CN103986346A - 一种基于全波斩控整流电路的风力发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于全波斩控整流电路的风力发电系统，基于该系统，可以构成基于直流侧串联的风力发电、汇集与并网系统；本发明所提供的风力发电系统系统由原动机，齿轮箱，发动机，变压器，N个全波斩控整流电路和直流系统构成，其中全波斩控整流电路的交流侧电流为正弦波，直流侧输出是0到最大值可调的直流电压，其控制简单，性能好，且容易实现，具有较好的可扩展性。
Description
技术领域
本发明涉及一种风力发电系统电力转换方法，更具体的说，涉及一种基于全波斩控整流电路的风力发电系统。
背景技术
随着全球气候变暖，二氧化碳排放量持续增加以及传统化石能源的逐渐枯竭，人们对可再生能源的关注越来越多，而陆上的太阳能与风能的开发技术已经相对成熟，并已经大规模开发，而海上风电由于离岸较远，其建设与维护就非常困难，对于离岸较远的风力发电场，直流传输成为唯一可供选择的电能传输方案，现在的离岸距离较远的风力发电场的电能汇集与转换的方法为：风力发电机采用异步双馈风力发电机，通过齿轮箱将转速提高到额定转速附近，双馈感应风机的转子采用交流励磁，以控制异步双馈风力发电机的输出电压为50Hz，然后经过升压变压器升高到35kV，进行中压汇流，通过海上平台的换流变压器和电压源变流器（Voltage Source Convertor, VSC）将交流电转化成直流电，然后通过海底直流电缆进行传输。这种方法需要建设昂贵的海上平台用于放置换流变压器、电压源变流器及其附属设备，建设成本高，且周期长，维护困难，运行时的功率损耗较大。风电变流器采用电力电子设备进行交流励磁，该设备的故障率高，增加了维护成本。现有的海上风力发电系统采用中等电压等级的交流进行汇流，其开关设备较多，且结构复杂。当发生交流短路时，对风力发电系统的影响较大，可能会造成风机大面积脱网。
目前，已经有多篇文献针对直流串联的海上风电进行了研究，直流串联的海上风电汇集与传输系统采用变流器的直流侧串联，得到一个高电压，用于海上风电的汇集和传输，严格来说，传统的风力发电的功率汇集方法为：汇流，而基于直流串联的风力发电系统的功率汇集方法为：汇压，由于可以通过串联的方式得到一个高电压，所以可以省去海上平台以及高压大容量电压源变流器，从而大幅降低了建设成本和运营成本，降低了系统的结构，提高了可靠性。但是由于传统的交流-直流变换器的固有缺点，导致直流串联结构的风力发电系统只是处于前期的研究阶段，且并不具有实用价值，其性能不满足风力发电系统的要求：交流侧电流畸变小，直流侧输出电压从0到最大值任意可调，变流器技术成熟，成本低，损耗小，控制简单，可靠性高等。基于晶闸管的相控整流器的直流侧电压可以任意调节，但是交流侧电流畸变大，对风力发电机的性能与寿命造成重大影响；基于电压源变流器的风电变流器（Voltage Source Convertor, VSC）交流侧电流波形畸变率很小，但是直流侧电压不可以任意调节，不适合用于直流串联的风电系统；基于全控型电流源变流器的风电变流器（Current Source Convertor, CSC）交流侧电流波形畸变率小，且直流侧电压可以任意调节，但其技术不成熟，且损耗较大，控制困难，且其他方面的应用也几乎没有，针对CSC的研究也非常有限，只是停留在理论研究阶段。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于全波斩控整流电路的风力发电系统，其中全波斩控整流电路的交流侧电流畸变很小，其直流侧输出是一个稳定的直流电压，且在0到最大值之间任意可调，通过调整直流输出电压来调整风力发电系统的输出功率，使直流侧串联更加容易实现。
本发明采用以下方法来实现本发明的目的。
一种基于全波斩控整流电路的风力发电系统，其特征在于：由原动机，齿轮箱，发电机，变压器，N个全波斩控整流电路和直流系统构成。
其中原动机将风力转换成风叶旋转的机械能，经过齿轮箱加速后，驱动发电机的转子旋转，发电机将机械能转化成电能。
发电机的输出接变压器的一次绕组，变压器的二次绕组有N个相互隔离的线圈，每个线圈接全波斩控整流电路的交流输入。
N个全波斩控整流电路的直流输出串联连接，然后接入直流系统。
直流系统用于风电的汇集，传输与并网。
全波斩控整流电路包含单相全桥二极管整流电路，滤波电容，斩波电路。
单相全桥二极管整流电路作为全波斩控整流电路的交流输入，单相全桥二极管整流电路的直流侧接滤波电容（C），斩波电路的输入接滤波电容的两端，斩波电路的输出作为全波斩控整流电路的输出。
所述的斩波电路为单重斩波电路或由多个单重斩波电路并联连接构成的多重斩波电路。
其中单重斩波电路为降压斩波电路，由IGBT（T），二极管（D）和电感（L）构成，IGBT的集电极作为斩波电路的正极输入，IGBT的发射极，二极管（D）的阴极和电感（L）的一端相连，二极管（D）的阳极作为斩波电路的输入和输出的负极，电感（L）的另一端作为斩波电路输出的正极。
所述的斩波电路中的IGBT的占空比为：
(1)。
其中D为所述的直流斩波电路中IGBT的占空比，Vdc为所述的二极管整流电路直流侧电压瞬时值，I1为直流斩波电路输出侧电流，G为等效电导；通过控制等效电导（G）的大小，便可以控制整流电路输出电压的大小。
其中滤波电容（C）和斩波电路可以等效为一个电导为G的电导，连接在二极管整流电路的直流侧，从而使二极管整流电路的交流侧电流为正弦波。
全波斩控整流电路的输出电压为：
（2）。
设二极管交流侧电压的数学表达式为：
（3）。
则二极管直流侧电压表达式为：
（4）。
将式（4）带入式（2）可以得到全波斩控整流电路的输出电压为：
（5）。
由式（5）可以看到，全波斩控整流电路的输出电压中含有直流分量和倍频分量。
所述的变压器的二次侧由一组或多组三相交流电源构成，假设其中一组三相交流电源的电压为：
（6）。
根据式（5）可以得到则每个全波斩控整流电路的输出电压为：
（7）。
由于全波斩控整流电路的直流侧串联连接，则其直流侧输出电压为：
（8）。
将式（7）代入式（8）可以得到：
（9）。
由式（9）可以看出，三相全波斩控整流电路的直流侧输出电压是一个稳定的直流电压，单个全波斩控整流电路的直流侧串联后，其输出电压中的倍频波动分量相互抵消了，而三相交流电源输入的电流为正弦波，可以通过改变等效电导（G）的大小来改变三相半控整流电路的输出电压。
所述的发电机是永磁同步发电机或采用直流励磁的同步发电机。
采用本发明所提供的解决方案可以实现如下益处。
全波斩控整流电路的直流侧输出电压稳定且可以在0到最大值之间可调，交流侧电流畸变率很小，其控制简单。
同等容量的变流器，全波斩控整流电路的所用的开关器件较少，节约成本，体积小，结构紧凑。
全波斩控整流电路的容量扩展容易实现，可以通过更多重斩波电路来扩展其电流大小，可以通过串联更多的全波斩控整流电路来实现电压的扩展。
基于全波斩控整流电路的风力发电系统变流环节较少，因此损耗较小。
风力发电机采用永磁同步发电机或直流励磁的同步发电机，其结构简单，技术成熟，可靠性高。
发电机输出交流电压的频率在一定范围内变化时，基于全波斩控整流电路的风力发电系统输出的直流电压仍为稳定且可调的直流电压。
由于发电机和变流器之间有变压器进行隔离，因此，可以对发电机和全波斩控整流电路进行独立设计，使其运行在最优的电压和电流等级下。
采用全控斩波整流电路，易于实现基于直流侧串联的风电汇集、传输与并网系统，且控制容易实现，稳定运行和故障下的控制与保护比较简单，且系统结构简单，成本低，运行损耗小，运行维护成本低。
附图说明
图1是基于全波斩控整流电路的风力发电系统。
图2是全波斩控整流电路的结构图。
具体实施方式
一种基于全波斩控整流电路的风力发电系统，其特征在于：由原动机，齿轮箱，发电机，变压器，N个全波斩控整流电路和直流系统构成。
其中原动机将风力转换成风叶旋转的机械能，经过齿轮箱加速后，驱动发电机的转子旋转，发电机将机械能转化成电能。
发电机的输出接变压器的一次绕组，变压器的二次绕组有N个相互隔离的线圈，每个线圈接全波斩控整流电路的交流输入。
N个全波斩控整流电路的直流输出串联连接，然后接入直流系统。
直流系统用于风电的汇集，传输与并网。
全波斩控整流电路包含单相全桥二极管整流电路，滤波电容，斩波电路。
单相全桥二极管整流电路作为全波斩控整流电路的交流输入，单相全桥二极管整流电路的直流侧接滤波电容（C），斩波电路的输入接滤波电容的两端，斩波电路的输出作为全波斩控整流电路的输出。
所述的斩波电路为单重斩波电路或由多个单重斩波电路并联连接构成的多重斩波电路。
其中单重斩波电路为降压斩波电路，由IGBT（T），二极管（D）和电感（L）构成，IGBT的集电极作为斩波电路的正极输入，IGBT的发射极，二极管（D）的阴极和电感（L）的一端相连，二极管（D）的阳极作为斩波电路的输入和输出的负极，电感（L）的另一端作为斩波电路输出的正极。
所述的斩波电路中的IGBT的占空比为：
(1)。
其中D为所述的直流斩波电路中IGBT的占空比，Vdc为所述的二极管整流电路直流侧电压瞬时值，I1为直流斩波电路输出侧电流，G为等效电导；通过控制等效电导（G）的大小，便可以控制整流电路输出电压的大小。
其中滤波电容（C）和斩波电路可以等效为一个电导为G的电导，连接在二极管整流电路的直流侧，从而使二极管整流电路的交流侧电流为正弦波。
全波斩控整流电路的输出电压为：
（2）。
设二极管交流侧电压的数学表达式为：
（3）。
则二极管直流侧电压表达式为：
（4）。
将式（4）带入式（2）可以得到全波斩控整流电路的输出电压为：
（5）。
由式（5）可以看到，全波斩控整流电路的输出电压中含有直流分量和倍频分量。
所述的变压器的二次侧由一组或多组三相交流电源构成，假设其中一组三相交流电源的电压为：
（6）。
根据式（5）可以得到则每个全波斩控整流电路的输出电压为：
（7）。
由于全波斩控整流电路的直流侧串联连接，则其直流侧输出电压为：
（8）。
将式（7）代入式（8）可以得到：
（9）。
由式（9）可以看出，三相全波斩控整流电路的直流侧输出电压是一个稳定的直流电压，单个全波斩控整流电路的直流侧串联后，其输出电压中的倍频波动分量相互抵消了，而三相交流电源输入的电流为正弦波，可以通过改变等效电导（G）的大小来改变三相半控整流电路的输出电压。
所述的发电机是永磁同步发电机或采用直流励磁的同步发电机。
Claims (4)
1.一种基于全波斩控整流电路的风力发电系统，其特征在于：由原动机，齿轮箱，发电机，变压器，N个全波斩控整流电路和直流系统构成；
其中原动机将风力转换成风叶旋转的机械能，经过齿轮箱加速后，驱动发电机的转子旋转，发电机将机械能转化成电能；
发电机的输出接变压器的一次绕组，变压器的二次绕组有N个相互隔离的线圈，每个线圈接全波斩控整流电路的交流输入；
N个全波斩控整流电路的直流输出串联连接，然后接入直流系统；
直流系统用于风电的汇集，传输与并网。
2.如权利要求1所述的一种基于全波斩控整流电路的风力发电系统，其特征在于：全波斩控整流电路包含单相全桥二极管整流电路，滤波电容，斩波电路；
单相全桥二极管整流电路作为全波斩控整流电路的交流输入，单相全桥二极管整流电路的直流侧接滤波电容（C），斩波电路的输入接滤波电容的两端，斩波电路的输出作为全波斩控整流电路的输出；
所述的斩波电路为单重斩波电路或由多个单重斩波电路并联连接构成的多重斩波电路；
其中单重斩波电路为降压斩波电路，由IGBT（T），二极管（D）和电感（L）构成，IGBT的集电极作为斩波电路的正极输入，IGBT的发射极，二极管（D）的阴极和电感（L）的一端相连，二极管（D）的阳极作为斩波电路的输入和输出的负极，电感（L）的另一端作为斩波电路输出的正极。
3.如权利要求1所述的一种基于全波斩控整流电路的风力发电系统，其特征在于：所述的斩波电路中的IGBT的占空比为：
(1)
其中D为所述的直流斩波电路中IGBT的占空比，Vdc为所述的二极管整流电路直流侧电压瞬时值，I1为直流斩波电路输出侧电流，G为等效电导；通过控制等效电导（G）的大小，便可以控制整流电路输出电压的大小；
其中滤波电容（C）和斩波电路可以等效为一个电导为G的电导，连接在二极管整流电路的直流侧，从而使二极管整流电路的交流侧电流为正弦波；
全波斩控整流电路的输出电压为：
（2）
设二极管交流侧电压的数学表达式为：
（3）
则二极管直流侧电压表达式为：
（4）
将式（4）带入式（2）可以得到全波斩控整流电路的输出电压为：
（5）
由式（5）可以看到，全波斩控整流电路的输出电压中含有直流分量和倍频分量；
所述的变压器的二次侧由一组或多组三相交流电源构成，假设其中一组三相交流电源的电压为：
（6）
根据式（5）可以得到则每个全波斩控整流电路的输出电压为：
（7）
由于全波斩控整流电路的直流侧串联连接，则其直流侧输出电压为：
（8）
将式（7）代入式（8）可以得到：
（9）
由式（9）可以看出，三相全波斩控整流电路的直流侧输出电压是一个稳定的直流电压，单个全波斩控整流电路的直流侧串联后，其输出电压中的倍频波动分量相互抵消了，而三相交流电源输入的电流为正弦波，可以通过改变等效电导（G）的大小来改变三相半控整流电路的输出电压。
4.如权利要求1所述的一种基于全波斩控整流电路的风力发电系统，其特征在于：所述的发电机是永磁同步发电机或采用直流励磁的同步发电机。
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| CN201410194721.0A CN103986346A (zh) | 2014-05-10 | 2014-05-10 | 一种基于全波斩控整流电路的风力发电系统 |
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| CN (1) | CN103986346A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104410278A (zh) * | 2014-12-26 | 2015-03-11 | 阳光电源股份有限公司 | 一种dcdc变换器 |
| CN105790305A (zh) * | 2016-04-20 | 2016-07-20 | 清华大学 | 基于全桥mmc直流侧串联的海上风电并网系统及其控制方法 |
| CN105914733A (zh) * | 2016-04-20 | 2016-08-31 | 清华大学 | 基于全桥mmc直流侧串联的海上平台供电系统及其控制方法 |
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2014
- 2014-05-10 CN CN201410194721.0A patent/CN103986346A/zh active Pending
Cited By (4)
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|---|---|---|---|---|
| CN104410278A (zh) * | 2014-12-26 | 2015-03-11 | 阳光电源股份有限公司 | 一种dcdc变换器 |
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| CN105914733A (zh) * | 2016-04-20 | 2016-08-31 | 清华大学 | 基于全桥mmc直流侧串联的海上平台供电系统及其控制方法 |
| CN105790305B (zh) * | 2016-04-20 | 2018-12-11 | 清华大学 | 基于全桥mmc直流侧串联的海上风电并网系统及其控制方法 |
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|---|---|---|---|
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