CN103414205A - 风电场超级电容储能型统一电能质量调节器 - Google Patents
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Abstract
风电场超级电容储能型统一电能质量调节器。包括：补偿变压器、串联补偿器、并联补偿器、限流电路、超级电容器组、双向DC/DC斩波电路、信号采集调理电路、控制电路和驱动电路。本发明有两种控制模式，功率调节模式和低电压穿越模式。功率调节模式下，可以改善风电机组输出电能质量，低电压穿越模式下，即故障条件下，可保持风机出口电压不降低，保护风机系统免受过电流影响，直到电压恢复实现低电压穿越。可以将故障阶段风机产生电能储存在超级电容器组中，电网恢复正常后再输送给电网，避免了电能的浪费。具有通用性，可以应用到利用定速异步风机(FSIG)、同步直驱式风机(PMSG)和双馈式风机(DFIG)等各种风机发电的风电场。
Description
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种风电场超级电容储能型统一电能质量调节器。
背景技术
随着风电机组单机容量的增大，风能正在成为电力系统广泛应用的能源之一。为了可靠地向电网供电，风电机组要严格满足电网的接入要求，特别是电压、电流的大小以及谐波要符合入网要求。而在电网故障导致电压下降时，又要求风电机组具有一定的低电压穿越功能，一般情况下若电网出现故障风机就实施被动式自我保护而立即解列，而当电网电压发生跌落后，风机的大量切除会导致局部电网发生有功缺额，对电网的稳定性和电能质量构成严重威胁，造成巨大损失。因此通常要求电网电压跌落在预定范围内的时候，风电机组不能与电网解列，并且风电机组在此过程中要能提供无功以支持电网电压恢复。
目前市场上最常见的风机类型有三种，即直接并网的定速异步电机(FSIG)，同步直驱式风机(PMSG)和双馈异步式风机(DFIG)。由于三种风机结构的差异，一般采取的低电压穿越技术也不相同。目前比较常见的解决方法主要有两种，一种是改进DFIG的控制策略，例如改进的矢量控制和鲁棒控制器。另一种是加装硬件设备,例如加装Crowbar和串联补偿。但Crowbar动作期间将短接DFIG转子绕组，使DFIG变为并网笼型异步发电机，需从电网吸收大量无功功率以作励磁，这将非常不利于电网故障的迅速恢复。
目前统一电能质量调节器作为一种电能质量综合调节装置，以电力电子技术为基础，一般用来改善负载端电压波形，消除负载引起的谐波电流和无功电流，实现用户灵活供电，属于用户电力技术的重要研究方向之一。统一电能质量调节器改变了电能质量治理中传统电压或电流波形分别补偿方法，整体适应系统电流和电压的补偿要求，具有较远的发展前景，但是目前统一电能质量调节器直流母线两端一般并接普通电容器，随着充放电次数的增多，电容器寿命会很快缩短。
发明内容
本发明目的是提高风电场输出电能质量，防止包括电压畸变、不平衡，电流谐波、不平衡等对所并电网的影响；其次对电网提供一定的无功补偿，提高电网功率因数；最后在电网出现低电压故障时，补偿风机端口电压、储存不能输送的风电，实现风电场的低电压穿越，避免切机的风险，有效保护电网的安全。
为实现本发明上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种风电场超级电容储能型统一电能质量调节器，包括主电路和控制电路，主电路包括补偿变压器、串联补偿器、并联补偿器、限流电路、超级电容器组和双向DC/DC斩波电路；控制电路包括信号采集调理电路、双数字信号处理器(DSP)和驱动电路；其中，主电路结构原理图如图1所示，
补偿变压器采用三个独立的单相变压器或采用三相耦合的三相变压器；
串联补偿器由三相全控桥串联变流器(SVSI)、第二滤波电感( 
)和第二滤波电容(
)组成；
并联补偿器由三相全控桥并联变流器(PVSI)、第一滤波电感(
)和第一滤波电容(
)组成；
限流电路由限流电阻(
)和限流电感(
)串联后再与常开触点接触器(K)并联组成，用于限制超级电容器组的充电电流和过电压；
补偿变压器副边串接于风电系统和升压变压器之间，采用星型接法，原边经滤波电感()和滤波电容(
)后接至三相全控桥串联变流器交流侧，三相全控桥串联变流器直流侧接直流母线，三相全控桥并联变流器直流侧也接直流母线，三相全控桥并联变流器交流侧经滤波电感(
)、滤波电容(
)并接升压变压器低压侧；
超级电容器组(
)作为能量存储装置，经限流电路和双向DC/DC斩波电路后与直流母线并联连接。所述超级电容器单体耐压值低，采用双向DC/DC斩波电路进行直流电压的升降。
双向DC/DC斩波电路由两个绝缘栅双极型晶体管反并联二极管构成的模块、储能电感(L)和直流母线电容器(
)组成，双向DC/DC斩波电路的输入端经限流电路接超级电容器组两端，双向DC/DC斩波电路的输出端并接于直流母线上，用于超级电容器组端电压的变换。
风电场超级电容储能型统一电能质量调节器控制原理图如图2所示，
信号采集调理电路，由信号采集电路和信号调理电路组成，信号采集电路通过霍尔传感器采集电压和电流信号后经过信号调理电路输出为控制芯片DSP可接受范围内的电压信号。其中信号采集电路包括电压信号采集电路和电流信号采集电路，电压信号采集电路采用霍尔电压传感器，共8路，分别实时采集风电系统机端出口三相电压、升压变压器低压侧三相电压、直流母线电压和超级电容组端电压；电流信号采集电路采用霍尔电流传感器，共7路，分别实时采集升压变压器低压侧三相电流信号、实际补偿三相电流信号和双向DC/DC斩波电路中储能电感L的电流；
双数字信号处理器(DSP)，将信号采集调理电路输出的电压信号经过DSP内部的模数转换器(ADC)转换为数字信号，通过事件管理器EV输出PWM信号送给驱动电路，通过I/O口输出对接触器K的开关信号。DSP工作在主从模式，DSP芯片之间具有数据通讯功能；驱动电路，由专用的IGBT驱动模块组成，用于隔离放大PWM信号以驱动装置中IGBT的开通和关断。
所述应用于风电场的超级电容储能型统一电能质量调节器有两种控制模式：功率调节模式和低电压穿越模式，功率调节模式是指当检测到风机出口电压出现畸变、不平衡或者升压变压器低压侧出现电流谐波、不平衡时，装置快速吸收或者发出有功功率，维持系统有功平衡和直流母线电压恒定。低电压穿越模式是指检测到升压变压器低压侧电压低于设定值，判断发生故障后，串联补偿器进行电压补偿，使风机出口电压维持故障前水平，并将风机未能输出的电能向超级电容储存，直到电网电压正常，再将超级电容中部分电能释放到电网，完成低电压穿越，其工作流程图如图3、图4所示。
本发明的优点和积极效果：
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、本发明利用双向DC/DC斩波电路对超级电容器组端电压进行升降压控制，不仅利用了超级电容器组功率密度大、充电速度高、循环寿命长等的优点，而且降低超级电容器组所包含的单体个数，进而降低装置成本。
2、本发明有两种工作模式，功率调节模式下，可以改善风电机组输出电能质量，低电压穿越模式下，即故障条件下，可保持风机出口电压不降低，保护风机系统免受过电流影响，直到电压恢复实现低电压穿越。
3、本发明可以将故障阶段风机产生电能储存在超级电容器组中，电网恢复正常后再输送给电网，避免了电能的浪费。
4、本发明具有通用性，可以应用到利用定速异步风机(FSIG)、同步直驱式风机(PMSG)和双馈式风机(DFIG)等各种风机发电的风电场。
附图说明
图1为本发明提供的风电场超级电容储能型电能质量调节器主电路结构原理图。
图2为本发明提供的风电场超级电容储能型电能质量调节器控制原理图。
图3为本发明提供的功率调节模式下工作状态流程。
图4为本发明提供的低电压穿越模式下工作状态流程。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
首先详细说明本发明的组成和功能，图1为本发明提供的风电场超级电容储能型统一电能质量调节器的主电路结构原理图。参照图1，本发明提供的风电场超级电容储能型统一电能质量调节器主电路，由补偿变压器()、串联补偿器、并联补偿器、限流电路、超级电容器组(
)和双向DC/DC斩波电路组成。
本发明中所述补偿变压器采用三个完全相同的独立的单相变压器，副边串接于风电系统和升压变压器之间，原边采用星型接法，经第二滤波电感(
)和第二滤波电容(
)后接至串联变流器交流侧。
所述串联补偿器由三相全控桥串联变流器(SVSI)、第二滤波电感()和第二滤波电容()组成，串联变流器为电压源型变流器，采用高频PWM控制技术，其直流侧接直流母线。
所述并联补偿器由三相全控桥并联变流器(PVSI)、第一滤波电感(
)和第一滤波电容(
)组成，并联补偿器交流侧经第一滤波电感(
)和第一滤波电容(
)后并接于升压变压器低压端，直流侧接直流母线。
限流电路，由限流电阻(
)和限流电感()串联后再与常开触点接触器(K)并联组成，用于限制超级电容器组的充电电流和过电压；
所述超级电容器组经限流电路和双向DC/DC斩波电路后与直流母线并联连接，作为出现电压质量问题时起功率调节作用的储能系统，同时，在电网故障电压降低情况下，用来储存风机产生但不能送出的能量，待电网正常后再将能量输送至电网。
双向DC/DC斩波电路由两个绝缘栅双极型晶体管反并联二极管构成的模块、储能电感(L)和直流母线电容器(
)组成，双向DC/DC斩波电路的输入端经限流电路接超级电容器组两端，双向DC/DC斩波电路的输出端并接于直流母线上，作用是在发生电压波动、凸升、凹陷时对超级电容器组进行充放电以维持直流母线电压恒定或电网故障需低电压穿越及故障恢复时对超级电容器组进行充放电。
图2为本发明提供的风电场超级电容储能型电能质量调节器控制原理图，参照图2，本发明提供的风电场超级电容储能型电能质量调节器控制原理图，由信号采集调理电路、双数字信号处理器(DSP)和驱动电路构成。
信号采集调理电路，由信号采集电路和信号调理电路组成，信号采集电路通过霍尔传感器采集电压和电流信号后经过信号调理电路输出为控制芯片DSP可接受范围内的电压信号。其中信号采集电路包括电压信号采集电路和电流信号采集电路，电压信号采集电路采用霍尔电压传感器，共8路，分别实时采集风电系统机端出口三相电压、升压变压器低压侧三相电压、直流母线电压和超级电容组端电压；电流信号采集电路采用霍尔电流传感器，共7路，分别实时采集升压变压器低压侧三相电流信号、实际补偿三相电流信号和双向DC/DC斩波电路中储能电感(L)的电流；
双数字信号处理器(DSP)，将信号采集调理电路输出的电压信号经过DSP内部的模数转换器(ADC)转换为数字信号，通过事件管理器EV输出PWM信号送给驱动电路，通过I/O口输出对接触器K的开关信号。DSP工作在主从模式，DSP芯片之间具有数据通讯功能；
驱动电路，由专用的IGBT驱动模块组成，用于隔离放大PWM信号以驱动装置中IGBT的开通和关断。
所述应用于风电场的超级电容储能型统一电能质量调节器有两种控制模式：功率调节模式和低电压穿越模式，其工作状态流程分别如图3、图4所示。下面就两种控制模式下的具体工作过程进行分别说明：
1) 功率调节模式
串联补偿器通过补偿变压器串联在风电机组和升压变压器之间，保证风机出口电压为恒定电压。工作过程为：当霍尔电压传感器检测到风机出口电压发生波动时，DSP根据实际采样值计算出其与风机出口额定电压间的电压差，采用电压空间矢量控制方法得到并由事件管理器EVA模块发出串联补偿器六个IGBT的PWM触发信号，串联补偿器立即通过补偿变压器向系统注入幅值和相角均可控制的补偿电压，用以补偿电压差，使升压变压器低压侧电压迅速恢复正常。
并联补偿器并联在风电机组和升压变压器之间完成补偿电流的发生。基于瞬时无功功率理论，从升压变压器低压侧电网电流中分离出谐波电流分量和基波无功电流得到补偿电流的指令信号，通过对并联补偿器的控制，使其输出与指令电流大小相等的电流以补偿电网电流中的谐波和无功分量。具体工作过程为：霍尔电流传感器采集三相电网电流和三相实际补偿电流经信号调理后输入DSP，根据瞬时无功功率理论中的同步坐标变换法，将负荷电流中的基波正序有功成分提取出来，并与三相电网电流作差得到谐波和无功电流作为指令电流，DSP按照电压空间矢量控制方法，计算并由事件管理器EVA模块发出并联补偿器中IGBT的六路PWM触发信号，使输出的补偿电流快速跟踪指令电流，从而达到消除谐波和无功补偿目的。
直流母线电压的稳定通过超级电容器组的功率调节来实现，采用电压、电流双闭环串级控制，电流内环控制超级电容器充放电电流大小，电压外环控制直流母线电压稳定。当直流母线电压下降时即需要装置进行有功补偿调节时，通过
构成的升压斩波(Boost)电路将超级电容器组端电压升至需要的直流母线电压，此时
~
作为PWM逆变器工作；而当直流母线电压上升时，即系统向直流母线传递有功时，通过构成的降压斩波(Buck)电路向超级电容器组充电，
~
作为PWM整流器工作。同时，超级电容器组两端的信号采样电路始终检测超级电容器组两端电压，一旦检测到端电压超出电压最高允许值，则控制断开接触器的常开触点K，接入限流电路，起到过电压保护的作用。
2) 低电压穿越模式
当霍尔电压传感器检测到电网电压因短路等故障导致电压下降严重时，系统进入低电压穿越模式，串联补偿器完成将风电场过剩电能转存到超级电容器。其工作过程为：当霍尔电压传感器检测到升压变压器低压侧电压下降到设定值，判断为发生了故障时，DSP内部根据采样实际值计算出其与风机出口额定电压间的电压差，即补偿电压指令，然后按照一定的控制策略，计算出控制串联补偿器中六路PWM触发信号，并由事件管理器EVA模块发出，此触发脉冲经驱动电路后作用于串联变流器中的IGBT，风电系统不能送出的能量通过补偿变压器输送给串联补偿器。
串联补偿器将交流电能转换为直流电，导致直流母线电压上升，此时控制双向DC/DC变换器，通过
构成的降压斩波(Buck)电路向超级电容器组充电。并联补偿器继续完成补偿电流的产生，输出与指令电流大小相等的电流以补偿电网电流中的谐波和无功分量。
当霍尔电压传感器检测到电网电压正常后，再将超级电容中部分电能释放到电网，完成低电压穿越，此时通过
构成的升压斩波(Boost)电路将超级电容器组端电压升高，~
作为PWM逆变器工作，超级电容器组向直流母线放电。
综上所述，本发明公开的一种风电场超级电容储能型统一电能质量调节器，利用超级电容器的优良特性以及统一电能质量调节器的电压、电流等综合调节功能，将其应用到风电场风机出口与升压变压器之间。一般情况下起功率调节作用，通过动态电压补偿功能，保证入网电压为额定等级的纯正正弦波，另一方面通过有源滤波，保证进入到电网电流为与电网电压基波正序成分同相位的纯正正弦波，提高功率因数。在电网故障情况下，通过将风机系统产生的不能输送给电网的能量转存至超级电容器组中，保证风机的正常运行，实现低电压穿越，总之，无论对于电网还是风机系统来说，本发明都具有积极的推广应用价值。
Claims (2)
1.一种风电场超级电容储能型统一电能质量调节器，其特征在于该调节器包括主电路和控制电路，主电路包括补偿变压器、串联补偿器、并联补偿器、限流电路、超级电容器组和双向DC/DC斩波电路；控制电路包括信号采集调理电路、双数字信号处理器（DSP）和驱动电路；其中，
补偿变压器( 
)，采用三个独立的单相变压器或采用三相耦合的三相变压器；
串联补偿器，由三相全控桥串联变流器(SVSI)、第二滤波电感(
)和第二滤波电容(
)组成；
并联补偿器，由三相全控桥并联变流器(PVSI)、第一滤波电感(
)和第一滤波电容(
)组成；
限流电路，由限流电阻(
)和限流电感()串联后再与常开触点接触器(K)并联组成，用于限制超级电容器组的充电电流和过电压；
补偿变压器副边串接于风电系统和升压变压器之间，原边经第二滤波电感(
)和第二滤波电容(
)后接至三相全控桥串联变流器(SVSI)交流侧，三相全控桥串联变流器直流侧接直流母线，三相全控桥并联变流器(PVSI)直流侧也接直流母线，三相全控桥并联变流器交流侧经第一滤波电感(
)和第一滤波电容(
)并接升压变压器低压侧；
超级电容器组()，作为能量存储装置，经限流电路和双向DC/DC斩波电路后与直流母线并联连接；
双向DC/DC斩波电路，由两个绝缘栅双极型晶体管反并联二极管构成的模块、储能电感(L)和直流母线电容器(
)组成，输入端经限流电路接超级电容器组两端，输出端并接于直流母线上，用于超级电容器组端电压的变换；
信号采集调理电路，由信号采集电路和信号调理电路组成，信号采集电路通过霍尔传感器采集电压和电流信号后经过信号调理电路输出为控制芯片DSP可接受范围内的电压信号；其中信号采集电路包括电压信号采集电路和电流信号采集电路，电压信号采集电路采用霍尔电压传感器，共8路，分别实时采集风电系统机端出口三相电压、升压变压器低压侧三相电压、直流母线电压和超级电容组端电压；电流信号采集电路采用霍尔电流传感器，共7路，分别实时采集升压变压器低压侧三相电流信号、实际补偿三相电流信号和双向DC/DC斩波电路中储能电感(L)的电流；
双数字信号处理器(DSP)，将信号采集调理电路输出的电压信号经过DSP内部的模数转换器(ADC)转换为数字信号，通过事件管理器EV输出PWM信号送给驱动电路，通过I/O口输出对接触器K的开关信号；DSP工作在主从模式，DSP芯片之间具有数据通讯功能；
驱动电路，由专用的IGBT驱动模块组成，用于隔离放大PWM信号以驱动装置中IGBT的开通和关断。
2.根据权利要求1所述的风电场超级电容储能型统一电能质量调节器，其特征在于所述统一电能质量调节器有两种控制模式：功率调节模式和低电压穿越模式；
功率调节模式是指当检测到风机出口电压出现畸变、不平衡或者升压变压器低压侧出现电流谐波、不平衡时，装置快速吸收或者发出有功功率，维持系统有功平衡和直流母线电压恒定；
低电压穿越模式是指检测到升压变压器低压侧电压低于设定值，判断发生故障后，串联补偿器进行电压补偿，使风机出口电压维持故障前水平，并将风机未能输出的电能向超级电容器组储存，直到电网电压正常，再将超级电容器组中部分电能释放到电网，完成低电压穿越。
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