CN101459386A - 可再生能源发电回馈系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一新颖的可再生能源发电回馈系统。本发明的特点是，其包括一个由发电设备产生的直流电源；一个用于向电网回馈电能的隔离变压器，其原边为三相绕组，与电网联接，其副边为多路三相绕组；多个将直流电变为交流电的功率变换模块，各功率变换模块的输入端串联连接，并与所述直流电源直接联接或通过匹配电感联接，所述功率模块的输出端，分别与所述隔离变压器的副边绕组连接；一个与所述功率变换模块连接的主控制电路，所述主控制电路包含电压、电流检测单元，通过检测所述直流电源的电压、电流值，并与预定值对比，从而控制所述功率模块的工作。本发明设计的一种可再生能源发电回馈系统，成本低，可靠性高，转换效率高，谐波含量低。
Description
技术领域：
本发明涉及一种新颖的可再生能源发电回馈系统，特别涉及一种可再生能源发电变流器。
背景技术：
风力发电、太阳能发电、潮汐发电等可再生能源的发电利用越来越受到人们的关注。这些新能源发电系统的普遍特点是发电设备分散、单机容量小、分布面积广、输出电压电流不稳定，如何将这些可再生能源发电设备产生的电能高效、可靠、低成本的转变为可供工业、民用直接使用的三相电，是目前我国及世界范围内急需解决的问题。
目前风力发电设备较多采取的方案是：①采用交流励磁线绕式转子双馈电机变速恒频风力发电系统。采用位于转子侧功率变流器，调节双馈电机的交流励磁电流，使发电机定子绕组发出电能，并直接回馈入电网。由于双馈发电机系统的特点，一般需要低压并且能够四象限运行的功率变流器，如传统的可四象限运行的交—直—交两电平变频器，如图1所示。该方案变频器仅处理转差功率，一般额定功率为发电机容量的三分之一左右，并且也属于低压变流器，因此变流器的成本、体积大大降低，但该方案所存在的问题是，发电机由于采用线绕式转子，并通过滑环交流励磁，使发电机体积及成本增加，由于滑环的使用，致使发电机故障率高，维护费用高。该方案目前在多家风电产品中得到采用，如西班牙Gamesa公司的产品。②永磁发电机变速恒频风力发电系统。该方案中，风机叶轮带动永磁发电机旋转，发出的电能经过功率变流器的变频调制后，变为与电网匹配的三相交流电，并回馈入电网，实现变速恒频发电，如图2、3所示是该方案采用电压型变流器的两种实现方式。该方案解决了上述方案中发电机可靠性的问题，整个系统运行故障率低，但由于该方案中变流器功率与发电机功率相同，且使用了全控大功率半导体器件IGBT或IGCT，并需要使用大量的电解电容器，因此变流器成本很高，变流设备体积大。图4所示是该方案采用电流型变流器的实现方式，使用了半可控功率半导体器件晶闸管，该方式虽然成本较低，但网恻谐波污染严重，功率因数低，还需要额外增加谐波治理设备，使总造价提高。
在光伏发电系统中，太阳能光电池板输出直流电流，为了把直流电回馈入交流电网，目前采用的方案是直流—交流变流器，如图5所示。该方案实质上是将通用变频器去掉整流部分后的交流逆变部分，使用全控大功率半导体器件IGBT或IGCT，并需要使用大量的电解电容器，同样，变流器成本很高，可靠性也难以保证。
发明内容：
本发明的目的是设计一种可再生能源发电回馈系统，成本低，可靠性高，转换效率高，谐波含量低，可大量推广使用，以提高清洁能源的利用率。
本发明所设计的可再生能源发电回馈系统，包括一个由发电设备产生的直流电源；一个用于向电网回馈电能的隔离变压器，其原边为三相绕组，与电网联接，其副边为多路三相绕组；多个将直流电变为交流电的功率变换模块，各功率变换模块的输入端串联连接，并与所述直流电源直接联接或通过匹配电感联接，所述功率模块的输出端，分别与所述隔离变压器的副边绕组连接；一个与所述功率变换模块连接的主控制电路，所述主控制电路包含电压、电流检测单元，通过检测所述直流电源的电压、电流值，并与预定值对比，从而控制所述功率模块的工作。
上述功率变换模块是晶闸管三相全控桥式电路，由六个晶闸管连接为三个并联的桥臂而成，实现由直流到交流的变换功能。
上述直流电源可以是包括相互串、并联连接而成的太阳能光伏电池板构成的直流电源，其输出端可串联电感，以匹配阻抗。
上述直流电源还可以是包括：一个或多个由风能、潮汐等其他能量驱动的交流发电机；一个或多个与所述发电机连接的交流至直流变换电路。所述多个交流至直流变换电路的输出端串联或并联连接，形成一个总的输出直流电。
上述交流至直流变换电路可以是包括由六只二极管连接而成的三相桥式整流电路；或者是包括由六只晶闸管连接而成的三相全控桥式整流电路；也可以是包括由六只全控式功率半导体开关器件IGBT或IGCT连接而成的三相可逆桥式整流电路；也可以是包括六只二极管连接而成的三相桥式整流电路，及在三相桥式整流电路输出端连接的Buck或Boost电路。
上述用于向电网回馈电能的隔离变压器可以采用原边绕组为多个三相绕组并联连接的分裂式变压器，以使其副边绕组短路阻抗分布对称。该隔离变压器也可以采用副边绕组是移相绕法的移相变压器，以提高回馈入电网电流的波形系数，减小谐波，其移相方法可以采用延边三角形绕法或曲折移相绕法。
本发明所设计的可再生能源发电回馈系统，采用晶闸管作为直流至交流变换的主开关器件，成本低，可靠性高，通过多级功率变换模块的串联，可适合于不同电压等级的发电设备，并可适合于输入电压的大幅度波动，提高回馈功率因数。多副边绕组隔离变压器可使该系统与不同电压等级的电网匹配，通过对副边绕组的移相设计，可提高回馈电网电流的波形系数，降低谐波含量。本发明所设计的可再生能源发电回馈系统转换效率高，工作可靠，寿命长，易于维护。
附图说明：
图1是传统的可四象限运行的交—直—交两电平变频器原理图。
图2是传统的永磁发电机变速恒频风力发电系统原理图。
图3是另一种永磁发电机变速恒频风力发电系统原理图。
图4是采用电流型变流器的变速恒频风力发电系统原理图。
图5是目前采用直—交两电平变频器的光伏发电系统原理图。
图6是本发明的电路原理图。
图7是本发明多个风力发电设备并联连接的原理图。
图8是本发明多个风力发电设备串联连接的原理图。
图9是本发明采用光伏电池发电的原理图。
图10是本发明功率变换模块的原理图。
图11是本发明采用IGBT的交流至直流变换电路的原理图。
图12是本发明采用Boost电路的交流至直流变换电路的原理图。
图13是本发明采用Buck电路的交流至直流变换电路的原理图。
图14是本发明采用分裂式移相绕法的隔离变压器原理图。
具体实施方式：
下面结合附图，详细介绍本发明设计装置的实施例及工作过程。
图6是本发明设计的可再生能源发电回馈系统电路原理图，其中直流电源1是由可再生能源发电设备所产生的电源，功率变换模块2、3、4的输入端串联联接，并由直流电源供电，其输出端分别连接隔离变压器5的副边多路绕组6。功率变换模块将输入的直流电变换为输出端的交流电，并通过隔离变压器5的副边绕组，耦合到原边，然后通过连接线7回馈入电网。功率变换模块的串联数量视直流电源1的电压值而定，若直流电源1电压较高，则需要较多的功率变换模块进行串联，反之可以使用较少的功率变换模块。主控制电路8通过检测输入电源的电压电流，以控制各功率变换模块的工作状态。
图7是本发明多个风力发电设备串联连接的原理图。风力发电机9发出三相交流电，经过交流至直流变换电路10变为直流电，交流至直流变换电路10的输出端联接成串联结构，电压叠加，其输出端经过阻抗匹配电感11与串联联接的功率变换模块输入端相连，从而实现电能回馈的目的。发电设备串联联接，并集中回馈，可减少传输电缆的使用量，同时降低回馈设备的成本。图8是多个风力发电设备并联连接的原理图，当发电机输出电压较高时，可采用这种连接方式，可达到同样目的。
图9是本发明采用光伏电池13发电的原理图。其中光伏电池13可以通过串联、并联联接的不同组合，来构成容量较大的电源。
图10是本发明功率变换模块的原理图。六只晶闸管14两两串联，形成3个桥臂，然后并联联接，成为一个三相全控桥式电路，实现直流到交流的变换的目的。
图11是本发明采用IGBT的交流至直流变换电路的原理图。六只IGBT15两两串联，形成3个桥臂，然后并联联接，成为一个三相全控可逆桥式电路，实现直流到交流的变换的目的。采用IGBT 15作为交流至直流变换电路的功率半导体器件，相比于由二极管连接而成的三相桥式整流电路及晶闸管连接而成的三相全控桥式整流电路，可以提高发电机输出端的功率因数，也可满足四象限运行的要求。
图12是本发明采用Boost电路的交流至直流变换电路的原理图。该电路将发电机产生的三相电进行整流变为直流电，然后用半导体开关进行斩波升压变换。图中电感16也可置于整流电路之前，还可以利用发电机的绕组电感。采用Boost电路可向上调节输出电压值，还可提高发电机输出端的功率因数。
图13是本发明采用Buck电路的交流至直流变换电路的原理图。该电路将发电机产生的三相电进行整流变为直流电，然后用半导体开关进行斩波降压变换。采用Buck电路可向下调节输出电压值，也可提高发电机输出端的功率因数。
图14是本发明采用分裂式移相绕法的隔离变压器原理图，图中变压器包含有多组原边绕组18，连接为并联接法，多路副边绕组17采用延边三角形方法实现移相，不同副边绕组可以设计成不同的移相角。
Claims (9)
1、一种可再生能源发电回馈系统，其特征在于：其包括：
一个由发电设备产生的直流电源；
一个用于向电网回馈电能的隔离变压器，其原边为三相绕组，与电网联接，其副边为多路三相绕组；
多个将直流电变为交流电的功率变换模块，各功率变换模块的输入端串联连接，并与所述直流电源直接联接或通过匹配电感联接，所述功率模块的输出端，分别与所述隔离变压器的副边绕组连接；
一个与所述功率变换模块连接的主控制电路，所述主控制电路包含电压、电流检测单元，通过检测所述直流电源的电压、电流值，并与预定值对比，从而控制所述功率模块的工作。
2、根据权利要求1所述的可再生能源发电回馈系统，其特征在于：所述的功率变换模块是晶闸管三相全控桥式电路，由六个晶闸管连接为三个并联的桥臂而成。
3、根据权利要求1或2所述的可再生能源发电回馈系统，其特征在于：所述的直流电源进一步包括相互串、并联连接而成的太阳能光伏电池板。
4、根据权利要求1或2所述的可再生能源发电回馈系统，其特征在于：所述的直流电源进一步包括：
一个或多个由风能、潮汐等其他能量驱动的交流发电机；
一个或多个与所述发电机连接的交流至直流变换电路，所述多个交流至直流变换电路的输出端串联或并联连接，形成一个总的输出直流电；
5、根据权利要求4所述的可再生能源发电回馈系统，其特征在于：所述的交流至直流变换电路进一步包括由六只二极管连接而成的三相桥式整流电路，或者包括由六只晶闸管连接而成的三相全控桥式整流电路。
6、根据权利要求4所述的可再生能源发电回馈系统，其特征在于：所述的交流至直流变换电路进一步包括由六只全控式功率半导体开关器件IGBT或IGCT连接而成的三相可逆桥式整流电路。
7、根据权利要求4所述的可再生能源发电回馈系统，其特征在于：所述的交流至直流变换电路进一步包括：由六只二极管连接而成的三相桥式整流电路，以及与所述三相桥式整流电路的输出端连接的Buck或Boost电路。
8、根据权利要求4所述的可再生能源发电回馈系统，其特征在于：所述的隔离变压器是原边绕组为多个三相绕组并联连接的分裂式变压器，或者是副边绕组采用移相绕法的移相变压器。
9、根据权利要求1至3或5至7中任何一项所述的可再生能源发电回馈系统，其特征在于：所述的隔离变压器是原边绕组为多个三相绕组并联连接的分裂式变压器，或者是副边绕组采用移相绕法的移相变压器。
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