采用超级电容提升风电机组频率支撑能力的控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种采用超级电容提升风电机组频率支撑能力的控制系统,所述系统包括包含依次连接的风轮、齿轮箱、发电机、变流器和crowbar保护，还包括与电网连接的箱变，其特征在于,所述系统还包括超级电容器，所述超级电容器加装在所述变流器的直流母线上，所述超级电容器通过DC-DC变换器与风机变流器的直流母线相连，超级电容器可根据风电机组运行状态进行有序充、放电，维持自身运行条件，具有较好的可靠性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于风力发电运行控制领域，具体涉及一种采用超级电容提升风电机组频率支撑能力的控制系统。
技术介绍
现代风电机组经变流器控制可实现变速恒频运行，这种控制的优点是，在保证与电网同步的前提下，能够根据风机的气动特性通过转速控制实现风能的最大捕获，且功率响应速度快，可见风电机组属非同步电源，其机械转速与电网同步速解耦。这种控制在强电网下可以兼顾风能捕获和发电质量，但在弱电网、微网或以风电、光电等新能源为主导的系统中存在较大问题，主要体现在减小了系统的总惯量，不利于频率的稳定。目前，使风电具备惯量支撑和频率响应能力主要从两个方面进行技术改造，一方面是在风电机组原有的功率控制上增加辅助控制回路，该环路用于检测系统频率变化率，并经过滤波和整形后作为转矩增量叠加到原有的转矩指令上，通过该辅助控制可以提取风电机组自身的机械惯量，同时，增加频率变化量的检测回路，并根据设定的下垂曲线可使风电机组具有频率响应的能力，但其前提是风电机组具有一定的有功备用，实现的方法主要是通过变速-变桨结合的方式让风电机组运行于降功率状态；另一方面是通过在风场增加集中储能装置来提供惯量支撑和频率响应，采用的控制策略与前者基本相同。现有技术的不足主要表现在：a)惯量提取方面：风电机组在惯量提取过程中会导致转速下降，转速下降进一步导致气动功率的下降，如果控制不当，会导致机组失速，除此之外，过渡提取转速还会导致系统频率在恢复过程中产生二次跌落的现象，无疑增加了控制器设计的难度。b)频率响应方面：风电机组参与频率响应首先要工作于降功率状态，无疑降低了发电量，其经济可行性需要进一步讨论，除此之外，由于风速实时在波动，保证恒定的有功备用就要频繁的变桨和变速，增加了风机载荷，对风机的稳定运行和使用寿命都有影响。现有的一种基于超级电容器和蓄电池混合储能的双馈风力发电机励磁系统，该系统通过控制双馈电机的转子励磁，从而达到控制双馈电机定子侧输出的功率的特性，该方案的不足之处是励磁控制算法本身非常复杂，实现难度大、成本高昂，且风机故障期间由于转子侧变流器的短时切出特性，无法完成对机组的有效控制。后续提出了一种采用超级电容实现风电机组低电压穿越能力的装置。该方案中超级电容主要针对风电场故障期间低电压穿越所采用，无法根据调度指令完成正常运行期间的功率调节。此外，该方案需要在风电场中专门设置低电压穿越控制系统，存在实施投入较多，占用场地较大等问题。同时，该技术方案未给出相应的运行控制策略。因此,需要提供一种采用超级电容提升风电机组频率支撑能力的控制方法，以解决并网型双馈风电机组小惯量无频率支撑的问题。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种采用超级电容提升风电机组频率支撑能力的控制系统来避免风机失速、频率二次跌落、疲劳载荷等问题的发生，有效的解决了并网型双馈风电机组小惯量无频率支撑的问题。一种采用超级电容提升风电机组频率支撑能力的控制系统，所述系统包括包含依次连接的风轮、齿轮箱、发电机、变流器和crowbar保护，还包括与电网连接的箱变，其特征在于,所述系统还包括超级电容器，所述超级电容器加装在所述变流器的直流母线上，所述超级电容器通过DC-DC变换器与风机变流器的直流母线相连。优选地，所述DC-DC变换器为buck-boost双向变换器，由全控型开关S1、S2以及升压电感L构成，电能从直流母线(Edc)到超级电容(Esc)时，DC-DC变流器工作在buck模式，反之工作在boost模式，通过控制开关S1的占空比可以实现超级电容电压的调节，其中Rres为超级电容器的等效电阻。优选地，所述超级电容器系统具有以下控制过程：首先超级电容器首先检测自身状态，根据其电压是否在允许工作范围内；如果“是”，那么使能信号清“0”；并检测电网电压的频率变化率和变化量作为频率支撑控制的输入信号，控制实现后循环检测超级电容电压，当电压不满足允许工作范围内时，使能信号置“1”，并进一步检测风速是否满足要求，在“是”的情况下开启超级电容能量管理控制，实现自身电压的调节。优选地，所述超级电容器的控制控制策略包含两个部分：频率支撑控制和超级电容能量管理控制，所述频率支撑控制包括惯量控制和下垂控制，所述下垂控制以及惯量控制最终得到超级电容电压增量控制信号ΔEsc，所述增量电压信号叠加到超级电容额定工作电压上，形成新的指令信号，通过DC-DC变流器控制，最终实现指令响应。优选地，所述超级电容器注入/吸收的功率是通过电网侧的变流器实现的，当系统频率升高，超级电容分流转子变流器输出功率，减小总入网功率；当系统频率降低时，超级电容通过网侧变流器注入有功功率，总输出功率增加。本专利技术的技术方案具有以下有益效果：本专利技术提供的一种采用超级电容提升风电机组频率支撑能力的控制系统，可用于提升双馈风电机组的故障运行能力，具备惯量支撑和频率响应的能力，具有较好的技术、经济可行性；在此基础上，不改变风电机组原有控制策略，相比现有技术，不会导致风机失速、频率二次跌落、疲劳载荷等问题，超级电容储能系统可根据风电机组运行状态进行有序充、放电，维持自身运行条件，具有较好的可靠性。附图说明下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。图1是本专利技术采用超级电容提升风电机组频率支撑能力的控制系统的硬件结构示意图；图2是图1中的超级电容器的结构示意图；图3是图1中的超级电容器的控制过程图；图4是图1中的超级电容器的控制框图；图5是图1中的超级电容器的支撑控制示意图；图6是图1中的超级电容器的下垂控制曲线图。具体实施方式为了清楚了解本专利技术的技术方案，将在下面的描述中提出其详细的结构。显然，本专利技术实施例的具体施行并不足限于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本专利技术的优选实施例详细描述如下，除详细描述的这些实施例外，还可以具有其他实施方式。下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步详细说明。本专利技术实施例提供一种采用超级电容提升风电机组频率支撑能力的控制系统，如图1所示，图1本专利技术采用超级电容提升风电机组频率支撑能力的控制系统的硬件结构示意图，为加装超级电容后的双馈风电机组主电路系统硬件结构图，包含风轮、齿轮箱、发电机、变流器、crowbar保护以及箱变。如图2所示，超级电容器加装在变流器的直流母线上，超级电容器通过本文档来自技高网...

【技术保护点】
采用超级电容提升风电机组频率支撑能力的控制系统,所述系统包括包含依次连接的风轮、齿轮箱、发电机、变流器和crowbar保护，还包括与电网连接的箱变，其特征在于,所述系统还包括超级电容器，所述超级电容器加装在所述变流器的直流母线上，所述超级电容器通过DC‑DC变换器与风机变流器的直流母线相连。

【技术特征摘要】
1.采用超级电容提升风电机组频率支撑能力的控制系统,所述系统包括包含依次连接的风轮、齿轮箱、发电机、变流器和crowbar保护，还包括与电网连接的箱变，其特征在于,所述系统还包括超级电容器，所述超级电容器加装在所述变流器的直流母线上，所述超级电容器通过DC-DC变换器与风机变流器的直流母线相连。
2.根据权利要求1所述的采用超级电容提升风电机组频率支撑能力的控制系统，其特征在于，所述DC-DC变换器为buck-boost双向变换器，由全控型开关S1、S2以及升压电感L构成，电能从直流母线Edc到超级电容Esc时，DC-DC变流器工作在buck模式，反之工作在boost模式，通过控制开关S1的占空比可以实现超级电容电压的调节，其中Rres为超级电容器的等效电阻。
3.根据权利要求1所述的采用超级电容提升风电机组频率支撑能力的控制系统，其特征在于，所述超级电容器系统具有以下控制过程：首先超级电容器首先检测自身状态，根据其电压是否在允许工作范围内；如果“是”，那么使能信号清“0”；并...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪宁渤，丁坤，路亮，周识远，张琛，李津，陟晶，李征，摆念宗，蔡旭，韩自奋，蔡游明，
申请(专利权)人：国网甘肃省电力公司，国家电网公司，甘肃省电力公司风电技术中心，上海交通大学，
类型：发明
国别省市：甘肃;62