[发明专利]适应小型风场特性的风力发电系统及能量管理控制方法

摘要

一种适应小型风场特性的风力发电系统及能量管理控制方法。系统包括整流变换器、双向储能变换器和并网逆变器；整流变换器输入端与风机输出端连接、整流输出端与并网逆变器的直流侧输入端连接；双向储能变换器双向端口一侧与整流变换器的输出端连接，另一侧与储能装置连接；并网逆变器为单相全桥高频并网逆变器；其交流侧输出端与电网连接。本发明所提出的包括新型整流变换器、新型系统拓扑结构以及新型基于电池荷电状态的能量管理策略的风力发电系统，非常适合小型风场应用，具有各级变换器电压等级易匹配、微弱风能收集以及高变换效率等优点，对相关风力发电技术的发展和研究具有一定的参考价值和指导作用，值得推广和应用。

主权项

一种适应小型风场特性的风力发电系统所采用的能量管理控制方法，所述的适应小型风场特性的风力发电系统包括：整流变换器(1)、一个双向储能变换器(2)和一个并网逆变器(3)；其中整流变换器(1)为倍压单元串联式开关电容反激式整流变换电路，其输入端与风机L的输出端连接、整流输出端与并网逆变器(3)的直流侧输入端连接；双向储能变换器(2)由双向储能DC‑DC变换器及采用锂电池的储能装置组成，其双向端口一侧与整流变换器(1)的输出端连接；并网逆变器(3)为单相全桥高频并网逆变器；其交流侧输出端与电网(4)连接；所述的能量管理控制方法包括按顺序进行的下列步骤：步骤1)状态识别：根据当前电池的荷电状态，确定系统当前工作状态；本系统工作时共有四种工作状态，即电池少电状态、电池待充状态、电池待放状态和电池满充状态；步骤2)状态处理：系统根据步骤1)确定的系统当前工作状态进行相应的状态处理,包括：2.1)在电池少电状态下，执行电池少电状态操作：当电池处于该工作状态时，认为电池所含电量不足，此时不允许电池放电，正常情况下也不允许风力发电系统向电网并网发电，而是将所有收集到的风能全力向电池充电，以提升电池的SOC状态；实际工作时该状态又分为三个子模态，即系统不并网定占空比BOOST充电状态即子模态1、系统不并网控母线电压BOOST充电状态即子模态2以及系统并网控母线电压BUCK充电状态即子模态3；2.2)在电池待充状态下，执行电池待充状态操作：当电池处于该工作模态时，认为电池仍然处于需要充电的状态，此时不允许电池放电，但当风力发电机发出的电能达到一定程度时，允许系统向电网正常并网发电；该模态又分为4种子工作模态，即不并网定占空比BOOST充电状态即子模态1、不并网恒电压BOOST充电状态即子模态2、不并网恒电压BUCK充电状态即子模态3、并网控母线电压BUCK充电状态即子模态4；2.3)在电池待放状态下，执行电池待放状态操作：当电池处于该工作模态时，认为电池处于需要放电状态，此时电池正常工作时向母线放电，仅当风力发电机发出的电能超过了逆变器的额定功率时，允许系统向电池充电；该模态又分为2种子工作模态，即并网控母线电压BOOST放电状态即子模态1、并网控母线电压BUCK充电状态即子模态2；2.4)在电池满充状态下，执行电池满充状态操作：当电池处于该工作模态时，认为电池处于电量充满状态，此时电池不允许继续充电，仅允许向母线放电；该模态又分为2种子工作模态，即并网控母线电压BOOST放电状态即子模态1、并网卸荷电池脱离运行状态即子模态2；其特征在于：在步骤2.1)中，所述的电池少电状态操作包括下列步骤：步骤2.1.1)首先判断电池的充电电流I充是否大于预设的电池最大充电电流ISET，若判断结果为“是”，则下一步执行步骤2.1.5)，否则执行步骤2.1.2)；步骤2.1.2)根据母线电压Vbus与母线电压设定值的大小关系来确定调用哪一个子模态，若母线电压Vbus小于母线电压设定值，下一步执行步骤2.1.3)，若母线电压Vbus大于母线电压设定值，则下一步执行步骤2.1.4)；步骤2.1.3)此时说明风轮机发出的电能有限，通过双向储能变换器(3)不足以将母线电压Vbus稳定在一个相对固定的电压值，因此在此模态中，双向储能变换器(2)应当工作在系统不并网定占空比BOOST充电状态即子模态1，BOOST开关管以定占空比的方式向电池传输电能，电池将风轮机收集到的微弱风能储存起来；步骤2.1.4)此时风轮机捕获的风能已经达到一定数量，且不超过电池允许的最大充电电流ISET，通过调整双向储能变换器(2)的控制信号将母线电压Vbus稳定在母线电压设定值，双向储能变换器(2)工作在系统不并网控母线电压BOOST充电状态即子模态2，风力发电机产生的电能全部传输至电池中；步骤2.1.5)此时风力发电机产生的电能过剩，以致超过了电池充电的最大允许值，系统应当引导多余的能量流向电网，此时双向储能变换器(2)工作在系统并网控母线电压BUCK充电状态即子模态3，母线电压Vbus由双向储能变换器(2)稳定在400V，后级并网逆变器(3)在检测前级直流输出和后级电网电压频率达到并网要求之后开始向电网并网发电；风力发电机发出的电能一方面由双向储能变换器(2)存储至电池之中，一方面由并网逆变器(3)传输至电网。