CN104701876A - 一种海上风力发电场的拓扑结构、并网系统及其控制方法 - Google Patents

一种海上风力发电场的拓扑结构、并网系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种海上风力发电场的拓扑结构、并网系统及其控制方法，海上风力发电场包括N台风机和N-1套分流电路；N台风机的直流输出端依次串联；从串联的第1台风机开始，依次每两台风机作为一套风机组，即第n台风机与第n+1台风机作为一套风机组，其中n＝1,2，…，N-1；每一套风机组并联一套所述的分流电路；其控制方法为当风机组的上风机端口电压低于额定电压时，控制分流电路向风机组注入负的电流；当风机组的上风机端口电压高于额定电压时，控制分流电路向风机组注入正的电流。本发明中各风机能独立完成最大功率追踪，取消了海上换流站和海上电气平台；减少了海上风力发电系统的建设成本，也降低了系统总的能量损耗。

Description

一种海上风力发电场的拓扑结构、并网系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及分布式电源，属于风力发电技术领域，特别涉及一种大规模的海上风力发电场的拓扑结构、并网系统及其控制方法。
背景技术
当今世界，能源问题已逐渐成为世界各国研究的重点问题。寻求各种新能源来取代日益枯竭的化石燃料，已成为能源发展的必然趋势。风能作为一种无污染和可再生的新能源，有着巨大的发展潜力。寻求大规模风电场建设的解决方案，尤其是大规模海上风电场建设的解决方案，成为了各国学者的主要研究方向。
目前，已经建成的大规模风电场主要处于陆地或海岛上，但是陆上风能有限，且占用了大量土地资源。建设海上风电场，特别是大规模的海上风电场已成为风能利用的主要方向。
常用的风力发电场结构中，风电机组输出为交流，不同的输出端并联，风场电网内通过变压器改变电压等级，通过高压交流输电的方式进行远程传输。
传统的采用直流输电的海上风电场中，每个风机的直流输出端级联有DC/AC变换电路，得到工频交流电能，该工频交流电能通过升压变压器接入海上交流母线；交流母线上的工频交流电能又经一次变压器升压和AC/DC变换得到高压直流电能，该电能送至陆上，由内陆换流器将高压直流变换为交流后介入电网。此种风电场需要建设海上换流站和海上电气平台，施工难度大。
另一种基于直流串联的海上风电场中，每个风机的直流输出端级联有DC/DC变换电路，再依次串联，得到高压直流，再进行电能的传输。这种风电场省去了海上换流站和海上电气平台的建设，但是各风机的简单串联使得其输出功率相互影响，由于各风机捕获风的功率很难相等，必然产生“弃风”现象，“弃风”现象是指，当各风机的直流输出电压相等时，串联簇中流过的电流受捕获风的功率最小的风机所限制，使得其他风机的输出功率减小，必然丢弃一部分风的功率。
因此，有必要设计一种海上风力发电场的拓扑结构、并网系统及其控制方法。
发明内容
本发明所解决的技术问题是，针对背景技术所述的缺陷或不足，提供一种海上风力发电场的拓扑结构、并网系统及其控制方法，本发明中各风机能独立完成最大功率追踪，避免了“弃风”现象的产生，取消了海上换流站和海上电气平台；减少了海上风力发电系统的建设成本，也降低了系统总的能量损耗。
本发明的技术方案为：
一种海上风力发电场的拓扑结构，包括N台风机和N-1套分流电路；N台风机的直流输出端依次串联；从串联的第1台风机开始，依次每两台风机作为一套风机组，即第n台风机与第n+1台风机作为一套风机组，其中n＝1,2，…，N-1；N为大于2的整数；每一套风机组并联一套所述的分流电路；
每台风机包括串联的风力发电机和机侧AC/DC变流器，以及机侧AC/DC变流器的直流输出端并联的直流母线电容；
每一套风机组包括串联的上下两台风机，上风机的直流母线电容的正极为风机组的正极，下风机直流母线电容的负极为风机组的负极，上下风机的连接点为风机组的中点；
所述的每一套分流电路包括一个半桥电路和一个电感，半桥电路由2个IGBT串接而成；分流电路的正极为半桥电路的正极；分流电路的负极为半桥电路的负极；电感的一端与半桥电路的中点相连，电感的另一端为分流电路的中点；分流电路的正极与相应的风机组的正极相连，分流电路的负极与相应的风机组的负极相连，分流电路的中点与相应的风机组的中点相连。
一种海上风力发电场的控制方法，海上风力发电场采用上述的拓扑结构，其控制方法为：
对每一套风机组所并联的分流电路进行以下控制：
(1)实时检测风机组中上风机的输出端口的电压Udcn；
(2)将Udcn与风机的参考电压Uref进行比较，然后进行PI调节，得到电流参考信号ILnref；
(3)检测相应的分流电路的电感上的电流iLn；
(4)将iLn与电流参考信号ILnref进行比较，将比较后得到的差值经过滞环比较，得到此分流电路上桥臂的开关信号，下桥臂的开关信号与上桥臂的开关信号互补；
其中n＝1,2，…，N-1。
当风机组的上风机端口电压低于参考电压时，控制相应的分流电路上桥臂IGBT导通，下桥臂IGBT关断，分流电路向风机组注入负的电流；当风机组的上风机端口电压高于参考电压时，控制相应的分流电路上桥臂IGBT关断，下桥臂IGBT导通，分流电路向风机组注入正的电流。
所述PI调节的比例系数Kp＝2，积分系数KI＝100。
所述滞环比较的环宽为0.1A。
所述步骤(4)为：将iLn与电流参考信号ILnref进行比较，将比较后得到的差值经过滞环比较，得到此分流电路上桥臂的开关信号，下桥臂的开关信号与上桥臂的开关信号互补；即，当ILnref-iLn≤-0.05A，分流电路上桥臂的开关信号为0，下桥臂的开关信号为1，上桥臂IGBT关断，下桥臂IGBT导通；当ILnref-iLn≥0.05A，分流电路上桥臂的开关信号为1，下桥臂的开关信号为0，上桥臂IGBT导通，下桥臂IGBT关断；当-0.05A<ILnref-iLn<0.05A，开关信号维持之前的电平不变。
所述风机的参考电压其中Utotal是串联的所有风机总的输出电压，N是所有风机的数量。
一种海上风力发电场的并网系统，海上风力发电场采用上述的拓扑结构，第1台风机的直流输出端的正极和第N台风机的直流输出端的负极分别与高压传输线的正负极相连；直流电能经高压传输线输送至内陆，经内陆的DC/AC变换器和滤波器接入公共电网。
上述的海上风力发电场的并网系统的控制方法，对每一套风机组所并联的分流电路进行以下控制：
(1)实时检测该风机组中上风机的输出端口的电压Udcn；
(2)将Udcn与风机的参考电压Uref进行比较，然后进行PI调节，得到电流参考信号ILnref；
(3)检测相应的分流电路的电感上的电流iLn；
(4)将iLn与电流参考信号ILnref进行比较，将比较后得到的差值经过滞环比较，得到此分流电路上桥臂的开关信号，下桥臂的开关信号与上桥臂的开关信号互补；
其中n＝1,2，…，N-1。
所述PI调节的比例系数Kp＝2，积分系数KI＝100。
所述滞环比较的环宽为0.1A。
所述风机的参考电压其中Utotal是串联的所有风机总的输出电压，N是所有风机数量。
本发明的与现有技术相比的益处在于：
(1)风机、功率开关管和电感所组成的新型拓扑结构能保证每个风机工作在捕获的最大功率点，而不至于产生“弃风”现象。
(2)本发明所述的新型拓扑结构能实现各风机直流输出端电压的稳定，保证海上高压直流电能的有效传输，实现大规模的海上风力发电场的建设。
(3)本发明所述的新型拓扑结构中的分流电路的结构简单，控制方便，实用性强。
(4)本发明所述的新型拓扑结构无需建设海上换流站和海上电气平台，减少了海上风力发电系统的建设难度和建设成本，也降低了系统总的能量损耗。
附图说明
图1是本发明的拓扑结构图；
图2是本发明所述的单台风机结构；
图3是本发明拓扑结构的分流电路；
图4是本发明所述的含3台串联风机的拓扑结构的具体实例；
图5是本发明拓扑结构分流电路的控制框图；
图6是实例中风机1、风机2、风机3的直流输出端电压和输出电流；
图7是实例中内陆经过滤波器滤波后的并网电流；
具体实施方式
为了更为具体的描述本发明，下面结合附图和具体实例对本发明作进一步的说明。
实施例1：
本发明提出了一种直流串联型海上风力发电场的拓扑结构及其控制方法。
直流串联型海上风力发电场首先将风力发电机组发出的电变换为直流，然后在直流侧依次串联而成，本发明从串联风机的起点到终点，依次每2台风机作为一套风机组并联一套分流电路，同时从串联风机的第2台开始，再依次每2台风机作为一套风机组并联一套分流电路。本发明的拓扑结构如图1所示。
如图2所示，每台风机包括串联的风力发电机和机侧AC/DC变流器，以及机侧AC/DC变流器的直流输出端并联的直流母线电容；
风机组由上下两个风机串联而成，上风机的直流母线电容的正极为风机组的正极；下风机的直流母线电容的负极为风机组的负极；上风机与下风机的连接点为风机组的中点。
如图3所示，分流电路包括一个半桥电路和一个电感，半桥电路由2个IGBT构成；分流电路的正极为半桥电路的正极；分流电路的负极为半桥电路的负极；电感的一端与半桥电路的中点相连，电感另的一端为分流电路的中点。分流电路的正极与风机组的正极相连，分流电路的负极与风机组的负极相连，分流电路的中点与风机组的中点相连。
对于任意一套风机组，其分流电路的控制方法如下：
(1)实时检测风机组中上风机输出端口的电压Udc；
(2)将Udc与风机的参考电压Uref比较后进行PI调节得到电流参考信号Iref；
(3)检测分流电路电感上的电流iL；
(4)将iL与Iref的差值经过滞环比较器后获得分流电路上桥臂的开关信号，下桥臂的开关信号与上桥臂的开关信号互补。
其中，PI调节器的参数为：比例系数Kp＝2，积分系数KI＝100；滞环比较器的环宽为0.1A；风机的参考电压为其中Utotal是串联风机总的输出电压，n是风机数量。
实施例2：
如图4所示为一种海上风力发电场的拓扑结构即并网系统的的具体实例，该具体实例的拓扑结构含3台风机和两个分流电路。分流电路1的正极与风机组1的正极相连；分流电路1的中点与风机组1的中点；分流电路1的负极与风机组1的负极相连。分流电路2的正极与风机组2的正极相连；分流电路2的中点与风机组2的中点相连；分流电路2的负极与风机组2的负极相连。高压直流输出端的正负极分别连着风机1的直流输出端的正极和风机3的直流输出端的负极，由此得到高压直流电能。并网时，高压直流电能经高压传输线送至内陆，经过内陆的DC/AC变换器和滤波器转换为交流电后接入公共电网。
图5是本发明中产生分流电路的开关管触发脉冲的控制框图。以控制风机的直流输出端电压的稳定为控制目标，设置电压外环；内环采用电流内环。
图4中分流支路1中开关管的触发脉冲的产生为：
(1)实时检测风机组中上风机输出端口的电压Udc1；
(2)将Udc1与风机的参考电压Uref比较后进行PI调节得到电流参考信号Iref1；
(3)检测分流电路电感上的电流iL1；
(4)将iL1与Iref1的差值经过滞环比较器后获得分流电路上桥臂的开关信号，下桥臂的开关信号与上桥臂的开关信号互补。
图4中分流支路2中开关管的触发脉冲的产生为：
(1)实时检测风机组中上风机输出端口的电压Udc2；
(2)将Udc2与风机的参考电压Uref比较后进行PI调节得到电流参考信号Iref2；
(3)检测分流电路电感上的电流iL2；
(4)将iL2与Iref2的差值经过滞环比较器后获得分流电路上桥臂的开关信号，下桥臂的开关信号与上桥臂的开关信号互补。
图4所示的仿真实验中，设置风机1、风机2、风机3的输入功率分别为20KW、24KW、16KW；设置Udc1＝Udc2＝600V，内陆DC/AC变换器控制的高压直流传输线的直流电压Utotal的参考值Utotalref设置为1800V。得到风机1的直流输出电压Udc1和输出电流Iwind1如附图6中(1)所示，风机2的直流输出电压Udc2和输出电流Iwind2如附图6中(2)所示，风机3的直流输出电压Udc3和输出电流Iwind3如附图6中(3)所示。实例中内陆经过滤波器滤波后的并网电流如图7所示，相电流的幅值约125A，得输出功率约为：P＝1.732*380*125/1.414≈58.2KW而三台风机捕获的总功率为：20KW+24KW+16KW＝60KW,可知输出功率和理论功率基本相等。

Claims (10)

1.一种海上风力发电场的拓扑结构，其特征在于，包括N台风机和N-1套分流电路；N台风机的直流输出端依次串联；从串联的第1台风机开始，依次每两台风机作为一套风机组，即第n台风机与第n+1台风机作为一套风机组，其中n＝1,2，…，N-1；N为大于2的整数；每一套风机组并联一套所述的分流电路；
每台风机包括串联的风力发电机和机侧AC/DC变流器，以及机侧AC/DC变流器的直流输出端并联的直流母线电容；
每一套风机组包括串联的上下两台风机，上风机的直流母线电容的正极为风机组的正极，下风机直流母线电容的负极为风机组的负极，上下风机的连接点为风机组的中点；
所述的每一套分流电路包括一个半桥电路和一个电感，半桥电路由2个IGBT串接而成；分流电路的正极为半桥电路的正极；分流电路的负极为半桥电路的负极；电感的一端与半桥电路的中点相连，电感的另一端为分流电路的中点；分流电路的正极与相应的风机组的正极相连，分流电路的负极与相应的风机组的负极相连，分流电路的中点与相应的风机组的中点相连。
2.一种海上风力发电场的控制方法，其特征在于，海上风力发电场采用权利要求1所述的拓扑结构，其控制方法为：
对每一套风机组所并联的分流电路进行以下控制：
(1)实时检测风机组中上风机的输出端口的电压Udcn；
(2)将Udcn与风机的参考电压Uref进行比较，然后进行PI调节，得到电流参考信号ILnref；
(3)检测相应的分流电路的电感上的电流iLn；
(4)将iLn与电流参考信号ILnref进行比较，将比较后得到的差值经过滞环比较，得到此分流电路上桥臂的开关信号，下桥臂的开关信号与上桥臂的开关信号互补；
其中n＝1,2，…，N-1。
3.根据权利要求2所述的海上风力发电场的控制方法，其特征在于，所述PI调节的比例系数Kp＝2，积分系数KI＝100。
4.根据权利要求2所述的海上风力发电场的控制方法，其特征在于，所述滞环比较的环宽为0.1A。
5.根据权利要求2所述的海上风力发电场的控制方法，其特征在于，所述风机的参考电压其中Utotal是串联的所有风机总的输出电压，N是所有风机的数量。
6.一种海上风力发电场的并网系统，其特征在于，海上风力发电场采用权利要求1所述的拓扑结构，第1台风机的直流输出端的正极和第N台风机的直流输出端的负极分别与高压传输线的正负极相连；直流电能经高压传输线输送至内陆，经内陆的DC/AC变换器和滤波器接入公共电网。
7.根据权利要求6所述的海上风力发电场的并网系统的控制方法，其特征在于，对每一套风机组所并联的分流电路进行以下控制：
(1)实时检测该风机组中上风机的输出端口的电压Udcn；
(2)将Udcn与风机的参考电压Uref进行比较，然后进行PI调节，得到电流参考信号ILnref；
(3)检测相应的分流电路的电感上的电流iLn；
(4)将iLn与电流参考信号ILnref进行比较，将比较后得到的差值经过滞环比较，得到此分流电路上桥臂的开关信号，下桥臂的开关信号与上桥臂的开关信号互补；
其中n＝1,2，…，N-1。
8.根据权利要求7所述的海上风力发电场的并网系统的控制方法，其特征在于，所述PI调节的比例系数Kp＝2，积分系数KI＝100。
9.根据权利要求7所述的海上风力发电场的并网系统的控制方法，其特征在于，所述滞环比较的环宽为0.1A。
10.根据权利要求7所述的海上风力发电场的并网系统的控制方法，其特征在于，所述风机的参考电压其中Utotal是串联的所有风机总的输出电压，N是所有风机数量。
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CN110224426A (zh) * 2018-03-01 2019-09-10 西门子公司 发电传输系统
CN113364025A (zh) * 2021-08-06 2021-09-07 四川大学 风力发电单元、海上送端换流站、输电系统及输电方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105119316A (zh) * 2015-08-31 2015-12-02 上海交通大学 用于海上风电场并网的vsc-mtdc直流电压控制方法
CN110224426A (zh) * 2018-03-01 2019-09-10 西门子公司 发电传输系统
CN113364025A (zh) * 2021-08-06 2021-09-07 四川大学 风力发电单元、海上送端换流站、输电系统及输电方法

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