CN110661298A - 一种基于级联单元的中压变频风力发电系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于级联单元的中压变频风力发电系统及方法，涉及风力发电的技术领域，前述系统包括：风轮机，齿轮箱，发电机，第一断路器，变流器，控制器，电量检测模块，第二断路器；风轮机，齿轮箱，发电机，第一断路器依次相连；第一断路器与变流器的输入侧相连；变流器的输出侧与第二断路器相连；控制器与变流器相连；电量检测模块与外部电网、第一断路器、控制器均相连。通过本发明提供的系统和方法，可以提高现有技术的风力系统的拓扑结构的整体系统能效，简化系统布线。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电的技术领域，尤其是涉及一种一种基于级联单元的中压变频风力发电系统和方法。
背景技术
当前，大功率风力发电系统普遍采用变速、变桨距控制技术，即随着风速的大小变化，采用不同的桨距角和叶轮速度，从而达到对风能的最大可能获取，在大风时还能保障风机安全的控制策略。低风速段使用定桨距、变转矩、变转速运行；高风速段采用变桨距、定转矩、近似定转速运行。叶轮获取的机械能，通过齿轮箱驱动电机发电，增速比较小驱动中速电机的又称为准直驱或半直驱型；还可以叶轮不用齿轮箱，直接驱动低速电机的直驱结构。随着生产制造的实践和新材料等技术发展，风机叶轮直径不断增加，发电机的功率也随之增加。
随着风电机组的大功率化，发电机的电压也从早期的低压直流到后来的低压交流，如400V、690V等不断提升。风力发电机发出的电能一般都经过10kV～35kV汇入电网，低压发电系统需要经过并网变压器升压后接入电网。由于风力发电机在百米左右高度的塔筒顶端，电能需要电缆自塔顶送到塔底的接入点，为了节省电缆成本和输电损耗，先进的送出方式目前主要有三类：基于高低结构的双馈感应电机型，使用混合电压等级；并网变压器和低压全功率变流器塔上安装型，直接高压传输；中压全功率变流器型，中压塔筒内传输。下面简述这三种发电原理的差别。
基于高低结构的双馈感应电机型：双馈式感应发电机采用一个绕线转子，通过变频器控制转子电流的大小和相位，进行交流励磁，实现定子、转子双路馈出能量，可在变速条件下，定频并网，高低结构是指定子使用高电压，如10kV，而转子使用低电压，如690V，如图6所示。该方案的优点是配套的变流器功率小，在变速范围自1000rpm到2000rpm的情况下，变流器只要并网功率的四分之一即可，并网变压器可以采用三绕组结构，定子并接高压，转子通过变流器连接低压。在10kV并网时只用一个部分功率的变压器即可。在电力电子技术不很成熟的情况下，这是一种可选解决方案。变流器功率小，使总体发电效率得到提高。但在新的电网接入标准下，诸如高、低电压穿越(HVRT、LVRT)或称故障穿越(FRT)，该方案很难满足全部要求，对电网故障时的支撑能力弱。大功率风机中，存在电机转子电流过大，需要电刷和滑环，维护工作量大的缺点。
并网变压器和低压全功率变流器塔上安装型：发电原理如图7所示，使用现在的低压输出发电机，通过大量并联的低压变流器，汇集电能到并网变压器二次侧，经过升压到10kV～35kV，再经过高压扭缆直接连接到塔底的并网开关处。目前已有公司使用此种方案，优点是可以使用现有的中低容量风机的低压变流器成熟技术，塔筒内的输电线重量较轻，输电损耗降低；缺点是变流器和变压器都放置在机舱，使得风机顶部载荷增加较多，对变流器和变压器的抗振动冲击工艺能力要求较高。
中压全功率变流器型：如图1所示，使用中压在塔筒内传输发电机发出的变频、变压电能，在塔底使用中压全功率变流器并网。塔筒输电电缆因为电压提升电流减少，而大大节省重量和输电损耗，节省用铜量，提升风力发电系统总效率，降低换流系统总成本。目前的中压变流器主要是采用三电平技术实现的1140V、3300V等方案，更高电压等级因为电力电子器件的耐压水平限制，暂未实现。
寻找一种廉价，又能满足电网接入条件，系统可靠性和整体效率高的变流电路拓扑结构，是风电研究者持续的努力目标。
综上所述，现有技术的大功率风力系统的拓扑结构的整体系统可靠性、整体效率有待提高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于级联单元的中压变频风力发电系统，以可以提高现有技术的风力系统的拓扑结构的整体系统能效，简化系统布线。
第一方面，本发明提供了一种基于级联单元的中压变频风力发电系统，包括：风轮机，齿轮箱，发电机，第一断路器，变流器，控制器，电量检测模块，第二断路器；
所述风轮机，所述齿轮箱，所述发电机，所述第一断路器依次相连；
所述第一断路器与所述变流器的输入侧相连；
所述变流器的输出侧与所述第二断路器相连；
所述控制器与所述变流器相连；
所述电量检测模块与外部电网、所述第一断路器、所述控制器均相连。
优选的，所述变流器包括原边侧，铁芯，副边侧；
所副边侧包括每8个功率单元串联形成的功率单元组，所述发电机的A相、B相、C相均连有一个功率单元组；
所述功率单元组包括全控晶体管、电容以及二极管；
所述全控晶体管包括第一全控晶体管，第二全控晶体管，第三全控晶体管，第四全控晶体管，第五全控晶体管，第六全控晶体管，第七全控晶体管以及第八全控晶体管；
所述第一全控晶体管的发射极与所述第二全控晶体管的集电极相连，所述第三全控晶体管的发射极与所述第四全控晶体管的集电极相连，所述第五全控晶体管的发射极与所述第六全控晶体管的集电极相连，所述第七全控晶体管的发射极与所述第八全控晶体管的集电极相连；
所述第一全控晶体管、所述第二全控晶体管、所述第三全控晶体管、所述第四全控晶体管、所述第五全控晶体管、所述第六全控晶体管、所述第七全控晶体管以及所述第八全控晶体管均并联有所述二极管；
所述第一全控晶体管、所述第三全控晶体管、所述第五全控晶体管、所述第七全控晶体管的集电极均相连，所述第二全控晶体管、所述第四全控晶体管、所述第六全控晶体管以及所述第八全控晶体管的发射极均相连；
所述电容的一端与所述第三全控晶体管的集电极相连，所述电容的另一端与所述第四全控晶体管的发射极相连。
另一方面，本发明提供了一种采用采用前述第一方面的方法，具体按照如下步骤进行：
所述电量检测模块获取电网并网点的三相电流值、电网并网点的电压值、发电机的输出电压值以及发电机的输出电流值；
控制基于所述电网并网点的三相电流值、所述电网并网点的电压值、所述发电机的输出电压值以及所述发电机的输出电流值获取发点电机输出的有功功率以及无功功率，以及电网并网点的有功功率以及无功功率；
控制器基于所述发点电机输出的有功功率以及无功功率，以及所述电网并网点的有功功率以及无功功率控制所述第一断路器以及第二断路器的通断，并采用载波水平移相法进行PWM调制使所述变流器输出端输出预设的交流电压。
本发明实施例带来了以下有益效果：本发明提供了一种基于级联单元的中压变频风力发电系统及方法，前述装置包括：风轮机，齿轮箱，发电机，第一断路器，变流器，控制器，电量检测模块，第二断路器；风轮机，齿轮箱，发电机，第一断路器依次相连；第一断路器与变流器的输入侧相连；变流器的输出侧与第二断路器相连；控制器与变流器相连；电量检测模块与外部电网、第一断路器、控制器均相连。通过本发明提供的系统和方法，可以提高现有技术的风力系统的拓扑结构的整体系统能效，简化系统布线。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于级联单元的中压变频风力发电系统结构示意图；
图2为本发明实施例提供的的变流器结构示意图；
图3为本发明实施例提供的双电平功率单元示意图；
图4为本发明实施例提供的三电平功率单元示意图；
图5为本发明实施例提供的变流器连接示意图；
图6是现有技术中高低结构双馈电机并网电路结构图。
图7现有技术中是变压器和低压变流器塔上安装型并网电路结构图。
图8是本发明实施例提供的690V和10kV全功率变流器塔底安装需要的塔筒电缆对比图。
图9是本发明提供的的两电平双PWM桥臂功率单元网侧波形示意图
图10是本发提供的三电平双PWM桥臂功率单元网侧波形示意图
图11是本发明提供的8个串联两电平单元输出波形示意图。
图标：1-风轮机；2-齿轮箱；3-发电机；4-第一断路器；5-变流器；6-第二断路器；7-控制器；8-电量检测模块；11-铁芯；12-副边侧；13-原边侧；14-预充电线圈；15-功率单元。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
目前现有技术中风力发电拓扑结构能效低，布线复杂，整体系统冗杂，基于此，本发明实施例提供的一种基于级联单元的中压变频风力发电系统及方法，可以提高现有技术的风力系统的拓扑结构的整体系统能效，简化系统布线。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种基于级联单元的中压变频风力发电系统进行详细介绍。
实施例一
如图1所示，本发明实施例一提供了一种基于级联单元的中压变频风力发电系统包括：风轮机1，齿轮箱2，发电机3，第一断路器4，变流器5，控制器7，电量检测模块8，第二断路器6；
所述风轮机1，所述齿轮箱2，所述发电机3，所述第一断路器4依次相连；
所述第一断路器4与所述变流器5的输入侧相连；
所述变流器5的输出侧与所述第二断路器6相连；
所述控制器7与所述变流器5相连；
所述电量检测模块8与外部电网、所述第一断路器4、所述控制器7均相连。
在本发明提供的实施例中，齿轮箱25起到了减速的作用，第一断路器4起到了发电机3保护的作用，变流器5的作用为交流/交流的电压转换以及交流的输出频率的变换；
具体的，所述变流器5包括原边侧13，铁芯11，副边侧；
变流器5由多个串联的能量双向流动的脉宽调制控制的功率单元15构成；
具体的，所副边侧包括每8个功率单元15串联形成的功率单元15组，所述发电机3的A相、B相、C相均连有一个功率单元15组；
所述功率单元15组包括全控晶体管、电容以及二极管；
所述全控晶体管包括第一全控晶体管，第二全控晶体管，第三全控晶体管，第四全控晶体管，第五全控晶体管，第六全控晶体管，第七全控晶体管以及第八全控晶体管；
所述第一全控晶体管的发射极与所述第二全控晶体管的集电极相连，所述第三全控晶体管的发射极与所述第四全控晶体管的集电极相连，所述第五全控晶体管的发射极与所述第六全控晶体管的集电极相连，所述第七全控晶体管的发射极与所述第八全控晶体管的集电极相连；
所述第一全控晶体管、所述第二全控晶体管、所述第三全控晶体管、所述第四全控晶体管、所述第五全控晶体管、所述第六全控晶体管、所述第七全控晶体管以及所述第八全控晶体管均并联有所述二极管；
所述第一全控晶体管、所述第三全控晶体管、所述第五全控晶体管、所述第七全控晶体管的集电极均相连，所述第二全控晶体管、所述第四全控晶体管、所述第六全控晶体管以及所述第八全控晶体管的发射极均相连；
可选择的，所述功率单元15为基于全控器件如IGBT、IGCT、IEGT、MOSFET或GTO的两电平结构；
所述电容的一端与所述第三全控晶体管的集电极相连，所述电容的另一端与所述第四全控晶体管的发射极相连。
如图5所示，需要说明的是，在本发明提供的实施例中，每8个功率单元15串联为一组，24个功率单元15构成三组功率单元15组，发电机3组的每一相各连有一个功率单元15组；
进一步的，在本发明提供的实施例中，发电机3的相电压为10KV，线电压5773V，因此每个功率单元15分担的电压为721V；
在本发明提供是实施例中还包括预充电线圈14，以减少对副边侧的损耗，并减小变压器的噪声；
在本发明其他可能的实施方式中，如图4所示，功率单元15为三电平功率单元15，连接方式如图4所示；
为了对变流器5进行控制，本发明提供的一种基于级联单元的中压变频风力发电系统还配有控制器7；
具体的所述控制器7分别与功率单元15的器件门极、第一断路器4、第二断路器6的控制端连接；
相对应的，所述控制器7上连接有用于检测发电机3转速和发电系统有功无功的电量检测模块8；
具体的，前述电量检测模块8取得三相发电机3输出端的三相电压u2、电流i2，第二断路器6的三相电流i1，三相电压u1，通过这些参数的检测，可以求得三相发电机3的输出功率，并网到高压侧的有功、无功等参数；
实施例二：
本发明实施二提供了一种采用前述实施例一系统的方法，具体包括如下步骤：
所述电量检测模块8获取电网并网点的三相电流值、电网并网点的电压值、发电机3的输出电压值以及发电机3的输出电流值；
控制基于所述电网并网点的三相电流值、所述电网并网点的电压值、所述发电机3的输出电压值以及所述发电机3的输出电流值获取发点电机输出的有功功率以及无功功率，以及电网并网点的有功功率以及无功功率；
控制器7基于所述发点电机输出的有功功率以及无功功率，以及所述电网并网点的有功功率以及无功功率控制所述第一断路器4以及第二断路器6的通断，并采用载波水平移相法进行PWM调制使所述变流器5输出端输出预设的交流电压。
本实施例中指定并网功率12MW，考虑到变压器效率、变流器5效率和辅机用电等因素，发电机3输出给变流器5的有功设计为13.2MW，每个模块需要550kW，模块直流电压1060V条件下，交流输出可以到750V，8单元串联可以输出相电压6000V，线电压10.4kV，在考虑功率因数0.95的情况下，电流约772A，这是目前IGBT技术水平容易达到的一个数值。现有技术在器件不并联情况下已经可以实现1800A的交流负载能力，按本方案可以实现1800÷772×12＝28MW的风机的变换能力。
本发明具备如下的技术效果：
1)电量检测模块8实时监测电机的电压、电流和并网的电压以及电流，并通过调节算法控制发电机3施加给叶轮机的负载力矩，完成主控对风机的转速控制和稳速，以及并网无功功率的控制稳定电网电压。同时，集中检测的电网电压相位信息送给各功率单元15，由各单元自行完成网侧控制，这带来了系统的简单化，简化了了控制器7的运算。
2)本实施例使用单相结构使得24个模块仅有48根引线到变压器，简化了布线；
3)结合图9、图10.图11可见采用本发明提供的系统和方法可以使得PWM调制更接近预设波形，结合图所示为了获取预设波形，需对预设波形进行傅里叶分解而后依据傅里叶分解的结果进行PWM波调制，通过图可见，采用功率单元15级联型结构可以使PWM输出的波形更接近于预设波形，提高了控制精度；
4)采用本发明实施例提供的级联型拓扑结构，采用现有电力电子器件即可满足功率的输出要求，同时结合图8所示，可见采用本发明提供的系统和方法可以极大的简化布线，由于变流器5和变压器都在塔基，维护便宜，降低了造价，减小了安装体积与重量；
5)由于功率单元15采用级联的结构，提高的供电侧的电压，减小了线损，提高了能源利用率。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对步骤、数字表达式和数值并不限制本发明的范围。
在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。
附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种基于级联单元的中压变频风力发电系统，其特征在于，包括：风轮机，齿轮箱，发电机，第一断路器，变流器，控制器，电量检测模块，第二断路器；
所述风轮机，所述齿轮箱，所述发电机，所述第一断路器依次相连；
所述第一断路器与所述变流器的输入侧相连；
所述变流器的输出侧与所述第二断路器相连；
所述控制器与所述变流器相连；
所述电量检测模块与外部电网、所述第一断路器、所述控制器均相连。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述变流器包括原边侧，铁芯，副边侧；
所副边侧包括每8个功率单元串联形成的功率单元组，所述发电机的A相、B相、C相均连有一个功率单元组；
所述功率单元组包括全控晶体管、电容以及二极管；
所述全控晶体管包括第一全控晶体管，第二全控晶体管，第三全控晶体管，第四全控晶体管，第五全控晶体管，第六全控晶体管，第七全控晶体管以及第八全控晶体管；
所述第一全控晶体管的发射极与所述第二全控晶体管的集电极相连，所述第三全控晶体管的发射极与所述第四全控晶体管的集电极相连，所述第五全控晶体管的发射极与所述第六全控晶体管的集电极相连，所述第七全控晶体管的发射极与所述第八全控晶体管的集电极相连；
所述第一全控晶体管、所述第二全控晶体管、所述第三全控晶体管、所述第四全控晶体管、所述第五全控晶体管、所述第六全控晶体管、所述第七全控晶体管以及所述第八全控晶体管均并联有所述二极管；
所述第一全控晶体管、所述第三全控晶体管、所述第五全控晶体管、所述第七全控晶体管的集电极均相连，所述第二全控晶体管、所述第四全控晶体管、所述第六全控晶体管以及所述第八全控晶体管的发射极均相连；
所述电容的一端与所述第三全控晶体管的集电极相连，所述电容的另一端与所述第四全控晶体管的发射极相连。
3.一种采用权利要求1所述的系统的方法，其特征在于，具体按照如下步骤进行：
所述电量检测模块获取电网并网点的三相电流值、电网并网点的电压值、发电机的输出电压值以及发电机的输出电流值；
控制基于所述电网并网点的三相电流值、所述电网并网点的电压值、所述发电机的输出电压值以及所述发电机的输出电流值获取发点电机输出的有功功率以及无功功率，以及电网并网点的有功功率以及无功功率；
控制器基于所述发点电机输出的有功功率以及无功功率，以及所述电网并网点的有功功率以及无功功率控制所述第一断路器以及第二断路器的通断，并采用载波水平移相法进行PWM调制使所述变流器输出端输出预设的交流电压。
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