CN102709929B - 基于飞轮储能的风力发电电能管理与储能装置及方法 - Google Patents

基于飞轮储能的风力发电电能管理与储能装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于飞轮储能的风力发电电能管理与储能装置及方法，属于风力发电领域。包括：将飞轮储能装置接入风力发电系统的直流母线，通过检测风力发电机的输出电能、逆变器的并网电能，调节飞轮储能电机的转速，并且配合卸荷箱的使用，实现风力发电过程中的电能管理，控制逆变器并网电能的平稳，防止并网电能突变对电网或设备的冲击。引入储能装置能够最大程度地减少对卸荷箱的使用，从而减少了电能在卸荷箱上的损耗，减少电能的浪费。在实现风力发电过程中电能管理功能的基础之上，与蓄电池系统相比，飞轮储能装置运行寿命长，对环境无污染，且能够可靠实现对大功率电能的充放电。

Description

基于飞轮储能的风力发电电能管理与储能装置及方法
技术领域
本发明涉及风力发电领域，特别是一种基于飞轮储能的风力发电电能管理与储能装置及方法。
背景技术
目前风力发电供电系统运行过程中并网逆变器通过直流电压外环控制将风力发电的电能输送到电网，当风能突变时，逆变器会跟随这样的变化将电能最大可能地并入电网。由于风能的突变性强，引起并网电能的突变，这样的突变将对电网或设备造成冲击。当并网逆变器不能完全跟随风能的变化或者由于风能过大导致逆变器满负荷时，多余的能量将通过卸荷器浪费掉。
现有技术中，有采用蓄电池或者飞轮作为储能装置，当风力发电系统能量充足的时，将多余的电力储存到储能装置中；当风力发电系统能量不足或无法发电时，储能装置提供电力补给逆变器。采用蓄电池作为储能装置时，充放电速度慢，多余的能量通过卸荷器浪费掉，并且蓄电池寿命短。采用飞轮作为储能装置时，更多关注的是将多余的能量存储在飞轮上，实现风力发电电能一定的调节，并不能防止风电的突变对电网或设备的冲击。因此将飞轮储能系统引入到风力发电系统时，问题集中于风力发电电能、并网逆变器输出电能和飞轮储能能量之间的管理与优化，以及减少电能在卸荷器上消耗，提高电能输出等方面。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，在原风力发电系统基础上，提供一种基于飞轮储能的能量管理与储能系统装置及其基于该装置进行能量管理与储能的方法。本发明利用DSP运算速度快，接口功能丰富，易于实现复杂的控制算法和电机控制等特点，配合飞轮系统储能密度高、功率可调量大、寿命长的特点，通过监控风力发电直流母线、并网逆变器以及飞轮的状态，控制飞轮储能的转速，实现对风力发电电能的管理，使逆变器输出电能平稳，减少对电网或设备的冲击。当逆变器满载的时候，本装置控制飞轮作为储能装置，存储电能，最大程度减少卸荷器的使用，减少电能在卸荷电阻箱上的浪费；在无风的情况下，飞轮储能将储存的电能供给逆变器，实现发电的连续性。
本发明采用如下技术方案：
基于飞轮储能的风力发电电能管理与储能装置包括：进行电能管理与控制的DSP控制器，用于储能与电能管理的执行器飞轮系统，实现对飞轮系统功率变换的IGBT模块，用于将多余电能卸掉的电阻箱，实现对电阻箱功率切换的卸荷IGBT，用于将风力发电的电能变换并输送到电网的并网逆变器；
风力发电机直流母线相连分别与逆变器、卸荷IGBT和IGBT模块相连，其中，所述IGBT模块分别连接飞轮系统和DSP控制器，所述DSP控制器分别连接风力发电机直流母线、逆变器、飞轮系统和卸荷IGBT。
作为对现有技术的改进，进一步的，该风力发电电能管理与储能装置中：
所述DSP控制器通过第一电压电流检测电路与风力发电机直流母线连接。
所述DSP控制器通过第二电压电流检测电路与逆变器连接。
所述DSP控制器分别通过第三电压电流检测电路和第一功率驱动隔离电路与IGBT模块连接。
所述DSP控制器通过第二功率驱动隔离电路与卸荷IGBT连接。
所述卸荷IGBT连接有卸荷电阻箱。
所述飞轮系统设置为高速永磁电机。
本发明的另一种技术解决方案是，基于飞轮储能的风力发电电能管理与储能的方法，该方法将在DSP控制器内部运行，它按如下步骤进行：
Ⅰ、电能管理部分：
a、通过第二电压电流检测电路检测并网逆变器并网的电压值V2、电流值I2，实时监控逆变器并入电网电能E2及E2的增量ΔE，ΔE为正值，ΔE为增加量的参考值为ΔE0，ΔE为减少量的参考值为ΔE1；
b、当该电能在单位时间内电能减少量ΔE大于规定的增量ΔE1时，进入下述步骤；否则进入储能部分：
①通过位置与速度检测电路得到电机的转速n、电机位置θ，当n大于飞轮额定安全运行速度下限Nmin时，进入第②步，否则进入储能部分；
②将ΔE与ΔE1之差作为误差量，进行PID控制，计算出飞轮参考转速N1，进入第③步；
③通过第三电压电流检测电路获得IGBT模块的电压V3与电流I3；
④根据飞轮参考转速N1，电机转速n，IGBT模块电流I3，以及电机位置θ对IGBT模块进行SVPWM调节，控制器控制IGBT模块工作在可控整流状态，调节降低飞轮的转速，向母线回馈电能，然后进入储能部分；
c、当该电能在单位时间内电能增加量ΔE大于规定的增量ΔE0时，进入下述步骤；否则进入c步；
①通过位置与速度检测电路得到飞轮的转速n、电机位置θ，当n小于等于飞轮额定安全运行速度上限Nmax时，进入第②步，否则进入第⑤步；
②将ΔE与ΔE0之差作为误差量，进行PID控制，计算出飞轮参考转速N0，进入第③步；
③通过第三电压电流检测电路获得IGBT模块的电压V3与电流I3；
④根据飞轮参考转速N0，电机转速n，IGBT模块电流I3，以及电机位置θ对IGBT模块进行SVPWM调节，控制器控制IGBT模块工作在逆变状态，调节增加飞轮的转速，吸收母线电能，然后进入c步；
⑤在飞轮已经满储能的情况下，将ΔE与ΔE0之差作为误差量，进行PID控制，计算出卸荷IGBT的占空比，对卸荷IGBT进行调节，让多余的不能储存在飞轮中的电能卸掉，进入储能部分；
Ⅱ、储能部分：
a、通过第一电压电流检测电路，检测风力发电机直流母线电压值V1和电流值I1，当检测到的直流母线电压V1大于规定的直流母线电压上限Vmax时，进入下述步骤,否则进入b步；
①通过位置与速度检测电路得到飞轮的转速n和电机位置θ，当n小于等于飞轮额定安全运行速度上限Nmax时，进入第②步，否则进入第⑤步；
②将V1与Vmax之差作为误差量，进行PID控制，计算出飞轮参考转速N3，进入第③步；
③通过第三电压电流检测电路获得IGBT模块的电压V3与电流I3；
④根据飞轮参考转速N3，电机转速n，IGBT模块电流I3，以及电机位置θ对IGBT模块进行SVPWM调节，控制器控制IGBT模块工作在逆变状态下，调节增加飞轮的转速，返回到电能管理部分；
⑤将V1与Vmax之差作为误差量，进行PID控制，计算出卸荷IGBT的占空比，对卸荷IGBT进行调节，让多余的不能储存在飞轮中的电能卸掉,返回到电能管理部分；
b、当检测到的直流母线电压V1小于等于规定的直流母线电压上限Vmax时，进入下述步骤：
①当V1小于规定的直流母线电压下限Vmin时，进入第②步，否则返回到电能管理部分；
②通过位置与速度检测电路得到飞轮的转速n和电机位置θ，当n大于等于飞轮额定安全运行速度下限Nmin时，进入第③步，否则返回到电能管理部分；
③为控制V1在Vmin之上，将V1与Vmin之差作为误差量，进行PID控制，计算出飞轮参考转速N4；
④通过第三电压电流检测电路获得IGBT模块的电压V3与电流I3；
⑤根据飞轮参考转速N4，电机转速n，IGBT模块电流I3，以及电机位置θ对IGBT模块进行SVPWM调节，控制器控制IGBT模块工作在可控整流状态下，调节减少飞轮的转速，向母线回馈能量，进入电能管理部分。
本发明在原有的风力发电基础上引入储能密度高、功率可调量大、寿命长的飞轮储能装置作为电能管理与储能的执行装置。采用以上结构，充分利用DSP运算速度快，接口功能丰富，易于实现复杂的控制算法和电机控制等特点，配合飞轮系统，分别对并网逆变器的电能突变量以及风力发电机直流母线电压进行监控和调节，实现对风力发电电能的管理，使逆变器输出电能平稳，减少对电网或设备的冲击；当逆变器满载的时候，本装置控制飞轮作为储能装置，存储电能，最大程度减少卸荷器的使用，减少电能在卸荷电阻箱上的浪费。
附图说明
图1是本发明的基于飞轮储能的风力发电电能管理与储能装置的结构示意图。
图2是本发明的程序流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
请参阅图1，基于飞轮储能的风力发电电能管理与储能装置包括：进行电能管理与控制的DSP控制器，用于储能与电能管理执行器的飞轮系统，实现对飞轮系统功率变换的IGBT模块，用于将多余电能卸掉的电阻箱，实现对电阻箱功率切换的卸荷IGBT，用于将风力发电的电能变换并输送到电网的并网逆变器；
风力发电机直流母线分别与逆变器、卸荷IGBT和IGBT模块相连，其中：IGBT模块分别连接飞轮系统和DSP控制器，DSP控制器分别连接风力发电机直流母线、逆变器、飞轮系统和卸荷IGBT。
具体的实施中，DSP控制器是该装置的控制核心，进行电能管理和控制算法的实现。DSP控制器的AD端口分别与第一电压电流检测电路1、第二电压电流检测电路2、第三电压电流检测电路3以及位置与速度检测电路连接；DSP控制器通过第一电压电流检测电路1与风力发电机直流母线连接，DSP控制器通过第二电压电流检测电路2与逆变器连接，DSP控制器分别通过第三电压电流检测电路3和第一功率驱动隔离电路Ⅰ与IGBT模块连接。
本发明的飞轮系统设置为高速永磁电机。
DSP控制器对采集的电网电压与电流、逆变器并网电压与电流、IGBT模块电压与电流、飞轮储能永磁电机的位置与速度数据进行处理，按照电能管理与储能的流程进行控制，将控制信号输出至PWM口，通过隔离驱动电路控制对应的IGBT动作。
本实施例中，DSP控制器通过其PWM口分别与第一功率隔离驱动电路Ⅰ和第二功率隔离驱动电路Ⅱ进行连接；第一功率隔离驱动电路Ⅰ和第二功率隔离驱动电路Ⅱ分别连接IGBT模块和卸荷IGBT；所述卸荷IGBT的输出端与卸荷电阻箱连接。
所述的第一功率驱动与隔离电路Ⅰ的一端接收DSP控制器PWM口的信号，另外一端与IGBT模块的驱动端连接，第二功率驱动与隔离电路Ⅱ的一端接收DSP控制器的PWM口信号，另外一端与卸荷器的IGBT驱动端连接。所述的IGBT模块直流端与风机的直流母线电压连接，交流端与飞轮储能系统的永磁电机连接，通过控制IGBT工作在整流状态或逆变状态可以实现电能流入流出飞轮。所述的卸荷IGBT的输入端与风机的直流母线电压连接，输出端与卸荷电阻连接，IGBT连接成为BUCK电路，通过控制IGBT的占空比实现电能在卸荷电阻上消耗量。
所述的第一电压电流检测电路1的一端与风力发电机输出的直流母线连接，另外一端与DSP控制器的AD口连接；第二电压电流检测电路2的一端与并网逆变器的直流流入口连接，另外一端与DSP控制器的AD口连接；第三电压电流检测电路3的一端与IGBT交流端连接检测三相交流的电压与电流，另外一端与DSP控制器的AD口连接；位置与速度检测电路的一端与飞轮系统永磁电机连接，另外一端与DSP控制器的AD口连接。
请参阅图2所示,基于飞轮储能的风力发电电能管理与储能的程序流程图根据系统功能划分为电能管理部分和储能部分，该方法将在DSP控制器内部运行，它按如下步骤进行：
Ⅰ、电能管理部分：
以并网逆变器增量ΔE作为参考，在飞轮储能系统工作在安全转速时，通过控制飞轮转速调节电能的流入流出直流母线，或者当在飞轮储能系统工作在安全转速之外时，通过控制卸荷箱IGBT占空比和控制能量的流出直流母线，达到控制并网逆变器增量ΔE工作在变换范围ΔE0和ΔE1之间，让逆变器并网电能平缓，减少电能突变对电网和设备的冲击，电能管理部分控制步骤如下：
a、通过第二电压电流检测电路2检测并网逆变器并网的电压值V2、电流值I2，实时监控逆变器并入电网电能E2及E2的增量ΔE，ΔE为正值，ΔE为增加量的参考值为ΔE0，ΔE为减少量的参考值为ΔE1；
b、当该电能在单位时间内电能减少量ΔE大于规定的增量ΔE1时，进入下述步骤；否则进入储能部分：
①通过位置与速度检测电路得到电机的转速n、电机位置θ，当n大于飞轮额定安全运行速度下限Nmin时，进入第②步，否则进入储能部分；
②将ΔE与ΔE1之差作为误差量，进行PID控制，计算出飞轮参考转速N1，进入第③步；
③通过第三电压电流检测电路3获得IGBT模块的电压V3与电流I3；
④根据飞轮参考转速N1，电机转速n，IGBT模块电流I3，以及电机位置θ对IGBT模块进行SVPWM调节，控制器控制IGBT模块工作在可控整流状态，调节降低飞轮的转速，向母线回馈电能，然后进入储能部分；
c、当该电能在单位时间内电能增加量ΔE大于规定的增量ΔE0时，进入下述步骤；否则进入c步；
①通过位置与速度检测电路得到飞轮的转速n、电机位置θ，当n小于等于飞轮额定安全运行速度上限Nmax时，进入第②步，否则进入第⑤步；
②将ΔE与ΔE0之差作为误差量，进行PID控制，计算出飞轮参考转速N0，进入第③步；
③通过第三电压电流检测电路3获得IGBT模块的电压V3与电流I3；
④根据飞轮参考转速N0，电机转速n，IGBT模块电流I3，以及电机位置θ对IGBT模块进行SVPWM调节，控制器控制IGBT模块工作在逆变状态，调节增加飞轮的转速，吸收母线电能，然后进入c步；
⑤在飞轮已经满储能的情况下，将ΔE与ΔE0之差作为误差量，进行PID控制，计算出卸荷IGBT的占空比，对卸荷IGBT进行调节，让多余的不能储存在飞轮中的电能卸掉，进入储能部分；
Ⅱ储能部分：
a、通过第一电压电流检测电路1，检测风力发电机直流母线电压值V1和电流值I1，当检测到的直流母线电压V1大于规定的直流母线电压上限Vmax时，进入下述步骤,否则进入b步；
①通过位置与速度检测电路得到电机的转速n和电机位置θ，当n小于等于飞轮额定安全运行速度上限Nmax时，进入第②步，否则进入第⑤步；
②将V1与Vmax之差作为误差量，进行PID控制，计算出飞轮参考转速N3，进入第③步；
③通过第三电压电流检测电路3获得IGBT模块的电压V3与电流I3；
④根据飞轮参考转速N3，电机转速n，IGBT模块电流I3，以及电机位置θ对IGBT模块进行SVPWM调节，控制器控制IGBT模块工作在逆变状态下，调节增加飞轮的转速，返回到电能管理部分；
⑤将V1与Vmax之差作为误差量，进行PID控制，计算出卸荷IGBT的占空比，对卸荷IGBT进行调节，让多余的不能储存在飞轮中的电能卸掉,返回到电能管理部分；
b、当检测到的直流母线电压V1小于等于规定的直流母线电压上限Vmax时，进入下述步骤：
①当V1小于规定的直流母线电压下限Vmin时，进入第②步，否则返回到电能管理部分；
②通过位置与速度检测电路得到飞轮的转速n和电机位置θ，当n大于等于飞轮额定安全运行速度下限Nmin时，进入第③步，否则返回到电能管理部分；
③为控制V1在Vmin之上，将V1与Vmin之差作为误差量，进行PID控制，计算出飞轮参考转速N4；
④通过第三电压电流检测电路3获得IGBT模块的电压V3与电流I3；
⑤根据飞轮参考转速N4，电机转速n，IGBT模块电流I3，以及电机位置θ对IGBT模块进行SVPWM调节，控制器控制IGBT模块工作在可控整流状态下，调节减少飞轮的转速，向母线回馈能量，进入电能管理部分。
本发明在原有的风力发电基础上引入储能密度高、功率可调量大、寿命长的飞轮储能装置作为电能管理与储能的执行装置。采用以上结构，充分利用DSP运算速度快，接口功能丰富，易于实现复杂的控制算法和电机控制等特点，配合飞轮系统，分别对并网逆变器的电能突变量以及风力发电机直流母线电压进行监控和调节，实现对风力发电电能的管理，使逆变器输出电能平稳，减少对电网或设备的冲击；当逆变器满载的时候，本装置控制飞轮作为储能装置，存储电能，最大程度减少卸荷器的使用，减少电能在卸荷电阻箱上的浪费。

Claims (1)

1.基于飞轮储能的风力发电电能管理与储能方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：
Ⅰ、电能管理部分：
a、通过第二电压电流检测电路检测并网逆变器并网的电压值V2、电流值I2，实时监控逆变器并入电网电能E2及E2的增量ΔE，ΔE为正值，ΔE为增加量的参考值为ΔE0，ΔE为减少量的参考值为ΔE1；
b、当该电能在单位时间内电能减少量ΔE大于规定的增量ΔE1时，进入下述步骤；否则进入储能部分：
①通过位置与速度检测电路得到电机转速n、电机位置θ，当n大于飞轮额定安全运行速度下限Nmin时，进入第②步，否则进入储能部分；
②将ΔE与ΔE1之差作为误差量，进行PID控制，计算出飞轮参考转速N1，进入第③步；
③通过第三电压电流检测电路获得IGBT模块的电压V3与电流I3；
④根据飞轮参考转速N1，电机转速n，IGBT模块电流I3，以及电机位置θ对IGBT模块进行SVPWM调节，控制器控制IGBT模块工作在可控整流状态，调节降低飞轮的转速，向母线回馈电能，然后进入储能部分；
c、当该电能在单位时间内电能增加量ΔE大于规定的增量ΔE0时，进入下述步骤；否则进入储能部分；
①通过位置与速度检测电路得到电机转速n、电机位置θ，当n小于等于飞轮额定安全运行速度上限Nmax时，进入第②步，否则进入第⑤步；
②将ΔE与ΔE0之差作为误差量，进行PID控制，计算出飞轮参考转速N0，进入第③步；
③通过第三电压电流检测电路获得IGBT模块的电压V3与电流I3；
④根据飞轮参考转速N0，电机转速n，IGBT模块电流I3，以及电机位置θ对IGBT模块进行SVPWM调节，控制器控制IGBT模块工作在逆变状态，调节增加飞轮的转速，吸收母线电能，然后进入储能部分；
⑤在飞轮已经满储能的情况下，将ΔE与ΔE0之差作为误差量，进行PID控制，计算出卸荷IGBT的占空比，对卸荷IGBT进行调节，让多余的不能储存在飞轮中的电能卸掉，进入储能部分；
Ⅱ储能部分：
a、通过第一电压电流检测电路检测风力发电机直流母线电压值V1和电流值I1，当检测到的直流母线电压V1大于规定的直流母线电压上限Vmax时，进入下述步骤,否则进入b步；
①通过位置与速度检测电路得到电机转速n和电机位置θ，当n小于等于飞轮额定安全运行速度上限Nmax时，进入第②步，否则进入第⑤步；
②将V1与Vmax之差作为误差量，进行PID控制，计算出飞轮参考转速N3，进入第③步；
③通过第三电压电流检测电路获得IGBT模块的电压V3与电流I3；
④根据飞轮参考转速N3，电机转速n，IGBT模块电流I3，以及电机位置θ对IGBT模块进行SVPWM调节，控制器控制IGBT模块工作在逆变状态下，调节增加飞轮的转速，返回到电能管理部分；
⑤将V1与Vmax之差作为误差量，进行PID控制，计算出卸荷IGBT的占空比，对卸荷IGBT进行调节，让多余的不能储存在飞轮中的电能卸掉,返回到电能管理部分；
b、当检测到的直流母线电压V1小于等于规定的直流母线电压上限Vmax时，进入下述步骤：
①当V1小于规定的直流母线电压下限Vmin时，进入第②步，否则返回到电能管理部分；
②通过位置与速度检测电路得到电机转速n和电机位置θ，当n大于等于飞轮额定安全运行速度下限Nmin时，进入第③步，否则返回到电能管理部分；
③为控制V1在Vmin之上，将V1与Vmin之差作为误差量，进行PID控制，计算出飞轮参考转速N4；
④通过第三电压电流检测电路获得IGBT模块的电压V3与电流I3；
⑤根据飞轮参考转速N4，电机转速n，IGBT模块电流I3，以及电机位置θ对IGBT模块进行SVPWM调节，控制器控制IGBT模块工作在可控整流状态下，调节减少飞轮的转速，向母线回馈能量，进入电能管理部分。
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