CN112564162B - 一种集成储能单元的双馈发电机变流电路及控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种集成储能单元的双馈发电机变流电路及控制方法，属于双馈风力发电机组变流控制技术领域，解决如何设计一种集成储能单元的双馈发电机变流电路，能同时兼顾储能设备集成和双馈发电机电网适应性提升的问题，通过转子辅助变流器同时兼顾储能单元接入和提升对双馈发电机暂态控制能力的双重功能，实现了双馈风电机组电网支撑和自身电网适应性的统一，在无需DC/DC变换器的情况下，实现了储能单元的直接集成，降低了变流器***成本和制造复杂性，提升了变流***的运行效率；双馈发电机所需电压由转子主变流器和转子辅助变流器共同提供，能增加电压供给能力，从而能够更好地控制双馈发电机转子侧电流，更好地控制双馈发电机。

Description

一种集成储能单元的双馈发电机变流电路及控制方法
技术领域
本发明属于双馈风力发电机组变流控制技术领域，具体涉及一种集成储能单元的双馈发电机变流电路及控制方法。
背景技术
双馈发电机依然是当前兆瓦级风力发电机组的主流发电机，随着新能源发电在电网中比例的增加，电网的稳定性问题成为当前研究的热点问题。在此背景下，发展双馈风力发电受到两个方面的挑战：一方面，电网稳定性迫切需要风电机组参与频率调节，实现对电网频率的主动控制；另一方面，电网电压的变化，引起双馈发电机的电磁暂态，这给双馈发电机转子侧变流器控制的有效性带来挑战。
为使得风电机组具有电网频率的支撑能力，主要采用超速减载控制和桨距角控制，使得风电机组预留备用功率容量，在频率跌落时，输出更多的功率，提供频率支撑。但这不仅牺牲了稳态运行时的发电量，而且在转速恢复时易引发二次频率跌落。为此，给风电场或风电机组配备储能单元受到关注。在风电场出口母线处配备储能单元动态补偿风电场惯量的方案，由于风电机组本身不参与频率调节，储能配置成本较高。在单台风机中配备储能单元，有利于储能单元和风机惯量储能的综合利用，实现对电网频率的支撑，具有较强的经济性和灵活性。对双馈风电机组而言，目前普遍的做法是将储能单元通过DC/DC变换器连接到双馈电机转子背靠背变流器的直流母线上。
双馈发电机特殊的拓扑结构，使得电机与电网直接耦合，电网状态的变化，都将引起双馈发电机的电磁过渡过程，危及到转子变流器的安全和控制的有效性。实际上，双馈风电机组的电网适应性问题，即在电网故障或电网状态变化下双馈发电机自身的运行控制问题是近十年来研究的热点，且该问题到目前尚未能较好地解决。工程中广泛采用的撬棒(Crowbar)方案，一旦撬棒触发动作，双馈风电机组将给电网造成较大的冲击，难以满足并网导则要求。双馈发电机电磁暂态过程失控问题的关键在于暂态磁链在转子端感应出较高的反电动势，超出了转子变流器的电压控制能力。为此，引入灭磁思想的主动控制方案受到关注。
公开日期为2015年2月的文献《低电压穿越过程中双馈风电机组虚拟电感暂态自灭磁控制》(杨淑英等，电力***自动化)公开了通过引入虚拟电感算法实现了暂态过程的灭磁控制，拓展了双馈发电机对电压跌落的适应性范围。但在实际运行过程中，不仅需要较大的电流容量，而且需要从电网吸收无功功率，不利于电网电压的恢复。同样为提升双馈发电机组对电网状态变化的适应性，尤其在电网发生故障时的运行能力，也有学者引入附加串联变流器用以补偿双馈发电机定子电压的变化。公开日期为2009年的文献《Ride-through strategy for DFIG wind turbine using dynamic voltage restorers》(采用动态电压恢复器的双馈风电机组穿越策略，Proceedings of Energy ConversionCongress and Exposition,2009:1611-1618,能源变换大会及博览会论文集，2009:1611-1618)公开了通过在并网端串入动态电压恢复器，补偿电网电压变化对双馈发电机的影响。公开日期为2009年的文献《Unbalance voltage sag ride-through of a doubly fedinduction generator wind turbine with series grid-side converter》(通过串联网侧变流器方案实现双馈风电机组不平衡电压跌落故障穿越，IEEE Trans.Ind.Appl.,2009,45(5):1879-1887,国际电工电子工业协会工业应用会刊，2009,45(5):1879-1887)公开了通过在定子侧附加串联变流器的形式，补偿电网电压变化对双馈发电机的影响。但直接在并网回来中串联变流器的方案，不仅需要额外串联变压器设计，而且对变流器容量需求较大，成本较高。公开日期为2009年的文献《A fault tolerant doubly fed inductiongenerator wind turbine using a parallel grid side rectifier and series gridside converter》(利用并网网侧整流器和串联网侧变流器的双馈风电机组故障适应性方案，IEEE Trans.Power Electron,2008,23(3):1126-1135，国际电工电子工业协会电力电子会刊，2008,23(3):1126-1135)公开了将变流器串接在定子绕组星形连接点处，实现对双馈电机暂态磁链的补偿控制，不仅无需串联变压器，而且变流器的容量需求减小，但其网侧变流器采用二极管不控整流单元，限制了储能单元的接入。
如图10所示为在双馈风电变流器中集成储能单元的现有***，典型的做法是通过DC/DC变换器将储能单元集成到其直流侧，例如公开日期为2020年7月的文献《基于超级电容储能控制的双馈风电机组惯量与一次调频策略》(颜湘武等，电力***自动化)公开了将超级电容通过DC/DC变换器连接到背靠背变流器直流母线上，并通过网侧变流器的直流电压控制作用，实现储能单元与电网间能量的被动交换。然而，该集成储能单元的变流器电路拓扑方案，需要大功率双向DC/DC变换器，制造困难，效率不高；其储能附加电路没有对双馈发电机自身控制提供益处；双馈电机控制所需要的电压只有RSC一台逆变器单独提供，可靠性较低，电网暂态适应性差。
通过文献调研，不难发现，针对双馈风力发电机电网支撑和电网适应性的研究均倾向于附加变流器硬件设备，但当前见诸于公开报到的方案，尚未有同时兼顾储能设备集成和双馈发电机电网适应性提升的变流器电路拓扑方案，当前两方面的研究相对孤立，缺少***考虑的优化集成拓扑。因此，针对双馈风电机组集成储能需求和双馈发电机电网适应性控制需求的统一变流器拓扑方案问题，提供一种能够兼顾直接集成储能单元和有效提升双馈发电机组电网故障下运行控制性能的变流器电路拓扑方案成为当前亟需解决的任务。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于如何设计一种集成储能单元的双馈发电机变流电路，能同时兼顾储能设备集成和双馈发电机电网适应性提升。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
一种集成储能单元的双馈发电机变流电路包括电网接入单元(1)、双馈发电机(2)、并网变流器、转子主变流器(5)、转子辅助变流器(6)、储能单元(7)、第一电容(8)、第二电容(9)；双馈发电机(2)包括双馈发电机转子(21)、双馈发电机定子(22)，双馈发电机转子(21)包含三相绕组，并且每相绕组的两个端部均引出，形成两组三相接线端子，电网接入单元(1)包括三个端口；电网接入单元的第一端口(11)与三相电网连接、电网接入单元的第二端口(12)与双馈发电机定子(22)连接、电网接入单元的第三端口(13)与并网变流器的交流侧连接，并网变流器的直流侧与转子主变流器(5)的直流侧连接；第一电容(8)并联在并网变流器的直流侧与转子主变流器(5)的直流侧之间，转子主变流器(5)的交流侧与双馈发电机转子(21)的其中一组三相接线端子连接，双馈发电机转子(21)的另一组三相接线端子与转子辅助变流器(6)的交流侧连接，转子辅助变流器(6)的直流侧与储能单元(7)连接，第二电容(9)并联在转子辅助变流器(6)的直流侧。
本发明的技术方案的转子辅助变流器(6)同时兼顾储能单元(7)接入和提升对双馈发电机(2)暂态控制能力的双重功能，实现了双馈风电机组电网支撑和自身电网适应性提升的统一，在无需DC/DC变换器的情况下，实现了储能单元的直接集成，降低了变流器***成本和制造复杂性，提升了变流***的运行效率；双馈发电机所需电压由转子主变流器(5)和转子辅助变流器(6)共同提供，能增加电压供给能力，从而能够更好地控制双馈发电机转子侧电流，更好地控制双馈发电机，提升电网暂态过程中对双馈发电机自身的控制能力。
作本发明技术方案的进一步改进，所述的集成储能单元的双馈发电机变流电路，还包括长线滤波器(10)，所述的转子主变流器(5)的交流侧与长线滤波器(10)的一端连接，长线滤波器(10)的另一端与双馈发电机转子(21)的其中一组三相接线端子连接。
作本发明技术方案的进一步改进，所述的并网变流器包括网侧功率单元(3)和网侧滤波单元(4)；所述的网侧滤波单元(4)包括网侧滤波单元的第一端口(41)和网侧滤波单元的第二端口(42)，网侧滤波单元的第一端口(41)与电网接入单元的第三端口(13)连接，网侧滤波单元的第二端口(42)与网侧功率单元(3)的交流侧连接；网侧功率单元(3)的直流侧与转子主变流器(5)的直流侧连接。
作本发明技术方案的进一步改进，所述的储能单元(7)采用蓄电池或者是超级电容或者是二者的混合。
作本发明技术方案的进一步改进，所述的第一电容(8)、第二电容(9)采用电解电容或薄膜电容。
作本发明技术方案的进一步改进，所述的电网接入单元的第一端口(11)、电网接入单元的第二端口(12)、电网接入单元的第三端口(13)，三个端口中的每两个端口之间可以配有变压器或不配备变压器。
作本发明技术方案的进一步改进，所述的电网接入单元的第二端口(12)、电网接入单元的第三端口(13)均通过继电器进行通断控制。
作本发明技术方案的进一步改进，所述的网侧滤波单元(4)采用三相LCL型或三相LC型或三相L型滤波器的中一种。
作本发明技术方案的进一步改进，所述的网侧功率单元(3)、转子主变流器(5)和转子辅助变流器(6)均采用三相桥式电压源结构。
一种应用于上述集成储能单元的双馈发电机变流电路的控制方法，所述转子主变流器(5)在稳态运行时对双馈发电机(2)转子侧有功功率进行控制，而转子辅助变流器(6)则对双馈发电机(2)转子侧无功功率进行控制，同时转子辅助变流器(6)还通过双馈发电机(2)定子绕组端和转子主变流器(5)以及并网变流器，对并网功率脉动进行缓冲，以平滑并网功率；在电网出现异常或电网状态发生变化时，转子主变流器(5)和转子辅助变流器(6)协同对双馈发电机(2)电磁暂态进行控制，同时储能单元(7)通过转子辅助变流器(6)、转子主变流器(5)、并网变流器以及电网接入单元(1)向电网提供主动功率控制，连同双馈发电机(2)惯性储能一起实现对电网频率的主动控制。
本发明的优点在于：
(1)本发明的技术方案的转子辅助变流器6同时兼顾储能单元7接入和提升对双馈发电机2暂态控制能力的双重功能，实现了双馈风电机组电网支撑和自身电网适应性的统一，在无需DC/DC变换器的情况下，实现了储能单元的直接集成，降低了变流器***成本和制造复杂性，提升了变流***的运行效率。
(2)双馈发电机所需电压由转子主变流器5和转子辅助变流器6共同提供，能增加电压供给能力，从而能够更好地控制双馈发电机转子侧电流，更好地控制双馈发电机。
(3)通过转子主变流器5和转子辅助变流器6开关时序的合理设置，能够减小加在双馈发电机转子上电压的谐波，有利于提升电流波形质量，进而有利于提升并网电流质量，减小电机损耗。
(4)本发明的方案具有开关管开路故障时的容错运行能力，在主变流器5中某相IGBT开关发生开路故障，则可以让该相健康的IGBT开关管保持导通状态，通过转子辅助变流器6的配合，实现剩余状态的重构，从而实现变流器的故障运行，降低了风电机组故障维护的迫切性。
(5)本发明的技术方案可以提升控制电压的大小，可以在电机设计时通过提升电压参数，减小电机引线电缆的直径，节省成本。
附图说明
图1是本发明实施例的双馈发电机驱动变流器一种拓扑结构示意图；图中双馈发电机定子22圆周上的三个黑色圆点As,Bs,Cs表示双馈发电机定子三相绕组的三个接线端子，双馈发电机转子21圆周上左边三个黑色圆点ar1,br1,br1和右边三个黑色圆点ar2,br2,br2分别表示转子三相绕组所对应的两组接线端子，第一电容8和第二电容9为电解电容器或薄膜电容器，储能单元7为蓄电池组或超级电容或二者的混合所构成的储能***。
图2是本发明实施例的双馈发电机驱动变流器另一种拓扑结构示意图；
图2.1、图2.2、图2.3和图2.4分别是图1中电网接入单元1可能的四种结构示意图；
图3.1、图3.2和图3.3分别是图1中网侧滤波单元4可能的三种结构示意图；
图4是图1中网侧功率单元3结构示意图；
图5是图1中转子主变流器5结构示意图；
图6是图1中转子侧辅助变流器6结构示意图；
图7是图1中长线滤波器10结构示意图；
图8是电网处于稳态情况下图1所示双馈变流驱动拓扑功率分配关系示意图；
图9是电网状态发生变化时图1所示双馈变流驱动拓扑运行状态示意图；
图10是现有技术的双馈风电机组集成储能单元的典型做法示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述：
实施例一
如图1所示，一种集成储能单元的双馈发电机变流电路，包括电网接入单元(1)、双馈发电机(2)、网侧功率单元(3)、网侧滤波单元(4)、转子主变流器(5)、转子辅助变流器(6)、储能单元(7)、第一电容(8)、第二电容(9)；双馈发电机(2)包括双馈发电机转子(21)、双馈发电机定子(22)，双馈发电机转子(21)包含三相绕组，并且每相绕组的两个端部均引出，形成两组三相接线端子(ar1,br1,cr1和ar2,br2,cr2)，电网接入单元(1)包括三个端口，网侧滤波单元(4)包括两个端口；电网接入单元的第一端口(11)与三相电网接入点U，V，W连接、电网接入单元的第二端口(12)与双馈发电机定子(22)连接、电网接入单元的第三端口(13)与网侧滤波单元的第一端口(41)连接；网侧滤波单元的第二端口(42)与网侧功率单元(3)的交流侧连接，网侧功率单元(3)的直流侧与转子主变流器(5)的直流侧连接，第一电容(8)并联在网侧功率单元(3)的直流侧与转子主变流器(5)的直流侧之间，转子主变流器(5)的交流侧与双馈发电机转子(21)的其中一组三相接线端子(ar1,br1,cr1)连接，双馈发电机转子(21)的另一组三相接线端子(ar2,br2,cr2)与转子辅助变流器(6)的交流侧连接，转子辅助变流器(6)的直流侧与储能单元(7)连接，第二电容(9)并联在转子辅助变流器(6)的直流侧。
如图2所示，另一种集成储能单元的双馈发电机变流电路，还包括长线滤波器(10)，所述的转子主变流器(5)的交流侧与长线滤波器(10)的一端连接，长线滤波器(10)的另一端与双馈发电机转子(21)的其中一组三相接线端子(ar1,br1,cr1)连接。
储能单元(7)的作用是为风电机组配备的储能***，采用蓄电池或者是超级电容或者是二者的混合，若为二者混合，则包含用于不同储能元件间电压匹配的DC/DC变换器。
第一电容(8)和第二电容(9)作为直流吸收和缓冲电容使用，可以采用电解电容或薄膜电容。
图2.1、图2.2、图2.3和图2.4分别是本发明实施例提供的电网接入单元(1)的三种结构示意图，图2.1、图2.2和图2.3中的圆周上的黑色圆点均表示对应变压器绕组的接线端子。电网接入单元的第一端口(11)与三相电网接入点U，V，W连接；电网接入单元的第二端口(12)、电网接入单元的第三端口(13)均可通过继电器进行通断控制，且电网接入单元1的三个端口之间可能存在变压器绕组进行电压匹配。
如图3.1-3.3所示，图3.1中的电抗43和电抗44，图3.2中的电抗46，图3.3中的电抗48可以为三相独立磁芯电抗，也可以是三相共磁芯结构的电抗；图3.1中电容45和图3.2中电容47有三组交流无极性电容组成，可以为星形(Y)连接，也可以为三角形(△)连接结构。网侧滤波单元(4)采用三相LCL型或三相LC型或三相L型滤波器的中一种；网侧滤波单元(4)是网侧功率单元(3)交流侧并入电网的滤波和缓冲单元，起着滤除并网电流谐波和交流电压源之间连接的缓冲作用。
网侧功率单元(3)、转子主变流器(5)和转子辅助变流器(6)均采用三相桥式电压源结构，具体如图4，图5和图6所示。
图4中T31,T32,T33,T34,T35,T36表示电力电子器件IGBT，D31,D32,D33,D34,D35,D36为电力二极管，可以是独立二极管，也可以是IGBT器件集成二极管，图中所涉及电力电子器件可以是分立器件，也可以是多合一模块中所包含的电力电子器件。图5中T51,T52,T53,T54,T55,T56表示电力电子器件IGBT，D51,D52,D53,D54,D55,D56为电力二极管，可以是独立二极管，也可以是IGBT器件集成二极管，图中所设计电力电子器件可以是分立器件，也可以是多合一模块中所包含的电力电子器件。图6中T61,T62,T63,T64,T65,T66表示电力电子器件IGBT，D61,D62,D63,D64,D65,D66为电力二极管，可以是独立二极管，也可以是IGBT器件集成二极管，图中所设计电力电子器件可以是分立器件，也可以是多合一模块中所包含的电力电子器件。
如图7所示，给出了一种长线滤波器(10)结构，在转子主变流器(5)的交流侧串联长线滤波器(10)，用于抑制因长线传输波的反射而造成的转子端过电压，同时长线滤波器可抑制轴电压和轴电流。
所述的集成储能单元的双馈发电机由转子主变流器(5)和转子辅助变流器(6)通过转子绕组共同进行控制，如图8和图9所示：
如图8所示，在电网状态稳定时，转子主变流器(5)运行在单位功率因数状态，对双馈发电机(2)的转子回路有功功率进行控制；转子辅助变流器(6)则对双馈发电机(2)转子回路无功功率进行控制，同时转子辅助变流器(6)分别通过双馈发电机定子(22)和双馈发电机转子(21)、转子主变流器(5)以及网侧功率单元(3)对风电机组并网功率脉动进行抑制和缓冲，此时对应的功率流动在图8中进行了示意，在此状态下，储能单元(7)起到并网功率脉动缓冲作用。
如图9所示，在电网状态出现变化时，根据双馈发电机(2)的电磁状态，转子主变流器5和转子辅助变流器6进行协调控制，其目的有二：储能单元7通过转子辅助变流器6，双馈发电机转子绕组21，转子主变流器5，网侧功率单元3，网侧滤波单元4，并经电网接入单元向电网提供必要的有功功率支持；转子主变流器5和转子辅助变流器6最大限度地对双馈发电机2因电网扰动而产生的电磁暂态进行控制，并按设定策略需求实现双馈发电机组的惯量模拟控制。该控制过程在图9中进行了示意。由于施加在双馈发电机转子21上的电压为转子主变流器5和转子辅助变流器6的输出电压之和，使得变流器拓扑结构具有更强的电压输出能力，从而能有效地对双馈发电机2的电磁暂态进行控制，提升其自身的电网适应性。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种应用于集成储能单元的双馈发电机变流电路的控制方法，其特征在于，所述的双馈发电机变流电路包括电网接入单元（1）、双馈发电机（2）、并网变流器、转子主变流器（5）、转子辅助变流器（6）、储能单元（7）、第一电容（8）、第二电容（9）；双馈发电机（2）包括双馈发电机转子（21）、双馈发电机定子（22），双馈发电机转子（21）包含三相绕组，并且每相绕组的两个端部均引出，形成两组三相接线端子，电网接入单元（1）包括三个端口；电网接入单元的第一端口（11）与三相电网连接、电网接入单元的第二端口（12）与双馈发电机定子（22）连接、电网接入单元的第三端口（13）与并网变流器的交流侧连接，并网变流器的直流侧与转子主变流器（5）的直流侧连接；第一电容（8）并联在并网变流器的直流侧与转子主变流器（5）的直流侧之间，转子主变流器（5）的交流侧与双馈发电机转子（21）的其中一组三相接线端子连接，双馈发电机转子（21）的另一组三相接线端子与转子辅助变流器（6）的交流侧连接，转子辅助变流器（6）的直流侧与储能单元（7）连接，第二电容（9）并联在转子辅助变流器（6）的直流侧；
所述的控制方法如下：
所述转子主变流器（5）在稳态运行时对双馈发电机（2）转子侧有功功率进行控制，而转子辅助变流器（6）则对双馈发电机（2）转子侧无功功率进行控制，同时转子辅助变流器（6）还通过双馈发电机（2）定子绕组端和转子主变流器（5）以及并网变流器，对并网功率脉动进行缓冲，以平滑并网功率；在电网出现异常或电网状态发生变化时，转子主变流器（5）和转子辅助变流器（6）协同对双馈发电机（2）电磁暂态进行控制，同时储能单元（7）通过转子辅助变流器（6）、转子主变流器（5）、并网变流器以及电网接入单元（1）向电网提供主动功率控制，连同双馈发电机（2）惯性储能一起实现对电网频率的主动控制。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述的集成储能单元的双馈发电机变流电路，还包括长线滤波器（10），所述的转子主变流器（5）的交流侧与长线滤波器（10）的一端连接，长线滤波器（10）的另一端与双馈发电机转子（21）的其中一组三相接线端子连接。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述的并网变流器包括网侧功率单元（3）和网侧滤波单元（4）；所述的网侧滤波单元（4）包括网侧滤波单元的第一端口（41）和网侧滤波单元的第二端口（42），网侧滤波单元的第一端口（41）与电网接入单元的第三端口（13）连接，网侧滤波单元的第二端口（42）与网侧功率单元（3）的交流侧连接；网侧功率单元（3）的直流侧与转子主变流器（5）的直流侧连接。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述的储能单元（7）采用蓄电池或者是超级电容或者是二者的混合。
5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述的第一电容（8）、第二电容（9）采用电解电容或薄膜电容。
6.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述的电网接入单元的第一端口（11）、电网接入单元的第二端口（12）、电网接入单元的第三端口（13），三个端口中的每两个端口之间可以配有变压器或不配备变压器。
7.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述的电网接入单元的第二端口（12）、电网接入单元的第三端口（13）均通过继电器进行通断控制。
8.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述的网侧滤波单元（4）采用三相LCL型或三相LC型或三相L型滤波器的中一种。
9.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述的网侧功率单元（3）、转子主变流器（5）和转子辅助变流器（6）均采用三相桥式电压源结构。
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