一種小型并網風力發電系統及其控制方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于風力發電技術領域，特別是涉及一種小型并網風力發電系統及其控制方法。
【背景技術】
[0002]小型、微型風力發電系統具有裝機容量可調，成本較低，安裝維護簡便以及對電網沖擊小等優點，正在受到越來越多研究人員、生產廠家和用戶的關注，因此具有較高的研究價值和較為重要的研究意義。
[0003]傳統的小型或微型并網風力發電系統存在許多問題:首先，傳統小型或微型風力發電機系統結構配置不合理。該系統多采用風輪、風力發電機、三相不可控整流橋、BOOST變換器以及單相全橋逆變器的結構，雖然該系統拓撲結構具有簡單、可靠、應用范圍廣等特點，且經普遍證明在大中型并網型風力發電系統中具有良好的工作性能。然而，相較于大中型風力發電風場，小型風電場具有特殊性，其風速波動較大、平均值偏低、風能能量有限，因此，傳統的風力發電系統拓撲在小型、微型風電系統中適應性并不高，會出現風輪捕獲能量有限，風力發電機輸出的三相交流電電壓幅值較低，經整流以及DC-DC變換后的直流電壓值遠遠達不到后級單相全橋并網逆變器的最低工作要求，因此無法實現正常并網發電。而所收集到的風能則多儲存在風電系統的電解電容之中，并以漏電流的形式最終以熱能形式散失，結果造成能量的浪費以及風能利用效率的下降。其次，簡單套用大中型風力發電系統的控制策略。傳統的小型、微型風力發電機系統的控制策略多套用大中型風電系統的并網控制策略，缺乏對小型風場的針對性，尤其是在解決低風速、小功率輸入工況下能量流失的問題上存在不足，無法收集微弱風能，從而造成風能利用效率下降。最后，采用漏電流較大的電解電容。傳統風電系統多采用容值較大的電解電容作為直流母線的穩壓解耦電容，雖然電解電容具有成本低等特點，但同時存在諸如漏電流較大等問題，使儲存在電容上的微弱能量隨漏電流作用以熱能形式喪失，最終造成能量的浪費。
【發明內容】
[0004]為了解決上述問題，本發明的目的在于提供一種小型并網風力發電系統及其控制方法。
[0005]為了達到上述目的，本發明提供的小型并網風力發電系統及其控制方法包括:整流變換器、雙向儲能變換器、BOOST變換器和并網逆變器；其中:整流變換器為帶開關電容的高電壓增益反激式整流變換電路，其輸入端與風機L的三相輸出端連接、整流輸出側輸出端通過直流母線與BOOST變換器直流輸入端連接；雙向儲能變換器由雙向儲能DC-DC變換器及采用鋰電池的儲能電池組成，其一側雙向端口與整流變換器的輸出端連接；BOOST變換器為直流電壓轉換電路，其輸入端與直流母線連接、輸出端與并網逆變器的直流側輸入端連接；并網逆變器為單相橋式并網逆變器；其交流側輸出端與電網連接。
[0006]所述的整流變換器由濾波電容組Cf、三組整流單元以及三相單開關電路單元三部分組成，其中:
[0007]濾波電容組Cf由連接在風機L三相輸出線且呈Y型連接的三個濾波電容器組成；
[0008]三組整流單元共分A、B、C三相，每相的電路結構完全相同，A相整流單元包括變壓器?\、開關電容Cal、Ca2，二極管Dal、Da2、Da以及A相輸出電容C a組成；其中，變壓器T1原邊的同名標識端通過等效電感Lks的A相電感與風機L的A相輸出端La相連接，其副邊的同名標識端通過電容Ca2與VI點連接，副邊的非標識端通過電容C 31與二極管D a的陽極連接，二極管DJ]陰極與正輸出端Vo+連接；二極管Dal的陽極與變壓器T1副邊的同名標識端連接、二極管Dal陰極與二極管DJ]陽極連接；二極管Da2的陰極與變壓器T1副邊的非標識端連接、二極管Da2的陽極與VI點連接;A相輸出電容C a的一端與正輸出端Vo+連接、另一端為VI點相與C相整流單元的內部結構與A相整流單元的內部結構完全相同出相整流單元包括變壓器T2、開關電容Cbl、Cb2，二極管Dbl、Db2、Db以及B相輸出電容C b;其中，變壓器T2原邊的同名標識端通過等效電感Lks的b相電感與風機L的B相輸出端Lb相連接；C相整流單元包括變壓器T3、開關電容二極管以及C相輸出電容C其中，變壓器T3原邊的同名標識端通過等效電感Lks的c相電感與風機L的C相輸出端Lc相連接;A相整流單元的輸出端為A相輸出電容Ca的兩端、B相整流單元的輸出端為B相輸出電容C b的兩端、C相整流單元的輸出端為C相輸出電容C。的兩端，A相的倍壓輸出電容C 3與B相、C相的輸出電容Cb、C。相互并聯，三個電容并聯后構成對應A.B.C三相的三個整流單元的總輸出電容；等效電感Lks為三相倍壓單元各相輸入側電感與各相變壓器漏感的總和；
[0009]所述的三相單開關電路單元由二極管01、02、03、04、05、06，全控型開關器件51、二極管I以及輸出電容C ia成，其中二極管D i—De構成不可控整流橋，二極管D1的陽極與變壓器T1原邊的非標識端連接，二極管D3的陽極與變壓器T2原邊的非標識端連接，二極管D5的陽極與變壓器T3原邊的非標識端連接，二極管D1、D3和D5的陰極同時與二極管Do的陽極連接，二極管D2的陰極與二極管D1的陽極連接、二極管D4的陰極與二極管D3的陽極連接、二極管D6的陰極與二極管D5的陽極連接、二極管D2、D4和D6的陽極同時與負輸出端Vo-連接，二極管Do的陰極與VI點連接；開關器件源極與二極管Do的陽極連接、漏極與負輸出端Vo-連接、柵極為控制信號輸入端，輸出電容C。的一端與VI點連接，另一端為負輸出端Vo-；
[0010]最后整流單元的輸出電容Ca、Cb、C。相互并聯后與C。串聯，作為整個整流變換器的總輸出電容，正輸出端VO+和負輸出端Vo-為整流變換器的總輸出端。
[0011]本發明提供的小型并網風力發電系統中整流變換器采用的控制方法包括按順序執行的下列步驟:
[0012]步驟1)采集直流母線上的電壓Ubus和電流I bus信號；
[0013]步驟2)計算直流母線電壓的瞬時功率Pbus，并作為第η個瞬時功率值，記為Pn;
[0014]步驟3)將匕與P n湘比較，得出功率差值P err；
[0015]步驟4)判斷匕?是否大于最大功率偏差設定值ΔΡλ，如果判斷結果為“是”，則確定采用較大的變換步長跟蹤，本次跟蹤流程至此結束，否則執行下一步；
[0016]步驟5)判斷匕?是否大于最小功率偏差設定值Δ Ρ +，如果判斷結果為“是”，則確定采用較小的變換步長跟蹤，否則不改變現有變換步長，本次跟蹤流程至此結束。
[0017]本發明提供的小型并網風力發電系統中雙向儲能變換器、BOOST變換器以及并網逆變器采用的控制方法包括按順序執行的下列步驟:
[0018]步驟a)確定系統當前的狀態:根據當前風速和雙向儲能變換器中儲能電池的狀態，將系統的工作狀態分為七種狀態；
[0019]步驟b)然后根據系統當前所處的狀態采取相應的控制方法。
[0020]在步驟a)中，所述的七種狀態如下:
[0021]狀態1)風速較小，儲能電池處于未充滿狀態時:
[0022]狀態2)風速達到正常工作范圍，儲能電池處于未充滿狀態時:
[0023]狀態3)風速超過了額定風速，儲能電池處于未充滿狀態時:
[0024]狀態4)風速超過最大允許的限值，且儲能電池處于未充滿狀態時:
[0025]狀態5)風速較低，且儲能電池處于充滿狀態時:
[0026]狀態6)風速在正常至額定范圍內變化，且儲能電池處于充滿狀態時:
[0027]狀態7)風速超過額定風速變換，且儲能電池處于充滿狀態時。
[0028]在步驟b)中，所述的采取相應的控制方法具體如下:
[0029]狀態1)時采用的控制方法:雙向儲能變換器工作在BOOST充電模式，通過調整BOOST開關管的占空比來維持母線電壓處于某一個設定值；
[0030]狀態2)時采用的控制方法:提高電壓外環的電壓給定值，使之滿足后級BOOST變換器和并網逆變器的要求；而并網逆變器則利用傳統的控制方法維持BOOST輸出側的電壓為380— 410V，進行并網發電；
[0031]狀態3)時采用的控制方法:系統以滿功率向電網輸出電能，同時，以所允許的最大充電電流向雙向儲能變換器中儲能電池充電；
[0032]狀態4)時采用的控制方法:雙向儲能變換器、BOOST變換器及并網逆變器的控制策略仍與上一狀態即狀態保持完全一致，不同的是此時電路進入保護模式，母線處并入卸荷電阻，用來消耗多余的風能；同時，調整整流變換器的控制策略，使其工作點偏離最大功率點，減少所收集的風能能量；
[0033]狀態5)時采用的控制方法:雙向儲能變換器處于BUCK放電模式，BOOST變換器及并網逆變器則仍然采用前述控制策略；
[0034]狀態6)時采用的控制方法:雙向儲能變換器處于BOOST放電模式，BOOST變換器及并網逆變器則仍然采用前述控制策略；
[0035]狀態7)時