CN101702610A - 基于超级电容器和蓄电池混合储能的双馈风力发电机励磁系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于风力发电电能质量控制技术领域，其特征在于：该系统包括转子侧变流器3、网侧变流器4，斩波器A5、斩波器B7、超级电容器6、蓄电池8、双向开关、限流电阻R1及直流侧电容C；斩波器A5、斩波器B7、超级电容器6、蓄电池8组成的混合储能装置并联在直流侧电容的两端。转子侧变流器3负责向风力发电机提供励磁功率，网侧变流器4负责与风机定子侧输出端交换功率，通过对斩波器A5、B7的控制，精确控制蓄电池和超级电容器的充放电功率，补偿外界功率波动。本发明的效果和益处是风力发电机在风速频繁波动的情况下，发出稳定电能，提高风电场大规模并网运行的安全稳定性，此外该励磁系统还可广泛于海洋能发电：如波浪发电、潮汐发电中。

Description

基于超级电容器和蓄电池混合储能的双馈风力发电机励磁系统

技术领域

本发明属于风力发电电能质量控制技术领域，涉及到一种加入混合储能装置的双馈风力发电机励磁系统，特别涉及基于蓄电池与超级电容器混合储能系统的励磁变换器在风电系统中的应用。

背景技术

开发利用可再生能源为解决世界性能源与环境问题开辟了新的途径，对改善能源结构，保证国民经济可持续发展具有重要的战略意义。风能是目前最具大规模开发利用潜力的可再生能源，并且风力发电被认为是实现我国能源和电力可持续发展战略的最显示的选择。

风电并网运行是实现风能大规模利用的有效方式，但由于风电场输出功率取决于风速，因此风电功率具有不可控和不可预期性。电力系统电源通常是按发电曲线来计划发电。但是，风力发电由于风能的随机性，如要最大利用风能，则造成风电功率不可控，从而增加系统的备用容量。随着风力发电容量的快速增长，给电力系统安全稳定运行和调度管理带来很大的困难。为了实现按计划曲线发电，同时最大限度地利用风能，需要精确地预测风速以及风功率。以目前的研究成果，风速短期(小时)预测误差20％左右，使得按曲线运行出现风功率过多或不足，造成系统热备用的浪费。

为了提高风能利用效率，目前风电机组一般都是按照最大风能捕获模式运行，使风轮转速随风速的变化而变化，从而保证风轮的叶尖速比处于最优状态，提高风轮捕获风能的效率，同时减少了风轮承受的应力。但在这种运行方式下，风速发生波动时，相应就会带来风力发电机输出功率的波动。当电力系统中，接纳的风电机组容量超过一定比例时，风电功率的波动将造成参与调频机组的运行成本增加，并且当功率波动超过电力系统调峰能力范围时，还将进一步导致电力系统频率越限，严重威胁电力系统的安全运行；另外，风电场多数位于电网末端，而且风电机组运行通常需要较强的无功支持，所以风电场输出功率的波动还将造成风电场接入点电压的明显变化，这既影响了电力系统的供电质量，又影响了风电场的功率送出，严重时还可能导致电压稳定破坏；此外，当风电场并网规模较大时，若突然因风速过小造成风电场无法发出电能，此时风电场输出功率的突然“下坡”会给整个并网系统带来灾难性的影响。因此，风电场输出功率的不可控是限制风电场并网规模的主要因素。

目前世界各国风电场并网导则中都根据各国电网的实际情况对风电场的有功功率变化提出了要求，并做出了相应的规定。电力系统每时每刻都要保持发电与用电的基本平衡，保持系统频率的稳定。风电场输出功率的波动对系统的功率平衡、电能质量带来一定的影响。针对我国现阶段的风电发展水平及电网的实际情况，我国在2006年颁布了有关的国家标准和国家电网公司风电场接入电力系统技术规定。其中也对有功功率的变化做出了具体要求：电网故障或特殊运行方式下要求降低风电场有功功率，以防止输电线路发生过载，确保电力系统稳定性；当电网频率过高时，如果常规调频电厂容量不足，可降低风电场有功功率；最大功率变化率包括1min功率变化率和10min功率变化率，变化率与风电场的装机容量有关。装机容量小于30MW时，10min最大变化量为20MW，1min最大变化量为6MW，装机容量为30-150MW时，10min最大变化量为装机容量/1.5，1min最大变化量为装机容量/5，装机容量大于150MW时，10min最大变化量为100MW，1min最大变化量为30MW。

现阶段，越来越多的专家学者倾向于采用储能技术来调控风电机组的功率输出，通过储能系统快速吸收多余的能量和补偿功率的缺额，来响应功率的波动，从而实现了功率的平稳输出。使风电场成为灵活可控的电源，提高现有电力系统规模下的风电场接纳能力，推动风力发电的大规模发展。通过对风电机组的日常运行曲线分析可以得知，由于风速的影响，风力发电输出功率的波动大致分为3类：1、瞬时大功率波动；2、长期功率波动；3、短时内的往复性频繁波动。因此，我们应当根据上述风电功率波动的特点，有针对性的选择储能装置，从而实现对风电功率的平抑。当前风力发电系统中所应用的储能方式主要有蓄电池储能、超导储能、超级电容器储能、飞轮储能、压缩空气储能、抽水蓄能等。其中超导储能、压缩空气储能、抽水蓄能等储能方式对运行的物理条件及地理环境有比较苛刻的要求，不便于广泛的应用。近年来以蓄电池为代表的电池技术和电力电子技术的发展促进了电池储能系统在电力系统中的应用。可充电蓄电池如铅酸电池、镉镍电池、氢镍电池、锂离子电池、NaS电池等，由于其能量可以随时进行双向流动(充电与放电)的特点，特别适用于风电场输出功率的“削峰填谷”方面的应用，从而平抑风电场输出功率的波动。但该类蓄电池同时也存在一些不足：首先，由于风速波动是随机性的，因此风电功率的波动也具有间断性和不可预期性等特点，为了平抑波动就需要蓄电池进行频繁的充电放电的循环，这种小循环的充放电会严重影响蓄电池的容量，大大减少蓄电池的使用寿命，增加了风电场的运行成本。其次，蓄电池虽然具有较高的能量密度，但其功率密度较低，即瞬时平均功率值较低。而风电场会常常出现较大的阵风，这会带来风电场输出功率的短时大范围的波动，为了保证系统的正常运行，在实际设计过程中，需要配置容量较大的蓄电池组，以满足平抑尖峰功率的需求，这也就带来了成本的提高。除此之外，蓄电池的使用过程中需要定期进行维护，并且使用后残留金属会造成严重的环境污染。

超级电容器亦称双电层电容器是近年来出现的一种新型能源器件，之所以称之为“超级”，是因为与常规电容器不同，其容量可达到法拉级甚至数千法拉。超级电容器填补了电池和传统的物理电容之间的空白。由于不存在介质，系统为达到电化学的平衡，电荷在电极和电解质的界面之间自发的分配形成阴阳离子的界面，从而达到保存能量的目的。它既具有静电电容器的高放电功率优势又像电池一样具有较大电荷储存能力。此外，超级电容器还具有容量配置灵活、易于实现模块化设计、循环使用寿命长、工作温度范围宽、环境友好、免维护等优点，这些特性使其更适于苛刻的工作环境。近年来随着碳纳米技术的发展，超级电容器的制造成本不断降低，而其功率密度和能量密度却不断提高，这些都将进一步拓展并加快超级电容器在新型电力储能方面的应用。

在平抑风电功率波动的应用中，超级电容器具有两个突出的两个优点：1、极高的功率密度、可以短时间内进行大电流、高效率的充放电，这非常适合用于平抑风电场短时大功率的波动。2、较长的循环使用寿命，由于超级电容器的充放电过程始终是物理过程，不存在电化学反应，因此循环使用寿命较长。这一特点对于在风电场中平抑功率波动过程中常常需要储能装置进行小循环充放电来说是非常有利的。超级电容器的储能密度较低，对于风电场中常常出现的功率长期波动来说，仅仅使用超级电容器进行功率的平抑则会大大提高对超级电容器容量的要求，从而使设备过于庞大笨重，并且造价也高。

如果将超级电容器与蓄电池混合使用，使得蓄电池能量密度大与超级电容器功率密度大，循环寿命长的特点相结合，将给储能系统的性能带来很大提高。超级电容器与蓄电池混合使用，可以使得储能系统的负载适应能力(尤其是大功率脉动负载)有较大的提高，改善蓄电池的循环使用寿命，提高储能系统的响应速度，缩小储能系统的体积，改善可靠性和经济性。由超级电容器与蓄电池组成的混合储能系统，其充放电特性及循环使用寿命完全可以满足风电场功率波动平抑的需求。从经济角度分析，该混合储能系统的体积及造价都比使用某单一储能元件要低得多，具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供平抑风力发电机输出功率的波动，使风电场输出功率平滑而稳定的方法，提高风电场大规模并网运行的安全稳定性。本发明提出了由蓄电池和超级电容器组成的混合储能装置，该装置加在双馈风力发电机“背靠背”励磁系统的直流环节，该混合储能装置通过吸收和发出电能在保证双馈风力发电机变速恒频运行的同时，还可通过网侧变换器与定子侧输出实现能量的双向交换，从而达到平抑定子侧输出功率波动的目的。

本发明的技术方案是：一种基于超级电容器和蓄电池混合储能的双馈风力发电机励磁系统，包括转子侧变流器3，网侧变流器4，转子侧变流器3与网侧变流器4之间通过电容C连接，该电容被成为直流侧电容，其特征在于：还包括一个由蓄电池和超级电容器构成的混合储能系统，该混合储能系统并联在直流侧电容的两侧。

该混合储能系统的特征在于：蓄电池的出口连接到斩波器B7的低压侧，斩波器B7的高压侧并联超级电容器，而后连入斩波器A5的低压侧，斩波器A5的高压侧并联在上述直流侧电容C的两端。斩波器A5与斩波器B7的结构是完全一致的，其特征在于：斩波器选用双向DC/DC变换器，该斩波器可以通过控制实现由低压到高压或由高压到低压的双向能量流动。在该混合储能系统中，斩波器B7负责蓄电池的充放电控制，斩波器A5负责超级电容器的充放电控制，并且还要维持直流侧电容电压的稳定。

本发明所设计的双馈风机的励磁系统中，转子侧变流器依然负责对定子侧输出有功功率和无功功率的解耦控制，直流侧的混合储能装置通过能量的双向流动一方面需要吸收或发出滑差功率，保证双馈风机的正常运行。另一方面混合储能装置还需要经由网侧变流器4与电网进行双向能量交换，来达到平抑风电机组输出功率波动的目的。

在混合储能系统中，由于超级电容器具有很长的循环寿命，快速的充放电特性以及优良的大功率输出特性。因而在混合储能系统的充放电过程中，要遵循超级电容器优先充放电的原则，这样可以减少蓄电池的使用次数，延长蓄电池的使用寿命，还能够防止脉动大功率充放电对蓄电池造成的损伤，因此整个混合储能装置的充放电管理方案如下所述：上述的斩波器B7用于负责对蓄电池的充放电管理，一般是按照平抑风电波动功率的需求对蓄电池进行恒流充放电管理，斩波器A5在混合储能系统发出功率时工作在恒压输出状态来维持直流侧电容C电压的稳定，在混合储能系统吸收功率时工作在恒流状态给超级电容器充电；混合储能系统在充放电过程中，始终对超级电容器进行优先充放电，超级电容器的容量剩余可以通过监测端电压而得知。为了应对下一时刻可能发生的风电机组输出功率“峰”或者“谷”的波动，超级电容器需要时刻留有一定的余量，不应过充或过放。通过对超级电容器端电压的设定上限值和下限值，当超级电容器的端电压达到上限值后，如此时混合储能系统需要吸收功率，则该部分功率由蓄电池来承担，同时还可以通过对斩波器B7的控制，由超级电容器对蓄电池进行充电，给超级电容器留出一定的余量；当超级电容器的端电压过低时，应由蓄电池通过斩波器B7对超级电容器进行恒流充电，使其端电压达到下限值以上。当此时需要混合储能装置发出功率时，该部分功率由蓄电池来承担；当蓄电池接近充满时，此时若仍需蓄电池吸收功率，可在蓄电池的出口侧串入限流电阻R1，进而对蓄电池进行恒压限流的浮充。这样先恒流而后浮充的充电方式接近于蓄电池的理想充电方式，有利于提高蓄电池的使用寿命。超级电容器对充放电过程要求不是太严格，一般情况下，根据平抑功率波动的需求，对超级电容器进行恒流或者恒功率充放电即可。

混合储能装置中使用的超级电容器一般采用双电层电容器。在使用过程中，一般将多个单体超级电容器通过串并联组成超级电容器组，提高超级电容器的容量及耐压水平，使其性能满足混合储能系统的需求。

本发明的效果和益处是使得由超级电容器和蓄电池组成的混合储能装置可以灵活、主动参与电力系统的运行与控制，对风力发电机输出有功功率的波动进行“削峰填谷”的补偿，改善风力发电输出电能质量，进而为满足我国风电场并网运行导则中对有功功率波动的要求提供了技术保障。为风电场的大规模并网运行的安全稳定性奠定了基础。在平抑风电场功率波动的实现过程中，频繁的往复性功率波动，以及脉动型大功率波动都由超级电容器来承担，蓄电池一般作为后备性储能装置来补偿长期的功率波动，这样即满足了平抑各种类型风电功率波动的需求，又充分发挥了超级电容器功率密度大、循环寿命长和蓄电池能量密度大的优势，提高了整个混合储能装置的性能，延长了储能装置的使用寿命。混合储能装置中的直流变流器采用双向DC\DC斩波器，该系统可以灵活方便的实现能量的双向流动，并可以精确控制蓄电池及超级电容器的充放电电流电压，使得蓄电池和超级电容器可以按照理想方式进行充放电管理。当风电场的每台风机中都带有该储能装置后，整个风电场便拥有了一个大型的储能系统，该储能系统不仅可以用于风电场输出功率波动平抑，当风场因风速过低而停止功率输出时，大规模风电场输出功率的突然“下坡”会严重影响并网系统的安全稳定运行，此时风电场的储能系统便可以投入运行，减慢风电场输出功率的“下坡”速度，给整个并网系统以一定的功率支撑，为并网系统中各备用的启动及调度计划的改变赢得时间。

附图说明

图1是基于超级电容器与蓄电池混合储能的双馈风力发电机励磁变频器结构图。

图中：1电网；2发电机转子；3转子侧变流器；4网侧变流器；5斩波器A；6超级电容器；7斩波器B；8蓄电池；9双向开关；10双向开关。

图2是由超级电容器与蓄电池组成的混合储能系统中斩波器的结构原理图。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明基于超级电容器与蓄电池混合储能的双馈风力发电机励磁变频器包括转子侧变流器3、网侧变流器4，斩波器A5、斩波器B7、超级电容器6、蓄电池8及直流侧电容C。转子侧变流器3和网侧变流器4分别接在直流侧电容C的两侧。斩波器A5、斩波器B7、超级电容器6、蓄电池8、限流电阻R1、功率开关管G13、G14、G15、G16、二极管D13、D14、D15、D16组成了混合储能装置，混合储能装置的出口即斩波器A5的高压侧并联在直流侧电容的两端。

转子侧变流器3为风力发电机转子2提供励磁功率，通过对输出励磁电流的控制可以实现风力发电机的变速恒频运行。转子侧变流器的结构为：功率开关管G1、G2、G3的漏极连接到一起接到直流侧电容C的正极，功率开关管G1、G2、G3的源极分别与功率开关管G4、G5、G6的漏极相连接，功率开关管G4、G5、G6的源极连接到一起接到直流侧电容C的负极。续流二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6分别反并联在每个功率开关管的漏--源极之间。通过对以上各开关管进行通断控制可以实现对转子励磁电流幅值、频率、相位的调整。通过对励磁电流的解耦合控制便可以分别独立调整转子转速(即调整定子侧出口有功功率)和定子侧输出功率的功率因数(即调整定子侧出口无功功率)，这样在也就可以实现风机转速随风速变化而变化，提高风能捕获系数(最大风能捕获)，减少因风速变化给风机机械传动装置带来的机械应力，又可以根据并网需求调整无功功率的大小，提高风力发电机并网运行的稳定性。

网侧变流器4的直流侧接在直流侧电容的两端，交流侧通过电抗器L1、L2、L3与定子输出1相连接。网侧变流器4的结构与转子侧变流器3的结构一样：功率开关管G7、G8、G9的漏极一起接到直流侧电容的正极，功率开关管G7、G8、G9的源极分别与功率开关管G10、G11、G12的漏极相连接，功率开关管G10、G11、G12的源极连接到一起接到直流侧电容的负极。续流二极管D7、D8、D9、D10、D11、D12分别反并联在每个功率开关管的漏--源极之间。网侧变换器主要起功率传输的桥梁作用，一方面它需要实现转子侧变流器3所需励磁功率与定子输出1之间的快速、无损传输，从而保证直流侧电压的稳定，为转子侧变流器3的正常运行提供保障；另一方面，他需要实现直流侧的混合储能系统出口功率与交流侧定子输出功率的快速、无损双向传输，为平抑定子输出1侧功率的波动提供技术保障。

转子侧变流器3、网侧变流器4中的功率开关管可选用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，它是一种可关断器件，具有开关响应速度快，导通压降低等特点。在实际使用过程中可采用IPM功率模块，IPM内部在集成了IGBT及其反并联二极管的基础上还带有驱动、逻辑、控制、检测和保护电路，使用起来方便，不仅减少了系统的体积，缩短了开发时间，也增强了系统的可靠性，适应了当今功率器件的发展方向。

混合储能装置由斩波器A5、斩波器B7、超级电容器6、蓄电池8、限流电阻R1、功率开关管G13、G14、G15、G16、二极管D13、D14、D15、D16组成。蓄电池8的出口经双向开关连接到斩波器B7的低压侧，斩波器B7的高压侧并联超级电容器6，而后再连入斩波器A5的低压侧，斩波器A5的高压侧并联在直流侧电容C的两端。其中G13、G14、D13、D14与G15、G16、D15、D16分别组成了两个双向功率开关，用于选择是否投切限流电阻R1进入回路。

两个双向功率开关9、10的结构完全一致，现以其中一组9说明其连接方式：功率开关管G13源极与功率开关管G14的源极相连接，G13的漏极串入斩波器B7的输入端，G14的漏极串入限流电阻(在另外一组双向开关中直接串入蓄电池)，二极管D13、D14分别反并联在两个功率开关管的漏--源极之间。当G13与G14同时关断时，正向反向电流皆无法通过该开关，相当于双向开关打开。当G13与G14同时导通时，G13、D14和G14、D13分别形成两个电流方向的导通回路，相当于该双向开关闭合，电流可进行双向流动，便于混合储能系统与外界的双向能量交换。当需要对蓄电池8进行恒压限流式的浮充时，需要将限流电阻R1投入回路，此时G13、G14加入驱动信号使其导通。当蓄电池8需要直接接入斩波器B7时，此时G13、G14关断，G15、G16加入驱动信号使其导通。

蓄电池8经双向功率开关和限流电阻R1接入斩波器B7的低压侧，斩波器B7的高压侧并入超级电容器，并接入斩波器A5的低压侧，斩波器A5的高压侧接在直流侧电容C的两端。由于超级电容器6本身的响应速度就远远高于蓄电池8，此外超级电容器6与直流侧电容C之间所经途径比蓄电池8要少经过一级斩波环节，因此无论是混合储能系统充电还是放电，超级电容器6都是优先进行充放电。此外，超级电容器6还具有良好的脉动大功率适应特性、较长的循环使用寿命、快速充放电等特点。当需要混合储能装置进行脉动大功率充放电及小循环充放电时，以上电路拓扑结构及超级电容器6本身的特点都保障了超级电容器6优先进行充放电，减少了蓄电池的使用次数，提供了蓄电池的使用寿命。

在需要混合储能装置发出功率时，当超级电容器6剩余容量较大时，斩波器A5工作在恒压输出状态(运行于升压方向)以保证直流侧电压的稳定，斩波器B7停止工作(意味着将蓄电池断开)，此时混合储能装置相当于以超级电容器6为源的恒压源，所需要发出功率完全由外界需要所决定，无需斩波器A5进行额外的调整控制，这样进一步提高了系统的响应速度。当超级电容器剩余容量不足时，需要蓄电池8参与工作，此时两组双向开关动作(G13、G14关断，G15，G16导通)，使得蓄电池直接接入斩波器B7的低压侧，斩波器B7通过控制蓄电池的出口电流，使得蓄电池8按照恒功率特性发出电能(运行于升压方向)，该功率一部分供给外部平抑风电机组输出功率波动的需求，另一部分用于对超级电容器6进行充电(该充电方式近似于恒功率充电)。此时斩波器A5仍然工作在恒压输出状态，在保证直流侧电容C电压稳定的同时，及时将蓄电池8发出功率传送到外界。

在需要混合储能装置吸收功率时，当超级电容器6剩余容量不足，还有较大的储能空间时，斩波器A5工作在恒功率输出状态(运行于降压方向)，将需要吸收的波动功率传到超级电容器6处进行恒功率充电。当超级电容器将要充满时，需要蓄电池8吸收波动的功率，此时两组双向开关动作(G13、G14关断，G15，G16导通)，使得蓄电池直接接入斩波器B7的低压侧，斩波器B7通过控制低压侧的电流对蓄电池8进行恒功率充电(运行于降压方向)，由于蓄电池8的端电压变化不大，因此该充电方式在一定的时间段内近似于恒流充电。当蓄电池接近充满时，需要双向开关重新改变运行方式(G13、G14导通，G15，G16关断)，将限流电阻R1接入蓄电池8与斩波器B7的低压侧之间，对蓄电池8进行恒压限流方式的充电，此时需要混合储能装置吸收的大部分功率都用于限流电阻R1的发热，少部分功率对蓄电池8进行浮充。对蓄电池的该充电过程基本符合蓄电池的理想充电方式，有利于延长蓄电池的使用寿命。

由上面的分析可见，在整个混合储能装置中，斩波器A5与斩波器B7负责能量的发出与吸收，这就需要斩波器具有快速的响应速度，良好的能量双向流动特性。本发明中斩波器选用的是双向DC/DC斩波电路，斩波器A5与斩波器B7的结构完全一致。

如图二所示，双向DC/DC斩波电路由储能电感L4、功率开关管G17、G18，续流二极管D17、D18及输出滤波电容C2组成构成。低压侧电源正端经过储能电感L4接到功率开关管G17的漏级、功率开关管G18的源级，功率开关管G17的源极接入斩波器的负端，功率开关管G18的漏极接入高压侧电源的正端，滤波电容C2并联到高压侧两端，续流二极管D17、D18反并联到功率开关管G17、G18的漏--源级之间。通过对功率开关管G17、G18的进行通断控制，可以实现能量由低压侧到高压侧或由高压侧到低压侧的双向流动，现将该斩波电路的工作模式进行如下分析(假设高压侧与低压侧都接有能量源)：

(1)模态1，功率开关管G17导通，功率开关管G18关断，低压侧电源通过G17对储能电感L4充电，电感电流增大。

(2)模态2，功率开关管G17关断，功率开关管G18导通，此时由于电感L4电流不能突变，电流仍从低压侧到高压侧通过续流二极管D18续流，此时从低压侧到高压侧的电流逐渐减少。

(3)模态3，此时仍然是功率开关管G17关断，功率开关管G18导通，当电感中从低压侧到高压侧的电流逐渐减小为零后，由高压侧电源经功率开关G18对电感L4进行反向充电，此时流经电感L4的反向电流逐渐增大。

(4)模态4，功率开关管G17导通，功率开关管G18关断，此时由于电感L4电流不能突变，电感L4中的反向电流沿着续流二极管D17反向续流，此时电感L4中的反向电流逐渐减小，当电感L4中的反向电流减少到0时，又重新进入模态1，从而开始下一次控制循环。

由上述分析可见，在一个循环周期内，通过对功率开关管G17，G18进行通断控制，可以实现能量在低压侧与高压侧之间的双向流动，当一个周期内由低压侧流向高压侧的能量大于由高压侧流向低压侧的能量时，斩波器运行于升压斩波状态，反之斩波器运行于降压斩波状态。每个周期内两个方向流动能量的大小取决于功率开关管G17，G18的通断时间，以及低压侧电源与高压侧电源能量的大小。通过对斩波器加入闭环控制，不仅可以控制能量的流动方向，还可以对低压侧电压、电流及高压侧电压、电流的大小进行精确控制，这为斩波器在混合储能装置中的使用提供了技术保障。

功率开关管G17、G18，续流二极管D17、D18可选用两单元IPM模块。

下面根据双馈风机的三种运行状态的区别，对本发明的励磁系统的能量流动过程进行详细的阐述。

(1)当风速低于同步速时，双馈风机处于亚同步运行状态，双馈风机励磁系统需要从电网中吸收滑差功率，此时转子侧变流器3运行在逆变状态，网侧变流器运行4在整流状态。若风机输出功率偏小，则网侧变流器4减少从电网中吸收的功率，此时滑差功率的缺额部分由混合储能装置发出电能来提供。若风机输出功率距离目标值偏小过多，则通过控制使网侧变流器4工作在逆变状态，向电网补充功率的缺额。、此时电网功率的缺额值及滑差功率都直流侧的混合储能装置来提供。若风机输出功率偏大，则网侧变换器4在吸收滑差功率的同时还应额外吸收风机输出功率，此时混合储能装置应当吸收功率，将网侧变流器吸收的额外功率存储在储能元件中。

(2)当风速高于同步速时，双馈风机处于超同步状态，双馈风机励磁系统需要向电网回馈滑差功率，此时转子侧变流器3运行在整流状态，网侧变流器4运行在逆变状态。若风机输出功率偏小，则网侧变流器4在向电网回馈滑差功率的同时，还应额外补充功率以补偿风机输出功率的缺额，该部分功率缺额由混合储能装置发出功率来提供。若风机输出功率偏大，则滑差功率一部分应当由储能装置来吸收，剩余部分经网侧变流器4回馈到电网中。若风机输出功率偏大过多，则网侧变流器4应运行在整流状态以吸收风机发出的过剩的功率，该部分功率与滑差功率一起都由混合储能装置来吸收。

(3)当风速处于同步速时，滑差功率为零，混合储能系统仅仅通过网侧变流动器与电网能量进行双向交换，以补偿风机输出功率的波动。

Claims (3)

1.一种基于超级电容器和蓄电池混合储能的双馈风力发电机励磁系统，其特征在于：该系统包括转子侧变流器(3)、网侧变流器(4)，斩波器A(5)、斩波器B(7)、超级电容器(6)、蓄电池(8)、双向开关(9)(10)、限流电阻R1及直流侧电容C；转子侧变流器(3)和网侧变流器(4)分别接在直流侧电容C的两侧，斩波器A、斩波器B、超级电容器(6)、蓄电池(8)、限流电阻R1、功率开关管G13、G14、G15、G16、二极管D13、D14、D15、D16组成了混合储能装置，混合储能装置的出口即斩波器A的高压侧并联在直流侧电容的两端。

2.根据权利要求1所述的一种基于超级电容器和蓄电池混合储能的双馈风力发电机励磁系统，其特征在于：由蓄电池(8)和超级电容器(6)，及斩波器A(5)、B(7)组成了混合储能装置；蓄电池(8)的出口经双向开关连接到斩波器B(7)的低压侧，斩波器B(7)的高压侧并联超级电容器(6)，而后再连入斩波器A(5)的低压侧，斩波器A(5)的高压侧并联在上述直流侧电容的两端，其中G13、G14、D13、D14与G15、G16、D15、D16分别组成了两个双向功率开关(9)(10)，用于根据对蓄电池(8)的充电需要选择是否投切限流电阻R1进入回路。

3.根据权利要求1所述的一种基于超级电容器和蓄电池混合储能的双馈风力发电机励磁系统，其特征在于：混合储能装置中的斩波器A(5)、B(7)采用双向DC/DC斩波电路，通过对双向DC/DC电路的闭环控制精确控制蓄电池(8)和超级电容器(6)的充放电电压、电流。

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