CN101917013B

CN101917013B - 带储能的双馈风力发电系统

Info

Publication number: CN101917013B
Application number: CN2010102487998A
Authority: CN
Inventors: 邹旭东; 段善旭; 陈仲伟
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2010-08-10
Filing date: 2010-08-10
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2030-08-10
Also published as: CN101917013A

Abstract

一种带储能的双馈风力发电系统，包括双馈型风力发电机、交流励磁电源、监控装置、并网接触器、储能装置，并网接触器的一端与双馈型风力发电机的定子绕组、定子侧变换器的交流端一起连接负载，另一端与电网连接，在交流励磁电源的直流端接有储能装置，监控装置控制并网接触器的连通状态以实现系统独立或并网运行模式的转换，并根据当前运行模式控制转子侧变换器和定子侧变换器的工作状态。本发明在并网运行时可以主动参与电力系统运行与控制，提供有功功率和无功功率补偿，改善电能质量；在独立带负载运行时可达到发电侧与用电负载侧有功功率和无功功率的动态平衡，确保风电设备和负载的安全、经济、高效、优质运行。

Description

带储能的双馈风力发电系统

技术领域

本发明属于风力发电技术和储能技术，具体涉及一种带储能的双馈风力发电系统。

背景技术

风力发电是风能大规模利用的有效途径。变速恒频双馈风力发电机运行主要是通过交流励磁电源对发电机转子实施励磁控制来实现，利用双PWM电压源型变换器这种励磁结构，对发电机转子的转差功率实施控制。但由于风电机组的输出功率主要受风速、气压、温度等多方面影响，会经常发生波动。在并网运行过程中，其输出功率的随机波动将带来电力系统中频率不稳定、电压闪变、谐波污染等问题，在风电设备独立带本地负荷运行过程中，波动的功率会影响发电设备与用电设备的动态功率平衡，影响风力发电系统的稳定运行。

为解决以上问题，目前常用的方法是：1、利用双馈风力发电自身变换器的控制使储存在风机转子中的动能对功率波动进行补偿，这种方法由于转子存储动能容量有限，当风速波动较大时其调节能力有限。2、储能装置通过电力电子变换器联接在风电设备功率输出端口，对功率波动进行补偿。这种方法将储能装置与风力发电系统励磁变换器分成相对独立的系统进行控制，不能通过原有风力发电系统励磁控制器统一调控，降低了控制的可靠性。

为解决以上问题，华中科技大学提出了一种基于超导磁储能的变速恒频双馈风力发电机励磁变频器(公开号为CN1901360A，公开日为2007年1月24日)。该装置把超导磁体作为交流励磁电源的中间直流储能环节，在控制超导磁体与双馈风力发电机转子之间的转差功率交换、实现风力发电机变速恒频运行的同时，还为并网电力系统提供有功功率和无功功率补偿。该系统能够解决并网型风力发电设备输出功率波动带来的问题，但并未涉及独立带负载运行时风力发电系统的运行中发电设备与用电设备功率动态平衡的控制问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种带储能的双馈风力发电系统，在并网运行时可以主动参与电力系统运行与控制，提供有功功率和无功功率补偿，改善电能质量；在独立带负载运行时可达到发电侧与用电负载侧有功功率和无功功率的动态平衡，确保风电设备和负载的安全、经济、高效、优质运行。

一种带储能的双馈风力发电系统，包括双馈型风力发电机1、交流励磁电源和储能装置3，交流励磁电源包括转子侧变换器2和定子侧变换器4，转子侧变换器2的交流端与双馈型风力发电机1的转子绕组连接，转子侧变换器2和定子侧变换器4的公共直流端与储能装置3的正负极连接，其特征在于：该系统还包括并网接触器6和监控装置7，并网接触器6的一端与双馈型风力发电机1的定子绕组、定子侧变换器4的交流端一起连接负载5，并网接触器6的另一端连接电网；监控装置7用于控制并网接触器6的连通状态以实现系统独立或并网运行模式的转换，并控制转子侧变换器2从储能装置3中获取保证双馈风力发电机正常运行所需的转差功率，控制定子侧变换器4从储能装置3中获取功率以补偿电机定子输出的波动或补偿电机定子输出功率与负载需求功率的差额。

本发明相对于现有技术的优点在于：

(1)转子侧变换器具有功率双向流动的能力，可控制储能装置与双馈风力发电机转子之间的转差功率交换，使双馈风力发电机运行在最大风能跟踪状态，最大限度地利用风能。

(2)定子侧变换器与储能装置相连，控制风力发电系统在并网运行模式下，可以主动参与电力系统运行与控制，提供有功功率和无功功率补偿，改善电能质量。

(3)定子侧变换器与储能装置相连，控制风力发电系统在独立带负载运行模式下，达到发电侧与用电负载侧有功功率和无功功率的动态平衡效果，改善电能质量，使发电系统和负荷安全、经济、高效、优质运行。

(4)因本发明中增加了直流储能装置，使得转子侧变换器和定子侧变换器可以相互独立的运行。在风速不满足发电要求的情况下储能装置可通过定子侧变换器单独运行，可并入电力系统或独立对负载进行供电，增强了双馈风力发电系统供电可靠性。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图；

图2为本发明中转子侧变换器的电路拓扑结构图；

图3为本发明中定子侧变换器的电路拓扑结构图；

图4为本发明中并网运行时双馈风力发电系统各端口的功率波形图；

图5为本发明中独立带负载运行时双馈风力发电系统各端口的功率波形图。

具体实施方式

本发明提出的直流环节带储能装置的双馈风力发电系统，其结构如图1所示，包括双馈型风力发电机1、交流励磁电源、储能装置3、并网接触器6和监控装置7。

监控装置7用于对转子侧变换器2、定子侧变换器4、并网接触器6实施监控。监控装置7通过控制并网接触器6的连通状态实现双馈风力发电系统并网或独立带负载运行。并网接触器6在并网运行模式下开通，独立带负载运行模式下关断。

储能装置3可采用蓄电池、燃料电池等直流输出的储能设备。在并网运行和独立带负载运行模式下，其均为双馈风力发电机提供正常运行所需的转差功率。并网运行模式下，为定子侧变换器4提供功率用于补偿电机定子输出的波动，保证并网点输出功率平稳；独立带负载运行模式下，为定子侧变换器4提供功率补偿电机定子输出功率与负载需求功率的差额，保证负载正常运行。

并网接触器6用于实现并网和独立两种运行模式的转换。在并网运行模式下，接触器闭合。风力发电机定子绕组、定子侧变换器交流端和负载都与电网连接，此时负载由电网和直流环节带储能装置的双馈风力发电系统共同供电。双馈型风力发电机1的定子绕组、定子侧变换器4的交流端和负载5都通过并网接触器6与电网输电线路接入点连接，从而将该系统接于电网输电线路中。在独立带负载运行模式下，接触器断开。双馈型风力发电机1的定子绕组、定子侧变换器4的交流端与负载5连接，负载由直流环节带储能装置的双馈风力发电系统独立供电。

双馈型风力发电机1是机电能量转换部件，其结构类似于绕线式异步电机，旋转电机的定子和转子均安放对称三相绕组，其定子与普通交流电机定子相似，定子绕组由具有固定频率的对称三相电源激励。电机定转子极数相同。转子绕组由具有可调节频率的对称三相电源激励。电机的转速由定转子之间的转差频率确定。电机的定转子磁场是同步旋转的，因而它又具有类似同步电机的特性。转子轴与风机桨叶轴通过齿轮箱连接，以此从风能中获得能量。

交流励磁电源包括转子侧变换器2和定子侧变换器4，转子侧变换器2和定子侧变换器4均为三相电压源型脉宽调制变换器(PWM)，转子侧变换器2的交流端与双馈型风力发电机1的转子绕组连接，转子侧变换器2和定子侧变换器4的公共直流端与储能装置3两端连接，定子侧变换器4的交流端与负载5、双馈型风力发电机1的定子绕组连接。交流励磁电源采用转差功率可四象限运行的双PWM电压源型变换器结构，对应于双馈型风力发电机1的并网或独立带负载运行模式，转子侧变换器运行在最大风能跟踪控制模式。

如图2所示，转子侧变换器2由全控型功率开关元件和电感构成，全控型功率开关元件组成第一三相全桥结构8，三相桥臂中点与双馈型风力发电机1的转子绕组通过三相电感9相连。

监控装置7对转子变换器2的控制所需要的检测量包括定子电压、定子电流、转子电流、直流母线电压以及转子位置角。控制过程如下：检测定子电压，通过硬件或软件锁相获得定子电压合成矢量空间位置角，忽略定子电阻的影响后，得到定子磁链幅值和定子磁通角，并和检测到的转子位置角用于控制系统进行同步旋转dq坐标系下的控制。监控装置计算当前风速下最大风能跟踪功率值，依据该功率值得到定子有功功率目标值，根据监控装置能量管理需求得到定子无功功率。实际的电机定子有功功率和电机无功功率依据检测的电机定子电压和定子电流计算后得到，实际的电机转速由电机转子位置角计算处理后得出。同步旋转坐标系下的双环控制双通道策略为，电机转子电流的q轴指令由电机定子有功功率目标值与实际定子有功功率的反馈量通过PI调节器得到，电机转子电流的d轴指令由电机定子无功功率目标值与实际定子无功功率的反馈量通过PI调节器得到，并考虑实际系统中电机dq轴电流所产生的交叉耦合电压的影响，采用一定的解耦合控制，最终得到转子侧变换器dq轴电压指令，并经过坐标变换得到转子三相参考电压作为转子侧变换器2的电压控制指令，使得转子侧变换器2从储能装置3获取保证双馈风力发电机正常运行所需的转差功率，可分别或同时实现发电、调节功率因数等多种功能。

如图3所示，定子侧变换器4由全控型功率开关元件和电感电容(LC)低通滤波器构成，全控型功率开关元件组成第二三相全桥结构11，三相桥臂中点与三相LC低通滤波器10连接。

监控装置7对定子侧变换器4控制所需要的检测量包括直流母线电压、LC低通滤波器10的电感电流以及并网电压。对应于双馈型风力发电系统的并网和独立带负载运行模式，定子侧变换器4也有两种运行模式：

①并网运行模式，将定子侧变换器控制成电流源形式。并网运行模式下，并网接触器6闭合，此时并网接触器6被记为并网点。同步旋转dq坐标系下的双通道策略采用电感电流内环，并网功率外环的控制策略。并网点有功、无功功率目标值由电力系统需求确定，并网点有功功率目标值与检测到的并网点实际有功功率反馈量通过PI调节器得到LC低通滤波器10的电感电流d轴指令，并网点无功功率目标值与检测到的并网点实际无功功率反馈量通过PI调节器得到LC低通滤波器10的电感电流q轴指令。LC低通滤波器10的电感电流dq轴指令与检测到的LC低通滤波器10的电感电流经过坐标变换后得到的dq轴电流反馈量进行PI调节，并考虑实际系统中变换器dq轴电流所产生的交叉耦合电压的影响，采用一定的解耦合控制，最终得到定子侧变换器4中三相全桥结构桥臂中点dq轴电压指令，并经过坐标变换得到三相全桥结构桥臂中点三相参考电压作为定子侧变换器4的电压控制指令，使得定子侧变换器4从储能装置3中获取功率以补偿电机定子输出的波动，保证并网点功率的输出稳定，实现改善电能质量，提高风力发电机相连的电力系统的稳定性的目的。

②独立带负载运行模式，将定子侧变换器控制成电压源形式，LC低通滤波器10的电容电压目标值等值于电网电压。同步旋转dq坐标系下的双通道策略采用电感电流内环，电容电压外环的控制策略。LC低通滤波器10的电容电压dq轴目标值与检测到的电容电压dq轴反馈量通过PI调节器得到LC低通滤波器10的电感电流dq轴指令。LC低通滤波器10的电感电流dq轴指令与检测到的LC低通滤波器10的电感电流经过坐标变换后得到的dq轴电流反馈量进行PI调节，得到定子侧变换器4中三相全桥结构桥臂中点dq轴电压指令，并经过坐标变换得到三相全桥结构桥臂中点三相参考电压作为定子侧变换器4的电压控制指令，使得定子侧变换器4从储能装置3中获取功率以补偿电机定子输出功率与负载需求功率的差额，实现负载接入端有功功率及无功功率的动态平衡，确保风电设备和负载的安全、经济、高效、优质运行。

实例：

双馈风力发电机1的参数设置如下：额定功率1.5MW；额定电压690V；定子漏感0.050p.u.；转子漏感0.015p.u.；定转子互感2.4p.u.；定子回路电阻0.024p.u.；转子回路电阻0.015p.u.；极对数3；电网线电压有效值为690V。

仿真分析说明本发明的两个工作模式：(1)并网工作模式；(2)独立带负载工作模式。

根据上述两种工作模式，仿真参数设置：

1、并网工作模式

(1)0～120s内风速变化，基本风、阵风、渐变风的风速分别为12m/s，2m/s，2m/s；阵风持续时间为20s～30s，渐变风持续时间为40s～60s或90s～110s；随机风表面粗糙度0.0005，扰动范围600m。并网点功率给定为0.862MW。

(2)同样的风速条件下，并网点功率给定发生阶跃变化。0s～30s时，功率给定为0.8MW；30s～60s时，功率给定为1.6MW；60s～90s时，功率给定为0.4MW；90s～120s时，功率给定为1.2MW。

2、独立带负载工作模式

0～30s内风速变化：基本风、阵风、渐变风的风速分别为12m/s，2m/s，2m/s；阵风持续时间为5s～15s，渐变风持续时间为20s～30s；随机风表面粗糙度0.0005，扰动范围600m。负载发生阶跃变化：。

仿真结果如图4和图5所示，图4为并网工作模式下功率的波形，t为时间，V_W为风速，P为功率，I为电流，U为电压。

图4(a)为仿真过程中的风速变化，风速V_W有随机波动。

图4(b)为仿真过程中并网点实际功率P_A和需求功率

在风速随机变化时，并网点实际功率能够跟踪给定平稳输出

图4(c)为仿真过程中并网点输出功率P_A、定子输出功率P_s和定子侧变换器功率P_g波形。在风速随机变化时定子输出功率P_s有与风速相同趋势的波动，定子侧变换器功率P_g与定子输出功率P_s有相反的变化趋势，以补偿其波动。并网点输出功率P_A稳定在0.862MW。

图4(d)为仿真过程中并网点实际有功功率P_A与给定有功功率的波形，0～30s内功率为0.8MW，30～60s内功率为1.6MW，60～90s内功率为0.4MW，90～120s内功率为1.2MW，在这4个时段内有功功率输出平稳，不随风速波动而波动，且响应迅速。

图5为独立带负载工作模式下的波形图。

图5(a)为0～30s内风速变化波形，风速有随机波动。

图5(b)为0～30s内双馈风力发电机定子输出的有功功率，该功率随风速变化有明显的波动。

图5(c)为0～30s内双馈风力发电机定子侧变换器输出的有功功率，该功率与图5(b)所示功率有相反的波动趋势，同时与负载功率的需求阶跃变化相对应。

图5(d)为0～30s内负载有功功率的波形，0～10s内功率为0.726MW，10～20s内功率为1.814MW，20～30s内功率为0.484MW，在这3个时段内负载功率平稳，不随风速的波动而波动。

图5(e)为0～30s内负载A相电流波形，0～10s内功率为607A，10～20s内功率为1518A，20～30s内功率为405A。负载电流与负载功率有对应的变化趋势。

图5(f)为19.85～21.15s内负载三相电压，在20s时负载变化导致负载功率由1.814MW变化到0.484MW，负载电压不受功率阶跃变化影响，且响应迅速。

Claims

1.一种带储能的双馈风力发电系统，包括双馈型风力发电机(1)、交流励磁电源和储能装置(3)，交流励磁电源包括转子侧变换器(2)和定子侧变换器(4)，转子侧变换器(2)的交流端与双馈型风力发电机(1)的转子绕组连接，转子侧变换器(2)和定子侧变换器(4)的公共直流端与储能装置(3)的正负极连接，其特征在于：该系统还包括并网接触器(6)和监控装置(7)，并网接触器(6)的一端与双馈型风力发电机(1)的定子绕组、定子侧变换器(4)的交流端一起连接负载(5)，并网接触器(6)的另一端连接电网；监控装置(7)用于控制并网接触器(6)的连通状态以实现系统独立或并网运行模式的转换，并控制转子侧变换器(2)从储能装置(3)中获取保证双馈型风力发电机正常运行所需的转差功率，控制定子侧变换器(4)从储能装置(3)中获取功率以补偿电机定子输出的波动或补偿电机定子输出功率与负载需求功率的差额。