CN102780229B - 应用超级电容的风机功率控制*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用超级电容的风机功率控制***，它包括风机以及风机控制装置，所述风机控制装置中的机侧变流器RSC和网侧变流器GSC电连接同时还与设有的超级电容***连接，所述超级电容***还与设有的超级电容***的控制***电连接。本发明的有益效果是，该***经过小型试验样机的测试，有较强的功率保持特性，能根据电网调度要求随时调节风电机组输出功率的大小，降低风速波动对风电机组出力的影响。该***集成度高，功率密度大，机组体积小、重量轻，且具有较强的低电压穿越能力，在风机大规模发展的今天，具有很强的应用意义。

Description

应用超级电容的风机功率控制***

技术领域

本发明涉及一种功率控制***，尤其是一种应用超级电容的风机功率控制***。

背景技术

当前，风力发电机组的控制通常是按最大出力来控制的，但风是随时随机变化的，所以造成了风力发电机组所产电能的波动性。目前风电装机容量只占电网容量的1％～2％，风电机组电能的波动对电网电力调度和电网的经济运行还不构成影响。

但伴随着世界范围内风电的迅猛发展，风电企业***式增长，风电装机容量不断上升，风力发电在电网供电中所占比例不断提高。专家预测在接下来的三十年，风力发电并网容量将达到电网容量的20％以上。如果风电装机容量达到如此规模，那么风电波动对电网稳定性的影响将不容忽视。风电机组的并网问题也必将成为影响风电发展的关键问题。

专利申请号201010229299.x提供一种用于实现风电机组低电压穿越能力的装置，该技术方案利用风场附加的低电压穿越控制***，超级电容对需要消耗的能量选取，实现风场的低电压穿越，满足风场在电网出现低电压故障时的穿越特性，该方案中超级电容主要是针风场故障期间低电压穿越所采用的，虽然能保障故障时的短视功率稳定，但无法根据电网调度指令完成正常运行期间的功率调节。同时因其需要在风场中专门设置低穿控制***，造成实施投入多，对场地要求较大等问题。

专利申请号200910187343.2，提供一种基于超级电容器和蓄电池混合储能的双馈风力发电机励磁***，该***通过控制双馈电机的转子励磁，从而达到控制双馈电机定子侧输出的功率的特性，该方案的不足之处是励磁控制算法本身非常复杂，实现难度大、成本高昂，且风机故障期间由于转子侧变流器的短时切出特性，无法完成对机组的有效控制。

目前已应用的解决此问题的思路是短期风功率预测技术，该技术为解决风能的波动性，适应电网调度、频率调节、经济运行需求是起到一定作用，但是即使使用优化的风功率预测***，预测误差也无法避免。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种应用超级电容的风机功率控制***。技术方案主要针对解决由于风能的不稳定导致无法满足电网调度、频率调节要求的问题，旨在克服上述传统风力发电机组受限于出力不稳定，无法大规模并网的难题。该***具有集成度高、维护量小、功率密度大，同时超级电容的应用还可以很好的解决低电压穿越的要求，满足电力市场的需要的优点。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种应用超级电容的风机功率控制***，它包括风机以及风机控制装置，所述风机控制装置中的机侧变流器RSC和网侧变流器GSC电连接的同时还与设有的超级电容***连接，所述超级电容***还与设有的超级电容***的控制***电连接，超级电容***根据中央处理器CPU命令要求执行充、放电命令；

影响充放电效果的电容容量C以下式计算选取：

式中：k——根据线路电感修正系数；0.5≤k≤1；所述线路电感为与超级电容连接的所有线路的电感总值；

P_n——机组额定功率；T——超级电容的充放电周期；V_SC——超级电容的电压。

所述超级电容***内包括开关功率器件和与之连接的超级电容。

所述超级电容***的控制***中包括中央处理器CPU以及与中央处理器CPU连接的控制超级电容***内设有的开关功率器件的控制触发电路。

所述开关功率器件为MOS管或IGBT，它包括与超级电容电连接的上管VT1与下管VT2串联桥式电路，所述串联桥式电路电连接于机侧变流器RSC和网侧变流器GSC之间。

所述控制触发电路包括与超级电容***内开关功率器件的上管VT1与下管VT2电连接的门极驱动电路；门极驱动电路通过比较器与中央处理器CPU连接，中央处理器CPU与机侧变流器RSC和网侧变流器GSC之间有连接，中央处理器CPU还与电力电网调度信号端有连接，并通过比较器对开关功率器件占空比调节，满足电网调度要求。

所述超级电容通过升降压电路，即DC/DC电路连接到转子变流器的母线排上，该电路根据转子变流器网侧和机侧的有功功率，决定工作于升压或降压的某一工作状态；超级电容通过借助与中央处理器CPU连接的用于控制超级电容***内开关功率器件的控制触发电路实现控制，所述超级电容***中央处理器CPU，结合电网调度中心发出的电力电网调度信号，一同调节开关功率器件占空比；超级电容***中央处理器CPU与电网调度中心，双方依据Canopen协议运行，满足电网调度要求；

超级电容***根据CPU命令要求执行充、放电命令；影响充放电效果的电容容量C以下式计算选取：

式中：k——根据线路电感修正系数；0.5≤k≤1；所述线路电感为与超级电容连接的所有线路的电感总值；

P_n——机组额定功率；T——超级电容的充放电周期；V_SC——超级电容的电压。

所述升降压电路包括连接到转子变流器的直流母排由电抗和VT1和VT2两个IGBT半导体器件，控制VT1和VT2的开关情况就可以控制超级电容的工作情况；

升降压电路根据机侧有功功率P_r与网侧有功功率P_g的关系来控制VT1和VT2的开关情况，即控制占空比的大小；当P_r＞P_g时，超级电容***工作于降压模式，此时超级电容吸收能量，超级电容的电压V_SC升高；当P_r＜P_g时，超级电容***工作于升压压模式，此时超级电容释放能量，超级电容的电压V_SC降低；保证风力发电机组发出功率恒定，满足电网调度要求。

本发明的工作原理：

中央处理器CPU用于根据风况和电网调度指令智能调节风机控制策略以满足电网要求；门极驱动用于根据CPU命令执行半导体器件VT1、VT2的开通关断；超级电容***用于根据CPU要求充、放电能。本发明专利涉及一种超级电容组通过升降压电路，即DC/DC电路连接到转子变流器的母线排上，所述转子变流器包括机侧变流器RSC和网侧变流器GSC。该电路根据转子变流器网侧和机侧的有功功率调节情况，决定工作于升压或降压的某一种状态。

超级电容的运用及通过中央处理器CPU以及与中央处理器CPU连接的控制超级电容***内开关功率器件的控制触发电路可自由调节开关功率器件占空比，满足电网调度要求的***设计；该技术方案实现当风能转化电能较多时，由超级电容将能量暂时存储，当风力出现波动，风能无法满足电网调度需求时，由超级电容补给有功能量，满足电网调度要求。。

本发明有益效果是：

该***集成度高，功率密度大，机组体积小、重量轻，且具有较强的低电压穿越能力，在风机大规模发展的今天，具有很强的应用意义。

本发明直接采用转子侧变流器和网侧变流器功率流平衡的控制，以较为简洁的算法和较低的投入解决了该问题，更具工程可行性。

附图说明

图1为本发明基于超级电容风电机组的功率控制电气原理示意框图。

图中1.叶片，2.齿轮箱，3.双馈式感应发电机，4.定子并网开关，5.升压变压器，6.电网，7.电抗器，8.超级电容***，9.门极驱动电路，10.电力电网调度信号端。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1中实施例为一种应用超级电容的风机功率控制***，其中在设有的风机以及风机控制装置基础上增设超级电容***8及其超级电容***的控制***。

该***中，包括风机以及风机控制装置，风机包括叶片1、叶片1通过轴与齿轮箱2连接，齿轮箱2与(DFIG)双馈式感应发电机3连接，(DFIG)双馈式感应发电机通过定子并网开关4与升压变压器5连接，升压变压器5与电网6连接，在(DFIG)双馈式感应发电机3与升压变压器5之间电气通路上设有超级电容***8，在设置的电气通路上与超级电容***8串联有电抗器7，与所述风机控制装置中的机侧变流器RSC和网侧变流器GSC电连接的同时还与设有的超级电容***8连接，所述超级电容***8还与设有的超级电容***的控制***电连接。超级电容***8内包括开关功率器件和与之连接的超级电容，超级电容***的控制***中包括中央处理器CPU以及与中央处理器CPU连接的控制超级电容***内设有的开关功率器件的控制触发电路。

在***中开关功率器件为MOS管或IGBT，它包括与超级电容电连接的上管VT1与下管VT2串联桥式电路，所述串联桥式电路电连接于机侧变流器RSC和网侧变流器GSC之间。

控制触发电路包括与超级电容***内开关功率器件的上管VT1与下管VT2电连接的门极驱动电路9；门极驱动电路9通过比较器与中央处理器CPU连接，中央处理器CPU与机侧变流器RSC和网侧变流器GSC之间有连接，中央处理器CPU还与电力电网调度信号端10有连接，并通过比较器对开关功率器件占空比调节，满足电网调度要求。

超级电容组通过升降压电路，即DC/DC电路连接到转子变流器的母线排上，该电路根据转子变流器网侧和机侧的有功功率，决定工作于升压或降压的某一工作状态；

超级电容通过借助与中央处理器CPU连接的用于控制超级电容***内开关功率器件的控制触发电路实现控制，所述超级电容***中央处理器CPU，结合电网调度中心发出的电力电网调度信号，一同调节开关功率器件占空比；超级电容***中央处理器CPU与电网调度中心，双方依据Canopen协议运行，满足电网调度要求；

超级电容***根据CPU命令要求执行充、放电命令；影响充放电效果的电容容量C以下式计算选取：

式中：k——根据线路电感修正系数；0.5≤k≤1；所述线路电感为与超级电容连接的所有线路的电感总值；

P_n——机组额定功率；T——超级电容的充放电周期；V_SC——超级电容的电压。

升降压电路包括连接到转子变流器的直流母排由电抗和VT1和VT2两个IGBT半导体器件，控制VT1和VT2的开关情况就可以控制超级电容的工作情况；

升降压电路根据机侧有功功率P_r与网侧有功功率P_g的关系来控制VT1和VT2的开关情况，即控制占空比的大小。当P_r＞P_g时，超级电容***8工作于降压模式，此时超级电容吸收能量，超级电容的电压V_SC升高。当P_r＜P_g时，超级电容***8工作于升压模式，此时超级电容释放能量，超级电容的电压V_SC降低。保证风力发电机组发出功率恒定，满足电网调度要求。

该***经过小型试验样机的测试，30KW样机中，1200rpm下，根据模拟随机转矩的情况进行测试，第一行为转矩值，单位N·m，第二行为功率值Kw，测试结果如下：

从测试数据可以看出，该方案有较强的功率保持特性，在转矩随机波动的情况下保持机组输出功率值在较小范围内波动。达到了较好的实施效果

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (1)

1.应用超级电容的风机功率控制***，包括风机以及风机控制装置，所述风机控制装置中的机侧变流器RSC和网侧变流器GSC电连接的同时还与设有的超级电容***连接，所述超级电容***还与设有的超级电容***的控制***电连接；

所述超级电容***内包括升降压电路和与之连接的超级电容；

所述升降压电路连接到转子变流器的直流母排，升降压电路包括电抗和开关功率器件VT1和开关功率器件VT2；

所述超级电容***的控制***中包括中央处理器CPU以及与中央处理器CPU连接的控制超级电容***内设有的开关功率器件VT1和开关功率器件VT2的控制触发电路；

所述控制触发电路包括与超级电容***内开关功率器件VT1和开关功率器件VT2电连接的门极驱动电路；门极驱动电路通过比较器与中央处理器CPU连接，中央处理器CPU与机侧变流器RSC和网侧变流器GSC均连接，中央处理器CPU还与电力电网调度信号端有连接，并通过比较器对开关功率器件VT1和开关功率器件VT2占空比调节，满足电网调度要求；

其特征是，所述超级电容通过升降压电路，即DC/DC电路连接到转子变流器的直流母排上，该电路根据转子变流器网侧和机侧的有功功率，决定工作于升压或降压的某一工作状态；超级电容通过借助与中央处理器CPU连接的用于控制超级电容***内开关功率器件VT1和开关功率器件VT2的控制触发电路实现控制，所述超级电容***的控制***的中央处理器CPU结合电网调度中心发出的电力电网调度信号，一同调节开关功率器件VT1和开关功率器件VT2占空比；超级电容***的控制***的中央处理器CPU与电网调度中心，双方依据Canopen协议运行，满足电网调度要求；

超级电容***根据中央处理器CPU命令要求执行充、放电命令；影响充放电效果的电容容量C以下式计算选取：

$C=\frac{1}{k}\frac{2.1P_{n}T}{V_{\mathrm{SC}}^2}$

式中：k——根据线路电感修正系数；0.5≤k≤1；所述线路电感为与超级电容连接的所有线路的电感总值；

P_n——机组额定功率；T——超级电容的充放电周期；V_SC——超级电容的电压；

升降压电路根据机侧有功功率P_r与网侧有功功率P_g的关系来控制开关功率器件VT1和开关功率器件VT2的开关情况，即控制占空比的大小；当P_r＞P_g时，超级电容***工作于降压模式，此时超级电容吸收能量，超级电容的电压V_SC升高；当P_r＜P_g时，超级电容***工作于升压模式，此时超级电容释放能量，超级电容的电压V_SC降低；保证风力发电机组发出功率恒定，满足电网调度要求。