CN103023067A - 基于公共直流母线的直驱风力发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于公共直流母线的直驱风力发电系统，属一种风力发电系统，包括多台风力发电机组；所述风力发电机组的交流电流输出端分别接入各自的机侧变流器，所述多台风力发电机组均通过各自的机侧变流器接入公共直流母线，再由公共直流母线统一接入变电站，用于将多台风力发电机组所产生的电能汇聚传输到变电站进行统一逆变，将其转换为与电网同频同压的交流电馈入电网；且所述多台风力发电机组通过机侧变流器传输至公共直流母线的电能的电压均相等。通过将发电系统中的所有风力发电机组通过公共直流母线连接在一起，将它们所产生的电能传输至变电站进行统一的变流，可以有效降低风电场的建设成本，增加风电系统构成的灵活性。

Description

基于公共直流母线的直驱风力发电系统

技术领域

本发明涉及一种风力发电系统，更具体的说，本发明主要涉及一种基于公共直流母线的直驱风力发电系统。

背景技术

在所有的可再生能源发电系统中，风能作为一种具有很强竞争力的新能源发电技术得到了全社会的高度重视，其装机容量近乎以20％的速度递增。为转换和获得更多的风能，变速恒频风力发电机组逐步取代恒速恒频风力发电机组。而其中，直驱式永磁同步风力发电系统因其具有无增速齿轮箱、效率高、可靠性高、运行维护成本低等优点，逐渐成为行内人士关注的焦点，逐步成为市场上流行的变速恒频风力发电机组之一。

当前，针对直驱式风力发电系统，其基本结构以风力机带动多极永磁同步发电机+不控整流+Boost变换器+PWM变流器、和发电机+背靠背双PWM变流器的两种结构。对于后者，由于发电机控制由PWM变流器实现，可以获得比较高的性能，如：谐波少、功率因素高、功率双向流转、响应性能好等，但相对前者其装置的投入成本自然要高、电路复杂、可靠性也相应的较低。当前，对这两者的应用研究均比较多，其系统结构都是一对一模式，即一台发电机对应一部变流器(整流、逆变)，将风能馈入电网。然而，众所周知的是，对于需要建立的风电场而言，不可能就是一台风力发电机组，大多在风场区域范围内逐步建立并发展成为一个发电机组群，如果所有的风力发电机组均按以上模式组建，系统总投入与运行成本将比较大。此外，在大多数运行情况下，并不是所有风力发电系统总是运行在全功率状态，因此，一对一模式的风力发电系统其并网逆变器并未按照容量充分发挥其自身潜能，系统的运行效益较低。

在文献[1直驱式永磁风力发电机组病网控制，杨晓萍，郭鑫，电力系统及其自动化，2011Vol.23No.6]中，提出了一种直驱式永磁风力发电机组并网控制方法，该控制方法的思想是，系统只使用一台全功率变流器将所有直驱永磁风力发电机并接在低频交流母线上，电能以低频长距离送入背靠背换流站，在换流站中变换为工频送入电网。这种方法可以显著降低风力发电系统的初始设备投资，一条低频母线上的所有发电机等效成一台发电机，各机组的转速相同。显然，运行于风电场不同位置的风力发电机组，由于地面形状的不同，风流形成的差异，风电场各处的风速肯定会有比较大的差别，让所有风力发电机都运行在相同转速肯定是不合理的。由于各机组风速不同而转速相同，使得大部分机组不能运行在最佳风能曲线上，不能让各机组充分发挥各自优势利用风力资源，因此，有必要针对前述直驱风力发电系统做进一步的改进。

发明内容

本发明的目的之一在于针对上述不足，提供一种基于公共直流母线的直驱风力发电系统，以期望解决现有技术中风力发电机组配置最大功率的变流器造成变流装置过多的功率潜能浪费，发电机组相互分离造成系统架设及并网控制较为复杂，对电网的冲击较大以及系统架设成本过高等技术问题。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

本发明所提供的一种基于公共直流母线的直驱风力发电系统，包括多台风力发电机组，所述风力发电机组的交流电流输出端分别接入各自的机侧变流器，所述多台风力发电机组均通过各自的机侧变流器接入公共直流母线连接在一起，再由公共直流母线统一接入变电站，用于将多台风力发电机组所产生的电能汇聚传输到变电站进行统一逆变，将其转换为与电网同频同压的交流电馈入电网；且所述多台风力发电机组通过机侧变流器传输至公共直流母线的电能的电压均相等。

作为优选，进一步的技术方案是：所述多台风力发电机组各自的机侧变流器与公共直流母线之间还设有功率方向控制开关模块，用于在风力发电机组并入发电系统时，使其向公共直流母线传输的电能趋于平滑。

更进一步的技术方案是：所述的功率方向控制开关模块包括馈电大功率二极管、旁路开关及功率方向控制电路；其中馈电大功率二极管串接在机侧变流器与公共直流母线之间，且旁路开关并联接入在馈电大功率二极管的两端，其初始呈断开状，所述功率方向控制电路分别接入公共直流母线与旁路开关，且功率方向控制电路中还预设有风力发电机组向公共直流母线输出电能的电流控制数值，用于当功率方向控制电路检测到经过馈电大功率二极管传输至公共直流母线的电流大于或等于所述电流控制数值时，则控制旁路开关闭合，旁路短接馈电大功率二极管。

更进一步的技术方案是：所述的功率方向控制电路中预设的电流控制数值还设有滞环，用于使预设的电流控制数值形成相应的区间值范围。

更进一步的技术方案是：所述的机侧变流器是全控整流器或不控整流器带升压变换器。

更进一步的技术方案是：所述发电系统中多台风力发电机组通过各自的机侧变流器，接入公共直流母线的方式为环形联接、放射形联接、串联形联接当中的任意一种。

更进一步的技术方案是：所述变电站设有多台并网逆变器，且多台并网逆变器直接接入公共直流母线，所述多台并网逆变器分级相互并联，用于按照多台风力发电机组传输至直流母线电能的大小，采用相应数量或功率的并网逆变器对公共直流母线馈入的电能进行逆变转换，且公共直流母线馈入的电能大小与变电站并网逆变器的数量和功率相互匹配。

更进一步的技术方案是：所述分级相互并联的逆变器与公共直流母线之间还设有切换控制器，切换控制器用于实时检测公共直流母线输入逆变器的电能的功率值，并与当前逆变器的额定功率相比较，判断当前逆变器是否满载，将结果进行显示。

更进一步的技术方案是：所述切换控制器与公共直流母线还接入卸荷电路，用于当切换控制器判断所有逆变器的功率均为满载时，切换控制器控制卸荷电路导通，释放公共直流母线过多功率，同时给出告警信息。

与现有技术相比，本发明的有益效果之一是：通过将发电系统中的所有风力发电机组通过公共直流母线连接在一起，将它们所产生的电能传输至变电站进行统一的变流，可以有效降低风电场的建设成本，增加直驱风力发电系统构成的灵活性，方便风力发电机组的并网操作与运行，提高直驱风力发电系统并网后运行的稳定性，并为其它分布式能源的并网运行提供了机遇；同时本发明所提供的一种基于公共直流母线的直驱风力发电系统的架构简单，且适宜于在各类风力发电场所中安装运用，应用范围广阔。

附图说明

图1为用于说明本发明一个实施例的系统架构框图；

图2为用于说明本发明另一个实施例的功率方向控制开关模块连接框图；

图3为用于说明本发明一个应用实施例的系统架构框图；

图4为用于说明本发明另一个应用实施例的系统架构框图；

图5为用于说明本发明再一个应用实施例的系统架构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步阐述。

参考图1所示，本发明的一个实施例是一种基于公共直流母线的直驱风力发电系统，该系统中设有多台风力发电机组，所述风力发电机组的交流电流输出端分别接入各自的机侧变流器，所述多台风力发电机组均通过各自的机侧变流器接入公共直流母线连，再由公共直流母线统一接入变电站，该技术手段的作用是将多台风力发电机组所产生的电能汇聚传输到变电站进行统一逆变，将其转换为与电网同频同压的交流电馈入电网；所述多台风力发电机组通过机侧变流器传输至公共直流母线的电能的电压均相等。

在本发明的另一实施例中，在多台风力发电机组各自的机侧变流器与公共直流母线之间增设功率方向控制开关模块，其作用是在风力发电机组并入发电系统时，使其向公共直流母线传输的电能趋于平滑。

参考图2所示，而根据本发明的另一优选实施例，上述功率方向控制开关模块的优选结构为由馈电大功率二极管、旁路开关及功率方向控制电路组成；其中馈电大功率二极管串接在机侧变流器与公共直流母线之间，且旁路开关并联接入馈电大功率二极管的两端，其初始呈断开状，所述功率方向控制电路分别接入公共直流母线与旁路开关，且功率方向控制电路中还预设有风力发电机组向公共直流母线输出电能的电流控制数值，其作用是当功率方向控制电路检测到经过馈电大功率二极管传输至公共直流母线的电流大于或等于所述电流控制数值时，则控制旁路开关闭合，旁路连接馈电大功率二极管。同时，由于风电系统发电的随机性、波动性，最好在前述的电流控制数值中设置滞环，使预设的电流控制数值形成相应的区间值范围，避免电路切换抖动。

而本发明上述实施例中所提到的机侧变流器，其作用是将风力发电机组所产生的电能进行转换，以相同的电压输出至公共直流母线，参考现有技术，可在全控整流器或不控整流器带升压变换器中进行选择，采用前述任意一种作为风力发电机组的机侧变流器均可起到前述的作用，其中全控整流器的使用成本略高于不控整流器带升压变换器，具体可视系统的架设成本进行确定。

而在本发明用于解决技术问题更加优选的一个实施例中，还需在变电站设置多台逆变器，且多台逆变器直接接入公共直流母线，所述多台逆变器分级相互并联，用于处理多台风力发电机组传输至直流母线的电能，采用相应数量或功率的逆变器对公共直流母线馈入的电能进行逆变转换，且公共直流母线馈入的电能大小与变电站逆变器的数量和功率相互匹配。

并且，为方便上述实施例中多台逆变器的管理，还可在相互并联的逆变器与公共直流母线之间增设切换控制器，切换控制器用于实时检测公共直流母线输入逆变器的电能、直流母线的电压值，并与当前逆变器的额定功率相比较，判断当前逆变器是否满载，将结果进行显示。

同时，为避免上述逆变器均出现满载时造成逆变器损坏，还可在切换控制器与公共直流母线之间增设卸荷电路，卸荷电路的作用是当切换控制器判断所有逆变器的功率均为满载时，切换控制器控制卸荷电路导通，释放公共直流母线过多功率，同时给出告警信息。而卸荷电路释放公共直流母线过多功率的原理为接入大功率电阻器件以消耗部分公共直流母线所输入的电能，从而降低其输入电压，进而公共直流母线输入的功率被降低。

参考图3、图4、图5所示，本发明在实际应用中，风力发电机组与公共直流母线的接入方式主要为三种形式，即图中示出的环形联接、放射形联接、串联形联接，从系统运行可靠性方面考虑，环形联接方式具有更高的可靠性。因为当公共直流母线发生故障，如开路时，环形联接的风力发电机组仍可以通过另一环形分支向变电站输送电能；放射形联接的风力发电机组只影响本机组，对其它机组没有影响；而串联形联接当其中一台风力发电机组发生故障时，将会影响开断点以后的所有风力发电机组，使其脱网甩载运行，对系统运行的安全性不利。从系统构成成本方面考虑，放射形系统相对成本较高，而环形和串联形连接的成本相当，因此系统的优选联接方式为环形联接。

结合上述的实施例，再结合发明人的具体实验过程对本发明做更为详细的阐述：再如图1所示，风电场中各直驱风力发电机所发出的不同频率的低频交流电能经过交/直变换器变换成为直流电直接馈入公共直流母线。各风力发电机所发出电功率的大小取决于各机组风力机的输入，与机组装备所处地点的风速有关。由于各发电机发出的低频交流电能通过各自的整流器(全控整流器或不控整流器带升压变换器)变换成直流电馈入公共直流母线，各发电机的转速可以得到灵活的控制，可以使各风力发电机运行在最佳风能曲线上。传输到公共直流母线上的电能汇聚到变电站，由逆变器完成直/交变换，将风能馈送到电网上。

采用公共直流母线，各风力发电机所发出的变频、变压交流电可以经过全控整流器或者不控整流带升压变换器的方法与公共直流母线相联，将各发电机所产生的风能传输到公共直流母线上。因此，风电系统在建设时组建比较灵活，可以随着工程的推进逐步增加风电场风力发电机组的数目，项目的推进对设备的投资有所节省，因为我们不需要给每个风力发电机组都配备逆变器。系统只需要在增设风力发电机时综合考虑变电站所需要逆变器的容量配备。由于系统的这种配备方式，不像每一个风力发电机组配备逆变器时按照功率1∶1配置，多个风力发电机组通过公共直流母线连接之后，后续逆变器容量的需求便可以降低，系统投入成本自然下降。

直驱风力发电系统采用公共直流母线时，机侧变流器可以全部采用全控整流器实施交流到直流的变换，也可以全部采用不控整流带升压变换器完成直流变换，或者部分采用全控整流器、部分采用不控整流带升压变换器完成直流变换，只要这些变流器均以输出同一等级电压的直流电能为目标，根据各自发电机自身产生的风能多少向公共直流母线馈入电能。因此，系统的构成比较灵活方便。

再图2所示，风力发电机组开始投入运行时，整流器直流输出端(或斩波器输出端)口直接联接于图中A点，由于此时该发电机组还没有向电网输出电能，电流检测环节输出的信号确定的功率方向控制电路使与二极管并联的开关断开。随着电机转速的上升，发电机输出电能的增加，使该机组向公共直流母线馈入的电能逐步增加，设置电流达到一定数值之后，功率方向控制电路使与二极管并联的开关闭合，旁路连接二极管，以减低发电系统的能量损失及大功率馈电二极管的容量需求。

该电路的使用，可以避免参考文献1所示系统中各发电机的同期并网控制问题，又可避免各发电机组向公共直流母线并联时的电流冲击，使接入的发电机从空载连接到馈入电能的平滑过渡。当发电机组向公共直流母线馈入的电流较大时，由二极管旁路开关短路，避免过大的电能损失，同时也可以减少二极管的额定容量。

开关的控制需要保证电路的可靠运行，又要避免大的功率损失。因此，其控制采取如下模式：当发电机组需要并入公共直流母线时，直接接入到电路上A点(接入点)，在风力机作用下，发电机转速上升，实现从空载到向公共直流母线馈电的过渡。随着电机速度的上升，发电机向公共直流母线馈入的电流增加。当电流增加到某一设定值时，电流检测单元输出信号控制开关接通，将馈电二极管短接，减少发电系统的功率损耗，减小馈电二极管的容量需求。由于风电系统发电的随机性、波动性，二极管短接的电流控制数值需要设置滞环，以防止系统在该值附近运行的不稳定。

针对风电场的系统连接，由于各风力发电机组均按照公共直流母线电压等级向其馈送电能，公共直流母线的结构方式可以按照环形、放射形、串联形等方式连接，分别如图3、图4、图5所示。从系统运行可靠性方面考虑，环形连接方式具有更高的可靠性。因为，当公共直流母线发生故障，如开路时，环形连接的发电机组仍可以通过另一环形分支向变电站输送电能；放射形连接的发电机组只影响本机组，对其它机组没有影响；而串联形发电机组将会影响开断点以后的所有发电机组，使其脱网甩载运行，对系统运行的安全性不利。从系统构成成本方面考虑，放射形系统相对成本较高，而环形和串联形连接的成本相当。

当所有风力发电机组将风能均汇聚到公共直流母线上后，需要逆变器将其转换成与电网同频的交流电能并馈入电网。考虑到风电系统的随机性以及实际风电系统运行的具体情况，变电站逆变器的设置应该综合考虑风电场风能的情况，因为，大多数情况下，风电机组均不在额定风速下满载运行，许多情况下风电机组输出功率均不足额定功率的50％，甚至更低。

为此，变电站的逆变器可以分级并联设置，将系统整体容量分成N等份，按照风力发电机组馈入公共直流母线的电能大小，设置投入运行的逆变器个数，每个逆变器控制均按照公共直流母线电压恒定来设定逆变器向电网馈入的电能大小，直至该逆变器满载为止。逆变器的投入时机有些讲究，投入早了逆变器轻载甚至空载，投入晚了，公共直流母线电压会上升，对系统安全不利。因此，在风电系统功率上升的过程中，随着功率的上升，刚投入的逆变器馈入电网的功率上升(前期投入的逆变器已经满载运行)，当该逆变器馈电功率已经达到额定功率的90％以上时再投入下一台逆变器，并依此递推。在风电系统功率下降的过程中，随着母线功率的下降，当前运行的逆变器馈入电网的电功率下降，当功率下降到接近于零时，切除该逆变器，控制下一台逆变器馈入电网的电功率，保证公共直流母线电压稳定。因此，对逆变器的管理与切换控制是必要的。

综上所述，本发明所能实现的技术目的如下：

1、形成风电场直驱风力发电系统的新型结构。从传统思维上讲，在由直驱风力发电系统构成的风电场中，各风力发电机组根据自身的环境条件(所处地的风速)各自发电、转换、逆变，将风能馈入电网，每台风力发电机组之间通过交流母线彼此相连。自然，每台风力发电机组的投入运行均有一个比较复杂的并网过程，系统的运行与控制成本较高。本发明提出各风力发电机组通过一组公共直流母线相连，比起一对一模式的直驱式风力发电系统，系统构成的成本投入较小。

2、充分利用各风力发电机组的自身潜力。传统的直驱风力发电系统，由于每台风力发电机组各自为政，其变流器均按照风力发电机运行的最大功率配置，这必然造成设备投入的浪费。本发明所提出采用一组公共直流母线将风电场所有直驱风力发电机组联接在一起，各机组根据自身所处环境风速的情况运行在各个不同的转速上，各机组都可以实现追踪最大风能的控制，使每个风力发电机尽可能多地发电，提高整个系统的运行效率。

3、方便系统的构成，并为其它可再生能源的并网提供便利。传统的可再生能源并网均按照一对一模式将电能馈入电网，系统构成比较复杂。本发明中，各风力发电机发出的变压、变频交流电经过不控整流器-升压变换器将风能馈入公共直流母线，或者通过全控整流电路将变压、变频交流电直接变换为直流电馈入公共直流母线，各风力发电机组的交/直变换均以公共直流母线电压为控制目标，与需要同期并网的交流系统相比，系统构成比较简捷方便。同时，这种结构也为其它分布式能源的并网提供了便利(如光伏发电等)，其它可再生能源发电装置只要以该公共直流母线电压为控制的约束条件，将电能馈入即可。

4、本发明中的功率控制开关可以方便各风力发电机组并入公共直流母线。传统的按照一对一并网的直驱风力发电系统并网方式，每一台风力发电机组均需要按照同期并网方式将发电系统联至电网，并网的控制比较复杂，对电网的冲击较大，对电网的稳定运行不利。而本发明中，风力发电机组投入运行时，整流器输出端(或斩波器输出端)口通过功率控制开关直接联接到公共直流母线，因此，系统连接并网比较方便。

5、本发明中给出了风电场中的系统连接方法。针对风电场的系统连接，由于各风力发电机组均按照公共直流母线电压等级向其馈送电能，公共直流母线的结构方式可按照环形、放射形、串联形等方式连接。从系统运行可靠性方面考虑，环形连接方式具有更高的可靠性。从系统构成成本方面考虑，放射形系统相对成本较高，而环形和串联形连接的系统其成本相当。

6、本发明中给出了变电站逆变器的设置方法。当所有风力发电机组将风能均汇聚到公共直流母线上后，需要并网逆变器将其转换成与电网同频的交流电能并馈入电网。考虑到风电系统的随机性以及实际风电系统运行的具体情况，变电站逆变器的设置应该综合考虑风电场风能的运行情况。变电站的逆变器可以分级并联设置，按照风力发电机组馈入公共直流母线的电能大小，设置投入运行的逆变器个数及接入顺序。

除上述以外，还需要说明的是，在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”、等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。

尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (9)

1.一种基于公共直流母线的直驱风力发电系统，包括多台风力发电机组，所述风力发电机组的交流电流输出端分别接入各自的机侧变流器，其特征在于：所述多台风力发电机组均通过各自的机侧变流器接入公共直流母线连接在一起，再由公共直流母线统一接入变电站，用于将多台风力发电机组所产生的电能汇聚传输到变电站进行统一逆变，将其转换为与电网同频同压的交流电馈入电网；且所述多台风力发电机组通过机侧变流器传输至公共直流母线的电能的电压均相等。

2.根据权利要求1所述的基于公共直流母线的直驱风力发电系统，其特征在于：所述多台风力发电机组各自的机侧变流器与公共直流母线之间还设有功率方向控制开关模块，用于在风力发电机组并入发电系统时，使其向公共直流母线传输的电能趋于平滑。

3.根据权利要求2所述的基于公共直流母线的直驱风力发电系统，其特征在于：所述的功率方向控制开关模块包括馈电大功率二极管、旁路开关及功率方向控制电路；其中馈电大功率二极管串接在机侧变流器与公共直流母线之间，且旁路开关并联接入馈电大功率二极管的两端，且初始呈断开状，所述功率方向控制电路分别接入公共直流母线与旁路开关，且功率方向控制电路中还预设有风力发电机组向公共直流母线输出电能的电流控制数值，用于当功率方向控制电路检测到经过馈电大功率二极管传输至公共直流母线的电流大于或等于所述电流控制数值时，则控制旁路开关闭合，旁路连接馈电大功率二极管。

4.根据权利要求3所述的基于公共直流母线的直驱风力发电系统，其特征在于：所述的功率方向控制电路中预设的电流控制数值还设有滞环，用于使预设的电流控制数值形成相应的区间值范围，以避免电路状态切换抖动。

5.根据权利要求1所述的基于公共直流母线的直驱风力发电系统，其特征在于：所述的机侧变流器是全控整流器或不控整流器带升压变换器。

6.根据权利要求1或2所述的基于公共直流母线的直驱风力发电系统，其特征在于：所述发电系统中多台风力发电机组通过各自的机侧变流器，接入公共直流母线的方式为环形联接、放射形联接、串联形联接当中的任意一种。

7.根据权利要求1所述的基于公共直流母线的直驱风力发电系统，其特征在于：所述变电站设有多台逆变器，且多台逆变器直接接入公共直流母线，所述多台逆变器分级相互并联，用于按照多台风力发电机组传输至直流母线电能的大小，采用相应数量或功率的逆变器对公共直流母线馈入的电能进行逆变转换，且公共直流母线馈入的电能大小与变电站逆变器的数量和功率相互匹配。

8.根据权利要求7所述的基于公共直流母线的直驱风力发电系统，其特征在于：所述分级相互并联的逆变器与公共直流母线之间还设有切换控制器，切换控制器用于实时检测公共直流母线输入逆变器的电能数值，并与当前逆变器的额定功率相比较，判断当前逆变器是否满载，将结果进行显示，并用于逆变器的投切控制。

9.根据权利要求8所述的基于公共直流母线的直驱风力发电系统，其特征在于：所述切换控制器与公共直流母线还接入卸荷电路，用于当切换控制器判断所有逆变器的功率均为满载时，切换控制器控制卸荷电路导通，释放公共直流母线过多功率，同时给出告警信息。

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