CN200976561Y - 基于超导磁储能的变速恒频双馈风力发电机励磁变频器 - Google Patents

基于超导磁储能的变速恒频双馈风力发电机励磁变频器 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种基于超导磁储能的变速恒频双馈风力发电机励磁变频器，包括超导磁体、斩波器，转子侧变流器、网侧变流器和电容，斩波器、转子侧变流器和网侧变流器分别接在电容的二端，电容给斩波器提供支撑电压，斩波器通过转子侧变流器调节风力发电机转子励磁，斩波器通过网侧变流器与并网电力系统进行有功功率和无功功率交换。该励磁变频器利用超导磁体的高效储能特性，把超导磁体作为变频器的中间直流储能环节，在控制超导磁体与双馈风力发电机转子之间的滑差功率交换、实现风力发电机变速恒频运行的同时，还为并网电力系统提供有功功率和无功功率补偿，提高并网电力系统运行的稳定性。本实用新型广泛应用于并网型变速恒频双馈风力发电系统。

Description

基于超导磁储能的变速恒频双馈风力发电机励磁变频器
技术领域
本实用新型涉及一种变速恒频双馈风力发电机励磁变频器。
背景技术
变速恒频双馈风力发电机的运行主要是通过励磁变频器对发电机转子实施功率控制来实现的，因而励磁变频器的选择对风力发电机的变速恒频运行性能很重要，从励磁变频器的成本、主电路、电压传输比、动态响应速度等方面考虑，双PWM变换器是目前通用的一种励磁变频器结构，其控制简单、成熟、可靠，成本低，控制性能好，因而得到了广泛的应用。但是，基于这种励磁变频器的风力发电机在变速恒频运行过程中，必须通过发电机转子与并网电力系统进行相应的滑差功率交换，而在并网运行过程中，这个功率交换会影响并网电力系统的动态功率平衡，不利于风力并网发电系统的稳定运行。
发明内容
本实用新型的目的在于克服上述双PWM变换器处理风力发电机滑差功率方面的不足，提出一种基于超导磁储能的变速恒频双馈风力发电机励磁变频器。该励磁变频器利用超导磁体的高效储能特性，把超导磁体作为变频器的中间直流储能环节，在控制超导磁体与双馈风力发电机转子之间的滑差功率交换、实现风力发电机变速恒频运行的同时，还为并网电力系统提供有功功率和无功功率补偿，提高并网电力系统运行的稳定性。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种基于超导磁储能的变速恒频双馈风力发电机励磁变频器，包括转子侧变流器、网侧变流器和电容，转子侧变流器和网侧变流器分别接在电容的二端，其特征在于：还包括超导磁体、斩波器，斩波器接在上述电容的二端，电容给斩波器提供支撑电压，斩波器通过转子侧变流器调节风力发电机转子励磁，斩波器通过网侧变流器与并网电力系统进行有功功率和无功功率交换；斩波器的结构为，晶体管G7的发射极与二极管D7的负端相接，晶体管G7的集电极与二极管D8的负端相接，晶体管G8的发射极与二极管D7的正端相接，晶体管G8的集电极与二极管D8的正端相接，超导磁体接在晶体管G7的发射极与晶体管G8的集电极之间。
本实用新型相对于现有技术的优点在于：
(1)转子侧变流器具有功率双向流动的能力，可控制超导磁体与双馈风力发电机转子之间的滑差功率交换，使双馈风力发电机在选定的同步速上、下运行，有效利用风能；
(2)转子侧变流器具有优良的输出特性：输出电压、电流正弦化，谐波含量少且高频化。由于双馈风力发电机的定子和转子通过气息紧密耦合，转子侧的谐波电流源激励会在定子侧感应出相应的谐波电势响应，所以双馈风力发电机定子侧具有良好的输出特性；
(3)由于超导磁体的高效储能特性和网侧变流器的快速响应特性，由超导磁体、斩波器、电容和网侧变流器构成的超导磁储能系统(SMES)可以主动参与电力系统运行与控制，提供有功功率和无功功率补偿，改善电能质量，提高与风力发电机相连的电力系统的稳定性；
(4)因在本实用新型中增加了超导磁体和斩波器，使得转子侧变流器和网侧变流器可以相互独立的运行，从而实现了并网电力系统和发电机转子侧的电气隔离。电网故障情况下风电机组可以与超导磁体进行独立运行，隔离电网故障对发电机的影响，而且可以在故障切除后迅速并网运行，有很好的灵活运行特性。
附图说明
图1为本实用新型基于超导磁储能的变速恒频双馈风力发电机励磁变频器的电路拓扑结构。
图2(a)～2(b)为风速与风力发电机转速的变化波形图。
图2(a)为风速的变化波形，横坐标为时间(s)，纵坐标为风速v(m/s)。
图2(b)为发电机转速的变化波形，横坐标为时间(s)，纵坐标为发电机转速ws(rad/s)。
图3(a)～3(f)为风力发电机变速恒频运行过程中，风力发电机定转子侧的波形图。
图3(a)为发电机定子三相电流的波形，横坐标为时间(s)，纵坐标为发电机定子三相电流is(A)。
图3(b)为发电机定子输出有功功率的波形，横坐标为时间(s)，纵坐标为发电机定子输出有功功率Ps(kW)。
图3(c)为发电机定子输出无功功率的波形，横坐标为时间(s)，纵坐标为发电机定子输出无功功率Qs(kVar)。
图3(d)为发电机转子三相电流的波形，横坐标为时间(s)，纵坐标为发电机转子三相电流ir(A)。
图3(e)为发电机转子三相电压的波形，横坐标为时间(s)，纵坐标为发电机转子三相电压ur(V)。
图3(f)为发电机转子电磁转矩的波形，横坐标为时间(s)，纵坐标为发电机电磁转矩Te(Nm)。
图4(a)～4(e)为风力发电机变速恒频运行过程中，网侧变流器与系统进行功率交换的波形图。
图4(a)为网侧变流器交流三相电流的波形，横坐标为时间(s)，纵坐标为交流三相线电流i(A)。
图4(b)为网侧变流器交流侧一相输出电压的波形，横坐标为时间(s)，纵坐标为交流侧一相输出电压u(V)。
图4(c)为网侧变流器交流侧输出有功功率的波形，横坐标为时间(s)，纵坐标为交流侧输出有功功率P(kW)。
图4(d)为网侧变流器交流侧输出无功功率的波形，横坐标为时间(s)，纵坐标为交流侧输出无功功率Q(kVar)。
图4(e)为网侧变流器直流侧电压的波形，横坐标为时间(s)，纵坐标为直流侧电压udc(V)。
具体实施方式
由图1所示，本实用新型基于超导磁储能的变速恒频双馈风力发电机励磁变频器包括超导磁体1、斩波器2，转子侧变流器3、网侧变流器4和电容C，斩波器2、转子侧变流器3和网侧变流器4分别接在电容C的二端，电容C给斩波器2提供支撑电压，斩波器2通过转子侧变流器3调节风力发电机转子励磁，斩波器2通过网侧变流器4与并网电力系统进行有功功率和无功功率交换；斩波器2的结构为，晶体管G7的发射极与二极管D7的负端相接，晶体管G7的集电极与二极管D8的负端相接，晶体管G8的发射极与二极管D7的正端相接，晶体管G8的集电极与二极管D8的正端相接，超导磁体1接在晶体管G7的发射极与晶体管G8的集电极之间。
超导磁体1可采用高温超导带材Bi2223/Ag绕制，目前，Bi系高温超导带材水平得到了长足的进步，单根带材的临界电流达到120～150A，可达km级。采用制冷机直接冷却方式将超导磁体1冷却到30K，超导磁体1具有很好的载流特性，可以承受较高的磁场。晶体管G7和晶体管G8均为可关断器件，可选用绝缘栅极晶体管(IGBT)。
超导磁体1是本实用新型的能量转换中心。当风力发电机5转速高于同步速时，超导磁体1通过转子侧变流器3向发电机5转子提供负序、低频交流励磁，从转子中吸收滑差功率；当发电机5转速低于同步速时，超导磁体1通过转子侧变流器3向发电机5转子提供正序、低频交流励磁，为转子提供滑差功率，即超导磁体1通过转子侧变流器3与发电机5的转子进行相应的滑差功率交换，维持风力发电机5的变速恒频运行。在电网侧，超导磁体1通过斩波器2、网侧变流器4与交流电网6相连，可以在四象限内快速独立的与交流电网6进行有功功率和无功功率交换，提高并网风力发电系统的运行稳定性，改善电能质量。
由于超导磁体1呈现的电流源特性，为了控制超导磁体1与交流系统的能量交换，必须通过斩波器2来控制超导磁体1所承受电压的大小和方向。
转子侧变流器3为风力发电机5转子提供励磁，转子侧变流器3的结构为：晶体管G1、G3、G5的集电极相接，晶体管G1、G3、G5的发射极分别与晶体管G4、G6、G2的集电极相接，晶体管G4、G6、G2的发射极相接，二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6的两端分别接在晶体管G1、G2、G3、G4、G5、G6的发射极与集电极之间，晶体管G1、G3的发射极、晶体管G2的集电极分别与风力发电机5的转子相接。
转子侧变流器3中的六个晶体管G1、G2、G3、G4、G5、G6均为可关断器件，可选用绝缘栅极晶体管(IGBT)。
转子侧变流器3是风力发电机5实现变速恒频运行的励磁控制中心，通过脉宽调制(PWM)实现发电机5输出有功功率、无功功率的解耦控制。控制有功功率可调节发电机5的转速，进而实现最大风能捕获的追踪控制；控制无功功率可调节电网功率因数，提高发电机5和交流电网6运行的稳定性。
网侧变流器4与交流电网6相连，为交流电网6提供有功功率和无功功率补偿，网侧变流器4的结构为：晶体管G9、G11、G13的集电极相接，晶体管G9、G11、G13的发射极分别与晶体管G12、G14、G10的集电极相接，晶体管G12、G14、G10的发射极相接，二极管D9、D10、D11、D12、D13、D14的两端分别接在晶体管G9、G10、G11、G12、G13、G14的发射极与集电极之间。
晶体管G9、G11、G13的发射极分别与电感L1、L2、L3的一端相连接，电感L1、L2、L3的另一端分别与交流电网6相连接。
网侧变流器4中的六个晶体管G9、G10、G11、G12、G13、G14均为可关断器件，可选用绝缘栅极晶体管(IGBT)。
斩波器2有三种工作模式：
模式一，晶体管G7、二极管D7导通，晶体管G8、二极管D8关断，超导磁体电流isc通过晶体管G7-超导磁体1-二极管D7形成环流，当忽略各开关元件损耗时，isc保持不变，超导磁体1中储存的能量不变，此时斩波器2工作在续流状态；
模式二，晶体管G7、G8同时导通，二极管D7、D8同时截止，通过转子侧变流器3或网侧变流器4-电容C-晶体管G7-超导磁体1-晶体管G8给超导磁体1充电，isc上升，超导磁体1中储存的能量增加，此时斩波器2工作在充电状态，超导磁体1上的电压usc＝直流侧电容电压udc；
模式三，二极管D7、D8同时导通，晶体管G7、G8同时截止，超导磁体电流isc通过二极管D7-超导磁体1-二极管D8-电容C，然后经转子侧变流器3或网侧变流器4向变流器交流侧释放能量，isc下降，超导磁体1中储存的能量减少，此时斩波器2工作在放电状态，超导磁体1上的电压usc＝-直流侧电容电压udc。
在上述三种工作模式中，超导磁体1中的电流isc的方向始终保持不变，有利于维持超导磁体1的稳定性。为了降低超导磁体1上电压usc和电流isc的波动，斩波器2一般采用PWM模式来控制超导磁体1上的电流和电压。目前通常采用的PWM模式为：在充电状态，晶体管G7恒通，晶体管G8斩波；在放电状态，晶体管G7恒断，晶体管G8斩波，这种模式只有晶体管G7或者晶体管G8一个管子斩波，斩波器2的开关损耗降低了近一半，超导磁体电流isc的波动明显降低。
本实用新型在运行过程中可以实现两个功能：(1)实现双馈风力发电机5的变速恒频运行；(2)实现对交流电网6的动态功率补偿。这两个功能的实现都是以超导磁体1的能量存储为基础。
(1)双馈风力发电机的变速恒频运行
当发电机5转速等于同步速时，发电机5转子与超导磁体1间不进行功率交换，斩波器2工作在续流状态，晶体管G7、二极管D7导通，晶体管G8、二极管D8关断，超导磁体1通过晶体管G7-二极管D7形成环流，储能不变。
当发电机5转速高于同步速时，通过脉宽调制(PWM)来调节转子侧变流器3中六个开关器件G1～G6的导通和关断状态，为发电机5转子提供负序、低频交流励磁电流，此时，斩波器2工作在充电状态，晶体管G7恒通，晶体管G8斩波，超导磁体1吸收转子滑差功率，储能增加。
当发电机5转速低于同步速时，通过脉宽调制(PWM)来调节转子侧变流器3中六个开关器件G1～G6的导通和关断状态，为发电机5转子提供正序、低频交流励磁电流，此时，斩波器2工作在放电状态，晶体管G7斩波，晶体管G8恒断，超导磁体1为转子提供滑差功率，储能降低。
根据风速的变化，通过控制超导磁体1与发电机5转子侧的功率交换为发电机5转子提供励磁，实现发电机5的变速恒频运行。
(2)对交流电网6的动态功率补偿
当交流电网6在运行过程需要与超导磁体1进行能量交换时，根据交流电网6的功率需求，通过脉宽调制(PWM)来调节网侧变流器4中六个开关器件G9～G14的导通和关断状态，控制超导磁体与交流电网6间的有功和无功功率交换，为交流电网6提供动态功率补偿，提高交流电网6运行的稳定性。
本实用新型的效果举例。
风力发电机5的参数设置如下：额定容量3hp；额定电压220V；定子漏抗Lsl＝4mH；转子漏抗Lsl＝2mH；定转子互感Lm＝69.31mH；定子回路电阻Rs＝0.435Ω；转子回路电阻Rr＝0.816Ω；极对数np＝2；转子初始位置为零；电网相电压有效值为220V。
仿真分析说明本实用新型的两个功能：(1)系统在最大风能捕获条件下实现变速恒频运行；(2)网侧变流器4对交流电网的功率补偿。
根据上述两个功能，仿真参数设置：
1、风力发电机5
(1)t＝0s时，风速为6.5m/s，定子侧有功功率输出为1300W，无功功率为0；
(2)t＝1.5s时，风速变为15m/s，其它参数不变；
2、交流电网6对网侧变流器4的功率需求
(1)t＝1s，交流电网6有功功率需求为600W，无功功率需求为-600Var；
(2)t＝1.15s时，交流电网6有功功率需求为-1200W，无功功率需求为-600Var不变；
(3)t＝1.45s时，交流电网6有功功率需求为-1200W不变，无功功率需求为1200Var；
仿真结果如图2至图4所示。
图2为风力发电机5跟踪风速的变化，在跟踪最大风能的过程中实现变速恒频运行。
图2(a)为仿真过程中的风速变化，在1～1.3s时间内，风速为6.5m/s，在t＝1.3时，风速变为15m/s。
图2(b)为发电机5跟踪最大风能，发电机5转速随着风速的变化，在1～1.3s时间内，风速保持在6.5m/s时，发电机5转速保持在200rad/s；在t＝1.3s，风速变为15m/s时，发电机5跟踪风速变化，发电机5转速变为400 rad/s，响应时间大约为0.1s。
图3为风力发电机5变速恒频运行过程中，发电机定转子侧的波形图。
图3(a)为发电机定子三相电流is，在1～1.3s时间内，风速保持在6.5m/s时，发电机定子三相电流is输出稳定；在t＝1.3s，风速变为15m/s时，发电机定子输出有功功率Ps相应增大，定子三相电流is的幅值也相应增大，由于定子无功功率Qs需求没有变化，所以定子三相电流is的相位没有变化，定子三相电流is的响应时间大约为0.1s。
图3(b)为发电机定子输出有功功率Ps，在1～1.3s时间内风速保持在6.5m/s时，发电机定子输出有功功率Ps为6.5kW，在t＝1.3s，风速变为15m/s时，定子输出有功功率Ps增大到12kW，定子输出有功功率Ps随风速变化的响应时间大约为0.1s。
图3(c)为发电机定子输出无功功率Qs，定子输出无功功率Qs不受风速变化的影响，只根据定子需求进行输出，因而在1～1.6s时间内，定子输出无功功率Qs始终为仿真中的设定值零。
图3(d)为发电机转子三相电流ir，在1～1.3s时间内，风速保持在6.5m/s时，发电机5转速低于同步速，超导磁体1为转子提供相应的滑差功率，使发电机定子输出频率保持在50Hz。在t＝1.3s，风速变为15m/s时，发电机5转速高于同步速，超导磁体1吸收转子的滑差功率，使发电机定子输出频率保持在50Hz。从图中可以看出，转子侧变流器3具有优良的输出特性：输出电压、电流正弦化，谐波含量少且高频化。
图3(e)为发电机转子三相电压ur，它根据转子励磁电流的变化而变化。
图3(f)为风力发电机5的电磁转矩Te，在1～1.3s时间内，风速保持在6.5m/s时，发电机电磁转矩保持在60Nm不变。在t＝1.3s风速变为15m/s时，发电机跟踪最大风能，实现变速恒频运行，电磁转矩相应的增大到130Nm。
图4为风力发电机5变速恒频运行过程中，网侧变流器4与交流电网6进行功率交换的波形图。
图4(a)为网侧变流器4交流三相电流i，在1～1.15s时间内，电网有功功率需求为600W，无功功率需求为-600Var，交流三相电流i稳定输出；在t＝1.15s时，交流电网6有功功率需求变为-1200W，无功功率需求不变，交流三相电流i的幅值和相角都产生相应的变化；在1.15～1.45s时间内，交流三相电流i维持稳定输出；在t＝1.45s时，电网有功功率需求不变，无功功率需求变为1200Var，交流电流三相i的幅值和相角都产生相应的变化，然后维持稳定输出。网侧变流器4交流三相电流i可以快速准确地响应系统有功和无功功率的变化，响应时间小于5ms。
图4(b)为网侧变流器4交流侧一相电压u，它根据交流侧电流和系统的功率需求产生相应的变化。
图4(c)网侧变流器4交流侧输出有功功率P的波形，从图中可以看出，网侧变流器4可以快速准确地跟踪系统有功功率需求，响应时间小于10ms。
图4(d)网侧变流器4交流侧输出无功功率Q的波形，从图中可以看出，网侧变流器4可以快速准确地跟踪系统无功功率需求，响应时间小于10ms。
图4(e)为网侧变流器4直流侧电压udc的波形，它根据系统的功率需求改变电压udc的大小和方向，使超导磁体1根据系统需求充放电，响应系统的功率需求。

Claims (1)

1.一种基于超导磁储能的变速恒频双馈风力发电机励磁变频器，包括转子侧变流器、网侧变流器和电容，转子侧变流器和网侧变流器分别接在电容的二端，其特征在于：还包括超导磁体(1)、斩波器(2)，斩波器(2)接在上述电容C的二端，电容C给斩波器(2)提供支撑电压，斩波器(2)通过转子侧变流器(3)调节风力发电机转子励磁，斩波器(2)通过网侧变流器(4)与并网电力系统进行有功功率和无功功率交换；斩波器(2)的结构为，晶体管G7的发射极与二极管D7的负端相接，晶体管G7的集电极与二极管D8的负端相接，晶体管G8的发射极与二极管D7的正端相接，晶体管G8的集电极与二极管D8的正端相接，超导磁体(1)接在晶体管G7的发射极与晶体管G8的集电极之间。
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