CN102709945A - 一种鼠笼发电机直驱式可储能风力发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种鼠笼发电机直驱式可储能风力发电系统，包括风叶轮机、发电机、定子变频器、并网逆变器、电网、变压器、负载，还包括储能单元；所述储能单元包括储能电池及与其相连的充放电电路，充放电电路并接入直流电容和并网逆变器之间；所述充放电电路为双向直流变换器，本发明的储能单元有效地解决了现有的鼠笼发电机直驱式可储能风力发电系统不能离网运行的问题，有效地解决了低电压穿越问题；本发明采用鼠笼发电机，因此与现有的鼠笼发电机直驱式可储能风力发电系统相比，本发明结构简单、体积重量小、价格低廉、维护方便，提高了电网安全稳定裕度。

Description

一种鼠笼发电机直驱式可储能风力发电系统
技术领域
 本发明涉及鼠笼发电机直驱式可储能风力发电系统,特别是一种采用鼠笼发电机具有储能功能的直驱式鼠笼发电机直驱式可储能风力发电系统。
背景技术
风力发电系统总是希望吸纳最多的风能并转化为电能，而风能利用率与风速和发电机转速之比有关，因此风力发电系统的发电机转子转速必须能够随风速变化，而系统输出电能的频率要求与电网频率一致保持恒定。现有的变速恒频风力发电系统主要有两种：双馈异步发电机和直驱式同步发电机。双馈型发电机的定子与电网直接连接，转子采用双PWM变流器控制，电能主要通过定子绕组馈至电网，转子变流器功率需求较小，但是双馈发电机转子为绕组式，需要外接电刷，其定子频率与电网频率一致，风机与发电机主轴需要通过减速齿轮连接，导致系统可靠性降低、维护困难。无刷双馈异步发电机采用双定子加鼠笼转子结构虽然无电刷，但是结构复杂、制造困难。直驱式同步发电机大多采用永磁同步发电机，风机与发电机转子连接无需减速齿轮，但是永磁同步发电机体积重量较大、永磁材料价格很高且存在失磁现象，运行中发电电压不稳定难以控制，为解决永磁电机的问题采用电励磁或者复合励磁同步发电机，又需在系统中增加励磁电刷和励磁控制装置，消耗励磁电能，维护困难。
现有的风力发电系统在电网电压下降时，均会产生低电压穿越问题，，即电网电压突变引起并网功率的突变，但是发电机机械时间常数远大于电气时间常数造成发电机电能拥堵。低电压穿越严重时会导致风电场退出运行，进一步加剧电网电压下降，采用转子短路或者电阻消耗方式吸收低电压穿越的电能，需要外加控制电路，并且会造成发电机发热、能量浪费。采用双馈异步发电机和电励磁同步发电机的风力发电系统，由于启动依赖于外部电源，因此无法离网运行。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种鼠笼发电机直驱式可储能风力发电系统，解决现有的鼠笼发电机直驱式可储能风力发电系统无法离网运行的问题，并有效地解决低电压穿越问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种鼠笼发电机直驱式可储能风力发电系统，包括风叶轮机、鼠笼发电机、定子变频器、并网逆变器、电网、变压器、负载，电网通过第一变压器、第二变压器与负载连接，并网逆变器并接入第一变压器和第二变压器之间，并网逆变器与定子变频器连接，并网逆变器与定子单元之间并接有一个直流电容，风叶轮机与鼠笼发电机连接，鼠笼发电机接入定子变频器，还包括储能单元；所述储能单元包括储能电池及与其相连的充放电电路，充放电电路并接入直流电容和并网逆变器之间；所述充放电电路为双向直流变换器。
所述双向直流变换器包括两个开关器件、两个二极管、电感，第一个开关器件与第一个二极管并联组成第一支路，第二个开关器件与第二个二极管并联组成第二支路，第一支路与第二支路并联，电感分别与第一支路和第二支路连接。
所述开关器件为IGBT。
本发明的储能单元有效地解决了现有的鼠笼发电机直驱式可储能风力发电系统不能离网运行的问题，有效地解决了低电压穿越问题；本发明结构简单、体积重量小、价格低廉、维护方便，提高了电网安全稳定裕度。
附图说明
图1为本发明一实施例结构框图；
图2为本发明一实施例电路原理图；
图3为本发明一实施例定子变频器控制原理框图；
图4为本发明一实施例并网逆变器控制原理框图；
图5为本发明一实施例储能单元控制原理框图；
图6为本发明一实施例电能流动状态示意图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明一实施例包括风叶轮机、鼠笼发电机、定子变频器、并网逆变器、电网、变压器、负载，电网通过第一变压器、第二变压器与负载连接，并网逆变器并接入第一变压器和第二变压器之间，并网逆变器与定子变频器连接，并网逆变器与定子单元之间并接有一个直流电容，风叶轮机与鼠笼发电机连接，鼠笼发电机接入定子变频器，还包括储能单元；所述储能单元包括储能电池及与其相连的充放电电路，充放电电路并接入直流电容和并网逆变器之间；所述充放电电路包括两个开关器件、两个二极管、电感，第一个开关器件与第一个二极管并联组成第一支路，第二个开关器件与第二个二极管并联组成第二支路，第一支路与第二支路并联，电感分别与第一支路和第二支路连接。
鼠笼发电机为YVP系列变频专用鼠笼式三相异步电机，鼠笼电机转子轴与风机主轴间直接连接无减速齿轮，采用690V多极对数鼠笼发电机可以提高发电机的工作效率，降低定子变频器的控制难度并与现有的鼠笼发电机直驱式可储能风力发电系统兼容。
如图2所示，定子变频器为三相全桥逆变电路，由全控型电路半导体器件如IGBT构成，其输出交流基波电压数值必须超过鼠笼发电机的额定工作电压，直流电容工作电压必须大大超过定子变频器输出基波电压幅值，如果直流电容电压较高，定子变频器可以采用多电平电路结构，定子变频器输出功率容量必须大于鼠笼发电机的额定功率，并网逆变器根据并网要求可以采用三相全桥或者单相全桥逆变器电路，由全控型电路半导体器件如IGBT构成，如果直流电容电压较高可以采用多电平电路，储能单元由储能电池和充放电电路组成，储能电池采用可充电电池，充放电电路采用双向直流变换器电路，由全控型电路半导体器件如IGBT构成，储能电池电压比直流电容电压低，充电时由VBUCK、L、DBUCK构成降压型直流－直流变换电路，放电时由VBoost、L、DBoost构成升压型直流－直流变换电路。
如图3所示的定子变频器采用间接转子磁场定向的矢量控制方法，鼠笼发电机工作于再生制动状态,由风速                                               
Figure 2012101804519100002DEST_PATH_IMAGE002
和预定的最大风能利用率得到相应的鼠笼发电机转速期望值
Figure 2012101804519100002DEST_PATH_IMAGE004
，鼠笼发电机实际转速与期望值之差通过转矩调节器获得定子转矩电流期望值
Figure 2012101804519100002DEST_PATH_IMAGE008
。根据鼠笼发电机气隙磁链励磁要求，确定定子励磁电流期望值
Figure 2012101804519100002DEST_PATH_IMAGE010
，由和
Figure 787544DEST_PATH_IMAGE010
可以得到鼠笼发电机转差频率的期望值
Figure 2012101804519100002DEST_PATH_IMAGE012
，与实际转速
Figure 504964DEST_PATH_IMAGE006
相加后得到转子磁链转速的期望值
Figure 2012101804519100002DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 772610DEST_PATH_IMAGE014
经积分后得到转子磁链当前位置角度
Figure 2012101804519100002DEST_PATH_IMAGE016
,检测鼠笼发电机的定子三相电流实际值，经坐标变换后得到实际的励磁电流
Figure 2012101804519100002DEST_PATH_IMAGE018
和转矩电流,将上述
Figure 462348DEST_PATH_IMAGE010
、、
Figure 427210DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 626111DEST_PATH_IMAGE020
输入定子电流调节器进行闭环控制并经过坐标变换后得到定子变频器输出电压的期望值
Figure 2012101804519100002DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 2012101804519100002DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 2012101804519100002DEST_PATH_IMAGE026
，采用SVPMW算法计算控制定子变频器开关器件的通断状态以驱动鼠笼发电机运行。
如图4所示的并网逆变器可以接入电网，也可以是离网独立运行,定子变流器将鼠笼发电机发出的电能转移到直流电容上，将导致有升高趋势，而直流电容电压的期望值与
Figure 986335DEST_PATH_IMAGE028
的差值通过调节器计算后得到需要由并网逆变器转移到电网或者负载上的有功功率，该功率大致与风机吸纳的风能功率
Figure 2012101804519100002DEST_PATH_IMAGE032
相等，并网逆变器接受电网调度可以输出额外的有功功率
Figure 2012101804519100002DEST_PATH_IMAGE034
和无功功率
Figure 2012101804519100002DEST_PATH_IMAGE036
，上述有功、无功功率与电网或者负载的电压有效值
Figure 2012101804519100002DEST_PATH_IMAGE038
通过功率（P）－电流（I）变换，得到以电压矢量定向的DQ坐标系中并网逆变器的输出电流指令值
Figure 2012101804519100002DEST_PATH_IMAGE040
和
Figure 2012101804519100002DEST_PATH_IMAGE042
。并网逆变器的实际工作电流通过坐标变换得到
Figure 2012101804519100002DEST_PATH_IMAGE044
和，与输出电流指令值
Figure 602867DEST_PATH_IMAGE040
和分别相减得到偏差后输入电流调节器得到DQ坐标系的输出电压矢量
Figure 2012101804519100002DEST_PATH_IMAGE048
和，再经过逆向坐标变换得到ABC坐标中的输出电压，通过SVPWM算法计算并网逆变器可关断器件的通断状态，控制并网逆变器工作。
如图5所示的储能单元有两种状态：充电状态和放电状态。储能电池的设计电压比直流电容设定工作电压
Figure 2012101804519100002DEST_PATH_IMAGE052
低，充电状态下双向直流变换器作为BUCK变换器运行，放电状态下双向直流变换作为Boost变换器运行，开关器件和
Figure 2012101804519100002DEST_PATH_IMAGE056
的开关控制周期均不固定，充电状态下充电电流与图2中电感L中的电流
Figure 2012101804519100002DEST_PATH_IMAGE058
相同，根据电池系统的充电曲线可以确定电感电流控制指令值
Figure 2012101804519100002DEST_PATH_IMAGE060
，将
Figure 181375DEST_PATH_IMAGE060
与
Figure 540114DEST_PATH_IMAGE058
的差值通过滞环比较确定开关器件
Figure 781739DEST_PATH_IMAGE054
的开通和关断时间，放电状态下要根据系统下达的放电功率计算，放电过程中图2所示电感电流
Figure 932229DEST_PATH_IMAGE058
与电池电流相同，因此根据
Figure 2012101804519100002DEST_PATH_IMAGE064
除以当前电池电压
Figure 2012101804519100002DEST_PATH_IMAGE066
可以计算出放电电流的控制指令值
Figure 2012101804519100002DEST_PATH_IMAGE068
，与
Figure 451066DEST_PATH_IMAGE058
的差值通过滞环比较器确定开关器件
Figure 723916DEST_PATH_IMAGE056
的开通和关断时间。
如图6所示电能在直流电容、储能电池、电网或负载之间能够自由流动，能量流动的控制依据是如图4中的直流电容电压
Figure 390520DEST_PATH_IMAGE028
和电网调度有功功率
Figure 407018DEST_PATH_IMAGE034
和无功功率指令
Figure 904995DEST_PATH_IMAGE036
，鼠笼发电机启动前，储能单元向直流电容提供恒定的充电电流直至
Figure 611396DEST_PATH_IMAGE028
达到设计工作状态，鼠笼发电机启动后将风机吸纳的风能转换为电能转移到直流电容上，保持上升趋势达到预定电压值后，并网逆变器开始工作将电能从直流电容转移到电网或负载。如果电网调度要求的有功功率超出鼠笼发电机发电功率，则直流电容电压趋向于下降，此时储能单元将电池储存的电能转移到直流电容上，补充能量需求不足，根据直流电容充电以及低电压穿越对电池容量的要求确定电池储存电能的最低水平和最高水平，电池储能低于最低水平时储能单元强制为电池充电，高于最高水平时储能单元强制为电池放电，处于两者之间时根据直流电容电压和电网有功功率调度要求确定充、放电状态。

Claims (6)

1.一种鼠笼发电机直驱式可储能风力发电系统，包括风叶轮机、鼠笼发电机、定子变频器、并网逆变器、电网、变压器、负载，电网通过第一变压器、第二变压器与负载连接，并网逆变器并接入第一变压器和第二变压器之间，并网逆变器与定子变频器连接，并网逆变器与定子单元之间并接有一个直流电容，风叶轮机与鼠笼发电机连接，鼠笼发电机接入定子变频器，其特征在于，还包括储能单元；所述储能单元包括储能电池及与其相连的充放电电路，充放电电路并接入直流电容和并网逆变器之间；所述充放电电路为双向直流变换器。
2.根据权利要求1所述的鼠笼发电机直驱式可储能风力发电系统，其特征在于，所述双向直流变换器包括两个开关器件、两个二极管、电感，第一个开关器件与第一个二极管并联组成第一支路，第二个开关器件与第二个二极管并联组成第二支路，第一支路与第二支路并联，电感分别与第一支路和第二支路连接。
3.根据权利要求1所述的鼠笼发电机直驱式可储能风力发电系统，其特征在于，所述开关器件为IGBT。
4.根据权利要求1所述的鼠笼发电机直驱式可储能风力发电系统，其特征在于，所述定子变频器为三相全桥逆变电路。
5.根据权利要求1所述的鼠笼发电机直驱式可储能风力发电系统，其特征在于，所述并网逆变器为三相全桥逆变器或者单相全桥逆变器。
6.根据权利要求1所述的鼠笼发电机直驱式可储能风力发电系统，其特征在于，所述鼠笼发电机为YVP系列变频鼠笼式三相异步电机。
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