一种基于双馈式风力发电系统的制作方法

本发明涉及风力发电领域，尤其涉及一种基于双馈式风力发电系统。

背景技术：

风力发电是大规模利用清洁能源的有效途径，由于其在减轻环境污染、改善能源结构、解决偏远地区居民用电问题等方面的突出作用，越来越受到世界各国的重视。近年来，风力发电技术取得了长足的进步和发展，大规模、大容量的风电场在世界各地相继投产。但由于风电机组的输出功率主要受风速、气压、温度等多方面影响，因此经常发生波动。当风电接入容量达到一定比例时，其输出功率的随机波动将给电力系统的稳定运行带来一些负面影响，如频率不稳定、电压闪变和跌落、谐波污染等，特别是当系统备用容量不足时，影响更加明显。

能源和环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题，对可再生能源的开发利用，特别是对风能的开发利用已受到世界各国的高度重视，双馈风力发电机控制技术也已经较为成熟。但风能与常规能源不同，具有随机性，因此，大规模的风电并网会对电网造成不利影响，并且会给电网调度工作带来困难。近年来，针对减小风能随机性带来的危害开展了不少研究，储能设备性能的不断完善也为平抑风力发电输出功率提供了更为强大的硬件支持。

双馈式风力发电机是由英国学者的设想而来，在自级联导发电机研发基础上，逐渐研发而来，双馈式发电机与绕线异步电机有着结构类似性，因定子、转子两部分均可以馈出、馈入电能，所以称之为双馈。另外，因双馈式发电机利用转子形成交流，因此，双馈式发电机又叫做交流励磁发电机。双馈式风力发电机，双馈主要指电机定子、转子，都能完成电力供应。通常而言，双馈式发电机是由接线盒、转子、定子、冷却系统、滑环系统和传动结构构成。转子结构一般为散嵌绕组、半线圈与成型绕组构成。滑环系统包含滑环座、维护罩、碳刷、风扇等构成，滑环环氧浇注式、热套式类型，冷却系统包含水冷式和风冷式方式。从某种性质来看，双馈式发电机属于异步式发电机范围，这类发电机具有同步式发电机的励磁绕组，一般用于功率因素、励磁过程的调控，所以双馈式发电机具有异步、同步两种优点。针对双馈式发电机定子贴心，有相同形状凹槽的均匀分布，主要是用于嵌入定子绕组，通过定子三相电流，产生一定旋转磁场。在转子中，利用嵌入绝缘导线，可组成三相绕组。在转子上引出三相线，再连接转轴的集电环，通过电刷引出。通常而言，定子和工频电网能够直接连接，转子通过变换器与电网连接，以便于转子的交流励磁。同时，双馈式发电机的成本较低、体积较小，调节方式为无功率调节，且抗电磁的干扰能力强，具有简便易行的特点。发电机励磁过程和供电网络没有直接联系，由转子即可直接完成所处电路。所以双馈式发电机的输出能量较为稳定，在工作过程中，电网通常不会发生较大的波动幅度。双馈式发电机系统利用电机励磁过程的控制，能够准确和快速地调节运转状态、功率因素。此外，对于风力变化影响，双馈式发电机适应能力较强，可保持稳定的输出能力。

将超导储能接在风电场的直流母线上，再通过控制电力电子变换器与电网连接保证并网功率平稳。利用超级电容储能来平稳风力发电设备输出功率波动。以上一类方法都将储能装置通过电力电子变换器并联在风电设备公共并网点(pcc)上，对输出端口进行集中补偿，能够很好地保证并网点功率输出平稳。但是这种补偿方式也存在以下不足：①储能装置与各个风力发电系统是相对独立的系统，在补偿过程中需要一个上层能量管理系统进行统一协调控制，从而增加了控制复杂度，影响系统的动态响应；②这种集中型的补偿模式一旦在储能装置故障的情况下，各发电单元都不能按需求工作，从而降低了系统的可靠性；③对于增加的储能装置，需要通过大功率的dc/ac变换器接入电力系统，增加了整个系统的成本。

技术实现要素：

本发明公开了一种基于双馈式风力发电系统，是一种智能化、模块化、机械化的装置，双馈式发电机并入svg补偿装置后，在不同风速下，双馈式发电机并网点电压稳定，将储能系统加入背靠背变换器的直流母线中，有效地抑制了风速随机化引起的风力发电系统并网点输出功率的波动，超级电容器与蓄电池组的组合使用，延长了蓄电池组的使用寿命，克服了蓄电池组单独运行时充放电过于频繁的不足。

本发明是这样实现的，一种基于双馈式风力发电系统，包括风力机，所述风力机一端连接变速箱，风力机利用风力机叶片将风能收集并通过变速箱对收集到的风能进行处理，然后送入双馈式发电机中，将风能作用在发电机转子上的机械能，将吸收的叶片转矩转换为作用在发电机转子上的机械转矩，通过双馈式发电机转子的转动，将机械能转化为电能，将所得的电能经过转子侧pwm变换器和电网侧pwm变换器进行处理后输入电网；

所述转子侧pwm变换器和电网侧pwm变换器为背靠背变换器，转子侧pwm变换器和电网侧pwm变换器之间设置有储能装置，电网侧pwm变换器控制储能装置与电网之间交换的有功功率，补偿机械功率波动引起的发动机端定子输出有功功率的波动；

所述电网侧pwm变换器一侧设置有svg补偿装置，电网侧pwm变换器作为静止无功发生器时，电网侧pwm变换器受svg补偿装置控制，svg补偿装置主要是用于稳定并网点的节点电压和直流侧的电容电压；

所述储能装置与dc/dc变换器并联，dc/dc变换器通过电容器的触发脉冲进行控制。

进一步地，所述svg补偿装置采用直接电流控制，并基于瞬时无功理论引入同步坐标变换后的dq轴电流控制方法，svg补偿装置包括电压外环控制系统、pi调节器、直流侧电容器和电流内环控制系统，所述电压外环控制系统是将svg并网点的电压的参考信号upccref与实际值upcc的差值经过一个pi调节器变换成一个无功电流指令参考信号，将直流侧电容器两端电压的参考值udcref与实际值udc比较后经pi调节器变换成另一个有功电流指令参考信号，用于实现svg并网点电压和电容器两端电压值的稳定，所述电流内环控制系统是将实际采样的电流反馈值通过同步坐标变换成dq轴电流后，与外环的有功无功电流参考信号进行比较，通过pi调节器变换后，与三角载波信号进行比较生成pwm控制信号，用于控制svg补偿装置开关管的通断，直接对电流值进行反馈控制，实现内环电流的无静差跟踪控制，控制电路的实质是通过控制调节svg并网点的电压和交流电流的大小和相位差，来改变svg发出或吸收无功的大小，实现对并网点无功动态补偿。

进一步地，所述dc/dc变换器外接超级电容器，超级电容器通过dc/dc变换器与储能装置相连，超级电容器通过双馈式发电机的电网侧pwm变换器与电网的实现功率交换，超级电容器的充放电功率控制主要通过调节dc/dc变换器触发信号的占空比实现。

进一步地，所述电网侧pwm变换器与蓄电池组并联，电网侧pwm变换器通过蓄电池控制系统的触发脉冲进行控制，蓄电池组对电网侧pwm变换器进行低频补偿。

进一步地，所述超级电容器和蓄电池组混合进行风力发电系统功率平抑，蓄电池组整个功率平抑过程中充放电状态只有一次切换，避免了蓄电池组单独运行时充放电过于频繁的不足。

进一步地，双馈式发电机在稳态时转子侧向定子侧提供转差功率，采用最大风能跟踪控制策略时，定子侧输出功率ps可表示为

式中：ρ为空气密度，sw为扫风面积，r为浆叶半径，λopt为最佳叶尖速比，cpmax为最大风能利用系数，ωr为发电机转子电角速度，np为发电机极对数，n为齿轮传动比，pcus为定子铜耗。

在最大风能跟踪控制下，双馈式发电机总电磁功率pe可表示为：

定义虚拟风速

则pe可简化表示为

在双馈式发电机运行过程中，只需要检测转子的实时角速度，则可计算出虚拟风速，进而得出双馈式发电机实时电磁功率。

进一步地，所述风力机的机械转矩tw与风速vw的关系可以表示为：

式中：β为浆叶的桨距角，ρ为空气密度，r为浆叶半径，cp为风能利用系数，叶尖速比λ＝ωmr/vw，ωm是风力机叶片的机械转速。

进一步地，所述桨距角β通过桨距角控制系统进行控制，桨距角控制系统是指借助控制技术和动力系统改变发电机轮毂叶片桨距角β的大小，从而改变叶片的气动特性，控制双馈式发电机的输出功率。

本发明提供的一种基于双馈式风力发电系统的优点在于：本发明提供了一种基于双馈式风力发电系统，是一种智能化、模块化、机械化的装置，双馈式发电机并入svg补偿装置后，在不同风速下，双馈式发电机并网点电压稳定，系统节点电压偏移量小，且其效果在风速较大时更加明显，svg补偿装置的并入在一定程度上降低了网络损耗，抑制了风速较大时因系统无功需求过多而产生的失稳现象，将储能系统加入背靠背变换器的直流母线中，并对背靠背变换器实施功率控制策略，有效地抑制了风速随机化引起的风力发电系统并网点输出功率的波动，超级电容器与蓄电池组的组合使用，不仅解决了超级电容器在系统补偿中的功率受限状况，而且蓄电池组在整个功率平抑过程中充放电状态只有一次切换，延长了蓄电池组的使用寿命，克服了蓄电池组单独运行时充放电过于频繁的不足。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种基于双馈式风力发电系统的结构框图；

图2为本发明一种基于双馈式风力发电系统的svg控制电路的结构原理图；

图3(a)为本发明一种基于双馈式风力发电系统的svg补偿装置优化前后0.5s时系统网损、节点电压以及电压偏移对照表；

图3(b)为本发明一种基于双馈式风力发电系统的svg补偿装置优化前后1.5s时系统网损、节点电压以及电压偏移对照表；

图4(a)为本发明一种基于双馈式风力发电系统的超级电容器参考补偿功率曲线；

图4(b)为本发明一种基于双馈式风力发电系统的超级电容器运行补偿电流曲线；

图4(c)为本发明一种基于双馈式风力发电系统的蓄电池组运行补偿电流曲线；

图4(d)为本发明一种基于双馈式风力发电系统的蓄电池组参考补偿功率曲线；

图5为本发明一种基于双馈式风力发电系统的风力机桨距角控制特性曲线；

其中，1、风力机，2、变速箱，3、双馈式发电机、4、转子侧pwm变换器，5、储能装置，6、svg补偿装置，7、dc/dc变换器，8、蓄电池控制，9、电网侧pwm变换器，10、蓄电池组，11、触发脉冲，12、电容器，13、超级电容器。

具体实施方式

本发明公开了一种基于双馈式风力发电系统，是一种智能化、模块化、机械化的装置，双馈式发电机并入svg补偿装置后，在不同风速下，双馈式发电机并网点电压稳定，将储能系统加入背靠背变换器的直流母线中，有效地抑制了风速随机化引起的风力发电系统并网点输出功率的波动，超级电容器与蓄电池组的组合使用，延长了蓄电池组的使用寿命，克服了蓄电池组单独运行时充放电过于频繁的不足。

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚和详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。请参阅图1，本发明实施例提供的一种基于双馈式风力发电系统。

如图1所示，一种基于双馈式风力发电系统，包括风力机1，所述风力机1一端连接变速箱2，风力机1利用风力机叶片将风能收集并通过变速箱2对收集到的风能进行处理，然后送入双馈式发电机3中，将风能作用在发电机转子上的机械能，将吸收的叶片转矩转换为作用在发电机转子上的机械转矩，通过双馈式发电机3转子的转动，将机械能转化为电能，将所得的电能经过转子侧pwm变换器4和电网侧pwm变换器9进行处理后输入电网，所述转子侧pwm变换器4和电网侧pwm变换器9为背靠背变换器，转子侧pwm变换器4和电网侧pwm变换器9之间设置有储能装置5，电网侧pwm变换器9控制储能装置5与电网之间交换的有功功率，补偿机械功率波动引起的发动机端定子输出有功功率的波动，所述电网侧pwm变换器9一侧设置有svg补偿装置6，电网侧pwm变换器9作为静止无功发生器时，电网侧pwm变换器9受svg补偿装置6控制，svg补偿装置6主要是用于稳定并网点的节点电压和直流侧的电容电压，所述储能装置5与dc/dc变换器7并联，dc/dc变换器7通过电容器12的触发脉冲11进行控制。

如图2所示，svg补偿装置6采用直接电流控制，并基于瞬时无功理论引入同步坐标变换后的dq轴电流控制方法，svg补偿装置6包括电压外环控制系统、pi调节器、直流侧电容器和电流内环控制系统，所述电压外环控制系统是将svg并网点的电压的参考信号upccref与实际值upcc的差值经过一个pi调节器变换成一个无功电流指令参考信号，将直流侧电容器两端电压的参考值udcref与实际值udc比较后经pi调节器变换成另一个有功电流指令参考信号，用于实现svg并网点电压和电容器两端电压值的稳定，所述电流内环控制系统是将实际采样的电流反馈值通过同步坐标变换成dq轴电流后，与外环的有功无功电流参考信号进行比较，通过pi调节器变换后，与三角载波信号进行比较生成pwm控制信号，用于控制svg补偿装置6开关管的通断，直接对电流值进行反馈控制，实现内环电流的无静差跟踪控制，控制电路的实质是通过控制调节svg并网点的电压和交流电流的大小和相位差，来改变svg发出或吸收无功的大小，实现对并网点无功动态补偿。

如图3所示，通过双馈式发电机中是否安装svg补偿装置进行无功输出优化验证，得到了优化前后0.5s和1.5s时系统网损、节点电压以及电压偏移对照表，其中节点电压的偏移用实际电压相对额定电压的差值与额定电压的比值的百分数表示，分析图3(a)和图3(b)可知，双馈风力发电机的并入，未加入svg时，系统在2个典型时刻的电压分布明显不同，电压偏移量也较大，电网受风速波动性的影响相当大；并入svg后，在不同风速下双馈式发电机并网点电压均得到稳定，系统节点电压偏移量得到降低，且其效果在风速较大时更加明显；同时，svg的并入在一定程度上降低了网络损耗，抑制了风速较大时因系统无功需求过多而产生的失稳现象。

dc/dc变换器7外接超级电容器13，超级电容器13通过dc/dc变换器7与储能装置5相连，超级电容器13通过双馈式发电机的电网侧pwm变换器9与电网的实现功率交换，超级电容器13的充放电功率控制主要通过调节dc/dc变换器7触发信号的占空比实现。

电网侧pwm变换器9与蓄电池组10并联，电网侧pwm变换器9通过蓄电池控制系统的触发脉冲11进行控制，蓄电池组10对电网侧pwm变换器9进行低频补偿。

如图4所示，搭建1.5mw双馈式发电机模型，其储能装置5的的主要参数如下：超级电容器电容量为10f，进线电抗为0.01h，补偿周期为0.002s，直流环节电压为1400v；蓄电池组额定容量为400ah，内阻为0.5ω，补偿周期为5s，直流环节电容量为0.5f，以此参数的双馈式发电机模型进行工作，如图4(b)所示的超级电容器13的充电电流曲线，说明了控制策略能够较好地实现功率补偿作用，结合图4(a)所示的超级电容器参考功率值，可以得出超级电容器在补偿过程中未出现功率受限状况，这与蓄电池组10的补偿作用有关；如图4(c)所示的蓄电池组10运行的电流曲线，结合图4(d)所示的蓄电池组10参考功率值，可以得出蓄电池组10的充电电流在改变后大约需要2s达到稳定，但这不会影响蓄电池组10对电网输出功率的响应，蓄电池组10整个功率平抑过程中充放电状态只有一次切换，这对于延长蓄电池组10的使用寿命非常有利，克服了蓄电池组10单独运行时充放电过于频繁的不足。

双馈式发电机3在稳态时转子侧向定子侧提供转差功率，采用最大风能跟踪控制策略，双馈式发电机的浆叶半径r为29m、转子电角速度ωr为1810r/min、极对数np为6对、齿轮传动比n为1/60，因而其扫风面积sw为2640.7m²，双馈式发电机的最大风能利用系数cpmax为定值0.593、最佳叶尖速比λopt为定值6、定子铜耗pcus为定值25kw，双馈式发电机的转差率s为0.08-0.15，一般常数s取值为0.1，使用空气密度测量仪对空气进行测量，得到25℃时的空气密度为1.29g/l，根据以下公式

可以得出定子侧输出功率ps。

在最大风能跟踪控制下，双馈式发电机3总电磁功率pe为

定义虚拟风速：

则pe可简化表示为：

双馈式发电机3的额定风速为13m/s，通过以上公式，在双馈式发电机3运行过程中，只需要检测转子的实时角速度，则可计算出虚拟风速，进而得出双馈式发电机3实时电磁功率。

如图5所示，双馈式发电机3的风力机叶片的机械转速为ωm为2040r/min，浆叶的桨距角为β，叶尖速比λ＝ωmr/vw，得到风力机的机械转矩tw与风速vw的关系为：

上式转化为了机械转矩tw、风速vw和桨距角β的关系，桨距角β通过桨距角控制系统进行控制，桨距角控制系统是指借助控制技术和动力系统改变发电机轮毂叶片桨距角β的大小，从而改变叶片的气动特性，控制双馈式发电机3的输出功率；变桨距控制是通过控制风机的桨距角，改变桨叶的迎风角度与输入的机械能量，使其处于最大功率点之下的某一运行点，从而留出一定的备用容量，风况一定的情况下，桨距角越大，机组留有的有功备用也就越大，如图5所示，风机桨距角增大，将使风机的功率–转速曲线整体下移，运行点从1点下降到3点，所捕获的风能减少；反之，如果此时减小桨距角，风机所捕获的能量又可以相应增加，实现风力发电的调频目的。

综上所述，本发明提供了一种基于双馈式风力发电系统，是一种智能化、模块化、机械化的装置，双馈式发电机并入svg补偿装置后，在不同风速下，双馈式发电机并网点电压稳定，系统节点电压偏移量小，且其效果在风速较大时更加明显，svg补偿装置的并入在一定程度上降低了网络损耗，抑制了风速较大时因系统无功需求过多而产生的失稳现象，将储能系统加入背靠背变换器的直流母线中，并对背靠背变换器实施功率控制策略，有效地抑制了风速随机化引起的风力发电系统并网点输出功率的波动，超级电容器与蓄电池组的组合使用，不仅解决了超级电容器在系统补偿中的功率受限状况，而且蓄电池组在整个功率平抑过程中充放电状态只有一次切换，延长了蓄电池组的使用寿命，克服了蓄电池组单独运行时充放电过于频繁的不足。

以上对本发明所提供的一种基于双馈式风力发电系统进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。