CN104734187B - 用于风力发电系统的储能式智能变压器 - Google Patents

用于风力发电系统的储能式智能变压器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于风力发电系统的储能式智能变压器，包括工频升压变压器和分别和工频升压变压器三相线路对应的三个单相储能式变压单元，单相储能式变压单元包括低压侧单相全桥工频AC‑DC变换器、低压侧单相全桥高频DC‑AC变换器、双向DC‑DC变换器、储能装置、多绕组高频变压器、高压侧单相全桥高频AC‑DC变换器和高压侧单相全桥工频DC‑AC变换器，高压侧单相全桥高频AC‑DC变换器和高压侧单相全桥工频DC‑AC变换器的数量均为一个以上且相互一一对应，所有高压侧单相全桥工频DC‑AC变换器之间通过两个交流端口依次级联连接呈链状。本发明不仅可以平滑风电的功率波动，而且还能够提高风电的低电压穿越能力。

Description

用于风力发电系统的储能式智能变压器
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种用于风力发电系统的储能式智能变压器。
背景技术
目前，风电系统所面临的挑战主要来源于两个方面：一方面，由于风能资源具有波动性，导致风电出力也具有波动性，这在风电穿透率较高的情况下会对电网的电能质量及其稳定性产生较大的负面影响。另一方面，随着风电在电网中所占比例不断增大，若风电机组在电网发生故障时仍采取被动保护式的解列方式，则会增加整个系统的恢复难度，甚至可能加剧故障，严重影响到电网的安全运行。为此，新的电网规则均要求当电网发生故障时，并网风电机组都能够在一定时间范围内实现低电压穿越运行，并在故障切除后风力发电机组能够迅速恢复正常运行，以帮助电网恢复正常工作。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对现有技术的上述问题，提供一种不仅可以平滑风电的功率波动，而且还能够提高风电的低电压穿越能力的用于风力发电系统的储能式智能变压器。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种用于风力发电系统的储能式智能变压器，包括分别对应三相线路的三个单相储能式变压单元，所述单相储能式变压单元包括低压侧单相全桥工频AC-DC变换器、低压侧单相全桥高频DC-AC变换器、双向DC-DC变换器、储能装置、多绕组高频变压器、高压侧单相全桥高频AC-DC变换器和高压侧单相全桥工频DC-AC变换器，所述高压侧单相全桥高频AC-DC变换器和高压侧单相全桥工频DC-AC变换器的数量均为一个以上且相互之间一一对应，所述低压侧单相全桥工频AC-DC变换器交流端口的一个出线端子和风力发电系统中风力发电机组中对应相的出线端子相连、另一个出线端子则和风力发电系统中工频升压变压器低压侧对应相的出线端子相连，所述低压侧单相全桥工频AC-DC变换器的直流端口和低压侧单相全桥高频DC-AC变换器的直流端口相连，所述低压侧单相全桥高频DC-AC变换器的交流端口和多绕组高频变压器的低压侧绕组相连，所述储能装置通过双向DC-DC变换器和低压侧单相全桥工频AC-DC变换器及低压侧单相全桥高频DC-AC变换器的直流端口相连，所述多绕组高频变压器的高压侧绕组分别与对应的高压侧单相全桥高频AC-DC变换器的交流端口相连，所述高压侧单相全桥高频AC-DC变换器的直流端口与对应的高压侧单相全桥工频DC-AC变换器的直流端口相连，所有的高压侧单相全桥工频DC-AC变换器之间通过两个交流端口依次级联连接呈链状，且链首交流端口的一个出线端子和风力发电系统中工频升压变压器高压侧对应相的出线端子相连、链尾交流端口的一个出线端子和另外两个单相储能式变压单元中链尾相应的出线端子相连。
优选地，所述低压侧单相全桥工频AC-DC变换器交流端口的一个出线端子和风力发电系统中风力发电机组中对应相的出线端子之间串联连接有低压侧单相滤波电感。
优选地，所述链首交流端口的一个出线端子和风力发电系统中工频升压变压器高压侧对应相的出线端子之间串联连接有高压侧单相滤波电感。
优选地，所述储能装置为超级电容器或者蓄电池。
优选地，所述低压侧单相全桥工频AC-DC变换器、高压侧单相全桥高频AC-DC变换器均为基于全控开关器件的AC-DC变换器，所述低压侧单相全桥高频DC-AC变换器、高压侧单相全桥工频DC-AC变换器均为基于全控开关器件的DC-AC变换器，所述双向DC-DC变换器为基于全控开关器件的双向DC-DC变换器；所述全控开关器件为绝缘栅双极型功率管IGBT、集成门极换流晶闸管IGCT及可关断晶闸管GTO中的一种。
本发明用于风力发电系统的储能式智能变压器具有下述优点：
1、本发明包括分别对应三相线路的三个单相储能式变压单元，所述单相储能式变压单元包括低压侧单相全桥工频AC-DC变换器、低压侧单相全桥高频DC-AC变换器、双向DC-DC变换器、储能装置、多绕组高频变压器、高压侧单相全桥高频AC-DC变换器和高压侧单相全桥工频DC-AC变换器，控制低压侧单相全桥工频AC-DC变换器的工作状态，能够实现在电网发生电压跌落时，即升压变压器低压侧出现电压跌落时，快速动态补偿其电压偏差量，以保证风电机组出线端口的电压稳定，从而提高风电系统的低电压穿越能力。
2、本发明包括分别对应三相线路的三个单相储能式变压单元，所述单相储能式变压单元包括低压侧单相全桥工频AC-DC变换器、低压侧单相全桥高频DC-AC变换器、双向DC-DC变换器、储能装置、多绕组高频变压器、高压侧单相全桥高频AC-DC变换器和高压侧单相全桥工频DC-AC变换器，通过控制高压侧单相全桥工频DC-AC变换器的工作状态，能够实现控制储能式智能变压器高压端口的有功/无功输出，在电网正常运行时，能够平滑风电的有功功率波动；当电网发生故障时，能够为电网提供一定的无功功率以帮助电网恢复正常运行。
3、本发明包括分别对应三相线路的三个单相储能式变压单元，所述单相储能式变压单元包括低压侧单相全桥工频AC-DC变换器、低压侧单相全桥高频DC-AC变换器、双向DC-DC变换器、储能装置、多绕组高频变压器、高压侧单相全桥高频AC-DC变换器和高压侧单相全桥工频DC-AC变换器，通过控制双向DC-DC变换器的工作状态，能够控制储能装置的有功功率输出，从而保证直流母线电压的稳定以及整个储能式智能变压器的正常运行。
附图说明
图1为本发明实施例的电路原理结构示意图。
图例说明：1、单相储能式变压单元；11、低压侧单相全桥工频AC-DC变换器；111、低压侧单相滤波电感；12、低压侧单相全桥高频DC-AC变换器；13、双向DC-DC变换器；14、储能装置；15、多绕组高频变压器；16、高压侧单相全桥高频AC-DC变换器；17、高压侧单相全桥工频DC-AC变换器；171、高压侧单相滤波电感；2、风力发电机组；3、工频升压变压器；4、电网。
具体实施方式
如图1所示，应用本实施例储能式智能变压器的风力发电系统包括风力发电机组2、工频升压变压器3和电网4，工频升压变压器3的高压侧与电网4相连，本实施例的储能式智能变压器包括分别对应三相线路的三个单相储能式变压单元1（1#1～1#3，其中1#2、1#3的内部结构均与1#1完全相同，为了简化说明，故未重复绘出其详细内部结构）。
如图1所示，单相储能式变压单元1包括低压侧单相全桥工频AC-DC变换器11、低压侧单相全桥高频DC-AC变换器12、双向DC-DC变换器13、储能装置14、多绕组高频变压器15、高压侧单相全桥高频AC-DC变换器16和高压侧单相全桥工频DC-AC变换器17，高压侧单相全桥高频AC-DC变换器16和高压侧单相全桥工频DC-AC变换器17的数量均为一个以上且相互之间一一对应。本实施例将高压侧单相全桥高频AC-DC变换器16和高压侧单相全桥工频DC-AC变换器17的数量均以多个（N≥3）进行示例性说明，毫无疑问，高压侧单相全桥高频AC-DC变换器16和高压侧单相全桥工频DC-AC变换器17的数量也可以根据需要采用一个或两个，其原理与本实施例相同，因此高压侧单相全桥高频AC-DC变换器16和高压侧单相全桥工频DC-AC变换器17的数量N可以延伸为N≥1。
本实施例中，低压侧单相全桥工频AC-DC变换器11交流端口的一个出线端子和风力发电系统中风力发电机组2中对应相的出线端子相连、另一个出线端子则和风力发电系统中工频升压变压器3低压侧对应相的出线端子相连，低压侧单相全桥工频AC-DC变换器11的直流端口和低压侧单相全桥高频DC-AC变换器12的直流端口相连，低压侧单相全桥高频DC-AC变换器12的交流端口和多绕组高频变压器15的低压侧绕组相连。参见图1，以单相储能式变压单元1#1为例，低压侧单相全桥工频AC-DC变换器11交流端口的一个出线端子b1和风力发电机组2中对应相的出线端子a相连、另一个出线端子c1则和工频升压变压器3低压侧对应相的出线端子d相连，低压侧单相全桥工频AC-DC变换器11的直流端口j和低压侧单相全桥高频DC-AC变换器12的直流端口k相连，低压侧单相全桥高频DC-AC变换器12的交流端口l和多绕组高频变压器15的低压侧绕组m相连。需要说明的是，关于上述结构，单相储能式变压单元1#2、单相储能式变压单元1#3的与单相储能式变压单元1#1的结构类似，其仅仅是对应不同相线路的区别，故在此不再赘述。
本实施例中，储能装置14通过双向DC-DC变换器13和低压侧单相全桥工频AC-DC变换器11及低压侧单相全桥高频DC-AC变换器12的直流端口相连。参见图1，仍以单相储能式变压单元1#1为例，储能装置14的连接端口p和双向DC-DC变换器13的低压侧直流端口o相连，双向DC-DC变换器13的高压侧直流端口n则和低压侧单相全桥工频AC-DC变换器11的直流端口j及低压侧单相全桥高频DC-AC变换器12的直流端口k相连。
本实施例中，多绕组高频变压器15的高压侧绕组分别与对应的高压侧单相全桥高频AC-DC变换器16的交流端口相连，高压侧单相全桥高频AC-DC变换器16的直流端口与对应的高压侧单相全桥工频DC-AC变换器17的直流端口相连。参见图1，仍以单相储能式变压单元1#1为例，多绕组高频变压器15的高压侧绕组q1～qN分别与对应的高压侧单相全桥高频AC-DC变换器16的交流端口r1～rN相连，高压侧单相全桥高频AC-DC变换器16的直流端口s1～sN与对应的高压侧单相全桥工频DC-AC变换器17的直流端口t1～tN相连，例如对多绕组高频变压器15的高压侧绕组q1而言，高压侧绕组q1和对应的高压侧单相全桥高频AC-DC变换器16的交流端口r1相连，对应的高压侧单相全桥高频AC-DC变换器16的直流端口s1则和对应的高压侧单相全桥工频DC-AC变换器17的直流端口t1相连，多绕组高频变压器15的其余高压侧绕组q2～qN的连接结构与多绕组高频变压器15的高压侧绕组q1的连接结构类似，故在此不再赘述。需要说明的是，关于上述结构，单相储能式变压单元1#2、单相储能式变压单元1#3的与单相储能式变压单元1#1的结构类似，其仅仅是对应不同相线路的区别，故在此同样也不再赘述。
本实施例中，所有的高压侧单相全桥工频DC-AC变换器17之间采用H桥级联的方式连接，即所有的高压侧单相全桥工频DC-AC变换器17之间通过两个交流端口依次级联连接呈链状，且链首交流端口的一个出线端子和风力发电系统中工频升压变压器3高压侧对应相的出线端子相连、链尾交流端口的一个出线端子和另外两个单相储能式变压单元1中链尾相应的出线端子相连。参见图1，仍以单相储能式变压单元1#1为例，N个高压侧单相全桥工频DC-AC变换器17之间通过两个交流端口依次级联连接呈链状，且由链首交流端口的一个出线端子u1和工频升压变压器3高压侧对应相的出线端子g相连、链尾交流端口的一个出线端子f1和另外两个单相储能式变压单元1（单相储能式变压单元1#2和单相储能式变压单元1#3）链尾交流端口相应的出线端子f2、f3相连。
本实施例中，低压侧单相全桥工频AC-DC变换器11交流端口的一个出线端子和风力发电机组2中对应相的出线端子之间串联连接有低压侧单相滤波电感111。参见图1，仍以单相储能式变压单元1#1为例，低压侧单相全桥工频AC-DC变换器11交流端口的出线端子h1和风力发电机组2中对应相的出线端子a相连之间串联连接有低压侧单相滤波电感111，低压侧单相全桥工频AC-DC变换器11交流端口的出线端子h1通过串联低压侧单相滤波电感111后形成用于和风力发电机组2中对应相的出线端子a相连的总的出线端子b1。需要说明的是，关于上述结构，单相储能式变压单元1#2、单相储能式变压单元1#3的与单相储能式变压单元1#1的结构类似，其仅仅是对应不同相线路的区别，故在此不再赘述。
本实施例中，链首交流端口的一个出线端子和工频升压变压器3高压侧对应相的出线端子之间串联连接有高压侧单相滤波电感171。参见图1，仍以单相储能式变压单元1#1为例，链首交流端口的出线端子u1和工频升压变压器3高压侧对应相的出线端子g之间串联连接有高压侧单相滤波电感171，高压侧单相全桥工频DC-AC变换器17交流端口的出线端子u1通过串联高压侧单相滤波电感171后形成用于和工频升压变压器3高压侧对应相的出线端子g相连的总的出线端子e1。需要说明的是，关于上述结构，单相储能式变压单元1#2、单相储能式变压单元1#3的与单相储能式变压单元1#1的结构类似，其仅仅是对应不同相线路的区别，故在此不再赘述。
本实施例中，储能装置14可以根据需要采用超级电容器或者蓄电池。
本实施例中，低压侧单相全桥工频AC-DC变换器11、高压侧单相全桥高频AC-DC变换器16均为基于全控开关器件的AC-DC变换器，所述低压侧单相全桥高频DC-AC变换器12、高压侧单相全桥工频DC-AC变换器17均为基于全控开关器件的DC-AC变换器，双向DC-DC变换器13为基于全控开关器件的双向DC-DC变换器；全控开关器件可以根据需要采用绝缘栅双极型功率管IGBT、集成门极换流晶闸管IGCT及可关断晶闸管GTO中的一种。调整低压侧单相全桥工频AC-DC变换器11、低压侧单相全桥高频DC-AC变换器12、高压侧单相全桥高频AC-DC变换器16、高压侧单相全桥工频DC-AC变换器17以及双向DC-DC变换器13的工作状态，即为调整低压侧单相全桥工频AC-DC变换器11、低压侧单相全桥高频DC-AC变换器12、高压侧单相全桥高频AC-DC变换器16、高压侧单相全桥工频DC-AC变换器17以及双向DC-DC变换器13中全控开关器件的工作状态。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于风力发电系统的储能式智能变压器，其特征在于：包括分别对应三相线路的三个单相储能式变压单元（1），所述单相储能式变压单元（1）包括低压侧单相全桥工频AC-DC变换器（11）、低压侧单相全桥高频DC-AC变换器（12）、双向DC-DC变换器（13）、储能装置（14）、多绕组高频变压器（15）、高压侧单相全桥高频AC-DC变换器（16）和高压侧单相全桥工频DC-AC变换器（17），所述高压侧单相全桥高频AC-DC变换器（16）和高压侧单相全桥工频DC-AC变换器（17）的数量均为一个以上且相互之间一一对应，所述低压侧单相全桥工频AC-DC变换器（11）交流端口的一个出线端子和风力发电系统中风力发电机组（2）中对应相的出线端子相连、另一个出线端子则和风力发电系统中工频升压变压器（3）低压侧对应相的出线端子相连，所述低压侧单相全桥工频AC-DC变换器（11）的直流端口和低压侧单相全桥高频DC-AC变换器（12）的直流端口相连，所述低压侧单相全桥高频DC-AC变换器（12）的交流端口和多绕组高频变压器（15）的低压侧绕组相连，所述储能装置（14）通过双向DC-DC变换器（13）和低压侧单相全桥工频AC-DC变换器（11）及低压侧单相全桥高频DC-AC变换器（12）的直流端口相连，所述多绕组高频变压器（15）的高压侧绕组分别与对应的高压侧单相全桥高频AC-DC变换器（16）的交流端口相连，所述高压侧单相全桥高频AC-DC变换器（16）的直流端口与对应的高压侧单相全桥工频DC-AC变换器（17）的直流端口相连，所有的高压侧单相全桥工频DC-AC变换器（17）之间通过两个交流端口依次级联连接呈链状，且链首交流端口的一个出线端子和风力发电系统中工频升压变压器（3）高压侧对应相的出线端子相连、链尾交流端口的一个出线端子和另外两个单相储能式变压单元（1）中链尾交流端口相应的出线端子相连。
2.根据权利要求1所述的用于风力发电系统的储能式智能变压器，其特征在于：所述低压侧单相全桥工频AC-DC变换器（11）交流端口的一个出线端子和风力发电系统中风力发电机组（2）中对应相的出线端子之间串联连接有低压侧单相滤波电感（111）。
3.根据权利要求2所述的用于风力发电系统的储能式智能变压器，其特征在于：所述链首交流端口的一个出线端子和风力发电系统中工频升压变压器（3）高压侧对应相的出线端子之间串联连接有高压侧单相滤波电感（171）。
4.根据权利要求3所述的用于风力发电系统的储能式智能变压器，其特征在于：所述储能装置（14）为超级电容器或者蓄电池。
5.根据权利要求1～4中任意一项所述的用于风力发电系统的储能式智能变压器，其特征在于：所述低压侧单相全桥工频AC-DC变换器（11）、高压侧单相全桥高频AC-DC变换器（16）均为基于全控开关器件的AC-DC变换器，所述低压侧单相全桥高频DC-AC变换器（12）、高压侧单相全桥工频DC-AC变换器（17）均为基于全控开关器件的DC-AC变换器，所述双向DC-DC变换器（13）为基于全控开关器件的双向DC-DC变换器；所述全控开关器件为绝缘栅双极型功率管IGBT、集成门极换流晶闸管IGCT及可关断晶闸管GTO中的一种。
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