CN101291129A - 风力发电设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风力发电技术，特别涉及风力发电场多台发电机的组合并网技术。本发明针对现有技术的风力发电系统，需要大量的升压变压器，成本高的缺点，公开了一种风力发电设备。本发明采用多电平SPWM技术，利用计算机主控系统进行逆变电桥级联控制，将N个风力发电单元的U端子和V端子顺次串联构成风力发电单元组；能够输出高达几十千伏的正弦波交流电。本发明用于风力发电邻域，可以大大减少变压器使用量，降低风力发电成本。而且具有输出电压谐波失真低，设备可靠性高的特点。

Description

风力发电设备

技术领域

本发明涉及风力发电技术，特别涉及风力发电场多台发电机的组合并网技术。

背景技术

风力发电技术已经被人类掌握，很多国家可以生产单台兆瓦级的风力发电机组，提供连续不断的洁净能源。现在大功率风力发电系统一般采用三级齿轮升速串调发电方式、永磁同步直驱发电方式及单级齿轮升速直驱发电方式。这三种方式的风力发电系统，除了风力发电机外，均含有一个大功率电子整流逆变装置，完成三相整流、三相逆变功能，一般逆变输出为三相690V交流电，然后将逆变输出通过三根电缆送至升压变压器隔离并升至3.4kV或者更高的电压，升压变压器次级并入电网输出能量。如果一个风场有多台风力发电机组，则每一台都需要一个升压变压器进行升压隔离和输出，或者几台共用一个升压变压器，然后将所有升压变压器的二次侧并联入电网，输出风场的总能量。

综上所述，现有风力发电设备的缺点是：一个风场需要大量的升压变压器，成本偏高；连接电缆数量较多、连接点较多，也增加了成本并且使可靠性降低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种采用逆变电桥级联技术进行风力发电单元组合的风力发电设备，可以克服上述缺点。

本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是，风力发电设备，包括风力发电单元和计算机主控系统；所述风力发电单元包括：

风力发电机，用于将风能转换成电能；

整流电路，与风力发电机连接，用于将风力发电机输出的电能转换成直流电；

逆变电路，输入端与整流电路连接，控制端通过通讯及控制模块与计算机主控系统连接，接收计算机主控系统输出的PWM信号，将整流电路输出的直流电转换成脉冲电流，通过输出端U端子和V端子输出；

通讯及控制模块，用于连接计算机主控系统，对风力发电机、整流电路和逆变电路进行控制；

其特征在于：

N个风力发电单元的U端子和V端子顺次串联构成风力发电单元组；第一个风力发电单元的U端子和最后一个风力发电单元的V端子构成该风力发电单元组的输出端，其输出波形为特定频率的正弦波；所述N≥2。

本发明的有益效果是，在不使用变压器的情况下，能够输出几十千伏的正弦波交流电压，可以大大减少变压器使用量，降低风力发电成本。而且具有输出电压谐波失真底，设备可靠性高的特点。

附图说明

图1是风力发电单元的结构示意图；

图2是实施例1的结构示意图；

图3是实施例2的结构示意图；

图4是实施例3的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。其中涉及的具体电路结构，仅仅是为了清楚地说明本发明而举的例，并不代表对本发明的限定。特别是整流电路、逆变电路、旁路装置等，电路结构形式多种多样，不胜枚举。

逆变电桥级联技术在高压大功率变频器邻域应用非常普遍。逆变电桥作为变频器的功率单元，其输出电压和功率与变频器的输出电压和功率直接相关。为了提高变频器的输出电压和功率，可以将多个逆变电桥进行级联，通过计算机控制能够输出几十千伏的正弦波交流电，对大功率交流设备进行控制，构成所谓的级联式高压大功率变频器。关于逆变电桥级联技术在变频器领域应用的详细介绍可以参见公开日1998年8月12日，公开号为CN1190278A的中国发明专利申请《无电网污染高压大功率变频器》。该专利基于来自电力网的稳定电源，通过逆变电桥级联输出频率可控的高电压正弦波交流电。其中涉及的正弦波脉宽调制(Sinusoidal Pulse Width Modulation简称SPWM)技术，可以作为理解本发明的参考。

本发明采用多电平SPWM技术，利用计算机主控系统进行逆变电桥级联控制，将多个风力发电单元串联起来，构成风力发电单元组，以目前的器件耐压水平，可以输出几十千伏的正弦波交流电压。

本发明的风力发电单元基本结构如图1所示。包括：风力发电机11；由三相电抗器19，带续流二极管的大功率开关器件V1、V2、V3、V4、V5、V6及滤波电容13组成的三相有源整流电路12；由带续流二极管的大功率开关器件V7、V8、V9、V10组成的单相逆变电路14；通讯及控制模块17。其中的大功率开关器件V1～V10可以是由GTO(可关断可控硅)、或者由IGBT(绝缘栅双极性晶体管)、或者由IGCT(集成门极换流晶闸管)、SGCT(对称门极换流晶闸管)等构成。三相有源整流电路12不但具有通常的整流滤波功能，而且可以通过大功率开关器件V1、V2、V3、V4、V5、V6控制其输出的直流电压。风力发电机输出的三相交流电经过整流滤波，形成稳定的直流提供给单相逆变电路14，该电路是一款经典的单相逆变全桥。逆变电路14的两个功率输出端，也是风力发电单元的输出端，一个命名为U端子102、另一个命名为V端子103，从该输出端可以输出频率稳定、相位及电压可调的三电平SPWM波形。大功率开关器件V1～V10的开关控制信号，通过通讯及控制模块17取自计算机主控系统401。通讯及控制模块17的双向通讯接口104和105与计算机主控系统401连接，配合完成风力发电机的各项控制。图1中的风力发电单元还包括电流检测装置15和电压检测装置16，可以对逆变电路14的直流输入进行检测，并将检测信号通过通讯及控制模块17输入计算机主控系统，以便对风力发电单元进行更加完善的控制。

实施例1

如图2所示，采用N(N≥2)个结构相同的风力发电单元101(如图1所示)，使用柔性电缆404进行连接，第一个风力发电单元101的V端子103与第二个风力发电单元101的U端子102连接，其余风力发电单元101顺次串联，构成一个风力发电单元组。第一个风力发电单元的U端子102和最后一个风力发电单元的V端子103构成该风力发电单元组的输出端(U端子402和V端子403)。将每一个风力发电单元的双向通讯接口104、105与计算机主控系统401连接。为了检测整个风力发电单元组的电流和电压，U端子402和V端子403上分别安装了与计算机主控系统401相联的电流检测装置405和电压检测装置406，参见图2。

风力发电设备接入工作状态之后，计算机主控系统401进行风力发电单元波形计算、整流电路控制、逆变电路控制、风力发电机控制、并网控制、功率因数控制以及各类保护控制等，在风力发电单元组的输出端(U端子402和V端子403)可以得到稳定的高质量正弦波电压。如果某一个风力发电单元出现故障，计算机主控系统401会使该风力发电单元的旁路装置进入旁通状态，该风力发电单元被旁路，然后调整波形重组算法，改变每个风力发电单元内部逆变电路控制端的PWM信号波形，保持风力发电单元组输出高质量的连续正弦波。上述旁路装置，既可以通过软件实现(如控制风力发电单元的逆变电路中大功率开关器件V7、V8、V9和V10的导通状态)，也可以由受计算机主控系统控制的硬件电路实现。关于这方面的技术可以参见2007年10月10日公告的200620035656.8号中国专利。

如果想得到更高的电压，可以增加风力发电单元串联的数量。以目前耐压1700V的典型IGBT作为逆变电路的大功率开关器件，串联30级共30个风力发电单元(即N＝30)，可以输出20kV/50Hz高质量的交流正弦波电压。

实施例2

图3示出了三相Y型风力发电设备的结构示意图。将三个相同的风力发电单元组(其组成参见实施例1)的三个U端子短接，形成中性点501，另外三个V端子连接三相开关502，并通过三相开关502连接电网适配系统及电网503。将每一个风力发电单元的双向通讯接口104、105与计算机主控系统401连接，将电流传感器405、电压传感器406也连接到计算机主控系统401。

正常工作状态下，计算机主控系统401进行风力发电单元波形计算、整流电路控制、逆变电路控制、风力发电机控制、并网控制、功率因数控制以及各类保护控制，并使三个风力发电单元组的输出波形相互间具有120°的相位差，在风力发电单元组的三个V端子，可以得到稳定的高质量三相正弦波电压。如果某一个风力发电单元出现故障，计算机主控系统401会使该风力发电单元进入旁通状态，通过调整波形重组算法，保持高质量的三相正弦波输出。如果想得到更高的电压，就可以增加风力发电单元的数量，以目前耐压1700V的典型IGBT作为开关器件，串联30级共90个风力发电单元，可以输出线电压34kV/50Hz高质量的三相交流正弦波。

实施例3

将三个风力发电单元组的输出端首尾相联，即三个风力发电单元组的U端子和V端子分别相联，形成△型连接关系，如图4所示。三角形的三个顶端连接三相开关502，通过三相开关502连接电网适配系统及电网503。将每一个风力发电单元的双向通讯接口104、105连接到计算机主控系统401上，将电流传感器405、电压传感器406也连接到计算机主控系统401。

正常工作状态下，计算机主控系统401进行风力发电单元波形计算、整流电路控制、逆变电路控制、风力发电机控制、并网控制、功率因数控制以及各类保护控制，并使三个风力发电单元组的输出波形相互间具有120°的相位差，可以得到稳定的高质量三相正弦波电压。如果某一个风力发电单元出现故障，计算机主控系统401会使该风力发电单元进入旁通状态，并调整波形重组算法，保持高质量的连续正弦波输出。如果想得到更高的电压，就可以增加风力发电单元的数量，以目前耐压1700V的典型IGBT作为开关器件，串联30级共90个风力发电单元，可以输出线电压20kV/50Hz高质量的三相交流正弦波。

本发明专利的计算机主控系统，通过光纤通讯线路与每个功率单元连接，由于每一个风力发电单元的逆变电流直流电是可控稳定的，以及计算机主控系统特殊矢量算法的控制，可以高效率地输出大容量、高电压、低谐波的高质量正弦波电源，输出电压值不受开关器件耐压的限制，级数越多(N越大)，电压越高。由于风力发电单元使用电缆、光纤等等柔性连接方法，可以满足在野外适应不同的地形上设置风力发电单元阵列的需要，每一个风力发电单元不需要变压器进行隔离输出。

Claims (7)

1.风力发电设备，包括风力发电单元和计算机主控系统；所述风力发电单元包括：

风力发电机，用于将风能转换成电能；

整流电路，与风力发电机连接，用于将风力发电机输出的电能转换成直流电；

逆变电路，输入端与整流电路连接，控制端通过通讯及控制模块与计算机主控系统连接，接收计算机主控系统输出的PWM信号，将整流电路输出的直流电转换成脉冲电流，通过输出端U端子和V端子输出；

通讯及控制模块，用于连接计算机主控系统，对风力发电机、整流电路和逆变电路进行控制；

其特征在于：

N个风力发电单元的U端子和V端子顺次串联构成风力发电单元组；第一个风力发电单元的U端子和最后一个风力发电单元的V端子构成该风力发电单元组的输出端，其输出波形为特定频率的正弦波；所述N≥2。

2.根据权利要求1所述的风力发电设备，其特征在于，所述风力发电单元还包括旁路装置，用于根据计算机主控系统的指令将所述风力发电单元旁路。

3.根据权利要求1所述的风力发电设备，其特征在于，所述逆变电路输入端连接有电流检测装置和电压检测装置，所述电流检测装置和电压检测装置均与通讯及控制模块连接。

4.根据权利要求1、2或3所述的风力发电设备，其特征在于，所述风力发电机为三相风力发电机；所述整流电路为三相有源整流电路；所述逆变电路为单相逆变电桥。

5.根据权利要求4所述的风力发电设备，其特征在于，所述三相有源整流电路和单相逆变电桥可以由GTO、或者由IGBT、或者由IGCT、或者由GTR构成。

6.根据权利要求4所述的风力发电设备，其特征在于，将3个输出波形具有特定相位关系的风力发电单元组连接成Y型，输出三相交流电。

7.根据权利要求4所述的风力发电设备，其特征在于，将3个输出波形具有特定相位关系的风力发电单元组连接成△型，输出三相交流电。

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