转子侧储能的直流并网型双馈风力发电系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及一种转子侧储能的直流并网型双馈风力发电系统及其控制方法。


背景技术：

2.发展新能源是解决能源危机，实现我国碳中和目标的重要举措。风能储量丰富，是最具发展潜力的新能源之一，其中双馈风力发电机(dfig)发电效率高，功率变流器容量小，成本低。
3.由于风电具有间歇性、不稳定性等特点，储能常用于风力发电系统中起着平抑风电功率波动，提高电力系统稳定性的重要作用。储能接入风力发电系统通常需要额外的设备如dc－dc变换器等，用于储能的充放电控制，这部分额外设备会使系统成本增加，而且提高了控制难度。转子侧储能是利用双馈风力发电系统中的转子侧变流器rsc连接储能装置，并且通过控制rsc实现对电池充放电的控制，所以在转子侧储能中，储能装置就可以无需其他设备便可直接接入风力发电系统，可以省去这一部分的成本。
4.在转子侧储能的双馈风力发电系统中，电池的充放电状态取决于转子侧转差功率的大小和流向。如图1所示，当风力发电系统交流并网时，电池的充放电状态无法进行灵活控制，这是由于定子电压频率只能恒定为工频，同步速也就为定值，转速高于同步速时，才能给电池充电，转速低于同步速，电池放电，无法根据电池自身状态进行灵活充放电，甚至如果风速过低或者过高，电池的放电和充电电流就可能会超过电池所允许的最大充放电电池，影响电池使用寿命。


技术实现要素：

5.本发明的发明目的在于提供一种转子侧储能的直流并网型双馈风力发电系统及控制方法，能够灵活、有效地对储能装置充放电进行控制。
6.基于同一发明目的，本发明具有两个独立的技术方案：
7.1、一种转子侧储能的直流并网型双馈风力发电系统，包括双馈风力发电机、储能装置，所述双馈风力发电机的转子侧经转子侧变流器rsc接储能装置，所述双馈风力发电机的定子侧经二极管整流桥接直流电网；还包括：
8.电流传感器、电压传感器，所述电流传感器、电压传感器分别用于检测所述双馈风力发电机的定子侧电流、转子侧电流和和定子侧电压；
9.光码盘，所述光码盘用于检测所述双馈风力发电机转子转速；
10.pi调节单元，pi调节单元，所述pi调节单元用于对所述双馈风力发电机的定子磁链和定子侧输出功率进行pi调节，输出所述双馈风力发电机的转子电压参考值；
11.控制单元，所述控制单元信号输入端接所述电流传感器、电压传感器、光码盘的信号输出端，所述控制单元根据所述pi调节单元获得的转子电压参考值，控制所述转子侧变流器rsc，进而对储能装置充放电进行控制。
12.进一步地，所述控制单元根据当前风力参数、当前储能装置参数，确定储能装置当
前电流参考值；根据当前转子转速和所述储能装置当前电流参考值，获得所述双馈风力发电机的当前定子电压频率参考值；根据当前定子电压频率参考值，经所述pi调节单元pi调节，获得所述双馈风力发电机的转子电压参考值。
13.进一步地，所述控制单元根据当前定子电压频率参考值，获得定子磁链参考值和定子侧输出功率参考值；所述控制单元根据所述双馈风力发电机、直流电网的当前电压、电流值，计算获得当前定子磁链值和定子侧输出功率值。
14.进一步地，所述pi调节单元依次对所述双馈风力发电机的定子磁链、转子电流d轴分量进行pi调节，获得转子电压d轴分量参考值；依次对所述双馈风力发电机的定子侧输出功率、转子电流q轴分量进行pi调节，获得转子电压q轴分量参考值。
15.进一步地，所述控制单元通过pi调节算法实现pi调节。
16.进一步地，所述二极管整流桥为不可控二极管整流桥，使得所述双馈风力发电机定子侧单向输出功率，所述双馈风力发电机处于超同步发电运行状态或亚同步发电运行状态。
17.2、一种上述转子侧储能的直流并网型双馈风力发电系统的控制方法，包括如下步骤：
18.步骤1：通过电流传感器、电压传感器获得所述双馈风力发电机定、转子侧电流和定子侧电压；通过光码盘获得所述双馈风力发电机转子转速；
19.步骤2：根据当前风力参数、当前储能装置参数，确定储能装置当前电流参考值；根据当前转子转速和所述储能装置当前电流参考值，获得当前定子电压频率参考值；
20.步骤3：根据当前定子电压频率参考值，经pi调节获得所述双馈风力发电机的转子电压参考值；
21.步骤4：根据转子电压参考值，控制单元输出pmw信号控制所述转子侧变流器rsc，进而对储能装置充放电进行控制。
22.进一步地，步骤2中，当前定子电压频率参考值通过如下公式获得：
[0023][0024]
式中，n
r
为转子转速，p
n
为电机极对数，f
s
为定子电压频率参考值，p
cus
为定子铜耗，p
cur
为转子铜耗，i
b
为储能装置电流参考值，u
b
为储能装置电压参考值，k
s
为设定系数。
[0025]
进一步地，步骤2中，储能装置当前电荷量处于正常范围内时，确定储能装置当前电流参考值，使得所述双馈风力发电机跟踪最大风能工作在发电运行模式；
[0026]
储能装置当前电荷量低于正常范围时，确定储能装置当前电流参考值，使得储能装置充电，且所述双馈风力发电机处于超同步发电运行状态；
[0027]
储能装置当前电荷量高于正常范围时，确定储能装置当前电流参考值，使得储能装置放电，且所述双馈风力发电机处于亚同步发电运行状态。
[0028]
进一步地，步骤3中，包括如下步骤：
[0029]
步骤3.1：所述控制单元根据当前定子电压频率参考值，获得定子磁链参考值和定子侧输出功率参考值；
[0030]
定子磁链参考值ψ
s
*通过以下公式获得，
[0031][0032]
式中，ψ
s
*为定子磁链参考值，u
d
为所述直流电网电压值，f
s
为定子电压频率参考值；
[0033]
定子侧输出功率参考值p
s*
通过如下公式获得：
[0034]
p
s*
＝k
s
n
r2
f
s
+p
cus
[0035]
式中，k
s
为设定系数，n
r
为转子转速，f
s
为定子电压频率参考值，p
cus
为定子铜耗；
[0036]
步骤3.2：所述pi调节单元依次对所述双馈风力发电机的定子磁链、转子电流d轴分量进行pi调节，获得转子电压d轴分量参考值；依次对所述双馈风力发电机的定子侧输出功率、转子电流q轴分量进行pi调节，获得转子电压q轴分量参考值。
[0037]
本发明具有的有益效果：
[0038]
本发明双馈风力发电机的转子侧经转子侧变流器rsc接储能装置，所述双馈风力发电机的定子侧经二极管整流桥接直流电网；还包括pi调节单元，经所述pi调节单元pi调节后，输出所述双馈风力发电机的转子电压参考值；控制单元，所述控制单元信号输入端接所述电压传感器、电流传感器、光码盘的信号输出端，所述控制单元根据所述pi调节单元获得的转子电压参考值，控制所述转子侧变流器rsc，进而对储能装置充放电进行控制。本发明双馈风力发电机接直流电网，定子电压频率不需恒定为工频，利用双馈风力发电机定子电压频率的可调节性，通过转子侧变流器rsc灵活、有效地对储能装置充放电进行控制，结构简单、设计合理，有效降低成本。本发明通过转子侧变流器rsc直接接入储能装置，可以节省dc－dc变换器的成本，使得系统成本更进一步降低，并且不需要能量多次转换就可以直接起到灵活调节发电功率的作用。本发明储能装置通过转子侧接入，可以在风力不足时，储能装置放电带动dfig机组发电运行；在风力过剩时，吸收多余的风能给储能装置充电，在提高风能利用率的同时能直接就地解决风电功率波动的问题，更直接，效率也更高。同时，由于转子侧电池储能装置的存在，直流母线故障时，转子侧也不受影响，可以利用储能装置建立初始励磁，带动风力发电机发电，双馈风力发电机组作为黑启动电源，使得dfig自启动，并帮助风电微网实现黑启动，提高了系统的可靠性。本发明转子侧储能的直流并网型双馈风力发电系统具有成本低、可靠性高、控制简单、启动便利等优点。
[0039]
本发明控制单元根据当前风力参数、当前储能装置参数，确定储能装置当前电流参考值；根据当前转子转速和所述储能装置当前电流参考值，获得所述双馈风力发电机的当前定子电压频率参考值；根据当前定子电压频率参考值，经所述pi调节单元pi调节，获得所述双馈风力发电机的转子电压参考值；控制单元根据当前定子电压频率参考值，获得定子磁链参考值和定子侧输出功率参考值；所述控制单元根据所述双馈风力发电机、直流电网的当前电压、电流值，计算获得当前定子磁链值和定子侧输出功率值；所述pi调节单元依次对所述双馈风力发电机的定子磁链、转子电流d轴分量进行pi调节，获得转子电压d轴分量参考值；依次对所述双馈风力发电机的定子侧输出功率、转子电流q轴分量进行pi调节，获得转子电压q轴分量参考值。本发明通过上述方法获得转子电压参考值，进而控制转子侧变流器rsc，对储能装置充放电进行控制，兼顾当前风力(参数)和当前储能装置(参数)自身需求，更加灵活、有效地对储能装置充放电进行控制。
附图说明
[0040]
图1是现有交流并网型双馈风力发电系统示意图；
[0041]
图2是本发明直流并网型双馈风力发电系统的电路原理图；
[0042]
图3是本发明直流并网型双馈风力发电系统的控制原理图。
具体实施方式
[0043]
下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
[0044]
实施例一：
[0045]
转子侧储能的直流并网型双馈风力发电系统
[0046]
如图2所示，包括双馈风力发电机dfig、储能装置，本实施例中储能装置采用储能电池1，但其并不仅限于电池储能，还包含超级电容、固态电池等储能装置。其中电池储能是由70－200个电池单体串联组成，电压范围为200v到600v，电池电流范围为20ah－300ah。所述双馈风力发电机的转子侧经转子侧变流器rsc 4接储能装置，所述双馈风力发电机的定子侧经二极管整流桥8接直流电网，本实施例中，所述二极管整流桥为不可控二极管整流桥，使得所述双馈风力发电机定子侧单向输出功率，所述双馈风力发电机处于超同步发电运行状态或亚同步发电运行状态。
[0047]
还包括：
[0048]
电流传感器5、电压传感器7，所述电流传感器5、电压传感器7分别用于检测所述双馈风力发电机定子侧电流i
sa
、i
sb
、i
sc
、转子侧电流i
ra
、i
rb
、i
rc
和定子侧电压u
sa
、u
sb
、u
sc
，直流电网还可设电压传感器，用于采集直流电网电压u
d
。
[0049]
光码盘6，所述光码盘6用于检测所述双馈风力发电机转子转速n
r
；
[0050]
pi调节单元(pi调节器)3，所述pi调节单元用于经pi调节后输出所述双馈风力发电机的转子电压参考值；
[0051]
控制单元2，本实施例中，采用dsp控制单元，所述控制单元信号输入端接所述电压传感器、电流传感器、光码盘的信号输出端，所述控制单元根据所述pi调节单元获得的转子电压参考值，控制所述转子侧变流器rsc 4，进而对储能装置充放电进行控制。
[0052]
所述控制单元根据当前风力参数、当前储能装置参数，确定储能装置当前电流参考值；根据当前转子转速和所述储能装置当前电流参考值，获得所述双馈风力发电机的当前定子电压频率参考值。
[0053]
所述控制单元根据当前定子电压频率参考值，获得定子磁链参考值和定子侧输出功率参考值；所述控制单元根据所述双馈风力发电机、直流电网的当前电压、电流值，计算获得当前定子磁链值和定子侧输出功率值。
[0054]
所述pi调节单元依次对所述双馈风力发电机的定子磁链、转子电流d轴分量进行pi调节，获得转子电压d轴分量参考值；依次对所述双馈风力发电机的定子侧输出功率、转子电流q轴分量进行pi调节，获得转子电压q轴分量参考值。
[0055]
所述pi调节单元可为硬件，所述控制单元与所述pi调节单元通讯连接；或者，所述pi调节单元为pi调节算法，所述控制单元通过pi调节算法实现pi调节。
[0056]
实施例二：
[0057]
转子侧储能的直流并网型双馈风力发电系统的控制方法
[0058]
如图3所示，包括如下步骤：
[0059]
步骤1：通过电流传感器、电压传感器获得所述双馈风力发电机定子侧电流i
sa
、i
sb
、i
sc
、转子侧电流i
ra
、i
rb
、i
rc
和定子侧电压u
sa
、u
sb
、u
sc
；通过光码盘获得所述双馈风力发电机转子转速n
r
。
[0060]
图3中，θ
s
表示定子位置角，θ
r
表示转子位置角，θ
sl
表示转差角，ω
r
表示转子角速度。
[0061]
步骤2：根据当前风力参数、当前储能装置参数，确定储能装置当前电流参考值；根据当前转子转速和所述储能装置当前电流参考值，获得当前定子电压频率参考值。
[0062]
确定储能装置当前电流参考值：
[0063]
储能装置当前电荷量处于正常范围内时，确定储能装置当前电流参考值，使得所述双馈风力发电机跟踪最大风能工作在发电运行模式；储能装置当前电荷量低于正常范围时，确定储能装置当前电流参考值，使得储能装置充电，且所述双馈风力发电机处于超同步发电运行状态；储能装置当前电荷量高于正常范围时，确定储能装置当前电流参考值，使得储能装置放电，且所述双馈风力发电机处于亚同步发电运行状态。
[0064]
储能电池放电，对应dfig处于亚同步发电状态，储能电池充电对应dfig处于超同步发电状态。当转子转速低于同步速，dfig亚同步运行，转差率为正，转差功率从电池流向转子，所以电池放电；转子转速高于同步速时，dfig超同步运行，转差率为负，转差功率由转子侧流出，所以电池充电。而且电池的充放电控制应该要与电池自身需求相匹配，要根据其充放电需求能够进行灵活控制。例如电池如果电量过多就需要对电池进行放电，电量不足就需要对电池进行充电。
[0065]
获得当前定子电压频率参考值：
[0066]
定转子均采用电动机惯例，本文中电机极对数为pn，因此可以转速计算得到转差率表达式为：
[0067][0068]
式中，n
s
，n
r
——同步转速，转子转速；
[0069]
f
s
——定子频率。
[0070]
在双电动机惯例下，在双馈风力发电机中，风力机的输出功率为：
[0071]
p
v
＝
‑
0.5ρsv3c
p
[0072]
p
v
＝p
m
‑
sp
m
[0073]
式中p
v
——风机输出功率；
[0074]
p
m
——电磁功率。
[0075]
在考虑到定、转子铜耗等损耗下，定、转子侧分别有如下功率关系式：
[0076]
p
m
+p
cus
＝p
s
[0077]
‑
sp
m
+p
cur
＝p
r
[0078]
式中ps，pr——定、转子侧流出的功率，简称为定、转子功率；
[0079]
p
cus
，p
cur
——定、转子铜耗，
[0080][0081]
由此可得定、转子功率之间的关系为：
[0082]
p
r
‑
p
cur
＝
‑
s(p
s
‑
p
cus
)
[0083]
储能电池与转子侧之间进行能量交换，考虑到转子侧变流器损耗，则可以表示为：
[0084]
p
r
+p
rsc
＝u
b
i
b
[0085]
式中p
rsc
——转子侧变流器损耗；
[0086]
u
b
，i
b
——电池电压和电流。
[0087]
综上，当前定子电压频率参考值f
s
通过如下公式获得：
[0088][0089]
式中，n
r
为转子转速，p
n
为电机极对数，f
s
为定子电压频率参考值，p
cus
为定子铜耗，p
cur
为转子铜耗，i
b
为储能装置电流参考值，u
b
为储能装置电压参考值，k
s
为设定系数。
[0090]
步骤3：根据当前定子电压频率参考值，经pi调节获得所述双馈风力发电机的转子电压参考值。
[0091]
步骤3.1：所述控制单元根据当前定子电压频率参考值，获得定子磁链参考值和定子侧输出功率参考值。
[0092]
定子磁链参考值ψ
s
*通过以下公式获得，
[0093][0094]
式中，ψ
s
*为定子磁链参考值，u
d
为所述直流电网电压值，f
s
为定子电压频率参考值。
[0095]
定子侧输出功率参考值p
s*
通过如下公式获得：
[0096]
p
s*
＝k
s
n
r2
f
s
+p
cus
[0097]
式中，k
s
为设定系数，n
r
为转子转速，f
s
为定子电压频率参考值，p
cus
为定子铜耗。
[0098]
所述控制单元根据所述双馈风力发电机、直流电网的当前电压、电流值，计算获得当前定子磁链值和定子侧输出功率值。
[0099]
磁链方程：
[0100]
ψ
s
＝l
s
i
sd
+l
m
i
rd
[0101]
式中ψs——定子磁链；
[0102]
ls，lm——dq坐标系下定子自感，定转子间互感；
[0103]
isd——定子电流d轴分量；
[0104]
ird——转子电流d轴分量。
[0105]
在双电动机惯例下，定子磁链d轴定向下，定子功率方程为：
[0106][0107]
式中ps——定子功率；
[0108]
usd，usq——定子电压d轴分量和q轴分量；
[0109]
isq——定子电流q轴分量。
[0110]
步骤3.2：所述pi调节单元依次对所述双馈风力发电机的定子磁链、转子电流d轴分量进行pi调节，通过对定子磁链pi调节获得转子电流d轴分量参考值i
rd*
,通过对转子电流d轴分量pi调节，获得转子电压d轴分量参考值u
rd*
；依次对所述双馈风力发电机的定子侧输出功率、转子电流q轴分量进行pi调节，通过对定子侧输出功率pi调节，获得转子电流q轴分量参考值i
rq*
,通过对转子电流q轴分量pi调节，获得转子电压q轴分量参考值u
rq*
。
[0111]
步骤4：将转子电压d轴分量参考值u
rd*
、转子电压q轴分量参考值u
rq*
进行坐标变换后，获得转子电压参考值u
ra*
、u
rb*
、u
rc*
，基于转子电压参考值，控制单元输出pmw信号控制所述转子侧变流器rsc，进而对储能装置充放电进行控制。
[0112]
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
[0113]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。