CN102324754A - 基于储能装置的双馈型风力发电机低电压穿越控制系统 - Google Patents

Abstract

一种基于储能装置的双馈型风力发电机低电压穿越控制系统，包括：双馈型电机，网侧变换器，机侧变换器，电压检测装置，储能装置，低电压穿越控制模块。所述双馈型电机通过机侧变换器和网侧变换器串联至电网，储能装置连接于双馈型电机与电网之间，机侧变换器与网侧变换器之间并联卸荷电路，电压检测装置连接于电网与低电压穿越控制模块之间，低电压穿越模块控制储能装置和卸荷电路的投入与切除，即先通过储能装置吸收能量再通过卸荷电路泄放能量，最后再通过储能装置回馈能量这一过程，有效抑制电磁转矩、无功功率和直流母线电压的脉动，限制了转子电流，电网恢复时提供所需功率支持，使发电机可以始终保持与电网相连，实现了低电压穿越。

Description

基于储能装置的双馈型风力发电机低电压穿越控制系统

技术领域

本发明属于低电压穿越控制系统技术领域，特别是一种基于储能装置的双馈型风力发电机组低电压穿越控制系统。                                                  

背景技术

在未来的一段时间内，随着世界及中国经济的发展，能源的消耗将急剧增加，使得我国将在未来一段时间内长期面临着环境和资源的双重压力，发展包括风力发电在内的可再生能源是中国能源困境的最终解决办法。针对中国发展风电的实际情况，风电场与电网的协调规划和建设是当前最关键的问题。由于风能是一种不能人为控制且极不稳定的能源，时断时续，如何将风能开发出来并入电网，保证电网安全稳定地运行，这是一个急需解决的问题。因此，随着电网中风电所占比重的不断增加，世界各国在提高电网风电承受能力的同时，对并网风电机组提出了比以往更高的技术要求，如低电压穿越(LVRT)能力。

近些年，变速恒频风力发电在兆瓦级风力发电机组中的应用成为了研究的热点。而实际运行的机组中双馈感应发电机(DFIG)成为了主流产品。双馈机组的变频器只需供给转差功率就可以调节机组的转速，从而能更好地利用风能。而且发电系统可以通过改变励磁电流的幅值和相位实现发电机组输出有功、无功功率的独立调节。但是，由于DFIG风力发电系统使用了小容量变频器，因此减弱了系统抵御电网电压跌落的能力。当电网电压跌落到一定数值时，如果不采取任何技术措施，DFIG风力发电系统将会被电网切除，使电网跌落情况更加恶化。

当前，低电压穿越技术一般有三种方案：一是转子短路保护技术(Crowbar protection)；二是引入新型拓扑结构；三是采用合理的励磁控制算法。在电网电压跌落过程中，只改进控制策略在一定程度上可以减弱某些量的暂态响应，但这种方法只适用于小值电网电压跌落的情况，一旦出现较为严重的电压跌落，单纯靠控制策略的改进难以实现低压穿越。增加硬件辅助电路，双馈异步电机转子接入Crowbar装置后作为鼠笼异步电机运行，成为一个消耗感性无功的负载，不仅不能对电网电压起支持作用，反而阻碍故障切除后电网电压的恢复。因此，如何在电网电压跌落时，使DFIG风力发电系统在国家电网标准下仍能够保持和电网的连接，并且能够对电网提供支撑作用来提高电力系统的稳定性这一问题，急需解决。

发明内容

本发明目的是克服现有技术存在的上述不足，提供一种控制效果较好、能有效的在电网电压跌落时实现低电压穿越功能的基于储能装置的双馈型风力发电机低电压穿越控制系统。

本发明提供的基于储能装置的双馈型风力发电机低电压穿越控制系统包括：

双馈型电机1，机侧变换器2，网侧变换器3，储能装置4，卸荷电路5，电压检测装置6，低电压穿越控制模块7；所述双馈型电机1通过机侧变换器2和网侧变换器3串联至电网;所述储能装置4输入端连接双馈型电机1，输出端连接电网；所述机侧变换器3与网侧变换器4之间并联卸荷电路5；所述电压检测装置6输入端连接电网，输出端连接低电压穿越控制模块7，低电压穿越控制模块7同时连接储能装置4和卸荷电路5；

所述电压检测装置能够连续测量机端电压，用于故障消除时辅助低电压穿越控制模块重新启动储能装置。

所述低电压穿越控制模块包括卸荷电路判定模块，储能装置判定模块，投切触发模块和检测计算模块；

储能装置判定模块：通过电压检测装置对电网电压的检测，能够将检测信号实时传入储能装置判定模块，并与预先设定的正常情况下的电压幅值进行比较，当低于额定电压时，储能装置判定模块将向投切触发模块发出信号，启动储能装置，同时储能装置判定模块向卸荷电路判定模块发送储能装置已启动信号；

卸荷电路判定模块：由机侧变换器中的传感器实时监测直流母线电压，并将信号传入卸荷电路判定模块中与给定值进行比较，卸荷电路判定结果传送至投切触发模块用于投入切除卸荷电路；

检测计算模块：该模块将根据电压跌落深度估算出直流母线电压峰值，并将信号传送至卸荷电路判定模块，当直流母线电压高于额定值低于故障峰值时，直流侧电容通过卸荷电路泄放能量；同时卸荷电路判定模块将卸荷电路的投入信号传送至储能装置判定模块，储能装置判定模块将信号传入投切触发模块，储能装置切除，即储能装置与卸荷电路互相钳制不能同时投入系统，先储能后卸荷；

投切触发模块：用于控制储能装置和卸荷电路的投入与切除。

所述储能装置由双向buck-boost DC/DC变换器和多硫化钠-溴储能电池组成，如图3，电池侧采用LCL滤波，能有效地减小电池端的纹波电压和纹波电流。

所述卸荷电路包括：功率器件和电阻，低电压穿越控制模块的输出端接功率器件的控制端，功率器件与电阻串联连接后，其电阻的另一端和功率器件的另一端分别接网侧变换器。

所述功率器件的具体形态为IGBT晶体管。

本发明的优点和积极效果：

1.风速变化引起风电场输出功率波动时，为降低风电场对电网的冲击，储能装置通过电压型变流器输出或吸收一定的有功功率以平抑功率波动;电网故障引起电压跌落时，风电场输出到电网的功率下降，而输入风电场的机械功率基本不变，控制储能装置吸收一定的有功功率，避免过剩功率内部消化导致的直流环节电容充电、直流电压快速上升、电机转子加速、电磁转矩突变等一系列问题。

2.电网电压恢复时，重新启动储能装置及时向电网回馈能量补偿无功功率，避免了卸荷电路切出时直流母线电压和转子电流转矩的大幅震荡，减小电网恢复瞬间风机有功功率和无功功率的大幅变动，增强了电网的稳定性。

3.本发明由于采用了卸荷电路与储能装置配合控制，且卸荷电路和储能装置均由低电压穿越控制模块控制其投切工作，因此，使得本发明具有良好的控制能力，能够在电网跌落时完成低电压穿越功能。

4.本发明不仅在电网电压小幅跌落时，提高了双馈感应风电机组的低电压穿越能力；在电网大幅跌落时，大大改善DFIG系统的运行性能，进一步限制了电压跌落时发电机的定、转子电流,从而实现发电系统的低电压穿越运行。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图；

图2是本发明低电压穿越控制模块示意图；

图3 是本发明储能装置示意图。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示一种基于储能装置的双馈风力发电机组低电压穿越控制系统，包括风机，双馈型风力发电机组，机侧变换器，网侧变换器，卸荷电路，电压检测装置，储能装置，低电压穿越控制模块。

所述风机与双馈风力发电机1相连接，双馈风力发电机定子直接接入电网，转子经所述机侧变换器2和网侧变换器3接入电网，所述电容与电阻串联形成卸荷电路5并联在所述机侧变换器2与网侧变换器3之间，通过滞环控制使直流侧母线电压偏高时泄放能量，来消除直流母线过电压。所述储能装置一端连接发电机转子另一端接入电网。所述电压检测装置6用于电网电压检测，实时将信号传入低电压穿越控制模块。

储能装置4由双向buck-boost DC/DC变换器和多硫化钠-溴储能电池组成。并联于双馈电机转子侧和电网侧。对电能进行储存或释放，平衡电网要求的功率，抑制功率波动；当电网故障发生时，储能装置可以用来储存直流侧积累的多余能量，当电网故障切除时，储能装置可以释放能量，向电网回馈功率以支撑电网电压。

卸荷电路5由卸荷电阻R和可控开关器件IGBT组成。                                                和

分别为直流侧电压给定值及直流侧电压实际值，两者之差送到滞环比较器输入端，其输出用于驱动IGBT。当

时，IGBT关断，变流器稳定运行；当

时，IGBT开通，直流侧电容通过能量卸荷电阻R泄放能量，过电压得以消除。

在本实例中低电压穿越主控制器有输入和输出端口，既可以采集机侧变换器直流侧电压值、电网电压值，同时又可以发出控制命令，控制储能装置和卸荷电路的投入和切除。整个实现控制过程如下：

电网三相对地短路故障和不对称电网短路故障会造成电网电压大幅跌落，此时转子电流激增，如图2所示，通过电压检测装置6对电网电压的检测，将检测的电网电压u_s传入低电压穿越控制模块中的储能装置判定模块与预先设定正常情况下的电压幅值进行比较，当偏差达到电网发生低电压故障的程度时，储能装置判定模块向投切触发模块发出信号，此模块向储能装置发送启动信号，同时储能判定模块向卸荷判定模块回馈信号储能装置已启动。此时储能装置在转子过电流的情况下迅速储能避免机侧变流器有功和无功的大幅震荡。此时卸荷电路还未投入回路。直流侧电容电压u_dc由网侧变换器中的传感器实时监测并将信号传入卸荷电路判定模块中并与给定值进行比较，结果送入滞环比较器输入端，其输出用于驱动IGBT，同时将信号传输给检测计算模块，此模块将根据电压跌落深度估算出直流母线电压峰值，并将信号送入卸荷判定模块，当时，IGBT开通，直流侧电容通过能量卸荷电阻R泄放能量，过电压得以消除。同时将卸荷电路的投入信号回馈给储能判定模块，储能判定模块将信号传入投切触发模块将储能装置切除。即储能装置与卸荷电路互相钳制不能同时投入系统，先储能后卸荷。当

投切触发模块向卸荷电路发出切除信号，IGBT关断，变流器稳定运行。

当故障消除，电网电压开始恢复时，需要大量无功支持。电压检测装置再次将信号传送给储能装置判定模块,根据电网准则当时，将信号传送至投切触发模块内，此装置向储能装置再次发送启动信号，储能装置将先前存储的能量回馈给电网，削弱了转矩和有功的剧烈震荡。

综上所述，当电网电压跌落时，由低电压穿越模块控制储能装置和卸荷电路的投入与切除，即先通过储能装置吸收能量再通过卸荷电路泄放能量最后再通过储能装置回馈能量这一过程，有效抑制电磁转矩、无功功率和直流母线电压的脉动，限制了转子电流，电网恢复时提供了必需的电压和功率支持，使发电机可以始终保持与电网相连,实现了低电压穿越和这一过程的最优控制。

Claims (3)

1.一种基于储能装置的双馈型风力发电机低电压穿越控制系统，其特征在于该控制系统包括：双馈型电机(1)，机侧变换器(2)，网侧变换器(3)，储能装置(4)，卸荷电路(5)，电压检测装置(6)，低电压穿越控制模块(7)；所述双馈型电机(1)通过机侧变换器(2)和网侧变换器(3)串联至电网;所述储能装置(4)输入端连接双馈型电机(1)，输出端连接电网；所述机侧变换器(3)与网侧变换器(4)之间并联卸荷电路(5)；所述电压检测装置(6)输入端连接电网，输出端连接低电压穿越控制模块(7)，低电压穿越控制模块(7)同时连接储能装置(4)和卸荷电路(5)；

所述电压检测装置能够实时检测机端电压，用于故障消除时辅助低电压穿越控制模块重新启动储能装置。

2.根据权利要求1所述的基于储能装置的双馈型风力发电机低电压穿越控制系统，其特征在于所述低电压穿越控制模块包括卸荷电路判定模块，储能装置判定模块，投切触发模块和检测计算模块；

储能装置判定模块：通过电压检测装置对电网电压的检测，能够将检测信号实时传入储能装置判定模块，与预先设定的正常情况下的电压幅值进行比较，当低于额定电压时，储能装置判定模块将向投切触发模块发出投入信号，启动储能装置，同时储能装置判定模块向卸荷电路判定模块发送储能装置已启动信号；

卸荷电路判定模块：由机侧变换器中的传感器实时监测直流侧电容电压，并将信号传入卸荷电路判定模块中与给定值进行比较，卸荷电路判定结果传送至投切触发模块用于投入和切除卸荷电路；

检测计算模块：该模块将根据电压跌落深度估算出直流母线电压峰值，并将信号传送至卸荷电路判定模块，当直流母线电压高于额定值低于故障峰值时，通过卸荷电路泄放能量；同时卸荷电路判定模块将卸荷电路的投入信号传送至储能装置判定模块，储能装置判定模块将信号传入投切触发模块，储能装置切除，即储能装置与卸荷电路互相钳制不能同时投入系统，先储能后卸荷；

投切触发模块：用于控制储能装置和卸荷电路的投入与切除。

3.根据权利要求1所述的基于储能装置的双馈型风力发电机低电压穿越控制系统，其特征在于所述的储能装置由双向buck-boost DC/DC变换器和多硫化钠-溴储能电池组成。

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