專利名稱：帶儲能的雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于風力發(fā)電技術和儲能技術，具體涉及一種帶儲能的雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)。
背景技術：
風力發(fā)電是風能大規(guī)模利用的有效途徑。變速恒頻雙饋風力發(fā)電機運行主要是通 過交流勵磁電源對發(fā)電機轉子實施勵磁控制來實現(xiàn)，利用雙PWM電壓源型變換器這種勵磁 結構，對發(fā)電機轉子的轉差功率實施控制。但由于風電機組的輸出功率主要受風速、氣壓、 溫度等多方面影響，會經(jīng)常發(fā)生波動。在并網(wǎng)運行過程中，其輸出功率的隨機波動將帶來 電力系統(tǒng)中頻率不穩(wěn)定、電壓閃變、諧波污染等問題，在風電設備獨立帶本地負荷運行過程 中，波動的功率會影響發(fā)電設備與用電設備的動態(tài)功率平衡，影響風力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運 行。為解決以上問題，目前常用的方法是1、利用雙饋風力發(fā)電自身變換器的控制使 儲存在風機轉子中的動能對功率波動進行補償，這種方法由于轉子存儲動能容量有限，當 風速波動較大時其調節(jié)能力有限。2、儲能裝置通過電力電子變換器聯(lián)接在風電設備功率輸 出端口，對功率波動進行補償。這種方法將儲能裝置與風力發(fā)電系統(tǒng)勵磁變換器分成相對 獨立的系統(tǒng)進行控制，不能通過原有風力發(fā)電系統(tǒng)勵磁控制器統(tǒng)一調控，降低了控制的可 靠性。為解決以上問題，華中科技大學提出了一種基于超導磁儲能的變速恒頻雙饋風力 發(fā)電機勵磁變頻器(公開號為CN1901360A，
公開日為2007年1月24日)。該裝置把超導 磁體作為交流勵磁電源的中間直流儲能環(huán)節(jié)，在控制超導磁體與雙饋風力發(fā)電機轉子之間 的轉差功率交換、實現(xiàn)風力發(fā)電機變速恒頻運行的同時，還為并網(wǎng)電力系統(tǒng)提供有功功率 和無功功率補償。該系統(tǒng)能夠解決并網(wǎng)型風力發(fā)電設備輸出功率波動帶來的問題，但并未 涉及獨立帶負載運行時風力發(fā)電系統(tǒng)的運行中發(fā)電設備與用電設備功率動態(tài)平衡的控制 問題。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種帶儲能的雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)，在并網(wǎng)運行時可以主動參 與電力系統(tǒng)運行與控制，提供有功功率和無功功率補償，改善電能質量；在獨立帶負載運行 時可達到發(fā)電側與用電負載側有功功率和無功功率的動態(tài)平衡，確保風電設備和負載的安 全、經(jīng)濟、高效、優(yōu)質運行。一種帶儲能的雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)，包括雙饋型風力發(fā)電機1、交流勵磁電源和儲能 裝置3，交流勵磁電源包括轉子側變換器2和定子側變換器4，轉子側變換器2的交流端與 雙饋型風力發(fā)電機1的轉子繞組連接，轉子側變換器2和定子側變換器4的公共直流端與 儲能裝置3的正負極連接，其特征在于該系統(tǒng)還包括并網(wǎng)接觸器6和監(jiān)控裝置7，并網(wǎng)接 觸器6的一端與雙饋型風力發(fā)電機1的定子繞組、定子側變換器4的交流端一起連接負載5，并網(wǎng)接觸器6的另一端連接電網(wǎng)；監(jiān)控裝置7用于控制并網(wǎng)接觸器6的連通狀態(tài)以實現(xiàn) 系統(tǒng)獨立或并網(wǎng)運行模式的轉換，并控制轉子側變換器2從儲能裝置3中獲取保證雙饋風 力發(fā)電機正常運行所需的轉差功率，控制定子側變換器4從儲能裝置3中獲取功率以補償 電機定子輸出的波動或補償電機定子輸出功率與負載需求功率的差額。本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術的優(yōu)點在于(1)轉子側變換器具有功率雙向流動的能力，可控制儲能裝置與雙饋風力發(fā)電機 轉子之間的轉差功率交換，使雙饋風力發(fā)電機運行在最大風能跟蹤狀態(tài)，最大限度地利用 風能。(2)定子側變換器與儲能裝置相連，控制風力發(fā)電系統(tǒng)在并網(wǎng)運行模式下，可以主 動參與電力系統(tǒng)運行與控制，提供有功功率和無功功率補償，改善電能質量。(3)定子側變換器與儲能裝置相連，控制風力發(fā)電系統(tǒng)在獨立帶負載運行模式下， 達到發(fā)電側與用電負載側有功功率和無功功率的動態(tài)平衡效果，改善電能質量，使發(fā)電系 統(tǒng)和負荷安全、經(jīng)濟、高效、優(yōu)質運行。(4)因本發(fā)明中增加了直流儲能裝置，使得轉子側變換器和定子側變換器可以相 互獨立的運行。在風速不滿足發(fā)電要求的情況下儲能裝置可通過定子側變換器單獨運行， 可并入電力系統(tǒng)或獨立對負載進行供電，增強了雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)供電可靠性。
圖1為本發(fā)明系統(tǒng)結構示意圖；圖2為本發(fā)明中轉子側變換器的電路拓撲結構圖；圖3為本發(fā)明中定子側變換器的電路拓撲結構圖；圖4為本發(fā)明中并網(wǎng)運行時雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)各端口的功率波形圖；圖5為本發(fā)明中獨立帶負載運行時雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)各端口的功率波形圖。
具體實施例方式本發(fā)明提出的直流環(huán)節(jié)帶儲能裝置的雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)，其結構如圖1所示，包 括雙饋型風力發(fā)電機1、交流勵磁電源、儲能裝置3、并網(wǎng)接觸器6和監(jiān)控裝置7。監(jiān)控裝置7用于對轉子側變換器2、定子側變換器4、并網(wǎng)接觸器6實施監(jiān)控。監(jiān)控 裝置7通過控制并網(wǎng)接觸器6的連通狀態(tài)實現(xiàn)雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)或獨立帶負載運行。 并網(wǎng)接觸器6在并網(wǎng)運行模式下開通，獨立帶負載運行模式下關斷。儲能裝置3可采用蓄電池、燃料電池等直流輸出的儲能設備。在并網(wǎng)運行和獨立 帶負載運行模式下，其均為雙饋風力發(fā)電機提供正常運行所需的轉差功率。并網(wǎng)運行模式 下，為定子側變換器4提供功率用于補償電機定子輸出的波動，保證并網(wǎng)點輸出功率平穩(wěn)； 獨立帶負載運行模式下，為定子側變換器4提供功率補償電機定子輸出功率與負載需求功 率的差額，保證負載正常運行。并網(wǎng)接觸器6用于實現(xiàn)并網(wǎng)和獨立兩種運行模式的轉換。在并網(wǎng)運行模式下，接 觸器閉合。風力發(fā)電機定子繞組、定子側變換器交流端和負載都與電網(wǎng)連接，此時負載由電 網(wǎng)和直流環(huán)節(jié)帶儲能裝置的雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)共同供電。雙饋型風力發(fā)電機1的定子繞 組、定子側變換器4的交流端和負載5都通過并網(wǎng)接觸器6與電網(wǎng)輸電線路接入點連接，從
4而將該系統(tǒng)接于電網(wǎng)輸電線路中。在獨立帶負載運行模式下，接觸器斷開。雙饋型風力發(fā) 電機1的定子繞組、定子側變換器4的交流端與負載5連接，負載由直流環(huán)節(jié)帶儲能裝置的 雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)獨立供電。雙饋型風力發(fā)電機1是機電能量轉換部件，其結構類似于繞線式異步電機，旋轉 電機的定子和轉子均安放對稱三相繞組，其定子與普通交流電機定子相似，定子繞組由具 有固定頻率的對稱三相電源激勵。電機定轉子極數(shù)相同。轉子繞組由具有可調節(jié)頻率的對 稱三相電源激勵。電機的轉速由定轉子之間的轉差頻率確定。電機的定轉子磁場是同步旋 轉的，因而它又具有類似同步電機的特性。轉子軸與風機槳葉軸通過齒輪箱連接，以此從風 能中獲得能量。交流勵磁電源包括轉子側變換器2和定子側變換器4，轉子側變換器2和定子側變 換器4均為三相電壓源型脈寬調制變換器(PWM)，轉子側變換器2的交流端與雙饋型風力發(fā) 電機1的轉子繞組連接，轉子側變換器2和定子側變換器4的公共直流端與儲能裝置3兩 端連接，定子側變換器4的交流端與負載5、雙饋型風力發(fā)電機1的定子繞組連接。交流勵 磁電源采用轉差功率可四象限運行的雙PWM電壓源型變換器結構，對應于雙饋型風力發(fā)電 機1的并網(wǎng)或獨立帶負載運行模式，轉子側變換器運行在最大風能跟蹤控制模式。如圖2所示，轉子側變換器2由全控型功率開關元件和電感構成，全控型功率開關 元件組成第一三相全橋結構8，三相橋臂中點與雙饋型風力發(fā)電機1的轉子繞組通過三相 電感9相連。監(jiān)控裝置7對轉子變換器2的控制所需要的檢測量包括定子電壓、定子電流、轉子 電流、直流母線電壓以及轉子位置角?？刂七^程如下檢測定子電壓，通過硬件或軟件鎖相 獲得定子電壓合成矢量空間位置角，忽略定子電阻的影響后，得到定子磁鏈幅值和定子磁 通角，并和檢測到的轉子位置角用于控制系統(tǒng)進行同步旋轉dq坐標系下的控制。監(jiān)控裝置 計算當前風速下最大風能跟蹤功率值，依據(jù)該功率值得到定子有功功率目標值，根據(jù)監(jiān)控 裝置能量管理需求得到定子無功功率。實際的電機定子有功功率和電機無功功率依據(jù)檢測 的電機定子電壓和定子電流計算后得到，實際的電機轉速由電機轉子位置角計算處理后得 出。同步旋轉坐標系下的雙環(huán)控制雙通道策略為，電機轉子電流的q軸指令由電機定子有 功功率目標值與實際定子有功功率的反饋量通過PI調節(jié)器得到，電機轉子電流的d軸指令 由電機定子無功功率目標值與實際定子無功功率的反饋量通過PI調節(jié)器得到，并考慮實 際系統(tǒng)中電機dq軸電流所產(chǎn)生的交叉耦合電壓的影響，采用一定的解耦合控制，最終得到 轉子側變換器dq軸電壓指令，并經(jīng)過坐標變換得到轉子三相參考電壓作為轉子側變換器2 的電壓控制指令，使得轉子側變換器2從儲能裝置3獲取保證雙饋風力發(fā)電機正常運行所 需的轉差功率，可分別或同時實現(xiàn)發(fā)電、調節(jié)功率因數(shù)等多種功能。如圖3所示，定子側變換器4由全控型功率開關元件和電感電容(LC)低通濾波器 構成，全控型功率開關元件組成第二三相全橋結構11，三相橋臂中點與三相LC低通濾波器 10連接。監(jiān)控裝置7對定子側變換器4控制所需要的檢測量包括直流母線電壓、LC低通濾 波器10的電感電流以及并網(wǎng)電壓。對應于雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)和獨立帶負載運行 模式，定子側變換器4也有兩種運行模式①并網(wǎng)運行模式，將定子側變換器控制成電流源形式。并網(wǎng)運行模式下，并網(wǎng)接觸器6閉合，此時并網(wǎng)接觸器6被記為并網(wǎng)點。同步旋轉dq坐標系下的雙通道策略采用電感 電流內環(huán)，并網(wǎng)功率外環(huán)的控制策略。并網(wǎng)點有功、無功功率目標值由電力系統(tǒng)需求確定， 并網(wǎng)點有功功率目標值與檢測到的并網(wǎng)點實際有功功率反饋量通過PI調節(jié)器得到LC低通 濾波器10的電感電流d軸指令，并網(wǎng)點無功功率目標值與檢測到的并網(wǎng)點實際無功功率反 饋量通過PI調節(jié)器得到LC低通濾波器10的電感電流q軸指令。LC低通濾波器10的電感 電流dq軸指令與檢測到的LC低通濾波器10的電感電流經(jīng)過坐標變換后得到的dq軸電流 反饋量進行PI調節(jié)，并考慮實際系統(tǒng)中變換器dq軸電流所產(chǎn)生的交叉耦合電壓的影響，采 用一定的解耦合控制，最終得到定子側變換器4中三相全橋結構橋臂中點dq軸電壓指令， 并經(jīng)過坐標變換得到三相全橋結構橋臂中點三相參考電壓作為定子側變換器4的電壓控 制指令，使得定子側變換器4從儲能裝置3中獲取功率以補償電機定子輸出的波動，保證并 網(wǎng)點功率的輸出穩(wěn)定，實現(xiàn)改善電能質量，提高風力發(fā)電機相連的電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性的目 的。②獨立帶負載運行模式，將定子側變換器控制成電壓源形式，LC低通濾波器10的 電容電壓目標值等值于電網(wǎng)電壓。同步旋轉dq坐標系下的雙通道策略采用電感電流內環(huán)， 電容電壓外環(huán)的控制策略。LC低通濾波器10的電容電壓dq軸目標值與檢測到的電容電壓 dq軸反饋量通過PI調節(jié)器得到LC低通濾波器10的電感電流dq軸指令。LC低通濾波器 10的電感電流dq軸指令與檢測到的LC低通濾波器10的電感電流經(jīng)過坐標變換后得到的 dq軸電流反饋量進行PI調節(jié)，得到定子側變換器4中三相全橋結構橋臂中點dq軸電壓指 令，并經(jīng)過坐標變換得到三相全橋結構橋臂中點三相參考電壓作為定子側變換器4的電壓 控制指令，使得定子側變換器4從儲能裝置3中獲取功率以補償電機定子輸出功率與負載 需求功率的差額，實現(xiàn)負載接入端有功功率及無功功率的動態(tài)平衡，確保風電設備和負載 的安全、經(jīng)濟、高效、優(yōu)質運行。實例雙饋風力發(fā)電機1的參數(shù)設置如下額定功率1. 5麗；額定電壓690V ；定子漏感 0. 050p. u.；轉子漏感0. 015p.u.；定轉子互感2. 4p. u.；定子回路電阻0. 024p. u.；轉子回 路電阻0.015p.u.；極對數(shù)3 ；電網(wǎng)線電壓有效值為690V。仿真分析說明本發(fā)明的兩個工作模式(1)并網(wǎng)工作模式；(2)獨立帶負載工作模 式。根據(jù)上述兩種工作模式，仿真參數(shù)設置1、并網(wǎng)工作模式(1)0 120s內風速變化，基本風、陣風、漸變風的風速分別為12m/s，2m/s，2m/s ； 陣風持續(xù)時間為20s 30s，漸變風持續(xù)時間為40s 60s或90s IlOs ；隨機風表面粗糙 度0. 0005，擾動范圍600m。并網(wǎng)點功率給定為0. 862MW。(2)同樣的風速條件下，并網(wǎng)點功率給定發(fā)生階躍變化。Os 30s時，功率給定為 0. 8MW ；30s 60s時，功率給定為1. 6MW ；60s 90s時，功率給定為0. 4MW ；90s 120s時， 功率給定為1. 2MW。2、獨立帶負載工作模式0 30s內風速變化基本風、陣風、漸變風的風速分別為12m/s，2m/s，2m/s ；陣風 持續(xù)時間為5s 15s，漸變風持續(xù)時間為20s 30s ；隨機風表面粗糙度0. 0005，擾動范圍600m。負載發(fā)生階躍變化。仿真結果如圖4和圖5所示，圖4為并網(wǎng)工作模式下功率的波形，t為時間，Vff為 風速，P為功率，I為電流，U為電壓。圖4(a)為仿真過程中的風速變化，風速Vw有隨機波動。圖4(b)為仿真過程中并網(wǎng)點實際功率？4和需求功率 <，在風速隨機變化時，并網(wǎng) 點實際功率能夠跟蹤給定平穩(wěn)輸出圖4(c)為仿真過程中并網(wǎng)點輸出功率？4、定子輸出功率&和定子側變換器功率Pg 波形。在風速隨機變化時定子輸出功率Ps有與風速相同趨勢的波動，定子側變換器功率Pg 與定子輸出功率Ps有相反的變化趨勢，以補償其波動。并網(wǎng)點輸出功率Pa穩(wěn)定在0. 862MW。圖4(d)為仿真過程中并網(wǎng)點實際有功功率Pa與給定有功功率< 的波形，0 30s 內功率為0. 8MW,30 60s內功率為1. 6MW,60 90s內功率為0. 4MW,90 120s內功率為 1. 2MW，在這4個時段內有功功率輸出平穩(wěn)，不隨風速波動而波動，且響應迅速。圖5為獨立帶負載工作模式下的波形圖。圖5 (a)為0 30s內風速變化波形，風速有隨機波動。圖5(b)為0 30s內雙饋風力發(fā)電機定子輸出的有功功率，該功率隨風速變化有 明顯的波動。圖5(c)為0 30s內雙饋風力發(fā)電機定子側變換器輸出的有功功率，該功率與圖 5(b)所示功率有相反的波動趨勢，同時與負載功率的需求階躍變化相對應。圖5(d)為0 30s內負載有功功率的波形，0 IOs內功率為0. 726MW, 10 20s 內功率為1. 814MW, 20 30s內功率為0. 484MW,在這3個時段內負載功率平穩(wěn)，不隨風速的 波動而波動。圖5(e)為0 30s內負載A相電流波形，0 IOs內功率為607A，10 20s內功 率為1518A，20 30s內功率為405A。負載電流與負載功率有對應的變化趨勢。圖5(f)為19. 85 21. 15s內負載三相電壓，在20s時負載變化導致負載功率由 1. 814MW變化到0. 484MW,負載電壓不受功率階躍變化影響，且響應迅速。
權利要求
一種帶儲能的雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)，包括雙饋型風力發(fā)電機(1)、交流勵磁電源和儲能裝置(3)，交流勵磁電源包括轉子側變換器(2)和定子側變換器(4)，轉子側變換器(2)的交流端與雙饋型風力發(fā)電機(1)的轉子繞組連接，轉子側變換器(2)和定子側變換器(4)的公共直流端與儲能裝置(3)的正負極連接，其特征在于該系統(tǒng)還包括并網(wǎng)接觸器(6)和監(jiān)控裝置(7)，并網(wǎng)接觸器(6)的一端與雙饋型風力發(fā)電機(1)的定子繞組、定子側變換器(4)的交流端一起連接負載(5)，并網(wǎng)接觸器(6)的另一端連接電網(wǎng)；監(jiān)控裝置(7)用于控制并網(wǎng)接觸器(6)的連通狀態(tài)以實現(xiàn)系統(tǒng)獨立或并網(wǎng)運行模式的轉換，并控制轉子側變換器(2)從儲能裝置(3)中獲取保證雙饋風力發(fā)電機正常運行所需的轉差功率，控制定子側變換器(4)從儲能裝置(3)中獲取功率以補償電機定子輸出的波動或補償電機定子輸出功率與負載需求功率的差額。
全文摘要
一種帶儲能的雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)，包括雙饋型風力發(fā)電機、交流勵磁電源、監(jiān)控裝置、并網(wǎng)接觸器、儲能裝置，并網(wǎng)接觸器的一端與雙饋型風力發(fā)電機的定子繞組、定子側變換器的交流端一起連接負載，另一端與電網(wǎng)連接，在交流勵磁電源的直流端接有儲能裝置，監(jiān)控裝置控制并網(wǎng)接觸器的連通狀態(tài)以實現(xiàn)系統(tǒng)獨立或并網(wǎng)運行模式的轉換，并根據(jù)當前運行模式控制轉子側變換器和定子側變換器的工作狀態(tài)。本發(fā)明在并網(wǎng)運行時可以主動參與電力系統(tǒng)運行與控制，提供有功功率和無功功率補償，改善電能質量；在獨立帶負載運行時可達到發(fā)電側與用電負載側有功功率和無功功率的動態(tài)平衡，確保風電設備和負載的安全、經(jīng)濟、高效、優(yōu)質運行。
文檔編號H02J3/38GK101917013SQ201010248799
公開日2010年12月15日 申請日期2010年8月10日 優(yōu)先權日2010年8月10日
發(fā)明者段善旭, 鄒旭東, 陳仲偉 申請人:華中科技大學