一种集成储能单元的永磁同步风力发电机变流拓扑

本发明属于永磁同步发电机变流，涉及一种集成储能单元的永磁同步风力发电机变流拓扑。

背景技术：

1、风力发电是应对化石能源危机的一个重要组成部分，在众多风力发电机机型中，永磁同步发电机因其具备变流器拓扑简单、功率密度高、转换效率高等特点，长期占据较大的市场份额。然而，随着新能源渗透率的大幅提升，变流器容量固定不变、结构单一的问题逐渐显现，这使得永磁同步发电机无法灵活应对各类电网场景交互引发的扰动杂糅等一系列问题，降低了硬件利用率。因此，亟需提出一种集成储能单元的永磁同步发电机变流电路，能够同时兼顾储能设备集成和永磁同步发电机电网适应性提升。

2、风能资源的随机性、间歇性、波动性使风机无法稳定输出电能，进而影响电网频率的稳定，这一不足之处随着风电并网装机容量的增加，进一步被放大。为使风力发电机具备响应电网频率波动的能力，公开日期为2017年6月的文献《全风况下双馈风机参与调频的协调控制策略研究》(赵冬梅等，电力系统保护与控制)研究了减载控制策略，结合变桨技术，使风机运行于次优功率曲线之下，功率差额作为预留的备用容量，用以提供频率支撑。这一方法牺牲了风能资源的利用率，长期使用甚至对风轮造成较大的机械损耗。随着研究的深入，储能单元的应用逐渐受到关注。公开日期为2013年1月的文献《混合储能系统平抑风力发电输出功率波动控制方法设计》(蒋平等，电力系统自动化)提到在风电场并网端口处配置蓄电池组动态补偿风电场惯量。但是频繁的充放电严重威胁蓄电池组的使用寿命，不利于长期稳定运行。同时，公开日期为2023年1月的文献《基于超级电容储能的双馈风力发电机一次调节方法》(颜湘武等，高电压技术)提出根据储能需求在背靠背变流器的直流侧通过dc/dc变流器接入超级电容参与一次调频，通过与网侧变流器的协同控制，为电网提供频率和电压的支撑，此类方法较之前者更具经济型和灵活性。然而，集成储能单元的变流器拓扑中配置的大功率dc/dc变流器大幅提高了造价成本，其附加储能回路的存在也没有提升自身的控制性能，功能单一，降低了储能元件的性价比。

3、受电机定子绕组非正弦分布、pwm调制中的死区效应、大功率低开关频率变流器控制引起的气隙磁场畸变等因素影响，永磁同步发电机及其变流器控制环节中存在丰富的电压/电流谐波。电机定子绕组的感抗对高频谐波的抑制效果更为明显，而低频的5、7次谐波的存在使电机运行过程中出现转矩倍频脉动，并伴随噪声，进而降低了系统的运行效率。

4、为抑制低频电流谐波为电机和变流器带来的危害，现有研究划分为硬件改造和控制优化两个方面。公开日期为2016年的文献《a novel methodology for optimal designof fractional slot with concentrated windings》(集中绕组分数槽优化设计的新方法,ieee trans.energy convers.，2016，31(3)：1153-1160.国际电工电子工业协会能源变换会刊，2016，31(3)：1153-1160.)通过优化设计定子绕组的分布，削减定子电流对合成气隙磁链非正弦的影响，但是此类方法无法抑制因控制系统非线性环节引起的低次谐波，同时对电机本机的改造成本高，周期长，不易实施。公开日期为2020年5月的文献《高速磁悬浮牵引系统大功率三电平整流器特定谐波消除脉宽调制策略》(张剑等，中国电机工程学报)提出了根据变流器调制比的变化在线修正shepwm开关角的策略，从而补偿死区效应，大幅降低了谐波畸变率。然而，离线查询开关角序列的shepwm方式，降低了系统动态性能。控制优化方面应用最为广泛的是基于谐波注入的控制策略。公开日期为2016年7月的文献《基于电压注入的高速永磁电机谐波电流抑制方法》(刘刚等，电机与控制学报)将5、7次谐波经过坐标变换至同步旋转坐标系中，通过比例谐振控制器对6次谐波进行控制，并将其作为前馈量，以电压的形式补偿至控制回路。

5、文献调研发现，永磁同步发电机的电网频率支撑能力由附加储能的变流器硬件设备提供。然而，高额的造价、维护成本和电网稳定运行期间无法为自身控制带来性能优化的单一功能相比，极大程度的降低了性价比。因此，为破解永磁同步发电机集成储能需求和提升自身控制性能两方面研究相对孤立的局面，提出一种能够同时兼顾故障电网下的频率支撑和电网适应能力以及正常电网下对自身控制性能的优化能力的永磁同步发电机变流器电路拓扑方案成为当前的研究重点。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于如何设计一种能够同时兼顾储能单元集成和自身控制性能的提升的集成储能单元的永磁同步风力发电机变流拓扑。

2、本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：

3、一种集成储能单元的永磁同步风力发电机变流拓扑，包括：双y相移30°三相永磁同步发电机、储能变流器、储能单元、机侧变流器、母线电容、网侧变流器；所述的双y相移30°三相永磁同步风力发电机采用分裂定子绕组设计，双y相移30°三相永磁同步发电机定子端引出两套三相定子绕组：abc相定子绕组和uvw相定子绕组，两套三相定子绕组对应相间相移30°，每套三相定子绕组的一端连接，另一端引出，形成两套三相定子接线端子，两套三相定子绕组的中性点不连接，仅存在电磁耦合；abc相定子绕组与所述的机侧变流器交流侧连接；机侧变流器的直流侧与网侧变流器的直流侧并入母线电容，网侧变流器的交流侧经滤波元件并入电网；uvw相定子绕组与储能变流器交流侧连接，储能变流器直流侧直接集成储能单元。

4、进一步地，所述的储能单元采用蓄电池或超级电容，或是二者的混合，为双y相移30°三相永磁同步发电机提供储能。

5、进一步地，所述的母线电容采用电解电容或薄膜电容，起直流吸收和缓冲电压作用。

6、进一步地，所述的储能变流器、机侧变流器、网侧变流器均采用三相桥式电压源型变流器结构。

7、进一步地，所述的滤波元件采用三相lcl型、lc型或l型滤波器中的任意一种，起滤除并网电流谐波的作用。

8、一种应用于所述的集成储能单元的永磁同步风力发电机变流拓扑的控制方法，当电网处于正常工况下，双y相移30°三相永磁同步风力发电机的一部分有功功率流经uvw相定子绕组，由储能变流器实现变流储存在储能单元中；同时，另一部分有功功率流经abc相定子绕组，再经机侧变流器、网侧变流器及滤波元件后传输并网；当电网频率波动，需要减少有功功率的传输时，储能单元释放能量。

9、本发明的优点在于：

10、本发明的技术方案同时兼具储能单元接入和提升双y相移30°三相永磁同步风力发电机自身控制性能的从而抑制谐波电流的功能，在无需dc/dc变流器的情况下，实现了储能单元的直接集成，降低了拓扑的复杂性和造价成本，提升了运行效率；两套三相定子绕组间存在电磁耦合，可以通过控制储能变流器减少机侧变流器谐波电流，一方面降低了电机损耗，另一方面有效改善了并网电流的电能质量；双y相移30°三相永磁同步风力发电机随着定子绕组的增加，降低了每相电流大小和功率密度，进而降低了硬件功率等级，节省了变流成本。