CN204905882U - 基于混合储能的双馈风力发电机励磁装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于混合储能的双馈风力发电机励磁装置，包括：转子侧变流器与风电机组的三相转子绕组连接，风电机组定子绕组与电网连接，转子侧变流器、直流母线和网侧变流器依次连接，电容C1连接在直流母线的两端，网侧变流器的三相输出分别串联电感后与电网连接；在直流母线的两端并联双向斩波器A和双向斩波器B，双向斩波器A与超级电容连接，双向斩波器B与蓄电池连接。本实用新型有益效果：在实现双馈风力发电机组实时变速运行的同时，还可以通过混合储能装置的快速\精确功率吞吐参与风电***实时功率调节，对风力发电机输出有功功率的波动进行“削峰填谷”的补偿，改善风力发电输出电能质量。
Description
技术领域
本实用新型涉及风力发电电能质量调节技术领域，尤其涉及一种基于蓄电池与超级电容器混合储能装置的双馈风力发电机励磁装置。
背景技术
为了提高风能利用效率，目前风电机组一般都是按照最大风能捕获模式运行，使风轮转速随风速的变化而变化，从而保证风轮的叶尖速比处于最优状态，提高风轮捕获风能的效率，同时减少了风轮承受的应力。但在这种运行方式下，风速发生波动时，相应就会带来风力发电机输出功率的波动。当电力***中，接纳的风电机组容量超过一定比例时，风电功率的波动将造成参与调频机组的运行成本增加，并且当功率波动超过电力***调峰能力范围时，还将进一步导致电力***频率越限，严重威胁电力***的安全运行；另外，风电场多数位于电网末端，风电场输出功率的波动还将造成风电场接入点电压的明显变化，这既影响了电力***的供电质量，又影响了风电场的功率送出，严重时还可能导致电压稳定破坏；此外，当风电场并网规模较大时，若突然因风速过小造成风电场无法发出电能，此时风电场输出功率的突然“下坡”会给整个并网***带来灾难性的影响。因此，风电场输出功率的不可控是限制风电场并网规模的主要因素。
现阶段，越来越多的专家学者倾向于采用储能技术来调控风电机组的功率输出，使风电场成为灵活可控的电源，提高现有电力***规模下的风电场接纳能力，推动风力发电的大规模发展。当前风力发电***中应用的储能方式主要有蓄电池储能、超导储能、超级电容器储能、飞轮储能、压缩空气储能、抽水蓄能等。其中，压缩空气储能、抽水蓄能等储能方式对运行的物理条件及地理环境有比较苛刻的要求，不便于广泛建设开发。超导储能、飞轮储能、在技术环节尚不完全成熟，且投资成本较高，距离大规模工程建设开发还有较大距离。超级电容储能和蓄电池储能由于具有宽范围运行环境、快速、灵活的功率/能量双向吞吐能力、技术相对成熟以及投资成本相对低廉等优点，在风电功率调节领域得到了广泛的关注和研究，并逐步开始规模化工程实用。
从降低投资成本、运行维护成本的角度出发，应用于调节风电波动功率的储能***应兼具有高功率密度、高能量密度以及长循环寿命的储能特性。受其储能机理的影响，各种类型的蓄电池如铅酸电池、镉镍电池、锂电池、钠硫电池以及全矾液流电池等普遍具有高能量密度的优势。同时，各类电池的功率密度以及循环寿命都相对较低。超级电容器亦称双电层电容器，它根据电化学双电层理论研制而成，其功率密度和循环寿命都远远高于蓄电池，但是能量密度却远低于蓄电池。由此可见，蓄电池和超级电容器作为单一的储能方式都不同时具备高功率密度、高能量密度以及长循环寿命的储能特性。但是，二者在储能特性上具有良好的互补性，适宜组成混合储能***，通过功率变流器的合理控制，在参与风电***的功率/能量调节提高风电功率可控性的同时，还可充分发挥其各自的储能优势，有效降低储能***的投资和运行成本。
文献《平抑间歇式电源功率波动的混合储能***设计》针对超级电容器、蓄电池的输出特性以及平抑间歇式电源波动功率的需求，设计了一种由蓄电池、超级电容器以及降压/升压双向变换器组成的混合储能***，并提出了具有中央管理单元控制和本地控制两个层次的能量管理方案。该文献所提出的控制方法及能量管理方案中尚未解决混合储能***与间歇式能源发电***的联合控制问题。文献《风光互补发电蓄电池超级电容器混合储能研究》提出一种应用于风光互补发电***中的超级电容器和蓄电池混合储能***，并在此基础上提出一种简单实用的混合储能***的控制方法，最终进行了实验验证。该文献所提出的混合储能***中，其充放电总功率不能由自身控制器控制，无法主动响应外部***的功率需求，因而其应用场合受到了较大限制。
实用新型内容
本实用新型的目的就是为了解决上述问题，提出了基于混合储能的双馈风力发电机励磁装置，该装置通过混合储能装置的快速\精确功率吞吐参与风电***实时功率调节，对风力发电机输出有功功率的波动进行“削峰填谷”的补偿，改善风力发电输出电能质量。
为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种基于混合储能的双馈风力发电机励磁装置，包括：转子侧变流器、网侧变流器、直流母线、双向斩波器A、超级电容、双向斩波器B和蓄电池；
所述转子侧变流器与风电机组的三相绕组连接，风电机组与电网连接，转子侧变流器、直流母线和网侧变流器依次连接，电容C1连接在直流母线的两端，网侧变流器的三相输出分别串联电感后与电网连接；
在直流母线的两端并联双向斩波器A和双向斩波器B，双向斩波器A与超级电容连接，双向斩波器B与蓄电池连接。
所述转子侧变流器采用三相半桥VSR拓扑结构。
所述网侧变流器采用三相半桥VSR拓扑结构。
所述双向斩波器A结构为：
电容C3、电感L4、开关管G8和电容C4依次串联连接，开关管G7一端连接在电感L4和开关管G8之间，另一端连接在电容C3和电容C4之间；在开关管G7和开关管G8的源极和漏极之间分别并联二极管D7和二极管D8。
通过对开关管G7和开关管G8的通断控制，能够实现能量在低压侧与高压侧之间的快速切换。
所述双向斩波器B结构与双向斩波器A结构相同。
本实用新型的有益效果是：
(1)本励磁装置在实现双馈风力发电机组实时变速运行(实现最大风能捕获)的同时，还可以通过混合储能装置的快速\精确功率吞吐参与风电***实时功率调节，对风力发电机输出有功功率的波动进行“削峰填谷”的补偿，改善风力发电输出电能质量，为风电场的大规模并网运行的安全稳定性奠定了基础。
(2)当风电场中的双馈风电机组都具备该励磁装置后，整个风电场便拥有了一个大型的储能***，该储能***不仅可以用于风电场输出功率波动平抑，当风场因风速过低而停止功率输出时，风电场的储能***能够减慢风电场输出功率的“下坡”速度，给整个并网***以一定的功率支撑，为并网***中各备用的启动及调度计划的改变赢得时间。
(3)本实用新型将双向斩波器A和双向斩波器B同时连接在直流母线上，而不是采用双向斩波器A和双向斩波器B串联连接的方式，避免了能量在传输过程中的消耗，在一定程度上增加了蓄电池和超级电容的能源利用率。
附图说明
图1为本实用新型双馈风力发电机励磁装置结构图；
图2为本实用新型双向斩波器结构图。
其中，1.电网，2.风电机组，3.转子侧变流器，4.网侧变流器，5.双向斩波器A，6.超级电容，7.双向斩波器B，8.蓄电池，9.直流母线。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本实用新型做进一步说明：
基于超级电容/蓄电池混合储能的双馈风力发电机励磁装置如图1所示，包括转子侧变流器、网侧变流器，双向斩波器A、双向斩波器B、超级电容器、蓄电池及直流母线电容C。其中，转子侧变流器与网侧变流器构成了双馈风力发电机组励磁变流器，转子侧变流器交流侧与风力发电机组转子相连，网侧变流器交流侧接入风电机组定子输出侧，转子侧变流器与网侧变流器之间通过直流母线连接；双向斩波器A、双向斩波器B、超级电容以及蓄电池组成了混合储能装置，转子侧、网侧变流器的直流母线接入双向斩波器A、双向斩波器B，双向斩波器A的低压侧接入超级电容，双向斩波器B的低压侧接入蓄电池。
转子侧变流器为风力发电机转子提供励磁功率，其拓扑采用三相半桥VSR拓扑。功率开关管G1、G3、G5的漏极一并接入直流侧电容C2的正极，功率开关管G1、G3、G5的源极分别与功率开关管G2、G4、G6的漏极相连接，功率开关管G2、G4、G6的源极一并接入直流侧电容C2的负极。续流二极管D1、D3、D5、D2、D4、D6分别反并联在每个功率开关管的漏--源极之间。L1、L2、L3为交流侧滤波电感。通过对以上各开关管进行通断控制可以实现该变换器交流侧电流幅值和相位的精确调节，进而实现对交流侧有功/无功功率的快速精确控制。
通过转子侧变流器各开关管采用SVPWM控制，可实现对转子励磁电流幅值、频率、相位的调整，进而独立调整转子转速(即调整转子侧出口有功功率)和转子侧输出功率的功率因数(即调整转子侧出口无功功率)，这样即可实现风电机组的最大风能捕获模式运行，又可以根据机组运行需求调整无功功率的大小，提高风力发电机并网运行的稳定性。
网侧变流器的同样采用三相半桥VSR拓扑，其交流侧与风电机组定子输出相连接。网侧变换器主要承担功率传输的桥梁作用，一方面实现转子侧变流器所需励磁功率与定子输出之间的快速、高效传输；另一方面，实现直流母线的混合储能装置出口功率与交流侧定子输出功率的快速、高效双向传输，为平抑定子输出侧间歇性风电功率提供保障。
混合储能装置由双向斩波器A、双向斩波器B、超级电容、蓄电池构成，双向斩波器采用BUCK-BOOST型双向DC/DC斩波器拓扑。斩波器A用于控制励磁变流器直流母线电压的稳定，进而保障转子侧变流器和网侧变流器的稳定运行。斩波器B用于对蓄电池的充放电电流进行精确调节，进而实现对超级电容器的荷电状态进行实时调节，防止超级电容器发生过充或者过放。在上述运行方式中，由于斩波器A控制直流母线电压的稳定，因此网侧变流器、转子侧变流器之间运行功率的差额将由超级电容器优先补偿，使得超级电容器充放电响应速度快、循环寿命长的优势得以充分发挥。蓄电池参与超级电容器的荷电状态调节，使得蓄电池能量密度大的优势得以充分发挥，同时可以有效降低蓄电池的充放电响应频率，延长蓄电池的使用寿命。
如图2所示，双向DC/DC斩波器由储能电感L4、功率开关管G7、G8，续流二极管D7、D8组成。对双向斩波器A5而言，其高压侧接入直流母线9，其低压侧接入超级电容6；对于双向斩波器B7，其高压侧接入直流母线9，其低压侧接入蓄电池8。通过对功率开关管G7、G8的通断控制，可以实现能量在低压侧与高压侧之间的快速、精确双向灵活调节，从而承担维持直流母线9电压稳定以及精确调节蓄电池8充放电电流的任务。
下面根据双馈风力发电机组的三种运行状态的区别，对本实用新型的励磁装置的能量流动过程进行详细的阐述。
(1)当风速低于同步速时，双馈风机处于亚同步运行状态，转子侧变流器3吸收滑差功率。
若风机定子侧输出功率小于功率平滑调度指令目标值，则网侧变流器4从励磁装置的直流母线9吸收功率并向电网1回馈，补偿风电功率的不足。此时混合储能装置释放能量，一方面，提供风电机组转子运行所需的滑差功率；另一方面给网侧变流器提供能量，满足平抑风电波动功率的需求。
若风机输出功率大于功率平滑调度指令目标值，则网侧变流器4从电网1吸收风电机组输出的过多功率。此时混合储能装置中超级电容器的充放电功率取决于转子侧变流器3所吸收的滑差功率与网侧变流器4所吸收功率之间的差额，当滑差功率大于网侧变流器4的吸收功率时，超级电容器释放能量，以满足滑差功率的需求；当滑差功率小于网侧变流器4的吸收功率时，超级电容器存储来自网侧变流器4的过多的功率。混合储能装置中，斩波器B对蓄电池充放电功率进行精确控制，对超级电容器进行能量调节，防止超级电容器发生过充或者过放。
(2)当风速高于同步速时，双馈风机处于超同步状态，转子侧变流器3向外回馈滑差功率。
若风机定子侧输出功率小于功率平滑调度指令目标值，则网侧变流器4从励磁装置的直流母线9吸收功率并向电网1回馈，补偿风电功率的不足。此时混合储能装置中超级电容器的充放电功率取决于转子侧变流器3输出的滑差功率与网侧变流器4输出功率之间的差额，当滑差功率大于网侧变流器4的输出功率时，超级电容器存储来自转子侧变流器3的过多的功率；当滑差功率小于网侧变流器4的输出功率时，超级电容器释放能量以满足平抑风电机组波动功率的需求。混合储能装置中，斩波器B对蓄电池充放电功率进行精确控制，对超级电容器进行能量调节，防止超级电容器发生过充或者过放。
若风机输出功率大于功率平滑调度指令目标值，则网侧变流器4从电网1吸收风电机组输出的过多功率。此时混合储能装置中的超级电容器优先进行能量存储，一方面，吸收来自转子侧变流器3的滑差功率；另一方面吸收来自网侧变流器4的功率，以满足平抑风电波动功率的需求。混合储能装置中，斩波器B对蓄电池充电功率进行精确控制，防止超级电容器发生过充。
(3)当风速处于同步速时，滑差功率为零，混合储能装置中的超级电容器经双向斩波器A控制通过网侧变流动器4与电网1进行双向功率交换，以平抑风电机组输出功率的波动。
上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型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实用新型的保护范围以内。
Claims (6)
1.一种基于混合储能的双馈风力发电机励磁装置，其特征是，包括：转子侧变流器、网侧变流器、直流母线、双向斩波器A、超级电容、双向斩波器B和蓄电池；
所述转子侧变流器与风电机组的三相绕组连接，风电机组与电网连接，转子侧变流器、直流母线和网侧变流器依次连接，电容C1连接在直流母线的两端，网侧变流器的三相输出分别串联电感后与电网连接；
在直流母线的两端并联双向斩波器A和双向斩波器B，双向斩波器A与超级电容连接，双向斩波器B与蓄电池连接。
2.如权利要求1所述的一种基于混合储能的双馈风力发电机励磁装置，其特征是，所述转子侧变流器采用三相半桥VSR拓扑结构。
3.如权利要求1所述的一种基于混合储能的双馈风力发电机励磁装置，其特征是，所述网侧变流器采用三相半桥VSR拓扑结构。
4.如权利要求1所述的一种基于混合储能的双馈风力发电机励磁装置，其特征是，所述双向斩波器A结构为：
电容C3、电感L4、开关管G8和电容C4依次串联连接，开关管G7一端连接在电感L4和开关管G8之间，另一端连接在电容C3和电容C4之间；在开关管G7和开关管G8的源极和漏极之间分别并联二极管D7和二极管D8。
5.如权利要求4所述的一种基于混合储能的双馈风力发电机励磁装置，其特征是，通过对开关管G7和开关管G8的通断控制，能够实现能量在低压侧与高压侧之间的快速切换。
6.如权利要求1所述的一种基于混合储能的双馈风力发电机励磁装置，其特征是，所述双向斩波器B结构与双向斩波器A结构相同。
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