CN106887862A - 一种大功率直流输出风电机组拓扑结构 - Google Patents

一种大功率直流输出风电机组拓扑结构 Download PDF

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王志冰
姚良忠
李琰
吴婧
刘超
魏春霞
迟永宁
王伟胜
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中国电力科学研究院
国家电网公司
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
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    • Y02BCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B10/00Integration of renewable energy sources in buildings
    • Y02B10/30Wind power

Abstract

本发明提供了一种大功率直流输出风电机组拓扑结构,所述拓扑结构包括:风力机、传动链、发电机、交流/直流变换环节、直流/直流变换环节和开关组件保护环节,所述发电机的交流输出端与交流/直流变换器的输入端连接;所述交流/直流变换器的输出端与直流/直流变换器的输入端连接;保护开关组件分别与所述直流/直流变换器的输出端和直流汇集网连接。本发明适用于采用直流汇集的大型风电场,为后续我国特大型风电场建设及高效汇集和接入提供了一种可行的技术手段;能够传输较大功率,可实现最大风能跟踪,且可输出稳定的、电压等级较高的直流电压,从而降低了风机控制的复杂度,提高了大型风场运行的经济性和可靠性。

Description

一种大功率直流输出风电机组拓扑结构
技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于交流/直流复合变换器的直流输出风电机组,具体讲涉及一 种大功率直流输出风电机组拓扑结构。
背景技术
[0002] 风力发电是五大电源之一,同样在今后相当长时间内风力发电还将是主要开发的 清洁能源。随着风场规模的不断扩大以及近年来风场脱网事故的不断发生,风电场内汇集 组网方式的重要性越来越明显。
[0003] 交流汇集组网是目前最为成熟的风电场内汇集组网方式,但随着风场容量的不断 扩大,交流汇集系统中无功电压稳定、谐波放大、低频振荡、次同步振荡等系统问题突显,同 时给本地交流电网的稳定和经济运行带来压力,导致风场建设的前期投入成本成倍增加。
[0004] 直流汇集组网可以解决交流汇集组网带来的系统稳定问题,不受风电场容量的限 制,同时还可以为本也电网提供辅助服务,从而直流汇集方式成为了现阶段新能源并网技 术的研究热点,同样受到了大型风电场汇集组网的重点关注。另外新能源中部分电源本身 就是直流输出,若采用直流组网可以简化功率变换过程,提升能源利用效率。
发明内容
[0005] 针对上述问题,本发明提供了一种大功率直流输出的风力发电机组拓扑结构,该 结构不需要串入传统的工频变压器,可实现风机的最大风能跟踪,适合用于大型风场的直 流汇集系统,且拓扑结构及控制方法简单等优点,达到了降低大型风场控制复杂度,提升大 型风场并网有效容量的目的。
[0006] 为实现上述目的,本发明通过以下技术方案实现:
[0007] 一种大功率直流输出风电机组拓扑结构,其特征在于,所述拓扑结构包括:风力 机、传动链、发电机、交流/直流变换环节、直流/直流变换环节和开关组件保护环节,所述 发电机的交流输出端与交流/直流变换器的输入端连接;所述交流/直流变换器的输出端 与直流/直流变换器的输入端连接;保护开关组件分别与所述直流/直流变换器的输出端 和直流汇集网连接。
[0008] 优选的,所述发电机采用多组三相绕组输出结构,同时输出N组三相交流电源;各 组电源间电压相位、幅值和频率存在差异;所述三相交流电源的额定电压幅值相同,频率相 等,且互差120度。
[0009] 优选的,所述风力机和传动链与交流风电机组结构相同,采用直驱型或带变速箱 型。
[0010] 优选的,所述发电机与交流风机中的发电机结构相同,采用同步发电机或异步发 电机。
[0011] 优选的,所述交流/直流变换环节是由基于IGBT的全功率可控整流变换器并联或 单独组成的。
[0012]优选的,所述直流/直流变换环节是由基于IGBT的隔离型直流/直流变换器串联 或并联组成的。
[0013]优选的,所述直流/直流变换器的输入端是全桥拓扑结构或三相半桥拓扑结构, 输出端是三相不控整流结构或三相可控整流结构;所述直流/直流变换器是串联或并联运 行的。
[0014] 优选的,所述开关组件保护环节是由直流开关组成的。
[0015] 与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
[0016] 1、本发明提出的直流风电机组适用于采用直流汇集的大型风电场,为后续我国特 大型风电场建设及高效汇集和接入提供了一种可行的技术手段。
[0017] 2、本发明提出的直流风电机组能够传输较大功率,可实现最大风能跟踪,且可输 出稳定的、电压等级较高的直流电压,从而降低了风机控制的复杂度,提高了大型风场运行 的经济性和可靠性。
附图说明
[0018] 图1为大功率直流输出风电机组拓扑结构示意图;
[0019] 图2为交流/直流变换环节拓扑结构示意图;
[0020] 图3为直流/直流变换环节拓扑结构示意图;
[0021] 图4为一种大功率直流风机变形拓扑结构示意图。
具体实施方式
[0022]下面通过具体实施方式对发明提供的技术方案做详细说明。
[0023] 具体实施方案:
[0024] 如图1,一种大功率直流输出风电机组的结构框图。其中包括风力机、传动链、发电 机、交流/直流变换器和直流/直流变换器及保护开关组件等组成,主要可以分析传动链环 节、AC/DC变换环节、DC/DC变换环节以及保护环节。
[0025] 如图2,交流/直流变换器的结构示意图。其采用基于IGBT的半桥三相整流变换 器结构,可实现直流风机的最大功率跟踪,以及对输出端直流电压进行控制,保证风能的最 大捕获以及发电系统的稳定运行。该拓扑结构中,发电机的交流输出端分别接入变换器的 3个输入端,经过输入电抗器L、电抗器等效电阻&和三相半桥斩波电路调制后输出直流电 压,C是直流母线电容,用于储存能量以及限制直流纹波幅值。三相半桥变换器中包含3个 单相电路,3个单相电路采用并联结构;每个单相电路包含2个桥臂;每个桥臂由一组开关 器件S和一等效电阻馬串联组成海个开关器件S由一个IGBT和二极管并联组成;等效电 阻Rs代表开关器件的导通电阻和线路寄生电阻等。
[0026]如图3,直流/直流变换器的结构示意图。直流/直流变换器输入端采用了三相半 桥变换器拓扑结构,输入端为交流/直流变换器的输出端相连,串联电抗器后连接三相半 桥变换器和续流电路,三相半桥变换器和续流电路并联运行;三相半桥变换器包含3个单 相电路,且实现并联连接;每个单相电路由2个桥臂组成,每个桥臂由开关器件V和反并联 二极管组成,三桥臂的中点即为三相半桥变换器的输出端,输出端连接三相中高频变压器 T ;续流电路由续流二极管和电容器C1组成,同时电容器并联一组放电电阻。直流/直流变 狹器湔出端米用/二相半桥变换器拓扑结构,湔出端连接保护开关组件;中高频变压器的 副边绕组连接三相半桥变换器的输入端,三相半桥变换器由3个单相电路并联组成;每个 单相电路由2个桥臂组成,每个桥臂由一组开关器件V和二极管组成,且3个单相电路与输 出母线电容器C2并联连接后形成直流/直流变换器的输出端,该输出端再与保护开关组件 串联接入直流汇集网。
[0027] 如图4, 一种大功率直流输出风电机组变形拓扑结构示意图,该拓扑主要针对发电 机的多绕组输出特性,每一绕组对应1套图1所示的电路拓扑结构,特点是多绕组电路拓扑 结构中AC/DC变换环节可以独立运行,也可以并联运行,另外dc/DC变换环节输出端可以并 联运行,也可以串联运行,以便提升输出端口直流电压水平或提高输出功论。
[0028]该拓扑充分利用了直流输出控制简单的特点,去掉了工频变压器,降低了风机的 控制复杂度,提升了大型风场运行的经济性和可靠性。另外其变形拓扑充分考虑了发电机 的多绕组输出特性,可以提升风机的功率密度,降低汇集网的网损。
[0029]最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围 的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当 理解:本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或 者等同替换,但这些变更、修改或者等同替换,均在申请特批的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1. 一种大功率直流输出风电机组拓扑结构,其特征在于,所述拓扑结构包括:风力机、 传动链、发电机、交流/直流变换环节、直流/直流变换环节和开关组件保护环节,所述发电 机的交流输出端与交流/直流变换器的输入端连接;所述交流/直流变换器的输出端与直 流/直流变换器的输入端连接;保护开关组件分别与所述直流/直流变换器的输出端和直 流汇集网连接。
2.如权利要求1所述的一种大功率直流输出风电机组拓扑结构,其特征在于,所述发 电机为多组三相绕组输出结构,同时输出N组三相交流电源;各组电源间电压相位、幅值和 频率存在差异;所述三相交流电源的额定电压幅值相同,频率相等,且互差120度。
3.如权利要求1所述的一种大功率直流输出风电机组拓扑结构,其特征在于,所述交 流/直流变换环节是由基于IGBT的全功率可控整流变换器并联或单独组成的。
4.如权利要求1所述的一种大功率直流输出风电机组拓扑结构,其特征在于,所述直 流/直流变换环节是由基于IGBT的隔离型直流/直流变换器串联或并联组成的。
5.如权利要求4所述的一种大功率直流输出风电机组拓扑结构,其特征在于,所述直 流/直流变换器的输入端是全桥拓扑结构或三相半桥拓扑结构,输出端是三相不控整流结 构或三相可控整流结构;所述直流/直流变换器是串联或并联运行的。
6.如权利要求1所述的一种大功率直流输出风电机组拓扑结构,其特征在于,所述开 关组件保护环节是由直流开关组成的。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN103280838A (zh) * 2013-05-29 2013-09-04 浙江大学 一种基于开绕组结构的风力发电高压直流并网系统及其控制方法
CN103441528A (zh) * 2013-08-15 2013-12-11 西安交通大学 双馈型风力发电机组用变流器拓扑结构

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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