CN107086787A - 一种风电场直流汇流装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风电场直流汇流装置，其在DC‑DC变换技术中采用方波电压调制三电平电压SPWM波形电压技术，具有如下优点：实现变压器原副边功率的双向流动；根据原副边电压的相位差实现最大输出功率跟踪；提高功率传输效率；利于风电场多风机组的多输入装置的实现。

Description

一种风电场直流汇流装置
技术领域
本发明涉及多输入的风电场直流汇流方法，具体是一种风电场直流汇流装置。
背景技术
风电发电规模不断扩大也促使了风电并网和配电技术的革新，目前世界范围内相对成熟的风电并网和配电技术有两种，分别是传统的高压交流和高压直流输电。传统的高压交流并网技术是每台风机发出电压幅值和频率不定的交流电经过换流器后转换为恒压恒频的工频交流电，然后经过升压变后通过电缆传输到高压变电站。
现有技术中，多输入直流汇流系统大多通过并联输入串联输出的装置结构，输入端的电压需要均衡，输出端的控制复杂。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的不足，公开了一种风电场直流汇流装置，在DC-DC变换技术中采用方波电压调制三电平电压SPWM波形电压技术，该技术可以实现不同发电量的多输入直流汇流，副边只需要一路多模块调制结构，控制方法简单灵活。
本发明的技术方案如下：一种风电场直流汇流装置，其特征在于，包括若干风机机组、传输线路、DC-DC变换装置，所述DC-DC变换装置包括全桥逆变电路、变压器、模块化多电平变换器，一个风机机组对应一个全桥逆变电路，全桥逆变电路的输入端连接风机机组发电整流之后的直流电，输出端连接变压器的原边，模块化多电平变换器连接变压器的副边。
进一步地，每个全桥逆变电路结构包括第一电容C1、第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第三功率开关管S3、第四功率开关管S4；
所述模块化多电平变换器包括四个结构一致的子模块，第一子模块包括第五功率开关管S5、第六功率开关管S6、第二电容C2，第二子模块包括第七功率开关管S7、第八功率开关管S8、第三电容C3，第三子模块包括第九功率开关管S9、第十功率开关管S10、第四电容C4，第四子模块包括第十一功率开关管S11、第十二功率开关管S12、第五电容C5；
第一电容C1两极分别与电源的正负极连接，第一功率开关管S1的集电极与电源的正极连接，第一功率开关管S1的发射极与第三功率开关管S3的集电极连接，第三功率开关管S3的集电极与变压器U原边的耦合端连接，变压器U原边的非耦合端与第二功率开关管S2发射极、第四功率开关管S4集电极间的电极连接，第二功率开关管S2集电极连接电源正极，第三功率开关管S3发射极、第四功率开关管S4发射极分别连接电源负极；
变压器U副边耦合端与第八功率开关管S8的发射极连接，第八功率开关管S8的集电极与第七功率开关管S7的发射极连接，第七功率开关管S7的集电极和第八功率开关管S8发射极之间并联一个第三电容C3；
第六功率开关管S6的发射极连接第八功率开关管S8的集电极，第六功率开关管S6的集电极与第五功率开关管S5的发射极连接，第五功率开关管S5的集电极与第六功率开关管S6的发射极之间并联第二电容C2；
变压器U副边耦合端连接第十功率开关管S10的集电极，第十功率开关管S10的集电极与第九功率开关管S9发射极连接，第九功率开关管S9集电极和第十功率开关管S10发射极之间并联第四电容C4；
第十功率开关管S10发射极连接第十二功率开关管S12的集电极，第十二功率开关管S12的集电极与第十一功率开关管S11发射极连接，第十一功率开关管S11的集电极与第十二功率开关管S12发射极之间并联第五电容C5；
变压器U副边非耦合端接第六电容C6负极及第七电容C7的正极，且变压器U副边非耦合端接地，第六电容C6的正极与第六功率开关管S6的集电极连接，第七电容C7的负极与第十二功率开关管S12的发射极连接。
进一步地，所述风机机组为本地机组，由无数个风机装置构成，每个风机装置提供的电量可以不等，与变电站的距离可以不等，即本地多个风电站可提供多输入的电压至变电站进行汇流。
进一步地，所述变压器为高频变压器。
进一步地，DC-DC变换装置中采用方波电压调制三电平电压SPWM波形电压技术。
上述风电场直流汇流装置的应用，其特征在于，可以实现最大输出功率跟踪，根据输出功率和移相角的关系特性，即变压器原副边电压的相位差，可获得最大输出功率。
本发明的DC-DC变换技术中采用方波电压调制三电平电压SPWM波形电压技术，高频变压器的原边是全桥逆变电路，可产生占空比为50%的方波电压，高频变压器的副边是模块化多电平变换器，可产生三电平电压SPWM波形。
本发明中，变压器原副边的功率可以双向流动。当功率从左往右流动时，变压器原边向副边传输功率，处于功率正向传输状态；当功率从右往左流动时，变压器副边向原边传输功率，处于功率反向传输状态。
与现有技术相比，本发明通过在DC-DC变换技术中采用方波电压调制三电平电压SPWM波形电压技术，本发明简单可行，可以实现不同发电量的多输入，变压器的副边为多模块调制结构，控制方法简单灵活。
附图说明
图1为本发明的多输入风电场直流汇流系统结构图；
图2为本发明中多输入风电场直流汇流系统中单输入隔离型DC-DC变换器拓扑结构；
图3为本发明中多输入风电场直流汇流系统中单输入隔离型DC-DC变换器等效电路；
图4为本发明中多输入风电场直流汇流系统中变压器原副边相位关系特性曲线；
图5为本发明中多输入风电场直流汇流系统中功率和移相角的关系特性曲线。
具体实施方式
如图1所示，一种风电场直流汇流装置，用于中压直流配电网的多输入DC-DC变换器：
本发明用于风电场直流汇流，发电机组可由无数个风机装置（即风机机组）构成，每个风机装置提供的电量可以不等，与变电站的距离可以不等，即本地多个风电站可以汇聚到一个变电站进行汇流。
下面结合具体实施例对本发明的控制装置及控制方法作进一步说明。
如图2-5所示，单输入隔离型DC-DC变换器结构为例，本发明中的单输入隔离型的DC-DC变换结构包括直流电源（风机发电整流之后的直流电）、变压器原边的全桥逆变电路、变压器、变压器副边的模块化多电平变换器。
具体的，如图2所示，单输入隔离型DC-DC变换器电路结构包括第一电容C1、第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第三功率开关管S3、第四功率开关管S4、第五功率开关管S5、第六功率开关管S6、第七功率开关管S7、第八功率开关管S8、第九功率开关管S9、第十功率开关管S10、第十一功率开关管S11、第十二功率开关管S12、第一变压器U1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6及第七电容C7。
第一电容C1两极分别与电源的正负极连接，第一功率开关管S1的集电极与电源的正极连接，第一功率开关管S1的发射极与第三功率开关管S3的集电极连接，第三功率开关管S3的集电极与变压器U原边的耦合端连接，变压器U原边的非耦合端与第二功率开关管S2发射极、第四功率开关管S4集电极间的电极连接；第二功率开关管S2集电极连接电源正极，第三功率开关管S3发射极、第四功率开关管S4发射极分别连接电源负极。
变压器U副边耦合端与第八功率开关管S8的发射极连接，第八功率开关管S8的集电极与第七功率开关管S7的发射极连接，第七功率开关管S7的集电极和第八功率开关管S8之间并联一个第三电容C3；第八功率开关管S8、第七功率开关管S7和第三电容C3串联组成一个子模块，变压器U的副边有四个结构一致的子模块。
第六功率开关管S6的发射极连接第八功率开关管S8的集电极，第六功率开关管S6的集电极与第五功率开关管S5的发射极连接，第五功率开关管S5的集电极与第六功率开关管S6的发射极之间并联第二电容C2。
变压器U副边耦合端连接第十功率开关管S10的集电极，第十功率开关管S10的集电极与第九功率开关管S9发射极连接，第九功率开关管S9集电极和第十功率开关管S10发射极之间并联第四电容C4。
第十功率开关管S10发射极连接第十二功率开关管S12的集电极，第十二功率开关管S12的集电极与第十一功率开关管S11发射极连接，第十一功率开关管S11的集电极与第十二功率开关管S12发射极之间并联第五电容C5。
变压器U副边接第六电容C6负极及第七电容C7的正极，变压器U副边接地，第六电容C6的正极与第六功率开关管S6的集电极连接，第七电容C7的负极与第十二功率开关管S12的发射极连接。
另外，需要说明的是，以该单输入隔离DC-DC变换器为例，其他多输入结构皆可按此类推，如图1所示，加于变压器原边。
本发明通过在DC-DC变换技术中采用方波电压调制三电平电压SPWM波形电压技术，其单输入变换器等效电路如图3所示，原边为占空比为50%的方波电压，副边是三电平电压SPWM波形，变压器用漏感Lr代替。
本发明中多输入风电场直流汇流系统中变压器原副边相位关系特性曲线如图4所示。本发明中多输入风电场直流汇流系统中功率和移相角的关系特性曲线如图5所示，根据功率和移相角的关系特性可以实现最大功率跟踪。
综上所述，本发明通过方波电压调制三电平电压SPWM波形电压技术的技术效果，可实现变压器原副边功率的双向流动；根据原副边电压的相位差实现最大输出功率跟踪；提高功率传输效率；利于风电场多风机组的多输入装置的实现。
不局限于上述实施例，本发明还适用于其他电厂多相输入直流汇流，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征做出一些替换和变形，这些替换和变形均在发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种风电场直流汇流装置，其特征在于，包括若干风机机组、传输线路、DC-DC变换装置，所述DC-DC变换装置包括全桥逆变电路、变压器、模块化多电平变换器，一个风机机组对应一个全桥逆变电路，全桥逆变电路的输入端连接风机机组发电整流之后的直流电，输出端连接变压器的原边，模块化多电平变换器连接变压器的副边。
2.根据权利要求1所述的一种风电场直流汇流装置，其特征在于，每个全桥逆变电路结构包括第一电容C1、第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第三功率开关管S3、第四功率开关管S4；
所述模块化多电平变换器包括四个结构一致的子模块，第一子模块包括第五功率开关管S5、第六功率开关管S6、第二电容C2，第二子模块包括第七功率开关管S7、第八功率开关管S8、第三电容C3，第三子模块包括第九功率开关管S9、第十功率开关管S10、第四电容C4，第四子模块包括第十一功率开关管S11、第十二功率开关管S12、第五电容C5；
第一电容C1两极分别与电源的正负极连接，第一功率开关管S1的集电极与电源的正极连接，第一功率开关管S1的发射极与第三功率开关管S3的集电极连接，第三功率开关管S3的集电极与变压器U原边的耦合端连接，变压器U原边的非耦合端与第二功率开关管S2发射极、第四功率开关管S4集电极间的电极连接，第二功率开关管S2集电极连接电源正极，第三功率开关管S3发射极、第四功率开关管S4发射极分别连接电源负极；
变压器U副边耦合端与第八功率开关管S8的发射极连接，第八功率开关管S8的集电极与第七功率开关管S7的发射极连接，第七功率开关管S7的集电极和第八功率开关管S8发射极之间并联一个第三电容C3；
第六功率开关管S6的发射极连接第八功率开关管S8的集电极，第六功率开关管S6的集电极与第五功率开关管S5的发射极连接，第五功率开关管S5的集电极与第六功率开关管S6的发射极之间并联第二电容C2；
变压器U副边耦合端连接第十功率开关管S10的集电极，第十功率开关管S10的集电极与第九功率开关管S9发射极连接，第九功率开关管S9集电极和第十功率开关管S10发射极之间并联第四电容C4；
第十功率开关管S10发射极连接第十二功率开关管S12的集电极，第十二功率开关管S12的集电极与第十一功率开关管S11发射极连接，第十一功率开关管S11的集电极与第十二功率开关管S12发射极之间并联第五电容C5；
变压器U副边非耦合端接第六电容C6负极及第七电容C7的正极，且变压器U副边非耦合端接地，第六电容C6的正极与第六功率开关管S6的集电极连接，第七电容C7的负极与第十二功率开关管S12的发射极连接。
3.根据权利要求1所述的一种风电场直流汇流装置，其特征在于，所述风机机组为本地机组。
4.根据权利要求1所述的一种风电场直流汇流装置，其特征在于，所述变压器为高频变压器。
5.根据权利要求1所述的一种风电场直流汇流装置，其特征在于，DC-DC变换装置中采用方波电压调制三电平电压SPWM波形电压技术。
6.权利要求1-5中任一项所述的风电场直流汇流装置的应用，其特征在于，根据输出功率和移相角的关系特性，即变压器原副边电压的相位差，可获得最大输出功率。
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