CN108054778B - 一种风力发电系统供电控制装置 - Google Patents

一种风力发电系统供电控制装置 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种风力发电系统供电控制装置，所述风力发电系统包括风轮机，所述风轮机依次连接双馈风力发电机、变压器、整流电流、boost变换器、直流线缆、并网供电接口；所述供电控制装置包括采集模块、控制器、驱动模块；所述采集模块，用于采集风力发电系统的数据；所述控制器根据采集的数据进行分析处理，根据相位差值及频率差值，确定风轮机的运行模式，并输出控制指令到所述驱动模块，所述驱动模块驱动风轮机改变运行模式。本申请通过快速调整风轮机风叶的运行情况，调整风轮机的输出电压和相位，使风轮机能够满足电网供电稳定的需求，提升风力发电系统的并网供电的电能质量。

Description

一种风力发电系统供电控制装置
技术领域
本申请属于新能源供电技术领域，特别涉及一种风力发电系统供电控制装置。
背景技术
现有技术中，风力供电存在大量谐波，很难稳定的给电网进行并网供电，造成风力发电机虽然利用风能发电，但是无法较好的输送出去，有些现有技术中，为了能够稳定的将风力发电系统产生的电能输送到电网中，需要先将风力发电系统产生的电能通过多次变换，形成稳定的直流电，存储在电池中，然后在电网或者负载需要时，将电能从电池中输送出去，这样会造成电能多次变换，能量容易损失，同时，需要使用大量的电池，造成供电成本增加。
现有技术中，风力发电系统由于其间歇性，无法较好的直接并网，在于其无法快速的跟踪相位，频率以及存在大量谐波，会造成对电网的污染，急需一种能够快速直接并网的风力系统，能够通过快速跟踪相位、频率等以直接控制风轮机，达到快速供电的方式。
发明内容
为解决上述技术问题：本申请提出一种风力发电系统供电控制装置，所述风力发电系统包括风轮机，所述风轮机依次连接双馈风力发电机、变压器、整流电流、boost变换器、直流线缆、并网供电接口；所述供电控制装置包括采集模块、控制器、驱动模块；所述采集模块，用于采集风力发电系统的供电接口的第一电流Io和第一电压Vo；以及风力发电系统的风轮机输出的第二电流Ii；
所述控制器根据采集的数据进行分析处理，根据相位差值及频率差值，确定风轮机的运行模式，并输出控制指令到所述驱动模块，所述驱动模块驱动风轮机改变运行模式。
所述的风力发电系统供电控制装置，所述控制器包括等值模块、计算模块、比较模块、指令输出模块；所述等值模块用于根据风力发电系统的固有参数进行等值，形成仿真模型；所述计算模块用于计算第一电压Vo和第一电流Io之间的第一相位相角
Figure 263410DEST_PATH_IMAGE001
以及供电端的第一频率；所述比较模块用于计算所述第一相位与预设的相位差值以及第一频率与预设频率的频率差值；所述指令输出模块用于输出控制风轮机改变运行模式的控制指令。
所述的风力发电系统供电控制装置，所述指令输出模块包括第一无线通信模块、第四无线通信模块，所述第一无线通信模块与所述驱动模块的第二无线通信模块建立无线通信信号，用于将控制指令无线的发送到所述驱动模块。
所述的风力发电系统供电控制装置，所述采集模块包括传感器、第三无线通信模块、无线电能供电模块；所述无线电能供电模块无线的感测所述并网供电接口处的电能，给传感器和所述第三无线通信模块供电，所述第三无线通信模块将传感器检测的数据传输到所述第四无线通信模块。
所述的风力发电系统供电控制装置，所述计算模块通过如下方式计算所述第一相位相角
Figure 969197DEST_PATH_IMAGE002
：
Figure 304364DEST_PATH_IMAGE003
Figure 33285DEST_PATH_IMAGE004
Figure 174417DEST_PATH_IMAGE005
Figure 672394DEST_PATH_IMAGE006
Figure 240779DEST_PATH_IMAGE007
Figure 456997DEST_PATH_IMAGE008
其中，
Figure 339502DEST_PATH_IMAGE009
为
Figure 754303DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure 696851DEST_PATH_IMAGE011
之间的相角差，
Figure 134785DEST_PATH_IMAGE012
为Io和Vo之间的相角差，
Figure 617719DEST_PATH_IMAGE013
为测量的电流相位角，R为风轮机到电网之间的电阻，X为风轮机到电网之间的电抗，风轮机到电网之间的阻抗满足：Z=R+jX，Vi为风轮机输出电压。
所述的风力发电系统供电控制装置，所述相位差值、频率差值分别为：
Figure 90289DEST_PATH_IMAGE014
Figure 938159DEST_PATH_IMAGE015
其中，
Figure 925707DEST_PATH_IMAGE016
为控制并网时设定的电流和电压之间的相位，当
Figure 150015DEST_PATH_IMAGE017
大于5度时，且当
Figure 539408DEST_PATH_IMAGE018
大于1时，则相应调整锁相环模块，风轮机的风叶倾斜角度、接触风的面积、转速；当
Figure 823759DEST_PATH_IMAGE017
小于5度时，且当
Figure 236286DEST_PATH_IMAGE019
大于1时，则调整风轮机的风叶倾斜角度、接触风的面积、转速；当
Figure 61022DEST_PATH_IMAGE017
大于5度时，且当
Figure 242605DEST_PATH_IMAGE019
小于1时，则相应调整锁相环模块。
所述的风力发电系统供电控制装置，所述风轮机输出电压Vi通过如下方式控制：
Figure 1
Figure 659997DEST_PATH_IMAGE021
Figure 288424DEST_PATH_IMAGE022
Figure 324513DEST_PATH_IMAGE023
其中，ef为风轮机发电效率，
Figure 12983DEST_PATH_IMAGE024
为风轮机最大速度的比率，
Figure 400102DEST_PATH_IMAGE025
为风叶倾斜角度，
Figure 504325DEST_PATH_IMAGE026
为空气密度，S为风轮机叶片接触风的面积，
Figure 740395DEST_PATH_IMAGE027
为风速，
Figure 537449DEST_PATH_IMAGE028
为风轮机旋转速度，
Figure 208602DEST_PATH_IMAGE029
为风轮机叶片半径。
所述的风力发电系统供电控制装置，根据所述
Figure 382094DEST_PATH_IMAGE030
确定给定的风轮机转速
Figure 392776DEST_PATH_IMAGE031
，将风轮机当前转速
Figure 423049DEST_PATH_IMAGE032
与
Figure 519181DEST_PATH_IMAGE033
取差值后通过PI控制器求取电流偏差值，根据所述电流偏差值调整所述风轮机风叶倾斜角度
Figure 965205DEST_PATH_IMAGE034
，使风轮机的输出电压Vi跟踪电网需求电压，输出相位跟踪所述相位
Figure 158289DEST_PATH_IMAGE030
。
所述的风力发电系统供电控制装置，所述变压器包括原边星形、副边三角形接线的三相变压器；所述整流电流包括三相全桥整流电流，其中每个桥路包括多个串联的晶体管。
所述的风力发电系统供电控制装置，所述boost变换器包括串联连接的电感和二极管，在所述电感及二极管的连接中点，通过三极管连接到接地端，所述三级管反向并联有二极管，所述三极管的基极接收所述控制器的PWM控制。
本申请能够准确控制风力发电系统按照电网需求进行频率及相位跟踪，通过快速调整风轮机风叶的运行情况，调整风轮机的输出电压和相位，使风轮机能够满足电网供电稳定的需求，提升风力发电系统的并网供电的电能质量。
附图说明
图1为本申请风力发电系统整体示意图。
图2为本申请供电控制装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。
如图1所示，本申请提出一种风力发电系统供电控制装置，所述风力发电系统包括风轮机，所述风轮机依次连接双馈风力发电机、变压器、整流电流、boost变换器、直流线缆、并网供电接口；所述供电控制装置包括采集模块、控制器、驱动模块；所述采集模块，用于采集风力发电系统的供电接口的第一电流Io和第一电压Vo；以及风力发电系统的风轮机输出的第二电流Ii；
所述控制器根据采集的数据进行分析处理，根据相位差值及频率差值，确定风轮机的运行模式，并输出控制指令到所述驱动模块，所述驱动模块驱动风轮机改变运行模式。
如图2所示，为本申请供电控制装置结构示意图。所述的风力发电系统供电控制装置，所述控制器包括等值模块、计算模块、比较模块、指令输出模块；所述等值模块用于根据风力发电系统的固有参数进行等值，形成仿真模型；所述计算模块用于计算第一电压Vo和第一电流Io之间的第一相位相角
Figure 297147DEST_PATH_IMAGE036
以及供电端的第一频率；所述比较模块用于计算所述第一相位与预设的相位差值以及第一频率与预设频率的频率差值；所述指令输出模块用于输出控制风轮机改变运行模式的控制指令。
所述的风力发电系统供电控制装置，所述指令输出模块包括第一无线通信模块、第四无线通信模块，所述第一无线通信模块与所述驱动模块的第二无线通信模块建立无线通信信号，用于将控制指令无线的发送到所述驱动模块。
所述的风力发电系统供电控制装置，所述采集模块包括传感器、第三无线通信模块、无线电能供电模块；所述无线电能供电模块无线的感测所述并网供电接口处的电能，给传感器和所述第三无线通信模块供电，所述第三无线通信模块将传感器检测的数据传输到所述第四无线通信模块。
所述的风力发电系统供电控制装置，所述计算模块通过如下方式计算所述第一相位相角
Figure 880575DEST_PATH_IMAGE037
：
Figure 192607DEST_PATH_IMAGE038
Figure 177881DEST_PATH_IMAGE039
Figure 487640DEST_PATH_IMAGE040
Figure 620681DEST_PATH_IMAGE041
Figure 674087DEST_PATH_IMAGE042
Figure 576184DEST_PATH_IMAGE043
其中，
Figure 56844DEST_PATH_IMAGE044
为
Figure 411602DEST_PATH_IMAGE045
和
Figure 268700DEST_PATH_IMAGE046
之间的相角差，
Figure 25303DEST_PATH_IMAGE047
为Io和Vo之间的相角差，
Figure 676864DEST_PATH_IMAGE048
为测量的电流相位角，R为风轮机到电网之间的电阻，X为风轮机到电网之间的电抗，风轮机到电网之间的阻抗满足：Z=R+jX，Vi为风轮机输出电压。
所述的风力发电系统供电控制装置，所述相位差值、频率差值分别为：
Figure 722181DEST_PATH_IMAGE049
Figure 179707DEST_PATH_IMAGE050
其中，
Figure 728500DEST_PATH_IMAGE051
为控制并网时设定的电流和电压之间的相位，当
Figure 878858DEST_PATH_IMAGE052
大于5度时，且当
Figure 145892DEST_PATH_IMAGE053
大于1时，则相应调整锁相环模块，风轮机的风叶倾斜角度、接触风的面积、转速；当
Figure 79213DEST_PATH_IMAGE052
小于5度时，且当
Figure 810408DEST_PATH_IMAGE053
大于1时，则调整风轮机的风叶倾斜角度、接触风的面积、转速；当
Figure 69351DEST_PATH_IMAGE052
大于5度时，且当
Figure 558101DEST_PATH_IMAGE053
小于1时，则相应调整锁相环模块。
所述的风力发电系统供电控制装置，所述风轮机输出电压Vi通过如下方式控制：
Figure 2
Figure 146395DEST_PATH_IMAGE055
Figure 310660DEST_PATH_IMAGE056
Figure 614602DEST_PATH_IMAGE057
其中，ef为风轮机发电效率，
Figure 155305DEST_PATH_IMAGE058
为风轮机最大速度的比率，
Figure 533197DEST_PATH_IMAGE059
为风叶倾斜角度，
Figure 196259DEST_PATH_IMAGE026
为空气密度，S为风轮机叶片接触风的面积，
Figure 659602DEST_PATH_IMAGE060
为风速，
Figure 3995DEST_PATH_IMAGE061
为风轮机旋转速度，
Figure 564290DEST_PATH_IMAGE062
为风轮机叶片半径。
所述的风力发电系统供电控制装置，根据所述
Figure 70357DEST_PATH_IMAGE063
确定给定的风轮机转速
Figure 286575DEST_PATH_IMAGE064
，将风轮机当前转速
Figure 237257DEST_PATH_IMAGE065
与
Figure 589740DEST_PATH_IMAGE064
取差值后通过PI控制器求取电流偏差值，根据所述电流偏差值调整所述风轮机风叶倾斜角度
Figure 266709DEST_PATH_IMAGE066
，使风轮机的输出电压Vi跟踪电网需求电压，输出相位跟踪所述相位
Figure 766961DEST_PATH_IMAGE067
。
所述的风力发电系统供电控制装置，所述变压器包括原边星形、副边三角形接线的三相变压器；所述整流电流包括三相全桥整流电流，其中每个桥路包括多个串联的晶体管。
所述的风力发电系统供电控制装置，所述boost变换器包括串联连接的电感和二极管，在所述电感及二极管的连接中点，通过三极管连接到接地端，所述三级管反向并联有二极管，所述三极管的基极接收所述控制器的PWM控制。
本申请能够准确控制风力发电系统按照电网需求进行频率及相位跟踪，通过快速调整风轮机风叶的运行情况，调整风轮机的输出电压和相位，使风轮机能够满足电网供电稳定的需求，提升风力发电系统的并网供电的电能质量。

Claims (6)

1.一种风力发电系统供电控制装置，其特征在于，所述风力发电系统包括风轮机，所述风轮机依次连接双馈风力发电机、变压器、整流电路、boost变换器、直流线缆、并网供电接口；所述供电控制装置包括采集模块、控制器、驱动模块；所述采集模块，用于采集风力发电系统的供电接口的第一电流Io和第一电压Vo；以及风力发电系统的风轮机输出的第二电流Ii；
所述控制器根据采集的数据进行分析处理，根据相位差值及频率差值，确定风轮机的运行模式，并输出控制指令到所述驱动模块，所述驱动模块驱动风轮机改变运行模式；所述控制器包括等值模块、计算模块、比较模块、指令输出模块；所述等值模块用于根据风力发电系统的固有参数进行等值，形成仿真模型；所述计算模块用于计算第一电压Vo和第一电流Io之间的第一相位相角θo以及供电端的第一频率；所述比较模块用于计算所述第一相位与预设的相位差值以及第一频率与预设频率的频率差值；所述指令输出模块用于输出控制风轮机改变运行模式的控制指令；所述指令输出模块包括第一无线通信模块、第四无线通信模块，所述第一无线通信模块与所述驱动模块的第二无线通信模块建立无线通信信号，用于将控制指令无线的发送到所述驱动模块；所述采集模块包括传感器、第三无线通信模块、无线电能供电模块；所述无线电能供电模块无线的感测所述并网供电接口处的电能，给传感器和所述第三无线通信模块供电，所述第三无线通信模块将传感器检测的数据传输到所述第四无线通信模块；所述计算模块通过如下方式计算所述第一相位相角θo：
Vicosδi-RIocosθo+XIosinθo＝Vo
Visinδi-XIocosθo-RIosinθo＝0
Figure FDA0002714224180000011
Figure FDA0002714224180000012
Io＝min(Io1,Io2)
Figure FDA0002714224180000013
其中，δi为Vi和Vo之间的相角差，θo为Io和Vo之间的相角差，θm为测量的第一电流Io相位角，R为风轮机到电网之间的电阻，X为风轮机到电网之间的电抗，风轮机到电网之间的阻抗满足：Z＝R+jX，Vi为风轮机输出电压。
2.如权利要求1所述的风力发电系统供电控制装置，其特征在于：所述相位差值、频率差值分别为：
Δθ＝|θo-θt|
Δf＝|f-50|
其中，θt为控制并网时设定的电流和电压之间的相位，当Δθ大于5度时，且当Δf大于1时，则相应调整锁相环模块，风轮机的风叶倾斜角度、接触风的面积、转速；当Δθ小于5度时，且当Δf大于1时，则调整风轮机的风叶倾斜角度、接触风的面积、转速；当Δθ大于5度时，且当Δf小于1时，则相应调整锁相环模块，f为电网实际频率。
3.如权利要求2所述的风力发电系统供电控制装置，其特征在于：所述风轮机输出电压Vi通过如下方式控制：
Figure FDA0002714224180000021
Figure FDA0002714224180000022
Figure FDA0002714224180000023
Figure FDA0002714224180000024
其中，ef为风轮机发电效率，∈为风轮机最大速度的比率，β为风叶倾斜角度，ρ为空气密度，S为风轮机叶片接触风的面积，Wspeed为风速，ω为风轮机旋转速度，R’为风轮机叶片半径。
4.如权利要求3所述的风力发电系统供电控制装置，其特征在于：根据所述θt确定给定的风轮机转速ω*，将风轮机当前转速ω与ω*取差值后通过PI控制器求取电流偏差值，根据所述电流偏差值调整所述风轮机风叶倾斜角度β，使风轮机的输出电压Vi跟踪电网需求电压，输出相位跟踪所述相位θt。
5.如权利要求1所述的风力发电系统供电控制装置，其特征在于：所述变压器包括原边星形、副边三角形接线的三相变压器；所述整流电路包括三相全桥整流电路，其中每个桥路包括多个串联的晶体管。
6.如权利要求1所述的风力发电系统供电控制装置，其特征在于：所述boost变换器包括串联连接的电感和二极管，在所述电感及二极管的连接中点，通过三极管连接到接地端，所述三极 管反向并联有二极管，所述三极管的基极接收所述控制器的PWM控制。
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