CN105244913A - 一种小型并网风力发电系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种小型并网风力发电系统及其控制方法。系统包括整流变换器、双向储能变换器、BOOST变换器和并网逆变器；整流变换器输入端与风机L的三相输出端连接、整流输出侧输出端通过直流母线与BOOST变换器直流输入端连接；双向储能变换器由双向储能DC-DC变换器及采用锂电池的储能电池组成，其一侧双向端口与整流变换器的输出端连接；BOOST变换器为直流电压转换电路，其输入端与直流母线连接、输出端与并网逆变器的直流侧输入端连接；并网逆变器为单相桥式并网逆变器；其交流侧输出端与电网连接。本发明可以有效提高整流变换器输出电压等级，减轻了后级BOOST变换器提高直流电压的压力，为实现系统正常并网发电具有较为重要意义。
Description
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，特别是涉及一种小型并网风力发电系统及其控制方法。
背景技术
小型、微型风力发电系统具有装机容量可调，成本较低，安装维护简便以及对电网冲击小等优点，正在受到越来越多研究人员、生产厂家和用户的关注，因此具有较高的研究价值和较为重要的研究意义。
传统的小型或微型并网风力发电系统存在许多问题：首先，传统小型或微型风力发电机系统结构配置不合理。该系统多采用风轮、风力发电机、三相不可控整流桥、BOOST变换器以及单相全桥逆变器的结构，虽然该系统拓扑结构具有简单、可靠、应用范围广等特点，且经普遍证明在大中型并网型风力发电系统中具有良好的工作性能。然而，相较于大中型风力发电风场，小型风电场具有特殊性，其风速波动较大、平均值偏低、风能能量有限，因此，传统的风力发电系统拓扑在小型、微型风电系统中适应性并不高，会出现风轮捕获能量有限，风力发电机输出的三相交流电电压幅值较低，经整流以及DC-DC变换后的直流电压值远远达不到后级单相全桥并网逆变器的最低工作要求，因此无法实现正常并网发电。而所收集到的风能则多储存在风电系统的电解电容之中，并以漏电流的形式最终以热能形式散失，结果造成能量的浪费以及风能利用效率的下降。其次，简单套用大中型风力发电系统的控制策略。传统的小型、微型风力发电机系统的控制策略多套用大中型风电系统的并网控制策略，缺乏对小型风场的针对性，尤其是在解决低风速、小功率输入工况下能量流失的问题上存在不足，无法收集微弱风能，从而造成风能利用效率下降。最后，采用漏电流较大的电解电容。传统风电系统多采用容值较大的电解电容作为直流母线的稳压解耦电容，虽然电解电容具有成本低等特点，但同时存在诸如漏电流较大等问题，使储存在电容上的微弱能量随漏电流作用以热能形式丧失，最终造成能量的浪费。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种小型并网风力发电系统及其控制方法。
为了达到上述目的，本发明提供的小型并网风力发电系统及其控制方法包括：整流变换器、双向储能变换器、BOOST变换器和并网逆变器；其中：整流变换器为带开关电容的高电压增益反激式整流变换电路，其输入端与风机L的三相输出端连接、整流输出侧输出端通过直流母线与BOOST变换器直流输入端连接；双向储能变换器由双向储能DC-DC变换器及采用锂电池的储能电池组成，其一侧双向端口与整流变换器的输出端连接；BOOST变换器为直流电压转换电路，其输入端与直流母线连接、输出端与并网逆变器的直流侧输入端连接；并网逆变器为单相桥式并网逆变器；其交流侧输出端与电网连接。
所述的整流变换器由滤波电容组Cf、三组整流单元以及三相单开关电路单元三部分组成，其中：
滤波电容组Cf由连接在风机L三相输出线且呈Y型连接的三个滤波电容器组成；
三组整流单元共分A、B、C三相，每相的电路结构完全相同，A相整流单元包括变压器T1、开关电容Ca1、Ca2，二极管Da1、Da2、Da以及A相输出电容Ca组成；其中，变压器T1原边的同名标识端通过等效电感Lks的A相电感与风机L的A相输出端La相连接，其副边的同名标识端通过电容Ca2与V1点连接，副边的非标识端通过电容Ca1与二极管Da的阳极连接，二极管Da的阴极与正输出端Vo+连接；二极管Da1的阳极与变压器T1副边的同名标识端连接、二极管Da1阴极与二极管Da的阳极连接；二极管Da2的阴极与变压器T1副边的非标识端连接、二极管Da2的阳极与V1点连接；A相输出电容Ca的一端与正输出端Vo+连接、另一端为V1点；B相与C相整流单元的内部结构与A相整流单元的内部结构完全相同；B相整流单元包括变压器T2、开关电容Cb1、Cb2，二极管Db1、Db2、Db以及B相输出电容Cb；其中，变压器T2原边的同名标识端通过等效电感Lks的b相电感与风机L的B相输出端Lb相连接；C相整流单元包括变压器T3、开关电容Cc1、Cc2，二极管Dc1、Dc2、Dc以及C相输出电容Cc；其中，变压器T3原边的同名标识端通过等效电感Lks的c相电感与风机L的C相输出端Lc相连接；A相整流单元的输出端为A相输出电容Ca的两端、B相整流单元的输出端为B相输出电容Cb的两端、C相整流单元的输出端为C相输出电容Cc的两端，A相的倍压输出电容Ca与B相、C相的输出电容Cb、Cc相互并联，三个电容并联后构成对应A.B.C三相的三个整流单元的总输出电容；等效电感Lks为三相倍压单元各相输入侧电感与各相变压器漏感的总和；
所述的三相单开关电路单元由二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6，全控型开关器件S1、二极管Do以及输出电容Co组成，其中二极管D1—D6构成不可控整流桥，二极管D1的阳极与变压器T1原边的非标识端连接，二极管D3的阳极与变压器T2原边的非标识端连接，二极管D5的阳极与变压器T3原边的非标识端连接，二极管D1、D3和D5的阴极同时与二极管Do的阳极连接，二极管D2的阴极与二极管D1的阳极连接、二极管D4的阴极与二极管D3的阳极连接、二极管D6的阴极与二极管D5的阳极连接、二极管D2、D4和D6的阳极同时与负输出端Vo-连接，二极管Do的阴极与V1点连接；开关器件S1的源极与二极管Do的阳极连接、漏极与负输出端Vo-连接、栅极为控制信号输入端，输出电容Co的一端与V1点连接，另一端为负输出端Vo-；
最后整流单元的输出电容Ca、Cb、Cc相互并联后与Co串联，作为整个整流变换器的总输出电容，正输出端Vo+和负输出端Vo-为整流变换器的总输出端。
本发明提供的小型并网风力发电系统中整流变换器采用的控制方法包括按顺序执行的下列步骤：
步骤1)采集直流母线上的电压Ubus和电流Ibus信号；
步骤2)计算直流母线电压的瞬时功率Pbus，并作为第n个瞬时功率值，记为Pn；
步骤3)将Pn与Pn-1相比较，得出功率差值Perr；
步骤4)判断Perr是否大于最大功率偏差设定值ΔP大，如果判断结果为“是”，则确定采用较大的变换步长跟踪，本次跟踪流程至此结束，否则执行下一步；
步骤5)判断Perr是否大于最小功率偏差设定值ΔP小，如果判断结果为“是”，则确定采用较小的变换步长跟踪，否则不改变现有变换步长，本次跟踪流程至此结束。
本发明提供的小型并网风力发电系统中双向储能变换器、BOOST变换器以及并网逆变器采用的控制方法包括按顺序执行的下列步骤：
步骤a)确定系统当前的状态：根据当前风速和双向储能变换器中储能电池的状态，将系统的工作状态分为七种状态；
步骤b)然后根据系统当前所处的状态采取相应的控制方法。
在步骤a)中，所述的七种状态如下：
状态1)风速较小，储能电池处于未充满状态时：
状态2)风速达到正常工作范围，储能电池处于未充满状态时：
状态3)风速超过了额定风速，储能电池处于未充满状态时：
状态4)风速超过最大允许的限值，且储能电池处于未充满状态时：
状态5)风速较低，且储能电池处于充满状态时：
状态6)风速在正常至额定范围内变化，且储能电池处于充满状态时：
状态7)风速超过额定风速变换，且储能电池处于充满状态时。
在步骤b)中，所述的采取相应的控制方法具体如下：
状态1)时采用的控制方法：双向储能变换器工作在BOOST充电模式，通过调整BOOST开关管的占空比来维持母线电压处于某一个设定值；
状态2)时采用的控制方法：提高电压外环的电压给定值，使之满足后级BOOST变换器和并网逆变器的要求；而并网逆变器则利用传统的控制方法维持BOOST输出侧的电压为380—410V，进行并网发电；
状态3)时采用的控制方法：系统以满功率向电网输出电能，同时，以所允许的最大充电电流向双向储能变换器中储能电池充电；
状态4)时采用的控制方法：双向储能变换器、BOOST变换器及并网逆变器的控制策略仍与上一状态即状态保持完全一致，不同的是此时电路进入保护模式，母线处并入卸荷电阻，用来消耗多余的风能；同时，调整整流变换器的控制策略，使其工作点偏离最大功率点，减少所收集的风能能量；
状态5)时采用的控制方法：双向储能变换器处于BUCK放电模式，BOOST变换器及并网逆变器则仍然采用前述控制策略；
状态6)时采用的控制方法：双向储能变换器处于BOOST放电模式，BOOST变换器及并网逆变器则仍然采用前述控制策略；
状态7)时采用的控制方法：双向储能变换器中的功率开关器件完全关断，双向储能变换器中储能电池暂时退出系统；BOOST变换器维持母线电压于150V，并网逆变器控制策略不变，能量仅有一个通路，由风机L直接流向电网；且卸荷电阻被并入系统消耗多余电能，同时调整整流变换器控制策略，使其工作点偏离最大功率点，实现系统的保护。
本发明提供的小型并网风力发电系统及其控制方法的效果：
针对传统小型、微型风力发电系统所采用的风轮、风力发电机、三相不可控整流桥、BOOST变换器以及单相全桥逆变器结构存在的不适应小型风场特性、整流器输出偏低、无法收集微弱能量、无法正常并网发电等问题，本发明采用新型的带开关电容的高电压增益反激式整流变换器替代传统的三相不可控整流变换器，同时在直流母线侧引入一个双向DC-DC储能变换器以及配套储能装置。所引入的新型高电压增益整流器具有高电压增益、高功率因数、高变换效率等特点，可以有效提高整流变换器输出电压等级，减轻了后级BOOST变换器提高直流电压的压力，为实现系统正常并网发电具有较为重要的意义。同时，本发明所引入的储能环节为实现将风能收集并存储提供了硬件通路，尤其是当捕获的风能有限，电力电子变换器输入电压较低时，该硬件通路为因不满足逆变器最低并网要求而暂时储存在电容中的能量提供了能量回路，使得该微弱的风能可以被系统收集并存储起来，供下一步使用，这无疑提高了风能能量的利用率，使得整个系统具有更好的低输入条件下性能，对小型风电场具有较高的适应性。
针对传统小型、微型风力发电系统存在的简单套用大中型风电系统的问题，本发明提出了一种硬件配套控制策略，该控制策略根据风速大小、电路状况以及储能电池充电状态等因素决定整个风电系统的工作模态，以适应不同风速下，不同电路状况的发电情况。具体讲分为低风速、正常风速、额定风速以及超额定风速等不同情况下系统所采用的控制策略，对小型、微型风电场所具备的风速波动较大、平均风速偏低、蕴含风能能量有限等风场特性均具有较好的适应性，可以有效提高风能利用率以及能量变换效率。
最后，本发明针对传统小型风电系统使用高漏电流、大体积的电解电容的问题也做出了改进，通过使用具有容值低、体积小、漏电流小的薄膜电容代替传统电解电容，不仅有利于实现微弱能量收集，而且还可以带来能量密度提高等优点，具有有益性。
综上分析，本发明所提出的适用于小型、微型并网型风力发电系统拓扑结构及其配套控制策略系统具有合理的电压等级匹配、高变换效率、良好的低风速性能、高能量密度以及可实现微弱风能收集等优点，对相关风力发电技术的发展和研究具有一定的参考价值和指导作用，因此值得推广和应用。
附图说明
图1为本发明提供的小型并网风力发电系统结构示意图；
图2为本发明提供的小型并网风力发电系统中镇流变换器所采用的制方法变步长爬山发控制流程图；
图3为BOOST充电控制策略原理图；
图4为BUCK充电控制策略原理图；
图5为BUCK放电控制策略原理图；
图6为BOOST放电控制策略原理图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的小型并网风力发电系统及其控制方法进行详细说明。
如图1所示，本发明提供的小型并网风力发电系统包括：
整流变换器1、双向储能变换器2、BOOST变换器3和并网逆变器4；其中：整流变换器1为带开关电容的高电压增益反激式整流变换电路，其输入端与风机L的三相输出端连接、整流输出侧输出端通过直流母线与BOOST变换器3直流输入端连接；双向储能变换器2由双向储能DC-DC变换器及采用锂电池的储能电池组成，其一侧双向端口与整流变换器1的输出端连接；BOOST变换器3为直流电压转换电路，其输入端与直流母线连接、输出端与并网逆变器4的直流侧输入端连接；并网逆变器4为单相桥式并网逆变器；其交流侧输出端与电网5连接。
如图1所示，所述的整流变换器1由滤波电容组Cf、三组整流单元以及三相单开关电路单元三部分组成，其中：
滤波电容组Cf由连接在风机L三相输出线且呈Y型连接的三个滤波电容器组成，其主要作用是滤除电路的高频信号；
三组整流单元共分A、B、C三相，每相的电路结构完全相同，A相整流单元包括变压器T1、开关电容Ca1、Ca2，二极管Da1、Da2、Da以及A相输出电容Ca组成；其中，变压器T1原边的同名标识端通过等效电感Lks的A相电感与风机L的A相输出端La相连接，其副边的同名标识端通过电容Ca2与V1点连接，副边的非标识端通过电容Ca1与二极管Da的阳极连接，二极管Da的阴极与正输出端Vo+连接；二极管Da1的阳极与变压器T1副边的同名标识端连接、二极管Da1阴极与二极管Da的阳极连接；二极管Da2的阴极与变压器T1副边的非标识端连接、二极管Da2的阳极与V1点连接；A相输出电容Ca的一端与正输出端Vo+连接、另一端为V1点；B相与C相整流单元的内部结构与A相整流单元的内部结构完全相同；B相整流单元包括变压器T2、开关电容Cb1、Cb2，二极管Db1、Db2、Db以及B相输出电容Cb；其中，变压器T2原边的同名标识端通过等效电感Lks的b相电感与风机L的B相输出端Lb相连接；C相整流单元包括变压器T3、开关电容Cc1、Cc2，二极管Dc1、Dc2、Dc以及C相输出电容Cc；其中，变压器T3原边的同名标识端通过等效电感Lks的c相电感与风机L的C相输出端Lc相连接；A相整流单元的输出端为A相输出电容Ca的两端、B相整流单元的输出端为B相输出电容Cb的两端、C相整流单元的输出端为C相输出电容Cc的两端，A相的倍压输出电容Ca与B相、C相的输出电容Cb、Cc相互并联，三个电容并联后构成对应A.B.C三相的三个整流单元的总输出电容。
所述的等效电感Lks为三相倍压单元各相输入侧电感与各相变压器漏感的总和。
所述的三相单开关电路单元由二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6，全控型开关器件S1、二极管Do以及输出电容Co组成，其中二极管D1—D6构成不可控整流桥，二极管D1的阳极与变压器T1原边的非标识端连接，二极管D3的阳极与变压器T2原边的非标识端连接，二极管D5的阳极与变压器T3原边的非标识端连接，二极管D1、D3和D5的阴极同时与二极管Do的阳极连接，二极管D2的阴极与二极管D1的阳极连接、二极管D4的阴极与二极管D3的阳极连接、二极管D6的阴极与二极管D5的阳极连接、二极管D2、D4和D6的阳极同时与负输出端Vo-连接，二极管Do的阴极与V1点连接；开关器件S1的源极与二极管Do的阳极连接、漏极与负输出端Vo-连接、栅极为控制信号输入端，输出电容Co的一端与V1点连接，另一端为负输出端Vo-；
最后整流单元的输出电容Ca、Cb、Cc相互并联后与Co串联，作为整个整流变换器1的总输出电容，正输出端Vo+和负输出端Vo-为整流变换器1的总输出端。
所述的控制信号输入端与数字信号处理器(DSP)管脚连接，接收数字信号处理器产生的控制信号，控制全控型开关器件S1的开通与关断，实现整流电路的正常工作。
本系统结构的主要创新点是采用了新型的具有高电压增益的三相整流变换器代替传统的三相不可控整流器，在相同出入条件下可以获得更高的输出电压等级；在原有的系统结构基础上，于直流母线侧引入一个双向储能DC-DC变换器及配套储能装置，为收集和储存微弱能量提供可能。
整流变换器1将前级风轮与风力发电机捕获并发出的能量由三相交流转换为直流形式，与传统三相不可控整流变换器不同的是，该新型高增益整流器采用了反激式电路结构与开关电容技术，将整流电路划分为变压器原边电路和变压器副边电路两部分，通过对能量的暂时存储及传递，最终将收集到的能量按照一定比例分别储存至原边电路与副边电路的输出电容之中，并将两输出电容直接串联，使其电压相叠加，达到提高电压增益，获得较高输出电压的有益效果；此外，该整流变换器还可以实现固有的功率因数校正等功能，实现单位功率因数传输，进一步提高整流变换器的变换效率，降低总谐波失真；因此，该整流变换器具有高电压增益，高功率因数，高效率等特点，非常适合应用于小型和微型并网风力发电系统之中。
双向储能变换器2由四个全控型功率开关管和储能电池组成，通过控制其不同开关管的开通关断信号，可以实现能量的双向传输，为后级储能电池的充电和放电提供了可能性。该双向储能变换器2正常工作时共有五种模式，即BOOST充电模式、BUCK充电模式、BOOST放电模式、BUCK放电模式以及保护模式。当储能电池充电状态为未充满，且直流母线电压小于储能电池电压时，该变换器处于BOOST充电模式，电能从母线流向储能装置，储能装置收集并存储风能能量；BUCK充电模式，当储能电池充电状态为充满，且直流母线电压高于储能电池电压时，该变换器处于BUCK充电模式，电能从母线流向储能装置；BOOST放电模式，当储能装置充电状态为已充满，且母线电压需要维持的电压高于储能电池电压时，变换器为BOOST放电模式，电能从储能装置流向直流母线；BUCK放电模式，当储能装置充电状态为已充满，且母线电压需要维持的电压低于储能电池电压时，变换器为BUCK放电模式，电能从储能装置流向直流母线；保护模式是当双向DC-DC变换器某一参数超出额定值时，关闭所有开关管，以防止电路元器件受到损坏。
BOOST变换器3的作用是将整流变换器1输出的直流电压进一步提高，以达到后级逆变器正常并网工作时所需要达到的电压等级。与传统系统不同的是，该变换系统的整流器和BOOST变换器同时具有提高电压增益的作用，通过两级级联变换，可以使每一级的升压比不至于过高，避免了因功率开关管占空比过大而造成的效率降低等问题。
并网逆变器4则是在满足并网条件的前提下，将前级输出的直流电能变换为可以直接并网并向电网传输能量的单相交流电能形式。
风机L为小型风力发电机，可以收集风轮机捕获的风能能量，并输出频率与幅值随风速变化的三相交流电能。
本系统采用容值低、体积小、漏电流小的薄膜电容代替传统的容值高、体积大、漏电流较大的电解电容，从而减少了收集到的风能由于漏电流所产生的功率损耗，提高了风能利用率和变换器效率，同时，由于该薄膜电容体积较小，因此系统的能量密度能够得到进一步提高。
如图2所示，在除系统保护模式下的所有工况下，整流变换器1采用最大功率点跟踪控制策略(MPPT控制策略)，采用一种当前已经存在的变步长爬山法来实现对不同风速下的最大功率点进行跟踪，其控制方法包括按顺序执行的下列步骤：
步骤1)采集直流母线上的电压Ubus和电流Ibus信号；
步骤2)计算直流母线电压的瞬时功率Pbus，并作为第n个瞬时功率值，记为Pn；
步骤3)将Pn与Pn-1相比较，得出功率差值Perr；
步骤4)判断Perr是否大于最大功率偏差设定值ΔP大，如果判断结果为“是”，则确定采用较大的变换步长跟踪，本次跟踪流程至此结束，否则执行下一步；
步骤5)判断Perr是否大于最小功率偏差设定值ΔP小，如果判断结果为“是”，则确定采用较小的变换步长跟踪，否则不改变现有变换步长，本次跟踪流程至此结束。
该变步长爬山法具有响应速度较快，成本较低，无最大功率点波动等特点，可以较为快速、灵敏地跟踪不同风速下的最大功率点，实现该条件下的最大风能捕获。
在本系统中，双向储能变换器2、BOOST变换器3以及并网逆变器4则根据风速和电路状况的不同采用了不同的控制模式，其控制方法包括：
步骤a)确定系统当前的状态：根据当前风速和双向储能变换器2中储能电池的状态，将系统的工作状态分为七种状态；
步骤b)然后根据系统当前所处的状态采取相应的控制方法。
在步骤a)中，所述的七种状态如下：
状态1)风速较小，储能电池处于未充满状态时：
状态2)风速达到正常工作范围，储能电池处于未充满状态时：
状态3)风速超过了额定风速，储能电池处于未充满状态时：
状态4)风速超过最大允许的限值，且储能电池处于未充满状态时：
状态5)风速较低，且储能电池处于充满状态时：
状态6)风速在正常至额定范围内变化，且储能电池处于充满状态时：
状态7)风速超过额定风速变换，且储能电池处于充满状态时。
在步骤b)中，所述的的采取相应的控制方法具体如下：
状态1)时采用的控制方法：当风速较小，捕获的风能不足以维持后级并网逆变器4正常并网发电的最低要求，且双向储能变换器2中储能电池充电状态处于未充满的状态时候，系统的控制策略如图3所示。此时，双向储能变换器2工作在BOOST充电模式，通过调整BOOST开关管的占空比来维持母线电压处于某一个设定值。该控制采用电压电流双环控制，外环为电压环，内环为电流环，首先，将采样芯片采集到的母线电压Vbus信号与所需要的电压给定值进行比较后得到误差信号err1，接着，该误差信号经PI环节调制后输出，作为电流内环的给定值；电流内环则是通过电流采样芯片采集BOOST电路电感上的电流Ibattery并与电流给定值进行比较得到误差信号err2，该误差信号经过PI环节调制后进入PWM发生器中，得到BOOST开关管的PWM控制信号。本发明中所采用的储能电池电压为67V，因此，电压给定值维持在25V即可。此时，风机L发出的能量仅通过“整流变换器1—双向储能变换器2”的通路将收集到的微弱风能存储起来，从而提高了风能的利用率。
状态2)时采用的控制方法：当风速达到正常工作范围时，后级并网逆变器4正常并网发电的最低要求得到满足，且双向储能变换器2中储能电池处于未充满的状态时候，系统双向储能变换器2的控制策略仍如图3所示，仅仅是提高电压外环的电压给定值(此处为50V)，使之满足后级BOOST变换器3和并网逆变器4的要求。而并网逆变器4则利用传统的控制方法维持BOOST输出侧的电压为380—410V左右，进行并网发电。此时，风机L发出的能量一方面通过“整流变换器1—双向储能变换器2”的通路储存起来，另一方面通过“整流变换器1—BOOST变换器3—并网逆变器4—电网5”的通路直接将能量传输至电网5发电。
状态3)时采用的控制方法：当风速进一步提高，超过了额定风速，且双向储能变换器2中储能电池处于未充满状态时，系统应当以满功率向电网5输出电能，同时，以所允许的最大充电电流向双向储能变换器2中储能电池充电。此时，双向储能变换器2的控制策略如图4所示，电路仍然采用电压电流双环控制，外环电压环采集母线电压Vbus并与电压给定值相比较，经PI环节后作为电流内环的给定，并与电流环采集到的电感电流作比较，将误差经PI环节和PWM发生环节作用之后，将输出控制信号作为BUCK电路开关管的控制信号，实现对母线电压的控制。此处，母线电压给定值设定在150V。BOOST变换器3和并网逆变器4的控制策略则保持不变。
状态4)时采用的控制方法：当风速超过最大允许的限值，且双向储能变换器2中储能电池处于未充满状态时，双向储能变换器2、BOOST变换器3及并网逆变器4的控制策略仍与上一状态(即状态3))保持完全一致，不同的是此时电路进入保护模式，母线处并入卸荷电阻，用来消耗多余的风能；同时，调整整流变换器1的控制策略，使其工作点偏离最大功率点，减少所收集的风能能量。
状态5)时采用的控制方法：当风速较低，且双向储能变换器2中储能电池处于充满状态时，此时，双向储能变换器2处于BUCK放电模式，BOOST变换器3及并网逆变器4则仍然采用前述控制策略。双向储能变换器2的控制策略如图5所示，电路采用电压电流双环控制，外环电压环采集母线电压Vbus并与电压给定值(此处为50V)相比较，经PI环节后作为电流内环的给定，并与电流环采集到的电感电流作比较，将误差经PI环节和PWM发生环节作用之后，将输出控制信号作为BUCK电路开关管的控制信号，实现对母线电压的控制。此时，能量的流动方向为风机L与双向储能变换器2中储能电池同时向电网5传输电能。
状态6)时采用的控制方法：当风速在正常至额定范围内变化，且双向储能变换器2中储能电池处于充满状态时，此时，双向储能变换器2处于BOOST放电模式，BOOST变换器3及并网逆变器4则仍然采用前述控制策略。双向储能变换器2的控制策略如图6所示，采用电压电流双环控制，外环电压环采集母线电压Vbus并与电压给定值(此处为100V)相比较，经PI环节后作为电流内环的给定，并与电流环采集到的电感电流作比较，将误差经PI环节和PWM发生环节作用之后，将输出控制信号作为BOOST变换器3开关管的控制信号，实现对母线电压的控制。此时，能量的流向仍为风机L与双向储能变换器2中储能电池共同向电网5发电。
状态7)时采用的控制方法：当风速超过额定风速变换，且双向储能变换器2中储能电池处于充满状态时，双向储能变换器2中的功率开关器件完全关断，双向储能变换器2中储能电池暂时退出系统。BOOST变换器3维持母线电压于150V，并网逆变器4控制策略不变，能量仅有一个通路，由风机L直接流向电网。且卸荷电阻被并入系统消耗多余电能，同时调整整流变换器1控制策略，使其工作点偏离最大功率点，实现系统的保护。
本发明的重点在于在原有的风力发电系统拓扑的基础上提出了一种新型的、对小型风电场具有高度适应性的风力发电系统拓扑。具体包括采用新型的带开关电容的高电压增益反激式倍压整流变换器1代替传统三相不可控整流变换器，以及在直流母线处引入一个双向储能变换器2及其配套储能装置；
本发明也阐述了该新型拓扑结构的配套控制方法，具体包括低风速下、正常风速下、额定风速下以及超额定风速下共7种工况下的系统控制策略。最后，本发明采用漏电流较小的薄膜电容代替传统电解电容。整个风电系统具有合理的电压等级匹配、高变换效率、良好的低风速性能、高能量密度以及可实现微弱风能收集等优点，非常适合应用于小型、微型并网风力发电系统。
Claims (6)
1.一种小型并网风力发电系统，其特征在于：所述的小型并网风力发电系统法包括：整流变换器(1)、双向储能变换器(2)、BOOST变换器(3)和并网逆变器(4)；其中：整流变换器(1)为带开关电容的高电压增益反激式整流变换电路，其输入端与风机L的三相输出端连接、整流输出侧输出端通过直流母线与BOOST变换器(3)直流输入端连接；双向储能变换器(2)由双向储能DC-DC变换器及采用锂电池的储能电池组成，其一侧双向端口与整流变换器(1)的输出端连接；BOOST变换器(3)为直流电压转换电路，其输入端与直流母线连接、输出端与并网逆变器(4)的直流侧输入端连接；并网逆变器(4)为单相桥式并网逆变器；其交流侧输出端与电网(5)连接。
2.根据权利要求1所述的小型并网风力发电系统，其特征在于：所述的整流变换器(1)由滤波电容组Cf、三组整流单元以及三相单开关电路单元三部分组成，其中：
滤波电容组Cf由连接在风机L三相输出线且呈Y型连接的三个滤波电容器组成；
三组整流单元共分A、B、C三相，每相的电路结构完全相同，A相整流单元包括变压器T1、开关电容Ca1、Ca2，二极管Da1、Da2、Da以及A相输出电容Ca组成；其中，变压器T1原边的同名标识端通过等效电感Lks的A相电感与风机L的A相输出端La相连接，其副边的同名标识端通过电容Ca2与V1点连接，副边的非标识端通过电容Ca1与二极管Da的阳极连接，二极管Da的阴极与正输出端Vo+连接；二极管Da1的阳极与变压器T1副边的同名标识端连接、二极管Da1阴极与二极管Da的阳极连接；二极管Da2的阴极与变压器T1副边的非标识端连接、二极管Da2的阳极与V1点连接；A相输出电容Ca的一端与正输出端Vo+连接、另一端为V1点；B相与C相整流单元的内部结构与A相整流单元的内部结构完全相同；B相整流单元包括变压器T2、开关电容Cb1、Cb2，二极管Db1、Db2、Db以及B相输出电容Cb；其中，变压器T2原边的同名标识端通过等效电感Lks的b相电感与风机L的B相输出端Lb相连接；C相整流单元包括变压器T3、开关电容Cc1、Cc2，二极管Dc1、Dc2、Dc以及C相输出电容Cc；其中，变压器T3原边的同名标识端通过等效电感Lks的c相电感与风机L的C相输出端Lc相连接；A相整流单元的输出端为A相输出电容Ca的两端、B相整流单元的输出端为B相输出电容Cb的两端、C相整流单元的输出端为C相输出电容Cc的两端，A相的倍压输出电容Ca与B相、C相的输出电容Cb、Cc相互并联，三个电容并联后构成对应A.B.C三相的三个整流单元的总输出电容；等效电感Lks为三相倍压单元各相输入侧电感与各相变压器漏感的总和；
所述的三相单开关电路单元由二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6，全控型开关器件S1、二极管Do以及输出电容Co组成，其中二极管D1—D6构成不可控整流桥，二极管D1的阳极与变压器T1原边的非标识端连接，二极管D3的阳极与变压器T2原边的非标识端连接，二极管D5的阳极与变压器T3原边的非标识端连接，二极管D1、D3和D5的阴极同时与二极管Do的阳极连接，二极管D2的阴极与二极管D1的阳极连接、二极管D4的阴极与二极管D3的阳极连接、二极管D6的阴极与二极管D5的阳极连接、二极管D2、D4和D6的阳极同时与负输出端Vo-连接，二极管Do的阴极与V1点连接；开关器件S1的源极与二极管Do的阳极连接、漏极与负输出端Vo-连接、栅极为控制信号输入端，输出电容Co的一端与V1点连接，另一端为负输出端Vo-；
最后整流单元的输出电容Ca、Cb、Cc相互并联后与Co串联，作为整个整流变换器(1)的总输出电容，正输出端Vo+和负输出端Vo-为整流变换器1的总输出端。
3.一种如权利要求1所述的小型并网风力发电系统的控制方法，其特征在于：所述的整流变换器(1)采用的控制方法包括按顺序执行的下列步骤：
步骤1)采集直流母线上的电压Ubus和电流Ibus信号；
步骤2)计算直流母线电压的瞬时功率Pbus，并作为第n个瞬时功率值，记为Pn；
步骤3)将Pn与Pn-1相比较，得出功率差值Perr；
步骤4)判断Perr是否大于最大功率偏差设定值ΔP大，如果判断结果为“是”，则确定采用较大的变换步长跟踪，本次跟踪流程至此结束，否则执行下一步；
步骤5)判断Perr是否大于最小功率偏差设定值ΔP小，如果判断结果为“是”，则确定采用较小的变换步长跟踪，否则不改变现有变换步长，本次跟踪流程至此结束。
4.一种如权利要求1所述的小型并网风力发电系统的控制方法，其特征在于：所述的双向储能变换器(2)、BOOST变换器(3)以及并网逆变器(4)采用的控制方法包括按顺序执行的下列步骤：
步骤a)确定系统当前的状态：根据当前风速和双向储能变换器(2)中储能电池的状态，将系统的工作状态分为七种状态；
步骤b)然后根据系统当前所处的状态采取相应的控制方法。
5.根据权利要求4所述的小型并网风力发电系统的控制方法，其特征在于：在步骤a)中，所述的七种状态如下：
状态1)风速较小，储能电池处于未充满状态时：
状态2)风速达到正常工作范围，储能电池处于未充满状态时：
状态3)风速超过了额定风速，储能电池处于未充满状态时：
状态4)风速超过最大允许的限值，且储能电池处于未充满状态时：
状态5)风速较低，且储能电池处于充满状态时：
状态6)风速在正常至额定范围内变化，且储能电池处于充满状态时：
状态7)风速超过额定风速变换，且储能电池处于充满状态时。
6.根据权利要求4所述的小型并网风力发电系统的控制方法，其特征在于：在步骤b)中，所述的采取相应的控制方法具体如下：
状态1)时采用的控制方法：双向储能变换器(2)工作在BOOST充电模式，通过调整BOOST开关管的占空比来维持母线电压处于某一个设定值；
状态2)时采用的控制方法：提高电压外环的电压给定值，使之满足后级BOOST变换器(3)和并网逆变器(4)的要求；而并网逆变器(4)则利用传统的控制方法维持BOOST输出侧的电压为380—410V，进行并网发电；
状态3)时采用的控制方法：系统以满功率向电网(5)输出电能，同时，以所允许的最大充电电流向双向储能变换器(2)中储能电池充电；
状态4)时采用的控制方法：双向储能变换器(2)、BOOST变换器(3及并网逆变器(4)的控制策略仍与上一状态即状态3保持完全一致，不同的是此时电路进入保护模式，母线处并入卸荷电阻，用来消耗多余的风能；同时，调整整流变换器(1)的控制策略，使其工作点偏离最大功率点，减少所收集的风能能量；
状态5)时采用的控制方法：双向储能变换器(2)处于BUCK放电模式，BOOST变换器(3)及并网逆变器(4)则仍然采用前述控制策略；
状态6)时采用的控制方法：双向储能变换器(2)处于BOOST放电模式，BOOST变换器(3)及并网逆变器(4)则仍然采用前述控制策略；
状态7)时采用的控制方法：双向储能变换器(2)中的功率开关器件完全关断，双向储能变换器(2)中储能电池暂时退出系统；BOOST变换器(3)维持母线电压于150V，并网逆变器(4)控制策略不变，能量仅有一个通路，由风机L直接流向电网；且卸荷电阻被并入系统消耗多余电能，同时调整整流变换器(1)控制策略，使其工作点偏离最大功率点，实现系统的保护。
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