CN107658903A - 一种嵌入式储能的风力发电系统 - Google Patents
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Abstract
一种嵌入式储能的风力发电系统，涉及一种风力发电系统，所述系统包括主电路和控制系统两个部分；系统主电路包括：使用变频器拖动三相异步电机模拟风力机、三相绕线式双馈风力发电机、电网和发电机转子间的双 PWM 变换器、双PWM变换器直流电压母线上的蓄电池储能装置系统、测量转速的光电编码器、调节式电阻箱；控制系统包括：两块以 DSP2407为核心控制芯片的控制电路、由电压霍尔传感器和电流霍尔传感器组成的测量电路以及一些辅助电。本发明利用其成本低、技术成熟，存储容量高，功率密度高等特点，完成对风力发电系统的储能，使风电场具有灵活可控的电能，提高电网吸纳风电的能力及提高电网和风电场的稳定运行能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种发电系统，特别是涉及一种嵌入式储能的风力发电系统。
背景技术
随着能源和环境问题的日益严峻，作为可再生能源的风力发电得到了广泛关注和大力发展。风电并网是实现风能大规模利用的有效方式，随着风力发电机组容量和规模的不断扩大，其在电网中所占的比重逐步提高，对电力系统的影响也将越来越显著。
风的随机波动性和间歇性决定了风电场的输出功率也具有随机波动性和间歇性，风电的出力可靠性差，与电力系统需要实时平衡稳定的特性相悖，其在电网中运行势必会对电网产生一系列影响，在风电穿透功率较大的电网中，风电机组的稳定、可靠运行显得尤为重要。但由于风电机组的输出功率主要受风速、气压、温度等多方面影响，因此经常发生波动。当风电接入容量达到一定比例时，其输出功率的随机波动将给电力系统的稳定运行带来一些负面影响，如频率不稳定、电压闪变和跌落、谐波污染等，特别是当系统备用容量不足时，影响更加明显。
结合储能系统来研究改善风能发电的稳定性，提高发电及接入系统的稳定运行成为风电并网运行中的重要问题。目前的储能装置中，有使用飞轮储能装置平滑风力发电功率，有使用超导储能系统，有使用超级电容器承担平滑功率的作用。然而，飞轮储能系统一般损耗高，控制系统相对复杂；超导储能安装和维护费用较大；超级电容器则常用于秒级储能，不适合实际兆瓦级使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种嵌入式储能的风力发电系统，本发明采用嵌入式能量存储（ESS）电池系统，利用其成本低、技术成熟，存储容量高，功率密度高等特点，完成对风力发电系统的储能，使风电场具有灵活可控的电能，提高电网吸纳风电的能力及提高电网和风电场的稳定运行能力。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种嵌入式储能的风力发电系统，所述系统包括主电路和控制系统两个部分；系统主电路包括：使用变频器拖动三相异步电机模拟风力机、三相绕线式双馈风力发电机、电网和发电机转子间的双 PWM 变换器、双PWM变换器直流电压母线上的蓄电池储能装置系统、测量转速的光电编码器、调节式电阻箱；控制系统包括：两块以 DSP2407为核心控制芯片的控制电路、功率开关管IGBT 的驱动电路、由电压霍尔传感器和电流霍尔传感器组成的测量电路以及一些辅助电；异步电机与双馈发电机使用联轴器保证同轴连接，在双馈发电机上接入光电编码器，在双馈发电机转子侧和电网之间的背靠背PWM变换器为两个完全相同的三相桥式变换器组成，直流母线上并联两个容值较大相互串联的电解电容，通过变压器连接进入电网侧；定子绕组通过变压器与电网相连，转子绕组则通过由网侧换流器(GSC)和转子侧变流器(RSC)构成的背靠背脉宽调制(PWM )变流器接入电网；转子侧和网侧变换器分别设有2个DSP控制板，控制板核心为DSP2407A，外接辅助电源为DSP、霍尔传感器供电。
所述的一种嵌入式储能的风力发电系统，所述储能装置由蓄电池的串并联组成。
所述的一种嵌入式储能的风力发电系统，所述变频器连接异步电动机与风力机拖动三相绕线式双馈发电机相连，两块控制板 DSP1、DSP2 分别连接双PWM 变换器的转子侧和网侧/负载侧。
所述的一种嵌入式储能的风力发电系统，所述直流母线上设有蓄电池储能装置。
所述的一种嵌入式储能的风力发电系统，所述双PWM变换器中网侧变换器和转子侧变换器的主电路结构相同.
所述的一种嵌入式储能的风力发电系统，所述变换器结构拓扑由功率开关器件和输入、输出滤波电路部分组成。
所述的一种嵌入式储能的风力发电系统，所述变换器为三相桥式双向PWM变换电路，其中6个功率开关器件采用功率开关管IGBT。
附图说明
图1新型双馈风力发电系统框图；
图2基于储能装置的双馈风力发电系统结构图；
图3蓄电池储能系统模型；
图4PWM 变换器结构图；
图5集成EES的DC/ DC系统；
图6 DSP 控制板采样电路结构图；
图7DSP采样及保护电路结构图；
图8系统驱动电路结构图；
图9转子侧 PWM 变换器中断程序流程图；
图10网侧/负载侧 PWM 变换器程序流程图。
具体实施方式
下面结合附图所示实施例对本发明进行详细说明。
本发明将集成EES储能系统接入传统双馈风力发电系统背靠背变换器直流侧，构成新型双馈风力发电系统，如图1。通过控制已有的转子侧变换器（RSC），可以实现双馈风力发电机正常的变速恒频发电运行；通过控制电网侧变换器（GSC），则可以实现储能装置与电网的能量交换以抑制并网点的功率波动。这种新型双馈风力发电系统具有发电和储能补偿相结合的功能，在不增加大量附加投资的前提下，有效提高了风电场各发电单元运行的可靠性和灵活性，是一种发电型柔性交流输电系统（FACTS）设备。
基于储能装置的双馈风力发电系统的系统结构如图2所示，该系统主要由主电路和控制系统两个部分组成。系统主电路包括：使用变频器拖动三相异步电机模拟风力机、三相绕线式双馈风力发电机、电网和发电机转子间的双 PWM 变换器、双PWM变换器直流电压母线上的蓄电池储能装置系统、测量转速的光电编码器、调节式电阻箱等。控制系统包括：两块以 DSP2407为核心控制芯片的控制电路、功率开关管IGBT 的驱动电路、由电压霍尔传感器和电流霍尔传感器组成的测量电路以及一些辅助电源等。
具体连接方式为：采用通用变频器拖动三相异步电机，产生动力来模拟风力机，异步电机与双馈发电机使用联轴器保证同轴连接，在双馈发电机上接入光电编码器测量转速，在双馈发电机转子侧和电网之间的背靠背PWM变换器为两个完全相同的三相桥式变换器组成，直流母线上并联两个容值较大相互串联的电解电容，即双馈发电机转子侧经过双PWM 变换器、双PWM变换器直流电压母线上的蓄电池储能装置系统进行功率变换和储能，最后通过变压器连接进入电网侧；PWM变换器为双馈发电机提供励磁电流，定子绕组通过变压器与电网相连可进行并网发电，若与电网断开接入负载，可向负载输出功率，实现系统独立运行；转子绕组则通过由网侧换流器(GSC)和转子侧变流器(RSC)构成的背靠背脉宽调制(PWM )变流器接入电网；转子侧和网侧变换器分别由2个DSP控制板进行控制，控制系统对被控量进行控制时，首先必须获取到被控量的数值，通过采样电路获得被控量的大小，在经过DSP 外围处理电路，如采样电路图6，检测电路和保护电路图7等，把信号传送到控制芯片，从而对被控量进行控制；在图7中，转子侧变换器保护是通过检测转子侧电流，通过一定的比例关系后把信号送到比较器 LM339 中，比较器比较输入信号与设定信号的大小，如果输入信号大于比较器设定值时，比较器输出信号就会发生跳变，而与比较器相连的控制芯片 CD4538 就会通过该跳变的信号是其输出低电平，把这个低电平信号传送到 DSP 芯片的 PDPINTA 引脚，DSP 通过检测该引脚的低电平信号封锁其输出的PWM 波，控制芯片CD4538 输出的低电平信号也会与 CPLD 输出的 PWM 波进行“与”运算，从而使得驱动变换器功率开关管的脉冲信号处于封锁状态，功率开关管不工作进而保护了系统；控制板核心为DSP2407A，外接辅助电源为DSP、霍尔传感器供电；储能装置由蓄电池的串并联组成，在风力发电系统中的蓄电池储能装置一般容量比较大，所以对蓄电池进行建模时考虑到大容量、蓄电池串并联情况、蓄电池系统的动稳态等问题，采用了图3所示的蓄电池储能系统模型：其中CBP为蓄电池等效电容，RBT为蓄电池串并联后的等效电阻，该电阻值和实际使用的蓄电池数量和连接方式有关，电阻RB1和电容CB1的并联电路模拟蓄电池系统充、放电时的能量和电压变化，电阻RBP和电容CBP的串联电路是模拟蓄电池系统的自放电，由于蓄电池的自放电电量是非常小，所以自放电电阻RBP的阻值很大，VBOC为蓄电池系统开路电压，VBT为蓄电池系统的平均电压，IBES为蓄电池系统的充电电流。
该系统实现变速恒频工作是通过使用变频器驱动异步电动机作为模拟的风力机拖动三相绕线式双馈发电机完成的控制，通过两块控制板 DSP1、DSP2 分别控制双PWM 变换器的转子侧和网侧/负载侧，从而实现能量在电机转子侧和电网侧双向流动，为双馈发电机转子侧提供励磁电源。在直流母线上加入蓄电池储能装置，使得双馈风力发电系统既可以工作在并网运行状态也可以工作在独立运行状态，两种状
态通过投切电网实现两种模式。
双PWM变换器中网侧变换器和转子侧变换器的主电路结构是相同的，图4为双馈风力发电系统中双PWM 变换器的一侧变换器结构图。变换器结构拓扑主要由功率开关器件和输入、输出滤波电路等部分组成。变换器为三相桥式双向PWM变换电路，其中6个功率开关器件采用功率开关管IGBT，在变换器直流侧接入了容量和耐压值都较大的电容，用来保持直流侧的直流电压，电阻为放电电阻，一般选取阻值很大。
实施例
按照双馈风力发电系统的结构，其定子绕组直接与电网相连，转子绕组则通过由网侧换流器(GSC)和转子侧变流器(RSC)构成的背靠背脉宽调制(PWM )变流器接入电网。由分析可知，其直流母线的存在以及电压源型变流器的采用，使得双馈发电系统非常容易在直流端嵌
入储能系统。图5中EES通过Boost DC/DC接入直流母线。由图可见，集EES的成本仅源于储能装置自身，而无需附加AC/DC或DC/AC装置，节省了传统储能系统中一套专用变流器的成本；另一方面，EES不仅电气上可嵌入发电系统，而且可以在物理空间上嵌入，储能装置可放置在风力机塔筒的内部中空部分，不需要额外的储能室和相应的建筑占地面积，在经济灵活性和安全可靠性方面具有优势。
本发明中双馈风力发电系统采用的是TMS320LF2407A作为控制双PWM变换器的主控芯片，其是专为数字电机控制和其他控制系统设计的运动控制芯片。系统的采样器件为电压霍尔传感器(CHV-25P)和电流霍尔传感器(LA-50P)本控制系统在主控芯片外围也设计了采样电路，其电路图如图6所示。采样电路采用电压跟随器起到对输入、输出的缓冲和隔离的作用，输入端通过电阻 R1把霍尔传感器输出信号转化成电压信号，由于DSP无法对数值为负信号进行处理，所以通过3.3V电源把输入信号抬高。因为DSP主控芯片引脚输入电压不能超过3.3V，所以在采样电路的输入端通过二极管与3.3V电源钳位住输出电压，使采样电路输出电压值不能超过 3.3V。
由于DSP控制电路输出的驱动波形无法直接驱动双PWM变换器的功率开关器件，所以需要单独设计驱动电路驱动功率开关器件，双馈风力发电系统实验平台的驱动电路如图8所示。驱动电路输入为经过电平转换芯片后的驱动脉冲信号，其输出信号的最大值为5V，发光二极管作用是显示驱动电路有驱动信号输入。驱动电路为了隔离控制电路和主电路采用光电耦合器进行隔离，经过光电耦合器输出的信号
输入到专门的驱动芯片，该芯片把输入的信号转化成15V的驱动信号同时增加了驱动信号的带载能力，使得输出的驱动信号可以直接驱动变换器的功率开关器件IGBT，保证系统正常运行。
下面阐述集成EES的双馈风力发电系统控制策略。
转子侧PWM变换器控制：
基于储能装置的双馈风力发电系统转子侧变换器程序流程图如图9所示，程序中首先是对系统进行初始化，其中包括设定系统时钟、设置看门狗和开中断，然后是对事件管理器进行初始化，其中包括设置定时器、设置死区时间、设置正交编码电路和捕获单元等，接着就是对A/D转换器的初始化和设置复用 I/O端口，还有一个为了保证程序在整个控制不间断地运行而设置的死循环。中断子程序中首先是处理A/D采样的数据，然后是锁相环和有关量个坐标变换，接下来是应用M法测速程序，接着就是对发电机进行控制的功率外环、电流内环的相关程序，还有生成PWM波等程序。
网侧/负载侧PWM变换器控制：
网侧/负载侧PWM变换器主程序流程图如图10中a图所示，中断子程序流程图如b图所示，其中主程序包括对系统、事件管理器模块、数模转换模块、复用I/O端口等进行初始化，还有一个为了使程序在整个控制时间内总是处于运行状态的死循环。中断子程序中包括了首先是处理A/D采样的数据，然后是锁相环和有关量个坐标变换，接着就是对直流电压进行控制的直流电压外环、电流内环和控制独立运行时交流侧电压的交流电压环的相关程序，还有生成PWM 波等程序。
系统保护策略：
为了系统稳定可靠的运行，在发生故障时保护系统的功率开关管等重要元件，保护电路是必不可少的部分。本发明中的保护分为以DSP 与保护电路相结合硬件保护和DSP内部程序的软件保护方式，更加快速、可靠的对实验系统进行保护。
软件保护是通过在DSP 程序中加入相关语句，改变给定量并且降低功率等级，从而达到保护系统的作用，软件保护对转子侧变换器和网侧变换器的保护设定不相
同，对于转子侧变换器来说，其采用功率外环和电流内环的控制结构，保护方法为检测并网电流幅值，当电流幅值高于设定值时，减小程序中的功率给定，从而减小并网电流的幅值，达到保护系统的目的；对于网侧变换器，其采用是电压外环和电流内环的控制结构，检测电流的幅值，如果电流幅值高于设定值时，通过程序减小直流电压给定从而减小电流，达到保护系统的目的。
硬件保护是通过检测电路和对DSP 引脚的控制达到保护系统的目的，硬件保护是分别对转子侧变换器和网侧变换器进行保护，保护方法已在前文中说明，此处不再赘述。
Claims (6)
1.一种嵌入式储能的风力发电系统，其特征在于，所述系统包括主电路和控制系统两个部分；系统主电路包括：使用变频器拖动三相异步电机模拟风力机、三相绕线式双馈风力发电机、电网和发电机转子间的双 PWM 变换器、双PWM变换器直流电压母线上的蓄电池储能装置系统、测量转速的光电编码器、调节式电阻箱；控制系统包括：两块以 DSP2407为核心控制芯片的控制电路、功率开关管IGBT 的驱动电路、由电压霍尔传感器和电流霍尔传感器组成的测量电路以及一些辅助电；异步电机与双馈发电机使用联轴器保证同轴连接，在双馈发电机上接入光电编码器，在双馈发电机转子侧和电网之间的背靠背PWM变换器为两个完全相同的三相桥式变换器组成，直流母线上并联两个容值较大相互串联的电解电容，通过变压器连接进入电网侧；定子绕组通过变压器与电网相连，转子绕组则通过由网侧换流器(GSC)和转子侧变流器(RSC)构成的背靠背脉宽调制(PWM )变流器接入电网；转子侧和网侧变换器分别设有2个DSP控制板，控制板核心为DSP2407A，外接辅助电源为DSP、霍尔传感器供电。
2.根据权利要求1所述的一种嵌入式储能的风力发电系统，其特征在于，所述储能装置由蓄电池的串并联组成。
3.根据权利要求1所述的一种嵌入式储能的风力发电系统，其特征在于，所述变频器连接异步电动机与风力机拖动三相绕线式双馈发电机相连，两块控制板 DSP1、DSP2 分别连接双PWM 变换器的转子侧和网侧/负载侧。
4.根据权利要求1所述的一种嵌入式储能的风力发电系统，其特征在于，所述直流母线上设有蓄电池储能装置。
5.根据权利要求1所述的一种嵌入式储能的风力发电系统，其特征在于，所述双PWM变换器中网侧变换器和转子侧变换器的主电路结构相同.
根据权利要求5所述的一种嵌入式储能的风力发电系统，其特征在于，所述变换器结构拓扑由功率开关器件和输入、输出滤波电路部分组成。
6.根据权利要求6所述的一种嵌入式储能的风力发电系统，其特征在于，所述变换器为三相桥式双向PWM变换电路，其中6个功率开关器件采用功率开关管IGBT。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN111386654A (zh) * | 2018-10-29 | 2020-07-07 | 东芝三菱电机产业系统株式会社 | 风力发电系统及电力转换装置 |
| WO2021232927A1 (zh) * | 2020-05-20 | 2021-11-25 | 浙江大学 | 反拖系统和风力发电机组 |
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- 2017-10-30 CN CN201711033358.4A patent/CN107658903A/zh active Pending
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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