CN102496961A - 一种基于直流母线的风电独立电网系统 - Google Patents

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冯宾春
符平
莫为泽
王春
张子皿
袁恩来
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Abstract

本发明涉及一种基于直流母线的风电独立电网系统，包括风力发电机组，用于将风力发电机组产生的交流电转换成直流电输到直流母线的ACDC开关电源组；电流输入端与所述直流母线分别连接的一组变频器以及高压逆变器；与所述直流母线通过双向DCDC开关电源连接的储能装置，所述储能装置连接低压逆变器；还包括用于控制直流母线电压稳定、调节电网输入输出功率平衡的控制子系统。本发明通过建立稳定直流母线直接为负载供电，保证了负载系统供电稳定；同时减少了再逆变环节，提高了风电利用率；另外，ACDC开关电源、双向DCDC开关电源可单台运行，也可多台并网运行，并网实现简单，具有很强可扩展性。

Description

一种基于直流母线的风电独立电网系统
技术领域
本发明涉及一种基于直流母线的风电独立电网系统。
背景技术
现有小型风力发电主要为分布式应用，采用的技术方案主要有传统蓄电池方案、交流母线和有限并网的方案。
（1）传统蓄电池方案是风电经整流后与蓄电池组并联，再经过逆变器给负载供电，依靠蓄电池自身的稳压能力保证负载稳定运行。这种方案原理简单，实现起来较容易，同时有大量蓄电池，保证率较高。但需要大量蓄电池为稳压提供支撑，而且逆变器输入电压的范围越小，蓄电池所需配置的容量就越大，蓄电池的有效利用容量就越小，蓄电池利用率越低，从而造成资源的浪费，而且蓄电池组建的母线电压越高，对蓄电池的要求也就越高；同时，蓄电池自身效率较低，充放电过程的损耗可达到20%。另外，蓄电池的维护、更换麻烦，寿命有限，对大规模风电系统适应性较差。目前小型风电系统大多采用此方案。
（2）交流母线方案要交流并网，是利用储能设备（蓄电池组）和变流设备（双向逆变器）建立较为稳定的小型独立电网，然后再将风电通过并网逆变器并入独立电网。该方案电能输出质量较高，具有较强的适应性，但交流并网参数较多，控制较为复杂，关键设备-双向逆变器价格相对较高。目前尚未有成熟的适应于大规模应用的双向逆变器。
（3）有限并网方案可减少蓄电池的用量，有电网支撑，稳定性好，保证率高，但需要当地有电网，并且存在入网审查问题，应用一般较少；也有些方案采用柴油发电机作为电网支撑，而柴油机污染大，运行成本高，考虑到风电的波动性和间隙性，浪费较高，这限制了此方案的应用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术的不足提供一种基于直流母线的风电独立电网系统。
本发明是这样实现的，一种基于直流母线的风电独立电网系统，包括风力发电机组，用于将风力发电机组产生的交流电转换成直流电输到直流母线的ACDC开关电源组；电流输入端与所述直流母线分别连接的一组变频器以及高压逆变器；与所述直流母线通过双向DCDC开关电源连接的储能装置，所述储能装置连接低压逆变器；还包括用于控制直流母线电压稳定、调节电网输入输出功率平衡的控制子系统。
本发明所述的基于直流母线的风电独立电网系统进一步包括用于消耗所述风力发电机组产生的富余电能的卸荷保护装置。
其中，所述保护装置由卸荷保护电阻以及降压DCDC开关电源构成，所述降压DCDC开关电源一端连接所述直流母线，另一端连接所述卸荷保护电阻。
较优的，所述卸荷保护电阻与所述风力发电机组的额定总功率相同。
进一步，所述直流母线电压为525V。
较优的，所述的储能装置为蓄电池组。
本发明所述的基于直流母线的风电独立电网系统所述的控制装置包括PLC控制器，所述PLC控制器电连接有触摸屏。
本发明通过ACDC开关电源和双向DCDC开关电源建立稳定直流母线直接为负载供电，保证了负载系统的供电稳定；同时由直流母线直接为负载供电，减少了再逆变环节，提高了风电利用率；另外，ACDC开关电源和双向DCDC开关电源可单台运行，也可多台并网运行，且并网实现简单，具有很强可扩展性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于直流母线的风电独立电网系统的结构示意图；
图中：1－风力发电机、 2－ACDC开关电源、 3－卸荷保护电阻、4－降压DCDC开关电源、5－控制器、6－双向DCDC开关电源、7－储能装置、8－变频器、9－高压逆变器、10－低压逆变器、11－电机。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。
参见图1，一种基于直流母线的风电独立电网系统，包括由若干风力发电机1构成的风力发电机组，用于将风力发电机组产生的交流电转换成直流电输出到直流母线的由与所述的风力发电机1分别对应设置的若干ACDC开关电源2构成的ACDC开关电源组；输入端与所述直流母线分别连接的一组变频器8以及高压逆变器9；与所述直流母线通过双向DCDC开关电源6连接的储能装置7，所述储能装置7连接低压逆变器10；还包括控制子系统，用于控制直流母线电压稳定、调节平衡电网的输入输出功率。
所述的一组变频器8、高压逆变器9以及低压逆变器10电流输出端均连接负载给负载供电。其中，所述的变频器8用于连接电机11给电机11供电，其它负载由高压逆变器9以及低压逆变器10供电。
本发明将负载进行了分类，主要分为电机类负载和非电机类负载。
对电机类负载由变频器8供电，这样可以实现电机类负载软启软停，在保护负载的同时，减小对系统的冲击；非电机类负载由普通逆变器供电，逆变器双分为高压逆变器9和低压逆变器10，高压逆变器9输入端为直流525V母线，低压逆变器10与储能装置7连接。这样分类是考虑系统的规模和成本，需要按实际情况进行配置。
直流母线独立电网有两个最基本要求：即母线电压稳定和输入输出功率平衡。本发明中母线电压稳定是通过ACDC开关电源与双向DCDC开关电源实现的，输入输出功率平衡是由所述的控制子系统控制完成的。
所述ACDC开关电源具有整流、升压和稳压功能，其输出电压可以根据外部命令从零至额定电压连续可调，输出电流可以根据外部命令从零至额定进行限流，并可以多台并联运行。
参见图1，本发明所述的基于直流母线的风电独立电网系统所述的控制子系统包括一套PLC控制器5，所述PLC控制器5电连接有人机交互设备－触摸屏，所述的PLC控制器还连接有若干传感器、若干分散控制设备，它们一起构成本发明独立电网系统的控制子系统。
所述的储能装置7为蓄电池组。
所述的双向DCDC开关电源和蓄电池组一起构成本发明所述的基于直流母线的风电独立电网系统的储能子系统。
蓄电池组作用是削峰填谷，当风力发电机发电足够多且负载消耗不了时，蓄电池组存储多余的电；反之，当风电不足时，蓄电池组放电，为负载补充电能。
蓄电池组的充放电是由控制子系统通过双向DCDC开关电源实现的；双向DCDC开关电源具有升压和降压两种工作模式，降压时可以给蓄电池组充电，升压时可以从蓄电池组取电并将电压升至直流525V，与ACDC开关电源并联为负载供电。
蓄电池组充放电电流大小由PLC控制器根据监测的输入功率、蓄电池组的状态参数，如端电压、可用电量、充放电电流、温度等及负载功率等计算后给定，从而实现对蓄电池进行有效管理，延长其使用寿命，提高蓄电池的利用率。
本发明所述的基于直流母线的风电独立电网系统进一步包括用于消耗所述风力发电机组产生的富余电能的卸荷保护装置。
其中，所述保护装置由卸荷保护电阻3以及降压DCDC开关电源4构成，所述降压DCDC开关电源4一端连接所述直流母线，另一端连接所述卸荷保护电阻3。
进一步的，所述卸荷保护电阻与所述风力发电机组的额定总功率相同，这样设计以便在特殊情况下完全消耗风力发电机发出的电能，保护风力发电机。
本发明基于直流母线的风电独立电网系统的保护措施主要是由卸荷保护电阻和降压DCDC开关电源完成的。降压DCDC开关电源从母线取电同时将其降压为卸荷保护电阻的工作电压，并可由PLC控制器控制其输出电流。当输入功率足够大，负载和蓄电池组消耗仍有富余时由卸荷保护电阻消耗多余电能，从而实现输入输出功率平衡，保证系统稳定可靠运行。
本发明中所述直流母线电压为525V。
所述的风力发电机组、ACDC开关电源组、卸荷保护电阻、降压DCDC开关电源、变频器、高压逆变器、低压逆变器一起构成本发明的动力子系统。
风力发电机发出的电能经过ACDC开关电源整流稳压，建立525V的直流母线，控制子系统通过PLC控制器实现多台风力发电机并网，同时启动双向DCDC开关电源和降压DCDC开关电源开始工作。
在运行过程中，控制子系统通过检测风力发电机的输入功率，实时检测蓄电池组的状态，并根据检测结果分配负载功率，使得系统的输入输出功率平衡，从而保证了系统稳定。
本发明电网系统主要采取以下两方面的保护措施：
1、设备与动力系统保护，主要包括：
风力发电机出口过电压保护，蓄电池过电压保护，蓄电池低电压保护，蓄电池充电保护，系统过电流保护。
2、当风速高于风力发电机的切出风速时，由控制子系统进行负荷切除和系统停止操作。
综上，本发明系统运行主要包括：直流母线电网的建立、负载连接和系统协调动态控制。
一、通过ACDC开关电源或双向DCDC开关电源建立直流母线，并实现多台风力发电机并网；
二、监测风力发电机的发电功率，当输入功率满足负载投入条件后，连接负载；
三、监测系统输入输出功率、蓄电池的状态参数和负载的运行状态，进行系统在线调节，保证系统安全可靠运行。
本发明由于风电经过ACDC开关电源整流稳压，建立525V直流电网经直流母线输出后直接为不同类负载供电，减少了再逆变环节，提高了风电利用率；由于母线电压的稳定由直流开关电源来实现，蓄电池的作用只是对风电的削峰填谷，所以蓄电池的使用量明显降低，使得系统成本较低，具有广阔的发展空间和应用前景；本发明并网简单，可扩展性好、硬件实现较为容易、成本低、效率高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于直流母线的风电独立电网系统，其特征在于，包括风力发电机组，用于将风力发电机组产生的交流电转换成直流电输到直流母线的ACDC开关电源组；电流输入端与所述直流母线分别连接的一组变频器以及高压逆变器；与所述直流母线通过双向DCDC开关电源连接的储能装置，所述储能装置连接低压逆变器；还包括用于控制直流母线电压稳定、调节电网输入输出功率平衡的控制子系统。
2.根据权利要求1所述的基于直流母线的风电独立电网系统，其特征在于，包括用于消耗所述风力发电机组产生的富余电能的卸荷保护装置。
3.根据权利要求2所述的基于直流母线的风电独立电网系统，其特征在于，所述保护装置由卸荷保护电阻以及降压DCDC开关电源构成，所述降压DCDC开关电源一端连接所述直流母线，另一端连接所述卸荷保护电阻。
4.根据权利要求3所述的基于直流母线的风电独立电网系统，其特征在于，所述卸荷保护电阻与所述风力发电机组的额定总功率相同。
5.根据权利要求1－4任一项所述的基于直流母线的风电独立电网系统，其特征在于，所述直流母线电压为525V。
6.根据权利要求1所述的基于直流母线的风电独立电网系统，其特征在于，所述的储能装置为蓄电池组。
7.根据权利要求1所述的基于直流母线的风电独立电网系统，其特征在于，所述控制子系统包括PLC控制器，所述PLC控制器电连接有触摸屏。
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