本發(fā)明涉及一種風(fēng)電場(chǎng)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，尤其涉及一種基于超級(jí)電容的風(fēng)電場(chǎng)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的不斷提高, 風(fēng)電輸出功率的波動(dòng)性給電網(wǎng)帶來(lái)的不利影響越來(lái)越得到重視。風(fēng)力發(fā)電是當(dāng)前發(fā)展最快的可再生能源發(fā)電技術(shù)。但是, 風(fēng)能是一種隨機(jī)變化的能源, 風(fēng)速變化會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組輸出功率的波動(dòng), 對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生影響。因此, 研究并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率調(diào)節(jié)成為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中的重要問(wèn)題。

目前風(fēng)電有功功率波動(dòng)多采用直接調(diào)節(jié)風(fēng)力渦輪機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的方法來(lái)平滑其輸出功率, 但該方法的功率調(diào)節(jié)能力有限;無(wú)功功率波動(dòng)通常采用并聯(lián)靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置進(jìn)行無(wú)功調(diào)節(jié), 但無(wú)功補(bǔ)償裝置無(wú)法平抑有功功率波動(dòng)。附加儲(chǔ)能設(shè)備既可以調(diào)節(jié)無(wú)功功率、穩(wěn)定風(fēng)電場(chǎng)母線電壓, 又能在較寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)有功功率, 是當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。風(fēng)力發(fā)電研究表明位于0.01 Hz ～ 1 Hz 的波動(dòng)功率對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響最大，平抑該頻段風(fēng)電波動(dòng)采用較短時(shí)間的能量存儲(chǔ)就可以達(dá)到目的，因此能夠?qū)崿F(xiàn)短時(shí)能量存儲(chǔ)的較小容量的儲(chǔ)能設(shè)備對(duì)風(fēng)力發(fā)電具有更高的實(shí)用價(jià)值。

以往抑制風(fēng)電功率波動(dòng)多考慮采用蓄電池、飛輪或超導(dǎo)等儲(chǔ)能技術(shù)，超級(jí)電容儲(chǔ)能技術(shù)關(guān)注較少。超級(jí)電容器具有功率密度極高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、環(huán)境無(wú)污染和免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，隨著制造技術(shù)的發(fā)展，超級(jí)電容器的能量密度有了很大提高，在一些短時(shí)電力儲(chǔ)能場(chǎng)合已經(jīng)進(jìn)入了商業(yè)化應(yīng)用階段。利用超級(jí)電容器存儲(chǔ)能量，平抑風(fēng)電場(chǎng)輸出功率重要頻段的風(fēng)電波動(dòng)具有良好的應(yīng)用前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服風(fēng)電場(chǎng)有功、無(wú)功功率波動(dòng)大，難以維持風(fēng)電場(chǎng)輸出端電壓的難題，本發(fā)明提出一種基于超級(jí)電容的風(fēng)電場(chǎng)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：基于超級(jí)電容儲(chǔ)能的風(fēng)電場(chǎng)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，利用超級(jí)電容器組作為儲(chǔ)能元件，平抑風(fēng)電場(chǎng)有功、無(wú)功功率波動(dòng)，維持風(fēng)電場(chǎng)輸出端電壓，降低風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響。

基于超級(jí)電容儲(chǔ)能的風(fēng)電場(chǎng)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括系統(tǒng)主電路、網(wǎng)絡(luò)控制、超級(jí)電容能量管理和變流器控制四個(gè)部分。

所述系統(tǒng)主電路由四象限電壓型變流器、雙向直流變換器、超級(jí)電容和升壓變壓器組成。

所述網(wǎng)絡(luò)控制根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)有功功率和輸出端母線電壓波動(dòng)情況給出裝置的有功、無(wú)功功率指令。

所述超級(jí)電容能量管理通過(guò)超級(jí)電容器電壓控制環(huán)和電壓限制模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。

所述變流器控制采用雙環(huán)控制策略, 電壓外環(huán)控制直流母線電壓保持不變, 電流內(nèi)環(huán)控制超級(jí)電容器充放電電流的動(dòng)態(tài)變化, 避免超級(jí)電容器充放電電流超過(guò)限制。

本發(fā)明的有益效果是：利用超級(jí)電容器組作為儲(chǔ)能元件,平抑風(fēng)電場(chǎng)有功、無(wú)功功率波動(dòng), 維持風(fēng)電場(chǎng)輸出端電壓, 降低風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響。風(fēng)電場(chǎng)功率調(diào)節(jié)裝置具有良好的動(dòng)態(tài)性能, 不僅能很好地吸收風(fēng)電場(chǎng)輸出無(wú)功功率的波動(dòng)成分, 起到了抑制電網(wǎng)電壓波動(dòng)的作用, 也有效地平滑了輸入電網(wǎng)的有功功率波動(dòng)。

附圖說(shuō)明

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖3 變流器控制策略。

具體實(shí)施方式

圖1中，公共連接點(diǎn)(PCC)處接有本地負(fù)荷, 超級(jí)電容器組(SC)作為直流側(cè)的儲(chǔ)能元件, 功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)(PCS)采用四象限電壓型變流器(VSC)級(jí)聯(lián)雙向直流變換器(Bi-DC/DC)結(jié)構(gòu), 最終通過(guò)升壓變壓器并聯(lián)于風(fēng)電場(chǎng)輸出端母線。風(fēng)電場(chǎng)功率調(diào)節(jié)模式：當(dāng)檢測(cè)到設(shè)定頻段的有功功率波動(dòng)時(shí)，裝置快速吸收波動(dòng)的有功、無(wú)功功率，平滑風(fēng)電場(chǎng)功率輸出，維持風(fēng)電場(chǎng)輸出端母線電壓穩(wěn)定。充放電模式：一方面在裝置最初安裝或檢修后重啟時(shí)將超級(jí)電容器組充電到預(yù)先設(shè)定的電壓值，在裝置故障或檢修時(shí)將超級(jí)電容器組儲(chǔ)存的電能釋放；另一方面當(dāng)沒(méi)有檢測(cè)到設(shè)定頻段內(nèi)的有功功率波動(dòng)時(shí)，通過(guò)對(duì)超級(jí)電容器緩慢的充放電維持超級(jí)電容器電壓。

網(wǎng)級(jí)控制為了濾除風(fēng)力渦輪機(jī)輸出功率中0.01Hz ～ 1Hz 頻段的波動(dòng)成分, 1Hz 以上成分主要被風(fēng)力渦輪機(jī)的慣性所吸收。

超級(jí)電容器快速提供充放電功率平抑風(fēng)電波動(dòng)時(shí), 其電壓會(huì)隨之迅速變化并可能導(dǎo)致過(guò)充放電的發(fā)生, 過(guò)充電會(huì)嚴(yán)重影響超級(jí)電容器使用壽命, 過(guò)放電則會(huì)導(dǎo)致超級(jí)電容器輸出功率受限, 因此由電壓限制模塊保證超級(jí)電容電壓在允許的范圍之內(nèi)。

圖3中，有功、無(wú)功功率控制可以通過(guò)id 和i q 的解耦控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。雙向直流變換器采用雙環(huán)控制策略，電壓外環(huán)控制直流母線電壓保持不變，電流內(nèi)環(huán)控制超級(jí)電容器充放電電流的動(dòng)態(tài)變化，避免超級(jí)電容器充放電電流超過(guò)限制。

風(fēng)電功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要平抑0.01Hz ～ 1Hz的風(fēng)電功率波動(dòng)，因此根據(jù)風(fēng)電功率最低頻率波動(dòng)配置儲(chǔ)能單元的儲(chǔ)能容量，考慮儲(chǔ)能單元有相同的充放電空間。超級(jí)電容器單體電壓一般較低(2 .5 V左右),因此儲(chǔ)能單元由多個(gè)超級(jí)電容器單體串并聯(lián)組成以達(dá)到系統(tǒng)容量需求。儲(chǔ)能單元設(shè)計(jì)要綜合考慮能量和功率2 方面需求。