CN102223136A - 非储能型风力发电与电网互补供电的电机驱动系统 - Google Patents

非储能型风力发电与电网互补供电的电机驱动系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种非储能型风力发电与电网互补供电的电机驱动系统。本发明由三相交流电网、电网整流模块、直流母线滤波电容、逆变器、异步电机、风力发电机、风力发电整流模块、制动电阻、制动控制单元、DC/DC模块、数字控制电路组成。本发明可以捕获风能向电机供电,从而降低电网电力的消耗,达到节能减排的效果。由于有电网的接入,使风力发电的不确定性不会影响电机的正常运行,提高了风力发电的可靠性。风力发电的能量不注入电网,仅向电机供电,因此不会对电网的稳定性造成影响,也不会对电网注入谐波造成污染。本发明不需要蓄电池对电能进行储存,因此制造成本和运行大大降低,同时不会对环境造成二次污染。

Description

非储能型风力发电与电网互补供电的电机驱动系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种非储能型风力发电与电网互补供电的电机驱动系统,特别涉及一种不需要储能装置,也不需要并网的风力发电与电网互补供电的电机驱动系统,属于新能源应用领域。
背景技术
[0002] 目前新能源技术,特别是风力发电技术日益受到人们的关注。由于风力发电的不确定性,风力发电和利用主要有两种方式:一种属于并网风力发电系统,所捕获的风能转换为电能全部输送到电网上;另一种属于独立供电系统,所捕获的风能转换为电能后储存到储能系统中,需要时再向负载供电。
[0003] 对于并网风力发电系统,为了使发电容量和负载容量平衡,就需要有足够的旋转备用容量。当风力发电量下降时,旋转备用容量能够迅速增加发电容量,并向负载供电。由于风力发电的不确定性,加之负载的变动,因此需要较大的旋转备用容量。而旋转备用容量的增加就会使风力发电系统的运营成本大为增加。为了降低旋转备用容量,提高供电系统的稳定性,人们提出了大型风力发电系统储能装置,解决风力发电不确定性带来的问题。由于大型并网型风力发电系统的容量非常大,因此需要的储能装置的容量也非常大,需要较大的投资才能实现。
[0004] 对于独立供电系统,则储能装置是必须的。储能装置的作用就是当风速较高时,风力发电除了为负载提供电能之外,把剩余的电能储存在储能装置中,当风速较低或者无风时,由储能装置释放电能向负载供电。
[0005] 综上所述,在小型风力发电系统应用中,其负载多为异步电动机驱动装置,所发电能均可被负载消耗掉,因此不需要向电网输送电能,但是需要系统稳定可靠运行。而风力发电的不确定性使风力发电的应用效能大为降低。储能装置的存在又极大地增加了系统的成本,同时储能装置的寿命一般较短,这也大大增加了系统的运行成本。
发明内容
[0006] 本发明针对现有技术所存在的问题,提出了一种非储能型风力发电与电网互补供电的电机驱动系统。主要目的就是在小型风力发电系统的应用中提高系统的可靠性、稳定性,并且不会对电网造成任何损害,同时不需要储能装置。
[0007] 本发明的目的是这样实现的:
[0008] 本发明由三相交流电网、电网整流模块、直流母线滤波电容、逆变器、异步电机、风力发电机、风力发电整流模块、制动电阻、制动控制单元、DC/DC模块、数字控制电路组成。三相交流电网与电网整流模块相连接,经过直流母线滤波电容后输入给逆变器,逆变器的交流输出端与异步电机相连接。风力发电机与风力发电整流模块相连接,制动电阻与制动控制单元串联后再与DC/DC模块输入端并联接入风力发电整流模块的直流侧。DC/DC模块输出端与直流母线滤波电容相并联。数字控制电路分别与逆变器、制动控制单元和DC/DC模块相连接,对这三个模块进行控制。
[0009] 所述电网整流模块和风力发电整流模块由二极管三相全桥整流单元组成,用于交流-直流变换;
[0010] 所述逆变器由可关断功率开关组成三相全桥逆变器,用于直流-交流变换;
[0011] 所述DC/DC模块由输入电容、高频电感、升压斩波功率开关、升压二极管、降压斩波功率开关、续流二极管组成。输入电容并联在输入端,输入电容的正极与降压斩波功率开关的集电极相连,降压斩波功率开关的发射极与续流二极管阴极和高频电感相连接,续流二极管阳极连接直流母线的负端,高频电感的另外一端与升压斩波功率开关的集电极和升压二极管的阳极相连接,升压二极管的阴极连接直流母线滤波电容的正极,升压斩波功率开关的发射极与直流母线的负端相连接。
[0012] 由于上述技术方案运用,本发明与现有技术相比具有下列优点和效果:
[0013] 本发明的一个效果在于,通过风力发电系统可以捕获风能向负载电机供电,从而降低电网电力的消耗,达到节能减排的效果。
[0014] 本发明的另外一个效果在于,由于有电网的接入,使得风力发电不确定的问题不会影响负载电机的持续正常运行,提高了风力发电供电系统的可靠性。
[0015] 本发明的另外一个效果在于,风力发电的能量不注入电网,仅向负载电机供电,因此不会对电网的稳定性造成影响,也不会造成计费问题,更不会对电网注入谐波造成污染。
[0016] 本发明的另外一个效果在于,风力发电系统不需要蓄电池对电能进行储存,因此系统制造成本和运行成本大大降低,同时不会对环境造成二次污染。
附图说明
[0017] 图1是本发明中非储能型风力发电与电网互补供电的电机驱动系统框图;
[0018] 图2是DC/DC模块内部结构框图;
[0019] 图3是逆变器内部结构框图。
具体实施方式
[0020] 实施例:一种非储能型风力发电与电网互补供电的电机驱动系统,包括:
[0021] 三相交流电网101、电网整流模块102、直流母线滤波电容103、逆变器104、异步电机105、风力发电机106、风力发电整流模块107、制动电阻108、制动控制单元109、DC/DC模块110、数字控制电路111。
[0022] 三相交流电网101与电网整流模块102相连接,经过直流母线滤波电容103后输入给逆变器104,逆变器104的交流输出端与异步电机105相连接。风力发电机106与风力发电整流模块107相连接,制动电阻108与制动控制单元109串联后再与DC/DC模块110输入端并联接入风力发电整流模块107的直流侧。DC/DC模块110输出端与直流母线滤波电容103相并联。数字控制电路111分别与逆变器104、制动控制单元109和DC/DC模块110 相连接,对这三个模块进行控制。
[0023] 所述电网整流模块101和风力发电整流模块107由二极管三相全桥组成整流单元,用于交流-直流变换;
[0024] 所述逆变器104由可关断功率开关组成三相全桥逆变器,用于直流_交流变换;[0025] 所述DC/DC模块110由输入电容201、高频电感202、升压斩波功率开关203、升压二极管204、降压斩波功率开关205、续流二极管206组成。输入电容201并联在输入端,输入电容201的正极与降压斩波功率开关205的集电极相连,降压斩波功率开关205的发射极与续流二极管206阴极和高频电感202相连接,续流二极管206阳极连接直流母线的负端,高频电感202的另外一端与升压斩波功率开关203的集电极和升压二极管204的阳极相连接,升压二极管204的阴极连接直流母线滤波电容103的正极,升压斩波功率开关203 的发射极与直流母线的负端相连接。
[0026] 本实施例上述内容具体解释如下
[0027] 如图1所示,三相交流电网101经过电网整流模块102向直流母线提供电能,在输入380V交流的条件下,经过电网整流模块102整流后输出约540VDC电压,整流部分是不可控的。逆变器104将直流电经过可控功率开关组成的三相全桥(见图3)逆变为幅值和频率均可以调整的交流电提供给异步电机105,并控制异步电机105的转速。
[0028] DC/DC模块110的作用是对风力发电机106进行最大功率点追踪控制,数字控制电路111通过检测DC/DC模块110的输出电流和直流母线滤波电容103的电压计算出当前风力发电机106发出的功率大小,并根据风速的变化,使其输出的功率始终处于最大值,即最大功率点追踪控制。DC/DC模块110的输出电流并不能回馈给三相交流电网101,而是全部经逆变器104后被异步电机105消耗掉,这时风力发电机106发出的功率小于异步电机 105消耗的功率,其中不足的部分由三相交流电网101自动加以补充。
[0029] 当风速较大时,风力发电机106发出的功率会大于异步电机105消耗的功率,因此会使直流母线滤波电容103上电压逐渐上升,当直流母线滤波电容103电压超过540VDC 时,三相交流电网101自动停止向异步电机105供电,同时数字控制电路111控制DC/DC模块110退出最大功率点追踪控制模式,转入恒压控制模式,保持直流母线滤波电容103上的电压在600VDC左右恒定,这样既能使风力发电机106输出功率与异步电机105消耗功率平衡,又能使三相交流电网101不向异步电机105提供电能。一旦风速降低,风力发电机106 输出功率也随之降低,则直流母线滤波电容103上的电压无法维持在600VDC,数字控制电路111控制DC/DC模块110退出恒压控制模式,转入最大功率点追踪控制模式。
[0030] 为了控制风力发电机106输出工作在恒压控制模式或者最大功率点追踪控制模式,必须使DC/DC模块110具有升/降压控制的功能。因为风速是不断变化的,而风力发电机106的输出电压与风速成一定的比例关系,因此风力发电机106经风力发电整流模块107 后得到的直流电压可能高于直流母线滤波电容103上的电压,也可能低于直流母线滤波电容103上的电压,当高于直流母线滤波电容103上的电压时,需要DC/DC模块110进行降压斩波控制,当低于直流母线滤波电容103上的电压时,需要DC/DC模块110进行升压斩波控制。
[0031] 如果需要DC/DC模块110进行降压斩波控制时,数字控制电路111控制升压斩波功率开关203处于关断状态,并控制降压斩波功率开关205处于PWM状态,输出电压与输入电压和PWM的占空比有关。
[0032] 如果需要DC/DC模块110进行升压斩波控制时,数字控制电路111控制降压斩波功率开关205处于导通状态,并控制升压斩波功率开关203处于PWM状态,输出电压与输入电压和PWM的占空比有关。[0033] 当风速过大时,风力发电机106也会增加到较高的转速,为了保护风力发电机 106,数字控制电路111控制制动控制单元109工作在PWM模式,将制动电阻108接入电路中,使得风力发电机106输出电流加大,从而降低风力发电机106的转速,保证系统正常运行。
[0034] 上述实施例 只为说明本发明的技术构思及特点,其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施,并不能以此限制本发明的保护范围。故凡依本发明之精神实质、形状、原理所作的变化或修饰,均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1. 一种非储能型风力发电与电网互补供电的电机驱动系统,其特征在于,它由三相交流电网(101)、电网整流模块(102)、直流母线滤波电容(103)、逆变器(104)、异步电机 (105)、风力发电机(106)、风力发电整流模块(107)、制动电阻(108)、制动控制单元(109)、 DC/DC模块(110)、数字控制电路(111)组成。三相交流电网(101)与电网整流模块(102) 相连接,经过直流母线滤波电容(103)后输入给逆变器(104),逆变器(104)的交流输出端与异步电机(105)相连接。风力发电机(106)与风力发电整流模块(107)相连接,制动电阻(108)与制动控制单元(109)串联后再与DC/DC模块(110)输入端并联接入风力发电整流模块(107)的直流侧。DC/DC模块(110)输出端与直流母线滤波电容(103)相并联。数字控制电路(111)分别与逆变器(104)、制动控制单元(109)和DC/DC模块(110)相连接, 对这三个模块进行控制。
2.如权利要求1所述的非储能型风力发电与电网互补供电的电机驱动系统,其特征在于,电网整流模块(101)和风力发电整流模块(107)均由二极管三相全桥组成整流单元,用于交流-直流变换。
3.如权利要求1所述的非储能型风力发电与电网互补供电的电机驱动系统,其特征在于,逆变器(104)由可关断功率开关组成三相全桥逆变器,用于直流-交流变换。
4.如权利要求1所述的非储能型风力发电与电网互补供电的电机驱动系统,其特征在于,所述DC/DC模块(110)由输入电容(201)、高频电感(202)、升压斩波功率开关(203)、 升压二极管(204)、降压斩波功率开关(205)、续流二极管(206)组成。输入电容(201)并联在输入端,输入电容(201)的正极与降压斩波功率开关(205)的集电极相连,降压斩波功率开关(205)的发射极与续流二极管(206)阴极和高频电感(202)相连接,续流二极管 (206)阳极连接直流母线的负端,高频电感(202)的另外一端与升压斩波功率开关(203)的集电极和升压二极管(204)的阳极相连接,升压二极管(204)的阴极连接直流母线滤波电容(103)的正极,升压斩波功率开关(203)的发射极与直流母线的负端相连接。
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