风力发电系统及其适用的控制方法技术方案

本案关于一种风力发电系统及其适用的控制方法，该风力发电系统包含：风力发电机，包含转子绕组以及定子绕组；主断路器，电耦接于定子绕组以及电网之间；双模切换模块，电耦接于定子绕组，使风力发电系统于风速小一预设风速时执行全功率发电模式，于风速大于或等于预设风速时执行双馈发电模式；变换电路，电耦接于转子绕组与主断路器之间；以及储能模块，设置于主断路器及风力发电机之间，通过进行充电或放电之运作，以抑制不利于电网及风力发电系统的事件。

【技术实现步骤摘要】
风力发电系统及其适用的控制方法
本案涉及一种风力发电系统，特别涉及一种可于全功率发电模式和双馈发电模式进行切换，且通过储能模块的充电/放电的运作来抑制不利于电网及风力发电系统的事件的风力发电系统及其适用的控制方法。
技术介绍
众所周知，目前的兆瓦级风力发电系统中主要包括两种风力发电机组，即，全功率风力发电机组和双馈风力发电机组。换言之，当前的一种风力发电机组采用双馈发电模式，而另一种风力发电机组采用全功率发电模式。一般来说，全功率风力发电机组主要由全功率变换器和全功率发电机(如，永磁同步发电机、电励磁发电机、感应发电机)组成，其发电运行范围宽，切入风速低，发电效率高，对电网的适应性好，然而，全功率变换器需要处理的功率较大，进而对开关器件的应力要求高，高应力的开关器件对工艺是一个挑战，提高开关器件的工艺，会造成价格的提升，因而全功率风力发电机和全功率变换器的价格较昂贵。双馈风力发电机组主要由双馈感应发电机和双馈变换器组成，其相对于全功率风力发电机组价格便宜，但在低风速下的发电效率较低。此外，双馈风力发电机组采用的双馈发电机本身在低转速下的损耗较大，并且变流器中电子器件耐压受发电机转速范围限制，使得发电运行范围窄。更甚者，目前的风力发电系统的控制策略乃是采用最大功率跟踪控制(Maximumpowerpointtracking；MPPT)，使风力发电机可以最大发电功率输出电能，然而此种控制策略却对电网频率的变化没有响应，又随着风电渗透率越来越大，导致电网系统的惯性越来越小，电网频率的波动将更为明显。因此为了改善此问题，目前的风力发电系统便利用风力发电机来参与一次调频及惯量调频，亦即通过吸收和释放风力发电机之转子的动能，来发出或吸收一部分有功功率，从而实现调频，以达到提高电网稳定性的目的。然而利用风力发电机来进行调频却存在两个缺点，其中之一缺点为由于需要预留风力发电机10％～15％的放电能力来进行调频，故改变了最大功率跟踪曲线，且牺牲了风力发电机的发电量，另一缺点则为在调频时，低频功率的波动与抑制传动链的低频振荡会相耦合，进而加剧振荡，如此一来，电能质量下降，严重时可能出现风力发电机组损坏。现有做法中也有基于独立的储能装置或传统电厂对电网频率进行调节，这些做法的普遍缺点是成本高，投资大。有鉴于此，如何发展一种可改善上述现有技术不足的风力发电系统及其适用控制方法，实为相关
目前所需要解决的问题。
技术实现思路
本案的目的在于提供一种风力发电系统及其适用的控制方法，以解决传统风力发电系统具有成本高及效率低的缺点，以及解决传统风力发电系统因利用风力发电机的电能来进行调频，而具有损耗风力发电机的发电量及电能质量不佳而使风力发电机组容易损坏等缺点。为达上述目的，本案之一较佳实施方式为提供一种风力发电系统，包含:风力发电机组，包含转子绕组以及定子绕组；主断路器，电耦接于定子绕组以及电网之间；双模切换模块，电耦接于定子绕组，使风力发电系统在风速小于预设风速时执行全功率发电模式，在风速大于或等于预设风速时执行双馈发电模式；变换电路，电耦接于转子绕组与该主断路器之间；以及储能模块，设置于主断路器及风力发电机之间，通过进行充电或放电的运作，以抑制不利于电网及该风力发电系统的事件。为达上述目的，本案的另一较佳实施方式为提供一种控制方法，用以控制风力发电系统的储能模块的运作，其中风力发电系统还包含风力发电机组、变换电路以及储能模块，储能模块及变换电路集成于机柜内，控制方法是包含步骤如下：(a)采样电网或风力发电系统的至少一实际信息并判断是否存在不利于该电网或该风力发电系统的事件；以及(b)若该步骤(a)的判断结果为是，则利用至少一实际信息而产生功率指令信号，并依据功率指令信号而产生电流给定值，以依据电流给定值而调整储能模块的储能组件的电流，以通过储能模块的充电/放电的运作抑制不利于电网及风力发电系统的事件。附图说明图1为本案第一较佳实施例的风力发电系统的示意图。图2为本案第二较佳实施例的风力发电系统的示意图。图3为本案第三较佳实施例的风力发电系统的示意图。图4为图3所示的风力发电系统的一变化例。图5为图4所示的风力发电系统的另一变化例。图6为本案应用于图5所示的风力发电系统的控制方法的步骤流程图。图7为图6所示的实际信息为实际电网频率时，图6中步骤S2的子步骤。图8为实现图7中各步骤的一种结构示意图。图9为图6所示的实际信息为风力发电机的输出电压及输出电流时，图6中步骤S2的子步骤。图10为图6所示的实际信息为实际电网电压时，图6的步骤S2的子步骤。图11为图6所示的步骤S3的子步骤。图12为实现图11中各步骤的一种结构示意图。【符号说明】1、2、3：风力发电系统10：风力发电机组100：转子绕组101：定子绕组11：主断路器12、22、32：双模切换模块121：整流器13：变换电路130：机侧变换器131：第一直流母线132：网侧变换器133：预充电电路14：储能模块140：储能组件141：双向直流/直流转换器15：第二直流母线16：定子侧开关18：路径开关220：连接开关221：辅助变换器30：控制模块300：调频控制器301：储能控制器302：平滑波动控制器303：削峰填谷控制器304：故障穿越控制器305：电池电压控制单元320：短路开关9：电网S1：上电子开关S2：下电子开关P1：功率指令信号I1：电流给定值S1～S3：风力发电系统的控制方法的步骤S20～S28、S30～S32、S40～S42、S330～S335：子步骤f0：实际电网频率fr：预设电网频率Δf。：第一误差信号ΔP*：第一偏差量f2：第二误差信号Kf：比例系数ΔP2：第二偏差量ΔP3：第三偏差量ΔP：总偏差量Ubat：储能电压Uf：预设储能组件电压ΔU：电压偏差量Pw：输出功率Po：所需功率A～Q：控制单元具体实施方式体现本案特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本案能够在不同的态样上具有各种的变化，其皆不脱离本案的范围，且其中的说明及附图在本质上是当作说明用，而非用于限制本案。请参阅图1，其为本案第一较佳实施例的风力发电系统的示意图。如图1所示，本实施例的风力发电系统1与电网9电耦接，且包含风力发电机组10、主断路器11、双模切换模块12、变换电路13及储能模块14。风力发电机组10包括风力发电机、叶片和齿轮箱等，其中风力发电机可为一双馈发电机，且风力发电机包含一转子绕组100以及一定子绕组101。主断路器11电耦接于定子绕组101以及电网9之间。双模切换模块12电耦接于定子绕组101，用以使风力发电系统1在全功率发电模式及双馈发电模式之间进行切换，更进一步说明，当风速小于预设风速时，双模切换模块12使风力发电系统1切换为全功率发电模式而执行，反之，当风速大于或等于预设风速时，双模切换模块12则使风力发电系统1切换为双馈发电模式而执行。其中预设风速可为但不限于6米/秒。变换电路13电耦接于转子绕组100与主断路器11之间，其可为双向的变换电路，用以转换所接收的电能，例如由风力发电机组10所提供的电能，并将转换后的电能提供给所需的负载，例如电网9。储能模块14设置于主断路器11及风力发电机组10之间，储能模块14通过进本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种风力发电系统，包含:一风力发电机组，包含一转子绕组以及一定子绕组；一主断路器，电耦接于该定子绕组以及一电网之间；一双模切换模块，电耦接于该定子绕组，使该风力发电系统在风速小于一预设风速时执行一全功率发电模式，在风速大于或等于该预设风速时执行一双馈发电模式；一变换电路，电耦接于该转子绕组与该主断路器之间；以及一储能模块，设置于该主断路器及该风力发电机組之间，通过进行充电或放电运作，以抑制一不利于该电网及该风力发电系统的事件。

【技术特征摘要】
1.一种风力发电系统，包含:一风力发电机组，包含一转子绕组以及一定子绕组；一主断路器，电耦接于该定子绕组以及一电网之间；一双模切换模块，电耦接于该定子绕组，使该风力发电系统在风速小于一预设风速时执行一全功率发电模式，在风速大于或等于该预设风速时执行一双馈发电模式；一变换电路，电耦接于该转子绕组与该主断路器之间；以及一储能模块，设置于该主断路器及该风力发电机組之间，通过进行充电或放电运作，以抑制一不利于该电网及该风力发电系统的事件。2.如权利要求1所述的风力发电系统，其中该变换电路包含：一机侧变换器，电耦接于该转子绕组；一第一直流母线；以及一网侧变换器，电耦接于该机侧变换器与该主断路器之间，且该机侧变换器与该网侧变换器共享该第一直流母线。3.如权利要求2所述的风力发电系统，其中该储能模块还包含：一储能组件；一双向直流/直流转换器，该双向直流/直流转换器的一端与该储能组件电耦接，该双向直流/直流转换器的另一端与该第一直流母线电耦接。4.如权利要求2所述的风力发电系统，其中该变换电路还包含一预充电电路，该预充电电路的一端电耦接于该主断路器及该定子绕组之间，该预充电电路的另一端与该第一直流母线及该储能模块电耦接，该预充电电路用以对该第一直流母线上的一电容及该储能模块进行预充电。5.如权利要求1-3项中任一所述的风力发电系统，其中该风力发电系统包含一定子侧开关，该定子侧开关的一端电耦接于该双模切换模块，该定子侧开关的另一端电耦接于该主断路器，且该定子侧开关系在风速小于该预设风速时断开，而在风速大于或等于该预设风速时导通。6.如权利要求5所述的风力发电系统，其中该双模切换模块是由一短路开关所构成，该短路开关的一端电耦接于该定子绕组，该短路开关的另一端与一三相短接点电耦接，其中在风速小于该预设风速时，该短路开关导通，使该定子绕组经由该三相短接点而实现短路，该风力发电系统运行于该全功率发电模式，而在风速大于或等于该预设风速时，该短路开关断开，该风力发电系统运行于该双馈发电模式。7.如权利要求5项所述的风力发电系统，其中该双模切换模块是由一连接开关及一辅助变换器构成，该连接开关的一端电耦接于该定子绕组，该连接开关的另一端电耦接于该辅助变换器之一端，该辅助变换器的另一端是电耦接于该第一直流母线，其中在风速小于该预设风速时，该连接开关系导通，该风力发电系统运行于该全功率发电模式，在风速大于或等于该预设风速时，该连接开关断开，该风力发电系统运行于该双馈发电模式。8.如权利要求5所述的风力发电系统，其中该储能模块的一端与一第二直流母线电耦接。9.如权利要求8所述的风力发电系统，其中该双模切换模块是由一整流器构成，该整流器的一端电耦接于该定子绕组，该整流器的另一端与该第二直流母线电耦接，该整流器包含三个桥臂，每一该桥臂包含一上电子开关及一下电子开关，其中在风速小于该预设风速时，三个该桥臂的该上电子开关或该下电子开关一起导通，以将该定子绕组短路，该风力发电系统运行于全功率发电模式，在风速大于或等于该预设风速时，每一该桥臂的该上电子开关及该下电子开关系运作于脉冲宽度调变方式，该风力发电系统运行于该双馈发电模式。10.如权利要求9所述的风力发电系统，其中该变换电路还包含一路径开关，该路径开关的一端与该双向直流/直流转换器的该另一端及该整流器的该另一端电耦接，该路径开关的另一端与该第一直流母线电耦接，该路径开关进行导通或断开的切换，其中在该路径开关导通时，该储能模块经由该路径开关及该第一直流母线而进行充电/放电的运作。11.如权利要求3所述的风力发电系统，该风力发电系统还包含一控制模块，该控制模块包含：一调频控制器，用以采样该电网上的一实际电网频率，并利用该实际电网频率及一预设电网频率进行运算与处理，以对应产生一功率指令信号；以及一储能控制器，与该调频控制器及该双向直流/直流转换器电耦接，用以接收该功率指令信号并产生一电流给定值来控制该双向直流/直流转换器的运作，使该双向直流/直流转换器依据该电流给定值而调整该储能组件的电流，以通过该储能模块的充电/放电对该电网的频率变化进行补偿。12.如权利要求11所述的风力发电系统，其中该控制模块还包含：一平滑波动控制器，与该储能控制器电耦接，用以接收该风力发电机组的一输出电压及一输出电流，以计算该风力发电机组的一输出功率，并比较该输出功率与一预设功率，以依据比较结果输出一功率变化补偿信号至该储能控制器；一削峰填谷控制器，与该储能控制器及该电网电耦接，用以接收来自电网的一削峰填谷功率信号，并对应输出一充放电信号至该储能控制器；以及一故障穿越控制器，与该储能控制器及该电网电耦接，用以检测一实际电网电压，以计算该实际电网电压的一变化值，并在该变化值超过一预设值时对应产生一保护信号至该储能控制器。13.如权利要求12所述的风力发电系统，其中该储...

【专利技术属性】
技术研发人员：董明轩，王长永，邱爱斌，吕飞，
申请(专利权)人：台达电子工业股份有限公司，
类型：发明
国别省市：中国台湾,71