轴6和第二高速轴7连接；第一高速轴6与发电机单元8连接，发电机单元8连接至电力调节单元，电力调节单元分别与电网和储能系统连接；第二高速轴7与热泵单元9连接，热泵单元9连接至热用户。

在本发明的一个实施例中，齿轮传动系统包括太阳轮3、第一行星轮4和第二行星轮5，太阳轮3分别与第一行星轮4和第二行星轮5啮合，太阳轮3与低速轴2连接，第一行星轮4与第一高速轴6连接，第二行星轮5与第二高速轴7连接。

在本发明的一个实施例中，热泵单元9包括压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器，压缩机与第二高速轴7连接，冷凝器与热用户换热。在本发明的一个较优的实施例中，储能系统包括冷却单元，蒸发器与冷却单元换热。

在本发明的一个实施例中，电力调节单元包括整流器、逆变器、变压器和电控柜；整流器一端与发电机单元8连接，另一端与逆变器连接，逆变器与变压器连接，变压器分别与电网和储能系统连接，电控柜分别与整流器、逆变器和变压器连接。

在本发明的一个实施例中，电网接入点设有电负荷监测单元，热用户接入点设有热负荷监测单元；实时监测得到的电负荷数值和热负荷数值反馈给系统的控制中心，以便于对系统的运营策略进行优化调整。一般的，电负荷监测单元和热负荷监测单元的监测刷新频率设置为1～10Hz。

储在本发明的一个实施例中，储能系统为磷酸铁锂电池储能系统或三元锂电池储能系统。

储在本发明的一个实施例中，热泵单元9的循环介质为二氧化碳或氟利昂。

上述电热储一体式的风力涡轮机系统的工作方法，包括：

风轮系统1捕获风能通过低速轴2输入齿轮传动系统；

当电网允许接入负荷大于系统出力时，第一高速轴6接入齿轮传动系统，第二高速轴7不接入齿轮传动系统，发电机单元8的发电量全部进行并网；

当电网允许接入负荷小于系统出力，且热网允许接入负荷大于系统最大制热量时，第一高速轴6接入齿轮传动系统，第二高速轴7接入齿轮传动系统，风轮系统1捕获的风能优先满足电网所需的电量缺口后，其余能量用于热泵单元9制热并供给热用户；

当电网允许接入负荷小于系统出力，且热网允许接入负荷小于系统最大制热量时，风轮系统1捕获的风能满足电网所需的电量缺口和热用户所需热量后，剩余能量通过储能系统进行储存。

下面对本发明原理进行进一步解释说明：

对于风力发电机组，其通过风轮系统1捕获风能，经过齿轮传动系统，带动发电机，发出电量送至电网，输送至用户端。该运行模式下称“风-电”模式。

对于风热机组，其通过风轮系统1捕获风能，经过齿轮传动系统，驱动压缩机，压缩机压缩储热介质，储热介质经压缩后释放热能，热用户端通过传热介质换热带走这部分热量。在热用户端进行换热冷却后的储热介质经过膨胀阀膨胀，并从低温热源处吸热，后再次被送入压缩机。通过储热介质，实现了热量由低温热源向高温热源的转移。通过压缩机做功，将风能转化为热能，为热网提供热量。该运行模式下称“风-热”模式。

当电网和热网均已满负荷运行时，风力涡轮机产生的能量通过场站配备的储能系统进行存储。风轮系统1带动齿轮传动系统，驱动发电机发出电量，并经转换装置，与储能电池相连接。该运行模式下称“风-储”模式。

对风力涡轮机进行集成设计，传动系统后分为两条支路，两条支路之间可切换，可并行。传动系统一路接发电机，一路接压缩机。发电机出线一路与电网送出线路相连，另一路与场站配备的储能装置相连。压缩机与冷凝器、节流阀、蒸发器构成热泵回路，提供制热效果。

由于电网的需求处于不断的变动中，白天是电网的用电高峰期，而夜晚电网的消纳能力则会下降。对于热网来说，尤其在我国北方地区秋冬时节，晚间是用热的高峰，其余电网负荷在时间上呈现互补的情况。对风力涡轮机来说，其出力受白天和夜晚的影响较不明显，因此，可以充分利用电网和热网时间上的互补性，切换风力涡轮机的运行模式，实现风能最大效益的利用。具体而言，在白天电网负荷高峰时，风力涡轮机运行在“风-电”模式，风力涡轮机传动系统驱动发电机，发电上网。而当电网负荷下降，热网负荷上升时，切换风力涡轮机的模式至“风-热”模式，风力涡轮机驱动压缩机工作，配合以冷凝器、节流阀、蒸发器，形成热泵，实现制热功能。

更一般的，通过合理控制策略的制定，实时监测源端和网端负荷的匹配情况，实时调整风力涡轮机的工作模式。在电网接入点和热网接入点分别加装监测设备，实时监测网端负荷情况并进行反馈。当电网允许接入负荷大于机组出力时，机组运行在“风-电”模式，所发电量全部并网。当电网允许接入电量小于机组出力且热网允许接入负荷大于机组最大制热量，根据电网所需电量的缺口，通过控制策略的调整，机组运行在“风-电”模式和“风-热”模式并存的联合模式，风力涡轮机捕获的风能优先满足电网所需电量的缺口，剩余的能量用于热泵供热。在满足了电网和热网的需求后，机组剩余的能量通过储能系统进行存储，“风储”模式相应启动。

通过上述集成设计，实现了电热储一体式的风力涡轮机系统，同时满足了电、热等多种能源需求。另一方面，最大限度地利用了风力涡轮机的效益，实现供电、供暖、储能等多功能一体化的风力涡轮机组，避免因电网限电等因素导致风电机组能源大量浪费，从而提高了机组的经济效益。

以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理等方案的说明。同时，本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本发明中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。