CN101789745B - 双馈风力发电机的太阳能励磁装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是双馈风力发电机的太阳能励磁装置及其控制方法。太阳能-电能转化装置的输出经过电流传感器接至直流变换电路的输入，电压传感器并联接在太阳能-电能转化装置的输出端；电流传感器和电压传感器的输出送至中央处理器；直流变换电路的输出接至直流母线；直流-交流变换电路的直流侧接至直流母线，交流侧接至双馈风力发电机的转子绕组；储能装置并联在直流母线上；电压传感器并联接在电网中，其输出电压信号送至中央处理器；测速装置安装在联接双馈风力发电机转子和风车的转轴上，其输出转速信号送至中央处理器。本发明将太阳能发电装置应用于双馈风力发电机的励磁装置中。能进一步提高风能、太阳能的转化效率，增强电网的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及电气工程领域，特别涉及到一种利用太阳能来为双馈风力发电机提供励磁的一种励磁装置及其控制方法。
背景技术
近年来，为了更好地利用绿色能源，人们开始将风力发电和太阳能发电结合起来，利用它们的各自优势实现互补。主要采取的结合方式为，首先分别实现风力发电和太阳能发电，然后再将这两个不同的发电单元并联接入电网。风力发电单元由风车、风力发电机及其励磁装置等装置组成。太阳能发电单元主要由太阳能电池板、储能装置、逆变器等装置构成。从风电技术的发展来看，目前风力发电机主要为双馈风力发电机和永磁风力发电机两种，其中双馈风力发电机由于具有变速恒频和能量双馈的优点，而被广泛应用。对于双馈风力发电机，现有的这种与太阳能发电并联结合的方式存在有以下缺点：
(1)为了保持电网有功平衡，当风能转化的电能大于电网的需求时，必须调节风车的桨距，减少转化的风能，或者在电网中另外增加一个容量较大的储能装置及其充放电控制电路，来吸收风力发电单元产生的多余的电能，这必然会降低整套发电装置的可靠性，增加控制的复杂性和装置的成本。
(2)风力发电单元产生的多余的电能总是先被送到电网上，再被储能装置吸收，这必然会影响电网的正常运行，导致电压波动。
(3)在现有的结合方式中，风力发电单元和太阳能发电单元各自单独实施发电控制，无法形成统一的整体发电控制策略，不利于电网稳定性的提高。
(4)双馈风力发电机的励磁装置中存在有电力变换装置，其逆变功能与太阳能发电单元中的逆变器的功能相同，这不仅导致了具有相同功能的装置的重复使用，增加了成本，而且由于电力电子器件的增多，也降低了整个系统的可靠性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能提高风能、太阳能的转化效率，增强电网的稳定性的双馈风力发电机的太阳能励磁装置。本发明的目的还在于提供一种基于双馈风力发电机的太阳能励磁装置的控制方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明的双馈风力发电机的太阳能励磁装置的构成为：太阳能-电能转化装置的输出经过电流传感器CT1接至直流变换电路的输入，且电压传感器VT1并联接在太阳能-电能转化装置的输出端；电流传感器CT1和电压传感器VT1的输出送至中央处理器；直流变换电路的输出接至直流母线；直流-交流变换电路的直流侧接至直流母线，其交流侧接至双馈风力发电机的转子绕组；储能装置通过充放电电路并联在直流母线上；电压传感器VT2并联接在电网中，其输出电压信号送至中央处理器；测速装置安装在联接双馈风力发电机转子和风车的转轴上，其输出转速信号送至中央处理器；中央处理器分别向升压电路、直流-交流变换电路和储能装置的充放电电路提供控制信号。
本发明的双馈风力发电机的太阳能励磁控制方法为：
(1)数据采集、处理：中央处理器通过电压、电流传感器和测速装置对转化的太阳能、电网电压和双馈风力发电机转子转速等数据进行检测，判断当前电网的运行状态和风能、太阳能的大小；
(2)升压电路控制：中央处理器向升压电路发出控制信号，将太阳能-电能转化装置输出的电能送至直流母线；
(3)判断有功是否平衡：中央处理器通过分析当前电网电压频率的大小，判断出电网有功功率是否平衡，如果频率值位于允许的范围内，则认为电网有功平衡，跳转至步骤(10)；如果频率值超出允许范围，则认为电网有功不平衡，执行步骤(4)；
(4)判断有功是否不足：当频率值小于允许值时，为有功不足，中央处理器计算出有功补偿值，执行步骤(5)；当频率值大于允许值时，为有功过剩，中央处理器计算出有功多余值，执行步骤(8)；
(5)判断太阳能是否充足：中央处理器通过将太阳能-电能转化装置的输出功率与计算出的有功补偿值进行比较，判断出太阳能转化的电能是否能满足有功补偿的需求，如果能满足补偿，则执行步骤(6)，否则执行步骤(7)；
(6)太阳能提供补偿，储能装置充电：中央处理器向直流-交流变换电路发出控制信号，使该变换电路处于逆变工作状态，将直流母线上的直流电能变换成双馈风力发电机转子绕组所需的交流电能，进而发电机输出的有功功率满足电网的有功需求；同时中央处理器向储能装置的充放电电路发出控制信号，使其处于充电状态，储能装置吸收多余的太阳能转化来的电能；跳转至步骤(9)；
(7)储能装置提供补偿：中央处理器向储能装置的充放电电路发出控制信号，使其处于放电状态，由储能装置提供所欠缺的那一部分电能；同时中央处理器向直流-交流变换电路发出控制信号，使该变换电路处于逆变工作状态，将由太阳能-电能转化装置和储能装置共同提供的能量，通过双馈风力发电机向电网输送，和风能转化来的电能一起满足电网的有功需求；跳转至步骤(9)；
(8)直流-交流变换电路整流，储能装置充电：中央处理器向直流-交流变换电路发出控制信号，使其处于整流状态，通过双馈风力发电机转子绕组和直流-交流变换电路将风能转化过来的多余的电量送到直流母线上；同时中央处理器向储能装置的充放电电路发出控制信号，使其处于充电状态，即利用储能装置吸收由太阳能和多余的风能转化来的电能；
(9)判断是否结束：如果结束，则终止励磁控制；否则跳转至步骤(1)，重新对数据进行采集、分析，进而实现励磁控制；
(10)保持当前控制状态：中央处理器发出的控制信号保持不变，即升压电路、充放电电路、直流-交流变换电路工作状态不变。跳转至步骤(1)。
本发明的工作原理为：中央处理器向升压电路发出控制信号，将太阳能-电能转化装置输出的电压较低且不稳定的直流电能传送至电压较高且稳定的直流母线上，同时中央处理器根据电压、电流传感器提供的电压、电流信号和测速装置提供的发电机转子转速信号，判断当前电网的运行状态和风能、太阳能的大小，以此为依据分别向储能装置的充放电电路和直流-交流变换电路发出控制信号，为双馈风力发电机提供所需的能量，使发电机输出的有功功率满足电网的需求，确保电网稳定运行。
采用本发明提出的双馈风力发电机的太阳能励磁系统及其控制方式，将会取得以下有益效果。
(1)在本发明提出的太阳能励磁装置中，只需要一套储能装置及其充放电电路，就既可以存储转化后的太阳能又可以存储转化后的风能。并且太阳能转化的直流电能利用双馈风力发电机励磁装置中固有的直流-交流变换电路和发电机绕组为电网供电，无需再采用单独的逆变电路。因此本发明提出的这种励磁装置结构可以有效减少储能装置和各种变换电路的使用数量，进而提高其运行的可靠性和经济性。
(2)当风能转化的电能大于电网的需求时，本发明的励磁装置，可以将多余的由风能转化的电能通过转子绕组和直流-交流变换电路送至励磁装置内部的直流母线上，再由储能装置吸收，无需经过电网。因此，采用本发明的励磁装置，在保证电网有功平衡的前提下，不仅可以使发电机始终进行最大风能转化，提高风能的利用率，还可以有效提高电网运行的稳定性。
(3)采用本发明励磁装置的双馈风力发电机，在风能减小或不足时，太阳能转化的电能和储能装置中的能量可以通过直流-交流变换电路和电机的转子绕组、气隙、电枢绕组进入电网，确保发电机输出的有功功率满足电网需求。极端情况下，没有风能时，此时的发电机等同于一台三相变压器，励磁装置中的能量仍然可以通过发电机注入电网。因此，本发明提出的励磁装置可以使双馈风力发电机在低风速下稳定运行，极大地拓宽其运行的风速范围。
(4)采用本发明励磁装置的双馈风力发电机，当没有阳光时，可单独由储能装置提供能量，满足发电机正常运行对励磁的需求。
(5)从控制角度来看，在本发明中，太阳能发电控制位于风力发电机的励磁控制环节，两者之间不再相互独立，而是有机的结合在一起，可以建立完整的数学模型，进行整体化的统一控制，这必将有利于控制方法的简化和控制效果的提高。
附图说明
图1是本发明的双馈风力发电机的太阳能励磁装置结构示意图。
图2是本发明的励磁控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1。太阳能-电能转化装置1的输出经过电流传感器CT1 3接至直流变换电路的输入，且电压传感器VT12并联接在太阳能-电能转化装置的输出端。电流传感器CT1和电压传感器VT1的输出送至中央处理器10。直流变换电路的输出接至直流母线。直流-交流变换电路7的直流侧接至直流母线5，其交流侧接至双馈风力发电机12的转子绕组。储能装置8通过充放电电路9并联在直流母线上。电压传感器VT2 6并联接在电网11中，其输出电压信号送至中央处理器。测速装置13安装在联接双馈风力发电机转子和风车14的转轴上，其输出转速信号送至中央处理器。中央处理器分别向升压电路4、直流-交流变换电路和储能装置的充放电电路提供控制信号。
使用本发明提出的太阳能励磁装置的双馈风力发电机，在实施最大风能跟踪、转化的前提下，对电网的有功功率进行调节时，可采用本发明提出的励磁控制方法。结合图2，具体控制步骤如下：
(1)数据采集、处理。中央处理器通过电压、电流传感器和测速装置对转化的太阳能、电网电压和双馈风力发电机转子转速等数据进行检测，判断当前电网的运行状态和风能、太阳能的大小。
(2)升压电路控制。中央处理器向升压电路发出控制信号，将太阳能-电能转化装置输出的电能送至直流母线。
(3)判断有功是否平衡。中央处理器通过分析当前电网电压频率的大小，可以判断出电网有功功率是否平衡，如果频率值位于允许的范围内，则认为电网有功平衡，跳转至步骤(10)；如果频率值超出允许范围，则认为电网有功不平衡，执行步骤(4)。
(4)判断有功是否不足。当频率值小于允许值时，说明风能转化的电能不能满足电网的有功需求，即有功不足，中央处理器计算出有功补偿值，执行步骤(5)；当频率值大于允许值时，说明风能转化的电能超过电网的有功需求，即有功过剩，中央处理器计算出有功多余值，执行步骤(8)。
(5)判断太阳能是否充足。中央处理器通过将太阳能-电能转化装置的输出功率与计算出的有功补偿值进行比较，可以判断出太阳能转化的电能是否能满足有功补偿的需求，如果能满足补偿，则执行步骤(6)，否则执行步骤(7)。
(6)太阳能提供补偿，储能装置充电。中央处理器向直流-交流变换电路发出控制信号，使该变换电路处于逆变工作状态，将直流母线上的直流电能变换成双馈风力发电机转子绕组所需的交流电能，进而发电机输出的有功功率满足电网的有功需求。同时中央处理器向储能装置的充放电电路发出控制信号，使其处于充电状态，储能装置吸收多余的太阳能转化来的电能。跳转至步骤(9)
(7)储能装置提供补偿。由于当前风能和太阳能转化来的电能不能满足电网对发电机输出有功的需求，中央处理器向储能装置的充放电电路发出控制信号，使其处于放电状态，由储能装置提供所欠缺的那一部分电能。同时中央处理器向直流-交流变换电路发出控制信号，使该变换电路处于逆变工作状态，将由太阳能-电能转化装置和储能装置共同提供的能量，通过双馈风力发电机向电网输送，和风能转化来的电能一起满足电网的有功需求。跳转至步骤(9)
(8)直流-交流变换电路整流，储能装置充电。中央处理器向直流-交流变换电路发出控制信号，使其处于整流状态，通过双馈风力发电机转子绕组和直流-交流变换电路将风能转化过来的多余的电量送到直流母线上。同时中央处理器向储能装置的充放电电路发出控制信号，使其处于充电状态，即利用储能装置吸收由太阳能和多余的风能转化来的电能。
(9)判断是否结束。如果结束，则终止励磁控制；否则跳转至步骤(1)，重新对数据进行采集、分析，进而实现励磁控制。
(10)保持当前控制状态。中央处理器发出的控制信号保持不变，即升压电路、充放电电路、直流-交流变换电路工作状态不变。跳转至步骤(1)。
本发明的构成可以有以下几种方式：
具体实施方式一：
太阳能-电能转化装置采用太阳能电池组。升压电路采用常规的boost电路。直流母线采用铜排。充放电电路采用双向buck-boost电路。储能装置采用蓄电池组。直流-交流变换电路采用可实现能量双向流动的三相桥逆变电路。中央处理器采用数字信号处理器(DSP)，或者计算机、单片机等其他具有A/D转换、数字信号处理、数字信号输入/输出功能的器件。电压传感器VT1、电压传感器VT2采用霍尔型电压传感器。电流传感器CT1采用霍尔型电流传感器。测速装置采用光电码盘。
数字信号处理器向boost升压电路发出控制信号，将太阳能电池组输出的电压较低且不稳定的直流电能传送至电压较高且稳定的由铜排构成的直流母线上，同时数字信号处理器根据霍尔电压、电流传感器提供太阳能电池组输出信号和电网电压信号，以及光电码盘提供的发电机转子转速信号等信息，判断当前电网的运行状态和风能、太阳能的大小。当发电机输出的有功功率满足电网的需求时，数字信号处理器发出的控制信号保持不变，即boost电路、双向buck-boost电路、三相桥逆变电路工作状态不变；当风能减小引起发电机输出有功功率不足，但太阳能充足时，数字信号处理器通过调节向三相桥逆变电路发出的控制信号，改变三相桥逆变电路输出的交流励磁电压，将更多的由太阳能转化来的电能提供给电网，消除风能减小对发电机输出有功功率的影响，同时数字信号处理器控制双向buck-boost电路，使其工作于充电状态，蓄电池组吸收由太阳能转化来的多余的电能，保持直流母线电压稳定；当太阳能不足，或风能和太阳能都无法满足电网对发电机输出有功功率的需求时，数字信号处理器控制双向buck-boost电路，使其工作于放电工作状态，将蓄电池组储存的能量释放出来，这部分释放出来的能量和太阳能、风能一起由发电机提供给电网，满足电网的有功需求；当风能过剩引起发电机输出的有功功率超过电网需求时，数字信号处理器控制三相桥逆变电路，使其工作于整流状态，将由风能转化的多余的电能从发电机的转子绕组传递至直流母线，同时数字信号处理器控制双向buck-boost电路工作于充电状态，蓄电池组同时吸收由太阳能转化来的电能和由风能转化来的多余的电能，进而保持直流母线电压稳定。
具体实施方式二：
储能装置采用超级电容器组。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：
储能装置采用超导储能。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：
储能装置采用飞轮储能。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：
测速装置采用测速电机。其他与具体实施方式一相同。
Claims (2)
1.一种双馈风力发电机的太阳能励磁装置，其特征是：太阳能-电能转化装置的输出经过电流传感器CT1接至直流变换电路的输入，且电压传感器VT1并联接在太阳能-电能转化装置的输出端；电流传感器CT1和电压传感器VT1的输出送至中央处理器；直流变换电路的输出接至直流母线；直流-交流变换电路的直流侧接至直流母线，其交流侧接至双馈风力发电机的转子绕组；储能装置通过充放电电路并联在直流母线上；电压传感器VT2并联接在电网中，其输出电压信号送至中央处理器；测速装置安装在联接双馈风力发电机转子和风车的转轴上，其输出转速信号送至中央处理器；中央处理器分别向直流变换电路、直流-交流变换电路和储能装置的充放电电路提供控制信号。
2.一种双馈风力发电机的太阳能励磁控制方法，其特征是包括如下控制步骤：
(1)数据采集、处理：中央处理器通过电压、电流传感器和测速装置对转化的太阳能、电网电压和双馈风力发电机转子转速等数据进行检测，判断当前电网的运行状态和风能、太阳能的大小；
(2)直流变换电路控制：中央处理器向直流变换电路发出控制信号，将太阳能-电能转化装置输出的电能送至直流母线；
(3)判断有功是否平衡：中央处理器通过分析当前电网电压频率的大小，判断出电网有功功率是否平衡，如果频率值位于允许的范围内，则认为电网有功平衡，跳转至步骤(10)；如果频率值超出允许范围，则认为电网有功不平衡，执行步骤(4)；
(4)判断有功是否不足：当频率值小于允许值时，为有功不足，中央处理器计算出有功补偿值，执行步骤(5)；当频率值大于允许值时，为有功过剩，中央处理器计算出有功多余值，执行步骤(8)；
(5)判断太阳能是否充足：中央处理器通过将太阳能-电能转化装置的输出功率与计算出的有功补偿值进行比较，判断出太阳能转化的电能是否能满足有功补偿的需求，如果能满足补偿，则执行步骤(6)，否则执行步骤(7)；
(6)太阳能提供补偿，储能装置充电：中央处理器向直流-交流变换电路发出控制信号，使该变换电路处于逆变工作状态，将直流母线上的直流电能变换成双馈风力发电机转子绕组所需的交流电能，进而发电机输出的有功功率满足电网的有功需求；同时中央处理器向储能装置的充放电电路发出控制信号，使其处于充电状态，储能装置吸收多余的太阳能转化来的电能；跳转至步骤(9)；
(7)储能装置提供补偿：中央处理器向储能装置的充放电电路发出控制信号，使其处于放电状态，由储能装置提供所欠缺的那一部分电能；同时中央处理器向直流-交流变换电路发出控制信号，使该变换电路处于逆变工作状态，将由太阳能-电能转化装置和储能装置共同提供的能量，通过双馈风力发电机向电网输送，和风能转化来的电能一起满足电网的有功需求；跳转至步骤(9)；
(8)直流-交流变换电路整流，储能装置充电：中央处理器向直流-交流变换电路发出控制信号，使其处于整流状态，通过双馈风力发电机转子绕组和直流-交流变换电路将风能转化过来的多余的电量送到直流母线上；同时中央处理器向储能装置的充放电电路发出控制信号，使其处于充电状态，即利用储能装置吸收由太阳能和多余的风能转化来的电能；
(9)判断是否结束：如果结束，则终止励磁控制；否则跳转至步骤(1)，重新对数据进行采集、分析，进而实现励磁控制；
(10)保持当前控制状态：中央处理器发出的控制信号保持不变，即直流变换电路、充放电电路、直流-交流变换电路工作状态不变，跳转至步骤(1)。
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