CN113131607B - 能量控制***和直流风力发电机组 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种能量控制***和直流风力发电机组。该能量控制***包括能量变换装置和控制器；其中，能量变换装置包括并网变换器、储能变换器和取电变换器，控制器用于在直流风力发电机组的启动阶段控制储能变换器和取电变换器工作，使储能电池对直流母线电容进行预充电以及对内部用电设备供电；控制器还用于在直流风力发电机组的能量回收阶段控制并网变换器、储能变换器和取电变换器工作，使直流风力发电机组产生的能量分别流向直流汇集母线、内部用电设备和储能电池。采用本发明实施例中的技术方案，能够在没有交流电网和机组自身用电设备丢失电源的情况下，完成直流风力发电机组的自启动。

Description

能量控制***和直流风力发电机组
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种能量控制***和直流风力发电机组。
背景技术
多个风力发电机组产生的能量经汇集后输出至电网。与交流汇集***相比，基于直流风力发电机组的直流汇集***的电压稳定性更高，因此被广泛应用。
然而，由于现有技术中的直流风力发电机组不通过交流变压器从交流电网中取电，在机组自身用电设备丢失电源的情况下，不具备自启动的能力，在正常发电过程中也没办法给机组用电设备供电。
因此，亟需一种新的能量控制***和直流风力发电机组。
发明内容
本发明实施例提供了一种能量控制***和直流风力发电机组，能够在没有交流电网和机组自身用电设备丢失电源的情况下，完成直流风力发电机组的自启动。
第一方面，本发明实施例提供一种能量控制***，用于直流风力发电机组，该能量控制***包括：能量变换装置和控制器；其中，能量变换装置包括并网变换器、储能变换器和取电变换器，并网变换器用于接入直流风力发电机组的直流母线和风电场的直流汇集母线之间的线路，储能变换器用于接入直流母线和储能电池之间的线路，取电变换器用于接入直流母线和直流风力发电机组的内部用电设备之间的线路；
控制器用于在直流风力发电机组的启动阶段控制储能变换器和取电变换器工作，使储能电池对直流母线电容进行预充电以及对内部用电设备供电；
控制器还用于在直流风力发电机组的能量回收阶段控制并网变换器、储能变换器和取电变换器工作，使直流风力发电机组产生的能量分别流向直流汇集母线、内部用电设备和储能电池。
在第一方面的一种可能的实施方式中，控制器还用于在并网运行阶段控制并网变换器和取电变换器工作，使直流风力发电机组产生的能量仅分别流向直流汇集母线和内部用电设备。
在第一方面的一种可能的实施方式中，能量控制***还包括并联于直流母线上的卸荷电路；控制器还用于在直流汇集母线发生暂时性过压故障时，至少控制并网变换器工作，使并网变换器仅向直流汇集母线输送部分能量；或者，停止向直流汇集母线输送能量并控制卸荷电路工作，以消耗并网变换器未输送至直流汇集母线的部分能量。
在第一方面的一种可能的实施方式中，能量控制***还包括机侧变流器，机侧变换器的交流侧连接直流风力发电机组的发电机，直流侧连接直流母线；控制器还用于在直流汇集母线发生暂时性过压故障时，控制机侧变换器工作，使机侧变换器仅向直流母线输送部分能量或者停止向直流母线输送能量，由直流风力发电机组的发电机转子消耗机侧变换器未输送至直流母线的能量。
在第一方面的一种可能的实施方式中，控制器还用于在直流风力发电机组的输电线路发生永久性短路故障时，控制机侧变换器和并网变换器全部闭锁，封锁流向直流汇集母线的能量，以及控制储能变换器工作，使储能电池对内部用电设备提供停机用能量。
在第一方面的一种可能的实施方式中，控制器还用于在直流母线发生永久性短路故障时，控制机侧变换器和并网变换器全部闭锁，封锁流向直流汇集母线的能量，以及控制储能变换器工作，使储能电池对内部用电设备提供停机用能量。
在第一方面的一种可能的实施方式中，能量变换装置还包括并网断路器、储能断路器和/或取电断路器，并网断路器的控制端、储能断路器的控制端和取电断路器的控制端均与控制器电连接；其中，并网断路器设置于并网变换器与直流汇集母线之间的线路，储能断路器设置于储能变换器与直流母线之间的线路，取电断路器设置于取电变换器与直流母线之间的线路。
在第一方面的一种可能的实施方式中，并网变换器包括：单向隔离型DC/DC变换器。
在第一方面的一种可能的实施方式中，储能变换器包括：旁路开关、限流电阻和储能变换装置；储能变换装置包括交错并联的DC/DC变换器或者双有源桥变换器；其中，储能变换装置的一侧并联于直流母线，另一侧串联于限流电阻，旁路开关并联于限流电阻的两端。
在第一方面的一种可能的实施方式中，取电变换器包括：旁路电容、DC/AC变换器和变压器；其中，旁路电容和DC/AC变换器的直流侧连接直流母线，DC/AC变换器的交流侧连接变压器。
第二方面，本发明实施例提供一种直流风力发电机组，该直流风力发电机组设置有如上所述的能量控制***。
根据本发明实施例中的能量变换装置，一方面，能够在直流风力发电机组的启动阶段控制储能变换器和取电变换器工作，使储能电池对直流母线电容进行预充电以及对内部用电设备(比如，变桨装置、变流器控制器和散热装置等启动用必要设备)供电，从而能够在直流风力发电机组的在没有交流电网和机组自身用电设备丢失电源的情况下，完成对风力发电机组的自启动。另一方面，能够在直流风力发电机组的能量回收阶段控制并网变换器、储能变换器和取电变换器工作，使直流风力发电机组产生的能量分别流向直流汇集母线、内部用电设备和储能电池，从而能够利用直流风力发电机组自身的能量完成对存储电容的自充电，实现对直流风力发电机组能量的闭环控制。
附图说明
从下面结合附图对本发明的具体实施方式的描述中可以更好地理解本发明其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。
图1为本发明实施例提供的能量控制***的结构示意图之一；
图2为对图1中能量变换装置的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的能量控制***的控制逻辑示意图；
图4为本发明实施例提供的能量控制***的结构示意图之二。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。
本发明实施例提供的能量控制***可以用于直流风力发电机组。
参见图1和图2，能量控制***包括能量变换装置101和控制器102。其中，能量变换装置101具体包括并网变换器1011、储能变换器1012和取电变换器1013。
结合图1和图2，并网变换器1011用于接入直流风力发电机组的直流母线103和风电场的直流汇集母线104之间的线路。储能变换器1012用于接入直流母线103和储能电池105之间的线路。取电变换器1013用于接入直流母线103和直流风力发电机组的内部用电设备106之间的线路。
并网变换器1011为DC/DC变换器，主要功能是将直流风力发电机组的直流输出电压抬升至直流汇集母线电压。
储能变换器1012为DC/DC双向变换器，主要功能是控制储能电池105与电源***之间直流电能的双向流动。
取电变换器1013为DC/AC变换器，主要功能时将直流电能变换为交流电能。
参看图2，并网变换器1011、储能变换器1012和取电变换器1013分别通过机组直流母线端接入直流母线103，即并网变换器1011、储能变换器1012和取电变换器1013分别并联于直流母线103，因此，并网变换器1011、储能变换器1012和取电变换器1013之间也可以通过直流母线103相互交换能量。
参看图2，控制器102分别与并网变换器1011的控制端、储能变换器1012的控制端和取电变换器1013的控制端电连接。
参见图3，控制器102用于在直流风力发电机组的启动阶段控制储能变换器1012和取电变换器1013工作，接通储能电池105和直流母线103之间的线路，使储能电池105能够对直流母线电容107进行预充电；以及接通储能电池105与机组内部用电设备106之间的线路，使储能电池105能够对内部用电设备106(比如，变桨装置、变流器控制器102和散热装置等)供电。
参看图3，控制器102还用于在直流风力发电机组的能量回收阶段控制并网变换器1011、储能变换器1012和取电变换器1013工作，接通直流母线103与直流汇集母线104之间的线路，使直流风力发电机组产生的能量部分流向直流汇集母线104并入电网；以及接通直流母线103和储能电池105之间的线路，使直流风力发电机组产生的能量部分流向内部用电设备106；以及接通直流母线103与机组内部用电设备106之间的线路，使直流风力发电机组产生的能量部分流向储能电池105，对储能电池105进行充电。
根据本发明实施例中的能量变换装置，一方面，能够在直流风力发电机组的启动阶段控制储能变换器1012和取电变换器1013工作，使储能电池105对直流母线电容107进行预充电以及对内部用电设备106供电，从而能够在直流风力发电机组的在没有交流电网和机组自身用电设备丢失电源的情况下，完成对风力发电机组的自启动。另一方面，能够在直流风力发电机组的能量回收阶段控制并网变换器1011、储能变换器1012和取电变换器1013工作，使直流风力发电机组产生的能量分别流向直流汇集母线104、内部用电设备106和储能电池105，从而能够利用直流风力发电机组自身的能量完成对存储电容的自充电，实现对直流风力发电机组能量的闭环控制。
在一些实施例中，参看图3，控制器102还用于在并网运行阶段控制控制并网变换器1011和取电变换器1013工作，接通直流母线103与直流汇集母线104之间的线路，以及接通直流母线103和机组内部用电之间的线路，使直流风力发电机组产生的能量仅分别流向直流汇集母线104和内部用电设备106，避免对储能电池105造成过充电。
下面结合图3对能量控制***在故障工况的安全控制策略进行详细说明。
(1)直流汇集母线发生暂时性过压故障
参见图1，能量控制***还包括并联于直流母线103上的卸荷电路108。
控制器102还用于在直流汇集母线104发生暂时性过压故障时，至少控制并网变换器1011工作，使并网变换器1011仅向直流汇集母线104输送部分能量或者停止向直流汇集母线104输送能量；以及控制卸荷电路108工作，以消耗并网变换器1011未输送至直流汇集母线104的部分能量。
具体实施时，控制器102可以在直流汇集母线104发生暂时性过压故障时，通过调整并网变换器1011中功率开关的脉冲宽度调制PWM信号的方式，使并网变换器1011仅向直流汇集母线104输送部分能量，或者对并网变换器1011进行闭锁操作，使并网变换器1011停止向直流汇集母线104输送能量，即通过减少向直流汇集母线104注入能量的方式达到抑制输电线路电压升高的目的。
同时控制器102还需要在直流汇集母线104发生暂时性过压故障时，控制卸荷电路108中的开关处于导通状态，使并网变换器1011未输送至直流汇集母线104的部分能量流入电阻，转换为热能消耗掉，以保证直流风力发电机组的安全运行。
进一步地，参看图1，能量控制***还包括机侧变流器，机侧变换器109的交流侧连接直流风力发电机组的发电机，直流侧连接直流母线103。
控制器102还用于在直流汇集母线104发生暂时性过压故障时，控制机侧变换器109工作，使机侧变换器109仅向直流母线103输送部分能量或者停止向直流母线103输送能量，由直流风力发电机组的发电机转子消耗机侧变换器109未输送至直流母线103的能量，进一步保证直流风力发电机组的安全运行。
具体实施时，控制器102还可以在直流汇集母线104发生暂时性过压故障时，通过调整机侧变换器109中功率开关的PWM信号的方式，使机侧变换器109仅向直流母线103输送部分能量，或者对机侧变换器109进行闭锁操作，使机侧变换器109停止向直流母线103输送能量，即通过减少向直流母线103注入能量达到抑制直流母线103电压升高的目的。此时机侧变换器109未输送至直流母线103的能量将流入直流风力发电机组的发电机转子，由发电机转子存储起来。
其中，发电机转子具体会以提高转速的方式将多余能量存储起来，而这个过程中发电机转子转速的提高会导致机组功率发生偏移，为了抑制发电机转子转速过快，可以启动变桨***驱动叶片变桨，以通过减少吸收风能的方式使发电机转子转速减小至安全范围。
(2)直流风力发电机组的输电线路发生永久性短路故障
直流风力发电机组的输电线路包括：连接直流风力发电机组至直流汇集母线104的输电电缆和设备，以及直流汇集母线104到岸上换流站之间的输电线缆。
上述输电线路在任意位置破损均会造成短路，控制器102还用于在直流风力发电机组的输电线路发生永久性短路故障时，控制机侧变换器109和并网变换器1011全部闭锁，封锁流向直流汇集母线104的能量，以及控制储能变换器1012工作，接通储能电池105和机组内部用电设备106之间的线路，使储能电池105对内部用电设备106提供停机用能量，保证直流风力发电机组的安全运行。
(3)直流母线发生永久性短路故障
直流母线103破损会造成短路，控制器102还用于在直流母线103发生永久性短路故障时，控制机侧变换器109和并网变换器1011全部闭锁，封锁流向直流汇集母线104的能量，以及控制储能变换器1012工作，接通储能电池105和机组内部用电设备106之间的线路，使储能电池105对内部用电设备106提供停机用能量，保证直流风力发电机组的安全运行。
下面结合图4对能量变换装置101中各部件的结构进行详细说明。
(1)并网变换器1011
优选成本低的隔离型DC/DC变换器。
图4中示出的并网变换器1011为三相单有源桥变换器，能够将机侧变换器109的输出电压抬升至直流汇集母线电压，比如30KV。此处不限定并网变换器1011的类型。
(2)储能变换器1012
图4中示出的储能变换器1012包括旁路开关Sme、限流电阻Rre和储能变换装置，储能变换装置的一侧并联于直流母线103，另一侧串联于限流电阻，旁路开关并联于限流电阻的两端。
储能变换装置具有两种工作状态，当储能变换装置处于第一工作状态时，储能电池105中的电量经储能变换装置流向直流母线103。当储能变换装置处于第二工作状态时，直流母线103上的能量经储能变换装置流向储能电池105，即对储能电池105充电。
旁路开关Sme断开时，可以将限流电阻接入储能电池105的充电回路，能够避免充电电流过大而对储能电池105造成损坏。
图4中示出的储能变换装置为交错并联的DC/DC变换器，工作时能够减小储能电池105的纹波电流，可以参考相关资料获得交错并联的DC/DC变换器的工作过程。此处不限定储能变换装置的类型，在一些实施例中，储能变换装置也可以为双有源桥变换器。
(3)取电变换器1013
图4中示出的取电变换器1013包括旁路电容Cby、DC/AC变换器和变压器，旁路电容Cby和DC/AC变换器的直流侧均连接直流母线103，DC/AC变换器的交流侧连接变压器。
其中，旁路电容Cby能够在直流母线103电压过高时，对后面的DC/AC变换器和变压器使起到缓冲作用。
图4中示出的DC/AC变换器为三相两电平变换器，此处不限定DC/AC变换器的类型。
在一些实施例中，能量变换装置101还包括并网断路器、储能断路器和/或取电断路器，并网断路器的控制端、储能断路器的控制端和取电断路器的控制端均与控制器102电连接。
其中，并网断路器设置于并网变换器1011与直流汇集母线104之间的线路，用于控制直流母线103和直流汇集母线104的通断状态，参见图4中的SC。
储能断路器设置于储能变换器1012与直流母线103之间的线路，用于控制储能变换器1012从直流母线103上切除与切入直流母线103，取电断路器设置于取电变换器1013与直流母线103之间的线路，用于控制储能变换器1012从直流母线103上切除与切入直流母线103。
在图4的示例中，断路器Semy的一侧连接直流母线103，另一侧分别与储能变换器1012和取电变换器1013连接，储能变换器1012与取电变换器1013的直流侧直接连接后经断路器Semy与三相单有源桥DC/DC变换器低压直流侧并联一起构成上文所述的能量变换装置101，因此，当断路器Semy断开时，储能变换器1012和取电变换器1013能够同时从直流母线103上切除，当断路器Semy导通时，储能变换器1012和取电变换器1013能够同时切入直流母线103。
具体实施时，上述并网变换器1011、储能变换器1012和取电变换器1013可以集成于能量变换装置101内部，仅在能量变换装置101的外部留四个外接端口，参看图2和图4，四个外接端口分别为：直流汇集母线端、储能端、直流母线端和机组供电端。
如上所述，本发明实施例中的能量变换装置101能够完成储能电池105、机侧变流器直流侧、直流电网、内部用电设备106供电端口之间的电能变换，且使用时不需要改变机侧变流器控制策略，只要将能量变换装置101连接于直流风力发电机组的输出端，就能够方便实现储能电池、机侧变换器、直流电网、机组内部用电设备交流供电端口之间能量的传递，从而能够实现以往技术实现不了的大功率直流输出风电机组的自启动过程，解决了发电过程中风电内部用电设备的供电问题。
本发明实施例还提供一种直流风力发电机组，该直流风力发电机组设置有如上文所述的能量控制***，适用于地面及海上的风电功率传输。
需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于装置实施例而言，相关之处可以参见方法实施例的说明部分。本发明实施例并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。本领域的技术人员可以在领会本发明实施例的精神之后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
以上所述的结构框图中所示的功能块可以实现为硬件、软件、固件或者它们的组合。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(ASIC)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明实施例的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、ROM、闪存、可擦除ROM(EROM)、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质、射频(RF)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。
本发明实施例可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。例如，特定实施例中所描述的算法可以被修改，而***体系结构并不脱离本发明实施例的基本精神。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本发明实施例的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明实施例的范围之中。

Claims (9)

1.一种能量控制***，其特征在于，用于直流风力发电机组，所述能量控制***包括：能量变换装置和控制器；其中，
所述能量变换装置包括并网变换器、储能变换器和取电变换器，所述并网变换器用于接入所述直流风力发电机组的直流母线和风电场的直流汇集母线之间的线路，所述储能变换器用于接入所述直流母线和储能电池之间的线路，所述取电变换器用于接入所述直流母线和所述直流风力发电机组的内部用电设备之间的线路；
所述控制器用于在所述直流风力发电机组的启动阶段控制所述储能变换器和所述取电变换器工作，使所述储能电池对直流母线电容进行预充电以及对所述内部用电设备供电；
所述控制器还用于在所述直流风力发电机组的能量回收阶段控制所述并网变换器、所述储能变换器和所述取电变换器工作，使所述直流风力发电机组产生的能量分别流向所述直流汇集母线、所述内部用电设备和所述储能电池；
所述并网变换器包括：单向隔离型DC/DC变换器；
所述能量控制***还包括并联于所述直流母线上的卸荷电路；
所述控制器还用于在所述直流汇集母线发生暂时性过压故障时，至少控制所述并网变换器工作，使所述并网变换器仅向所述直流汇集母线输送部分能量；或者，停止向所述直流汇集母线输送能量并控制所述卸荷电路工作，以消耗所述并网变换器未输送至所述直流汇集母线的部分能量。
2.根据权利要求1所述的能量控制***，其特征在于，所述控制器还用于在并网运行阶段控制所述并网变换器和所述取电变换器工作，使所述直流风力发电机组产生的能量仅分别流向所述直流汇集母线和所述内部用电设备。
3.根据权利要求1所述的能量控制***，其特征在于，所述能量控制***还包括机侧变换器，所述机侧变换器的交流侧连接所述直流风力发电机组的发电机，直流侧连接所述直流母线；
所述控制器还用于在所述直流汇集母线发生暂时性过压故障时，控制所述机侧变换器工作，使所述机侧变换器仅向所述直流母线输送部分能量或者停止向所述直流母线输送能量，由所述直流风力发电机组的发电机转子消耗所述机侧变换器未输送至所述直流母线的能量。
4.根据权利要求3所述的能量控制***，其特征在于，
所述控制器还用于在所述直流风力发电机组的输电线路发生永久性短路故障时，控制所述机侧变换器和所述并网变换器全部闭锁，封锁流向所述直流汇集母线的能量，以及控制所述储能变换器工作，使所述储能电池对所述内部用电设备提供停机用能量。
5.根据权利要求3所述的能量控制***，其特征在于，
所述控制器还用于在所述直流母线发生永久性短路故障时，控制所述机侧变换器和所述并网变换器全部闭锁，封锁流向所述直流汇集母线的能量，以及控制储能变换器工作，使所述储能电池对所述内部用电设备提供停机用能量。
6.根据权利要求1所述的能量控制***，其特征在于，
所述能量变换装置还包括并网断路器、储能断路器和/或取电断路器，所述并网断路器的控制端、所述储能断路器的控制端和所述取电断路器的控制端均与所述控制器电连接；
其中，所述并网断路器设置于所述并网变换器与直流汇集母线之间的线路，所述储能断路器设置于所述储能变换器与直流母线之间的线路，所述取电断路器设置于所述取电变换器与直流母线之间的线路。
7.根据权利要求1所述的能量控制***，其特征在于，
所述储能变换器包括：旁路开关、限流电阻和储能变换装置；所述储能变换装置包括交错并联的DC/DC变换器或者双有源桥变换器；
其中，所述储能变换装置的一侧并联于所述直流母线，另一侧串联于所述限流电阻，所述旁路开关并联于所述限流电阻的两端。
8.根据权利要求1所述的能量控制***，其特征在于，
所述取电变换器包括：旁路电容、DC/AC变换器和变压器；
其中，所述旁路电容和所述DC/AC变换器的直流侧连接所述直流母线，所述DC/AC变换器的交流侧连接所述变压器。
9.一种直流风力发电机组，其特征在于，设置有如权利要求1-8中任一项所述的能量控制***。
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