CN104682411A - 一种永磁直驱式风电系统的混合储能系统结构及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种永磁直驱式风电系统的混合储能系统结构及控制方法，本发明涉及风电技术领域，特别是涉及永磁直驱式风电系统，且带有蓄电池和超级电容器的混合储能装置，储能装置采用一定的控制策略。该系统由风力机、永磁直驱式同步发电机、机侧变流器、网侧变流器、超级电容器、蓄电池组、双向DC/DC变换器、控制器和电网接口组成。超级电容器功率密度大，响应时间短、释放能力快，储能系统采用电压外环、电流内环双闭环控制策略，主要用于平抑风电功率的高频分量，且保持系统具有低电压故障穿越能力；蓄电池储能系统作为储能的补充，实现与超级电容器储能系统优势互补，采取功率外环、电流内环控制策略，主要用于平抑风电功率的低频分量。将蓄电池与超级电容器混合使用，应用于永磁直驱式风电系统，提高储能系统的整体性能。

Description

一种永磁直驱式风电系统的混合储能系统结构及控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种永磁直驱式风电系统的混合储能系统结构及控制方法。

背景技术

风力发电已成为解决能源危机、保持生态环保的有效技术，在可再生能源发电技术具有广阔的前景。然而风电系统输出功率具有波动性、随机性等特点，尤其是随着风电穿透功率不断提高，风电与电网之间的影响也越来越大，对电网电能质量的影响也随之增大。储能技术是进行风电功率调控的有效技术手段之一，储能系统能将负荷低谷时段的电力存储起来并在负荷高峰时段释放，与风电联合应用可以平滑风电出力的波动性，完全能与风电功率互补。而在平滑风电的功率波动方面，储能系统既需要具备一定的快速大功率充放电能力，还需配置较大的储能容量，以满足对风电波动功率的快速持续补偿。

蓄电池的能量密度大，但功率密度小，充放电效率低，循环寿命短，对充放电过程敏感，大功率充放电和频繁充放电的适应性不强；而超级电容器功率密度大，响应时间短、释放能力快，充放电效率高，循环寿命长，非常适合大功率充放电和循环充放电场合。超级电容器和蓄电池在技术性能上具有较强的互补性。有鉴于此，本发明提出一种应用于永磁直驱式风电系统的混合储能系统结构及控制方法，将蓄电池与超级电容器混合使用，应用于永磁直驱式风电系统，以提高储能系统的整体性能。

发明内容

    本发明的目的在于提供一种永磁直驱式风电系统的混合储能系统结构及控制方法，可以应用于带有储能装置的风电系统中，通过构建基于混合储能系统的结构，应用储能系统的控制策略，平抑风电功率波动，同时提高系统的低电压故障穿越能力，保持电网不脱网运行。

一种永磁直驱式风电系统的混合储能系统结构及控制方法，系统由风力机——将风能转化为机械能、永磁直驱式同步发电机——将机械能转化为电能输出；机侧变流器——由不可控整流电路和Boost电路构成，将交流电转换为直流电；网侧变流器——由IGBT构成三相全控逆变桥，把直流电转化为交流电，进行风电并网；蓄电池组、超级电容器和两套双向DC/DC变换器——构成系统的混合储能装置，通过采用不同控制策略，进行风电功率平滑和提高低电压故障穿越能力。

该系统的储能装置由蓄电池组和超级电容器混合构造，具有优势互补作用，通过两套双向DC/DC变换器和变流器进行功率交互。

本发明将蓄电池与超级电容器混合使用，提出一种应用于永磁直驱式风电系统的混合储能系统结构，该系统有机侧变流器、网侧变流器、超级电容器储能系统、蓄电池储能系统、两套双向DC/DC变换器、永磁直驱式风力发电机和电网接口组成，其中机侧变流器由三相不可控整流器、滤波电容和Boost变换器构成，用以实现对风力发电机的有功功率控制；网侧变流器用以控制直流侧电压和流入电网的无功，实现有功、无功的解耦控制；超级电容器储能系统和蓄电池储能系统复合使用，构成混合储能系统，通过各自的DC/DC变换器并入网侧变流器的直流侧，用于实现直驱式风电系统的有功控制，通过采用控制策略，有效平抑风电功率波动， 保持风电系统不脱网运行。

在复合储能控制系统中，蓄电池储能系统采用功率、电流双闭环控制策略；超级电容器储能系统采用电压、电流双闭环控制策略。

对于蓄电池储能系统，将参考功率                                                和蓄电池组实际输出功率进行比较，将其偏差送入功率PI调节器，得到电流参考信号，与蓄电池组输出电流进行比较，电流偏差送入电流PI调节器，得到DC/DC变换器的占空比反馈控制量：

             

以蓄电池组电压控制为前馈，得到双向DC/DC变换器的前馈控制量。

两信号合成输出即为双向DC/DC变换器的占空比控制信号。

对于超级电容器储能系统，参见图3，采用电压外环、电流内环双闭环控制策略，保持直流侧电压基本恒定，网侧变流器直流侧参考电压值与反馈电压进行比较，将其偏差电压送至电压PI调节器，得到双向DC/DC变换器的调制电流参考值：

                

参考电流信号与超级电容器输出电流进行比较，将其通过电流PI调节器，得到双向DC/DC变换器的占空比反馈控制量：

                  

      以超级电容器组电压控制为前馈，得到双向DC/DC变换器的前馈控制量。

两信号合成输出即为双向DC/DC变换器的占空比控制信号。

本发明的应用效果分析：

       通过构建混合储能系统，发挥了超级电容器和蓄电池储能的各自优势，实现了优势互补，蓄电池储能系统能够有效平抑风电波动功率的低频分量，超级电容器储能系统能够平抑风电功率的高频分量，风电平滑性大大提高。在电网非正常运行状态，超级电容器储能系统发挥电压外环控制能力，吸收直流母线上积累的冗余功率，从而提高了风电系统的故障穿越能力。

附图说明

      图1为基于混合储能的直驱式风电系统结构图；

        图2蓄电池储能装置的控制策略结构图；

图3超级电容器储能装置的控制策略结构图。

具体实施方式

    为了使从事风电技术相关领域人员能更好地理解本发明方案，下面参照附图对本发明实施方式进行详细说明。

   参见图1，一种永磁直驱式风电系统的混合储能系统结构及控制方法，系统由风力机——将风能转化为机械能、永磁直驱式同步发电机——将机械能转化为电能输出；机侧变流器——由不可控整流电路和Boost电路构成，将交流电转换为直流电；网侧变流器——由IGBT构成三相全控逆变桥，把直流电转化为交流电，进行风电并网；蓄电池组、超级电容器和两套双向DC/DC变换器——构成系统的混合储能装置，通过采用不同控制策略，进行风电功率平滑和提高低电压故障穿越能力。

该系统的储能装置由蓄电池组和超级电容器混合构造，具有优势互补作用，通过两套双向DC/DC变换器和变流器进行功率交互。

本发明将蓄电池与超级电容器混合使用，提出一种应用于永磁直驱式风电系统的混合储能系统结构，该系统有机侧变流器、网侧变流器、超级电容器储能系统、蓄电池储能系统、两套双向DC/DC变换器、永磁直驱式风力发电机和电网接口组成，其中机侧变流器由三相不可控整流器、滤波电容和Boost变换器构成，用以实现对风力发电机的有功功率控制；网侧变流器用以控制直流侧电压和流入电网的无功，实现有功、无功的解耦控制；超级电容器储能系统和蓄电池储能系统复合使用，构成混合储能系统，通过各自的DC/DC变换器并入网侧变流器的直流侧，用于实现直驱式风电系统的有功控制，通过采用控制策略，有效平抑风电功率波动， 保持风电系统不脱网运行。

在复合储能控制系统中，蓄电池储能系统采用功率、电流双闭环控制策略；超级电容器储能系统采用电压、电流双闭环控制策略。

本系统提供了一个永磁直驱式同步风电系统，该系统包含风力机，直接和永磁同步发电机相连接，将风能转换为机械能，带动永磁同步发电机旋转；永磁同步发电机和机侧变流器连接，将机械能转化为电能输出；机侧变流器采用不可控整流电路和Boost变换器构成；网侧变换器采用全控型器件IGBT,通过逆变，将直流电转化为交流电，通过电网接口进行并网，图中变流器直流侧采用电容器作为电压支撑；超级电容器和蓄电池组构成储能装置，通过各自的双向变换器并联于网侧变流器直流侧，构成了混合储能控制系统。

参见图2，为蓄电池储能系统的控制策略，该系统主要为产生双向DC/DC变换器的PWM调制信号，将参考功率和蓄电池组实际输出功率进行比较，将其偏差送入功率PI调节器，得到电流参考信号：

             

该信号与蓄电池组输出电流进行比较，电流偏差送入电流PI调节器，得到DC/DC变换器的占空比反馈控制量：

                

以蓄电池组电压控制为前馈，得到双向DC/DC变换器的前馈控制量。

两信号合成输出即为双向DC/DC变换器的占空比控制信号。

其中功率调节器和电流调节器的比例和积分参数按照风电系统运行实际状况进行调节。

参见图3，为超级电容器储能系统控制策略，采用电压外环、电流内环双闭环控制，将与反馈电压进行比较，将其偏差电压送至电压PI调节器，得到双向DC/DC变换器的调制电流参考值：

               

参考电流信号与超级电容器输出电流进行比较，将其通过电流PI调节器，得到双向DC/DC变换器的占空比反馈控制量：

                     

       以超级电容器组电压控制为前馈，得到双向DC/DC变换器的前馈控制量。

两信号合成输出即为双向DC/DC变换器的占空比控制信号。

其中电压调节器和电流调节器的比例和积分参数按照风电系统运行实际状况进行调节。

     以上内容是结合优选技术方案对本发明所做的详细说明，不能认定发明的具体实施仅限于这些，对于在不脱离本发明思想前提下做出的简单推演及替换，都应当视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种永磁直驱式风电系统的混合储能系统结构及控制方法，其特征在于：系统由风力机——将风能转化为机械能、永磁直驱式同步发电机——将机械能转化为电能输出；机侧变流器——由不可控整流电路和Boost电路构成，将交流电转换为直流电；网侧变流器——由IGBT构成三相全控逆变桥，把直流电转化为交流电，进行风电并网；蓄电池组、超级电容器和两套双向DC/DC变换器——构成系统的混合储能装置，通过采用不同控制策略，进行风电功率平滑和提高低电压故障穿越能力。

2.根据权利要求1所述的一种永磁直驱式风电系统的混合储能系统结构及控制方法，其特征在于：该系统的储能装置由蓄电池组和超级电容器混合构造，具有优势互补作用，通过两套双向DC/DC变换器和变流器进行功率交互。

3.按照权利要求1所述的一种永磁直驱式风电系统的混合储能系统结构及控制方法，其特征在于：

蓄电池储能系统的控制策略为将参考功率                                                和蓄电池组实际输出功率进行比较，将其偏差送入功率PI调节器，得到电流参考信号：

           

该信号与蓄电池组输出电流进行比较，电流偏差送入电流PI调节器，得到DC/DC变换器的占空比反馈控制量：

              

以蓄电池组电压控制为前馈，得到双向DC/DC变换器的前馈控制量。

4.两信号合成输出即为双向DC/DC变换器的占空比控制信号；

超级电容器储能系统控制策略为采用电压外环、电流内环双闭环控制，将与反馈电压进行比较，将其偏差电压送至电压PI调节器，得到双向DC/DC变换器的调制电流参考值：

              

参考电流信号与超级电容器输出电流进行比较，将其通过电流PI调节器，得到双向DC/DC变换器的占空比反馈控制量：

               

    以超级电容器组电压控制为前馈，得到双向DC/DC变换器的前馈控制量。

5.两信号合成输出即为双向DC/DC变换器的占空比控制信号。