CN103501117A - 一种适用于波浪能发电机组的变电输送系统 - Google Patents

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邵兴
刘来华
岳孝磊
康玲
卢刚
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Abstract

本发明提供了一种适用于波浪能发电机组的变电输送系统,该变电输送系统包括整流/升压电源装置、海底电缆、直流变换器装置、蓄电池组柜、逆变电源装置和隔离变压器;整流/升压电源装置将发电机组输出的AC三相400V交流电压整流、升压到1006V直流;直流变换器装置对1006V直流电压进行稳压,当发电机组转速正常时,为逆变电源装置提供直流输入电源,同时为蓄电池组提供浮充电压;当发电机组转速偏低,蓄电池组释放储存的能量并与直流变换器装置一起为逆变电源装置提供直流输入电源;逆变电源装置将额定输入1006Vdc的直流输入电压逆变为单相230Vac和三相为400Vac的交流电压,再通过一个变比为1:1隔离变压器,输出稳定的230/400Vac交流电压;本发明损耗小且发电效率高。

Description

—种适用于波浪能发电机组的变电输送系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种适用于波浪能发电机组的变电输送系统,属于电力电子技术领域。
背景技术
[0002] 21世纪是海洋的世纪,人类向大海索取资源已成为必然的趋势。然而远离大陆开发海洋,人们最需要的是拥有足够的电能和淡水。利用海洋波浪能发电,为深入开发海洋资源、改善驻海岛官兵生活面貌开辟了新途径。海洋中有丰富的波浪能和水,其中波浪能是品位最高(以机械能的形式存在)、最易于直接利用、取之不尽的可再生清洁能源。在此种背景下,西方海洋大国利用新技术纷纷展开试验,研制出漂浮式波浪能装置、固定式波浪能装置等。利用转化装置将波浪能转化为机械能,再将机械能转化为电能。但是由于波浪能的不稳定性,在变电与传输的过程中损耗较大,导致这些装置的最大总发电效率比较低,从能源利用的角度来说,其造价仍过于昂贵。
发明内容
[0003] 有鉴于此,本发明提供了一种适用于波浪能发电机组的变电输送系统,采用整流/升压电源装置、逆变电源装置和隔离变压器进行变电输送,其损耗小且发电效率高。
[0004] 一种适用于波浪能发电机组的变电输送系统,该变电输送系统包括整流/升压电源装置、海底电缆、直流变换器装置、蓄电池组柜、逆变电源装置和隔离变压器;
[0005] 整流/升压电源装置将发电机组输出的AC三相400V交流电压整流、升压到1006V直流,并经海底电缆输送给直流变换器装置;
[0006] 直流变换器装置对整流/升压电源装置输出的1006V直流电压进行稳压,得到稳定的looevdc电压;当发电机组转速正常时,为逆变电源装置提供直流输入电源,同时为蓄电池组提供浮充电压;当发电机组转速偏低,无法提供足够的能量时,蓄电池组释放储存的能量并与直流变换器装置一起为逆变电源装置提供直流输入电源;
[0007] 逆变电源装置将额定输入1006Vdc的直流输入电压逆变为单相230Vac和三相为400Vac的交流电压,再通过一个变比为1:1隔离变压器,输出稳定的230/400Vac交流电压。
[0008] 每个发电机组都连接一套整流/升压电源装置,每套整流/升压电源装置包括二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8,大功率开关管Q1,电容Cl,电感LI ;其中二极管Dl和D2串联,二极管D3和D4串联,二极管D5和D6串联,形成三个串联支路,且三个串联支路之间相互并联,每个串联支路上两二极管的连接方式相同,即其中一个二极管的负极与另一个二极管的正极相连,三相交流永磁发电机输出线分别接二极管Dl与D2之间、D3与D4之间、D5与D6之间;
[0009] 大功率开关管Ql的C极与二极管D8的负极、与二极管D7的正极、以及通过电感LI与二极管D5的负极分别相连;大功率开关管Ql的E极与二极管D6的正极、与二极管D8的正极、以及通过电容Cl与二极管D7的负极分别相连;电容Cl的两端为整流/升压装置的输出端,该输出端与直流变换器装置相连;
[0010] 直流变压器装置包括大功率开关管Q2、二极管D9、D10、电感L2、电容C2,大功率开关管Q2的C极与二极管DlO的负极、与二极管D9的正极、以及通过电感L2与电容Cl的一端分别相连,大功率开关管Q2的E极与二极管DlO的正极、与电容Cl的另一端、以及与电容C2的一端分别相连,电容C2的另一端连接二极管D9的负极;电容C2的两端为输出端,接蓄电池组;
[0011] 逆变电源装置为三相全桥逆变电路,每相逆变电路完全相同,包括大功率开关管Q3、Q4、二极管Dll、D12、电容C3、C4、C9、电感L3,其中电容C3和电容C4串联,串联后的两端接蓄电池的两端,为逆变器输入;大功率开关管Q3的E极与大功率开关管Q4的C极相连,大功率开关管Q3的C极和大功率开关管Q4的E极连接电容C3和电容C4串联后的两端,二极管Dll的正极和负极连接大功率开关管Q3的E极和C极,二极管D12的正极和负极连接大功率开关管Q4的E极和C极,电感L3的一端接在大功率开关管Q3和大功率开关管Q4之间,另一端连接电容C9后接在电容C3和电容C4之间;电容C9的两端为该组输出,接对应的隔离变压器。
[0012] 有益效果:
[0013] 本发明通过整流/升压电源装置将交流电压进行整流、升压,并通过直流变换器进行稳压,为逆变电源装置提供直流输入电源,保证逆变电源装置输出稳定,且逆变电源装置采用三个独立的全桥逆变器组成,通过高频SPWM调制技术,输出三相交流电压,在满足负载需要的同时,其供电与输送可靠稳定,且损耗小发电率高,此外本发明采用模块化并联冗余的设计,也提高了系统的可靠性。
附图说明
[0014] 图1为本发明适用于波浪能发电机组的变电输送系统的组成框图。
[0015] 图2为本发明适用于波浪能发电机组的变电输送系统的原理框图。
具体实施方式
[0016] 下面结合附图并举实施例,对本发明进行详细描述。
[0017] 如附图1所示,本发明提供了一种适用于波浪能发电机组的变电输送系统,该变电输送系统包括整流/升压电源装置、海底电缆、直流变换器装置、蓄电池组柜、逆变电源装置和隔离变压器。
[0018] G代表6台发电机机,规格为AC三相400V输出,额定功率50kW,分别放置于2#〜4#三个浮筒内,2#〜4#三个浮筒内每个发电机后面设置一个50kW整流/升压电源装置,该装置将交流电压整流、升压到1006V直流输出,且6套整流/升压电源装置之间有通信电缆连接,实现所有装置的直流输出并联运行。高压直流母线经过1#浮筒,再通过较长距离(1.5km)的海底电缆,将该直流电压输送到岸上的变流装置和储能装置。整流/升压电源装置的通信电缆还将每台装置的工作参数和运行状态传输到1#浮筒内的控制系统,用以实现整个装置的集中监控功能,比如控制整流/升压电源装置的开关机功能等。
[0019] 考虑远距离海底电缆阻抗引起的电压跌落,可适当提高传输直流电压。直流电压经过电缆送到岸上后,母线电压会在一定范围内波动,因此,通过直流变换器进行稳压。直流变换器的功能为:在发电机转速正常情况下,将海底电缆传输来的变化的直流电压进行功率转换,输出稳定的1006Vdc电压,为三相大功率逆变电源提供直流输入,同时为蓄电池组提供浮充电压,实现电能的储存;当发电机转速偏低,无法提供足够的能量时,由蓄电池组释放储存的能量,为逆变装置提供直流输入电源,保证逆变电源装置输出稳定。
[0020] 蓄电池柜用以在波浪能充足时,将多余的波浪能储存在蓄电池内,这样在波浪能不足时,蓄电池组开始放电,保证交流负荷供电的不间断。
[0021] 大功率逆变电源装置将额定输入1006Vdc的直流输入电压逆变为单相230Vac和三相为400Vac的交流电压,再通过一个变比为1:1隔离变压器,输出稳定的230/400Vac交流电压,供各种负载使用。
[0022] 图2中,1#~6#G是6个50kW永磁同步发电机组,每个机组产生280~480Vac的三相交流电,经过由Dl~D6,Dr~D6’……组成的三相桥式不控整流器,实现交流电到直流电的转换。该直流电压随波浪的强弱而变化,并且变化范围较宽。
[0023] G是6个50kW永磁同步发电机组,该每个机组产生400Vac的三相交流电,经过三相桥式布控整流器,实现交流电到直流电的转换。该直流电压随波浪的强弱而变化。由于从发电机到岸上的距离较远,约1.5km左右,为减少较大的直流电流在传输电缆上的损耗,必须设置一个升压环节,使输出的直流电压升高到要求的1006Vdc。6个(如果备份的话,设置12个)相同的直流升压装置位于整流装置的后面,通过控制电路实现彼此并联运行,实现发电机的负荷均衡及最大容量的输出,避免个别发电机转速较高而出现过负荷的状况。
[0024] 每个发电机组都连接一套整流/升压电源装置,以1#发电机组为例,整流/升压电源装置包括二极管Dl、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8,大功率开关管Ql,电容Cl,电感LI ;二极管Dl和D2串联,二极管D3和D4串联,二极管D5和D6串联,形成三个串联支路,且三个串联支路之间相互并联,每个串联支路上两二极管的连接方式相同,即其中一个二极管的负极与另一个二极管的正极相`连,三相交流永磁发电机输出线(3根)分别接二极管Dl与D2之间、D3与D4之间、D5与D6之间,Dl~D6为三相不可控整流桥;
[0025] 大功率开关管Ql的C极与二极管D8的负极、与二极管D7的正极、以及通过电感LI与二极管D5的负极分别相连;大功率开关管Ql的E极与二极管D6的正极、与二极管D8的正极、以及通过电容Cl与二极管D7的负极分别相连;电容Cl的两端为整流/升压装置的输出端,该输出端与直流变换器装置相连;其中电感L1、大功率开关管Ql和二极管D7实现直流升压功能,Vdcl点的电压设定在1006Vdc,经过海底电缆将直流电压输送到岸上。
[0026] 整流/升压电源装置电容Cl两端接直流变换器的输入,直流变压器装置包括大功率开关管Q2、二极管D9、D10、电感L2、电容C2,大功率开关管Q2的C极与二极管DlO的负极、与二极管D9的正极、以及通过电感L2与电容Cl的一端分别相连,大功率开关管Q2的E极与二极管DlO的正极、与电容Cl的另一端、以及与电容C2的一端分别相连,电容C2的另一端连接二极管D9的负极;直流变换器中电容C2的两端为输出,接蓄电池组。
[0027] 逆变电源装置为三相全桥逆变电路,每相逆变电路完全相同,以第一相逆变电路为例,其包括大功率开关管Q3、Q4、二极管Dll、D12、电容C3、C4、C9、电感L3,电容C3和电容C4串联,串联后的两端接蓄电池的两端,为逆变器输入;大功率开关管Q的E极与大功率开关管Q4的C极相连,大功率开关管Q3的C极和大功率开关管Q4的E极连接电容C3和电容C4串联后的两端,二极管Dll的正极和负极连接大功率开关管Q3的E极和C极,二极管D12的正极和负极连接大功率开关管Q4的E极和C极,电感L3的一端接在大功率开关管Q3和大功率开关管Q4之间,另一端连接电容C9后接在电容C3和电容C4之间;电容C9的两端为该组输出,接对应的隔离变压器;
[0028] 所有大功率开关管的B极均作为触发端,接收触发信号导通或关断大功率开关管。
[0029] 本发明的整个发电系统的功率变换部分,包括整流、直流变换和逆变装置均采用模块化并联冗余的设计,提高系统可靠性。
[0030] 工作原理:
[0031] 以1#发电机的50kW升压装置为例来说明。由于从发电机到岸上的距离较远,约
1.5km左右,为减少较大的直流电流在传输电缆上的损耗,必须设置一个升压环节。升压电路由图2中的L1、Q1、D1和D2组成,为Boost升压电路。当IGBT Ql导通时,电感LI的电流上升。当Ql关断时,电感LI的电流下降,储存在电感LI中的能量释放出来,经过二极管Dl为储能电容充电。通过控制Ql的开通和关断时间,保证Cl上的电压稳定升压到需要的1006V直流高压。每个整流升压装置通过CPU进行控制,实现发电机的最大输出功率跟踪技术(MPPT),保证整流升压装置的最大功率输出。
[0032] 其它50kW整流升压装置的工作原理与上述类似。整流升压装置之间采用RS485通讯,控制6个整流升压装置的输出电压和电流,实现并联运行,保证跟踪6台发电机组的最大输入功率,输出稳定的直流电压,实现整流升压功能。
[0033] 根据传输距离和输出损耗确定一定截面积的海底光缆,整流升压装置输出的直流高压经过正、负的海底光缆传输到岸上。
[0034] 岸上设备包括DC/DC器装置、储能单元蓄电池组柜、逆变电源装置和隔离变压器装置几部分。
[0035] DC/DC变换器装置也是一个Boost升压电路,由图2中的L2、Q2、D2和Q9组成。由于海底光缆较长且传输电流较大,电缆上的压降较大。通过DC/DC变换器再次进行稳压和升压,保证逆变电源装置输入的稳定。同时,DC/DC变换器可以为蓄电池进行充放电管理,在波浪能充足的时候,将多余的电能储存在蓄电池内。当波浪能不足时,由蓄电池组提供补充能量,保证发电系统输出的稳定。
[0036] 蓄电池组柜由74只12V蓄电池串联,额定蓄电池端电压为:888V,浮充电压为1006V,蓄电池的充电方式选择为浮充方式。
[0037] 逆变电源装置采用三个独立的半桥逆变器组成,通过高频SPWM调制技术,输出三相交流电压。图2中的U相逆变器由C3、C4、Q3、Q4、D11、D12、L3和C9组成,V相逆变器由C5、C6、Q5、Q6、D13、D14、L4 和 ClO 组成,W 相逆变器由 C7、C8、Q7、Q8、D15、D16、L5 和 Cll组成。三个半桥逆变器输出三相四线的交流电压,再经过一个Y/Y工频隔离变压器Tl,输出230Vac/400Vac的单相、三相交流电源,供给各交流负载,输出功率达到300kW。
[0038] 综上所述,以上仅为本发明的较佳实施例而已,并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种适用于波浪能发电机组的变电输送系统,其特征在于,该变电输送系统包括整流/升压电源装置、海底电缆、直流变换器装置、蓄电池组柜、逆变电源装置和隔离变压器; 整流/升压电源装置将发电机组输出的AC三相400V交流电压整流、升压到1006V直流,并经海底电缆输送给直流变换器装置; 直流变换器装置对整流/升压电源装置输出的1006V直流电压进行稳压,得到稳定的looevdc电压;当发电机组转速正常时,为逆变电源装置提供直流输入电源,同时为蓄电池组提供浮充电压;当发电机组转速偏低,无法提供足够的能量时,蓄电池组释放储存的能量并与直流变换器装置一起为逆变电源装置提供直流输入电源; 逆变电源装置将额定输入1006Vdc的直流输入电压逆变为单相230Vac和三相为400Vac的交流电压,再通过一个变比为1:1隔离变压器,输出稳定的230/400Vac交流电压。
2.如权利要求1所述的适用于波浪能发电机组的变电输送系统,其特征在于,每个发电机组都连接一套整流/升压电源装置,每套整流/升压电源装置包括二极管Dl、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8,大功率开关管Q1,电容Cl,电感LI ;其中二极管Dl和D2串联,二极管D3和D4串联,二极管D5和D6串联,形成三个串联支路,且三个串联支路之间相互并联,每个串联支路上两二极管的连接方式相同,即其中一个二极管的负极与另一个二极管的正极相连,三相交流永磁发电机输出线分别接二极管Dl与D2之间、D3与D4之间、D5与D6之间; 大功率开关管Ql的C极与二极管D8的负极、与二极管D7的正极、以及通过电感LI与二极管D5的负极分别相连;大功率开关管Ql的E极与二极管D6的正极、与二极管D8的正极、以及通过电容Cl与二极管D7的负极分别相连;电容Cl的两端为整流/升压装置的输出端,该输出端与直流变换器装置相连; 直流变压器装置包括大功率开关管Q2、二极管D9、D10、电感L2、电容C2,大功率开关管Q2的C极与二极管DlO的负极、与二极管D9的正极、以及通过电感L2与电容Cl的一端分别相连,大功率开关管Q2的E极与二极管DlO的正极、与电容Cl的另一端、以及与电容C2的一端分别相连,电容C2的另一端连接二极管D9的负极;电容C2的两端为输出端,接蓄电池组; 逆变电源装置为三相全桥逆变电路,每相逆变电路完全相同,包括大功率开关管Q3、Q4、二极管D11、D12、电容C3、C4、C9、电感L3,其中电容C3和电容C4串联,串联后的两端接蓄电池的两端,为逆变器输入;大功率开关管Q3的E极与大功率开关管Q4的C极相连,大功率开关管Q3的C极和大功率开关管Q4的E极连接电容C3和电容C4串联后的两端,二极管Dll的正极和负极连接大功率开关管Q3的E极和C极,二极管D12的正极和负极连接大功率开关管Q4的E极和C极,电感L3的一端接在大功率开关管Q3和大功率开关管Q4之间,另一端连接电容C9后接在电容C3和电容C4之间;电容C9的两端为该组输出,接对应的隔离变压器。
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