CN114123303A - 风力发电用三输入单输出直流串并联并网切换系统 - Google Patents

风力发电用三输入单输出直流串并联并网切换系统 Download PDF

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CN114123303A CN202111250370.7A CN202111250370A CN114123303A CN 114123303 A CN114123303 A CN 114123303A CN 202111250370 A CN202111250370 A CN 202111250370A CN 114123303 A CN114123303 A CN 114123303A
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秦猛
郭小江
付明志
李铮
李春华
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Abstract

本申请提出了一种风力发电用三输入单输出直流串并联并网切换系统，包括：风轮和与风轮对应的电机连接，风电机组与变流器的输入端连接，变流器内部通过功率开关元件可实现串并联切换，变流器的输出端与并网变压器连接。根据切换开关的不同工作状态，可以使系统工作于直流侧串联模式和直流侧并联模式，可以提高系统变流系统的直流母线电压等级，或变流系统直流侧电压不变的基础上通过汇集电流增加系统输出功率，采用功率开关器件可以减少机械式开关带来的损耗，降低系统体积和重量，提高响应速度。网侧逆变器由三个减少为一个，降低了设备重量和成本，减少了系统线路损耗，降低了系统控制复杂度，提高了系统的并网发电效率。

Description

风力发电用三输入单输出直流串并联并网切换系统
技术领域
本申请涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种风力发电用三输入单输出直流串并联并网切换系统。
背景技术
近年来，全球可再生能源利用年增长率达到25％，可再生能源的利用将以电力行业为主导，非水力可再生能源的发电比例将扩大两倍。风能发电作为除水力发电外技术最成熟的一种可再生能源发电，其装机容量占整个可再生能源发电装机总容量的绝大部分，但是电力电子器件性能的限制，给大容量风电机组的研制及应用造成了一定的瓶颈，如何合理地构建并网系统成为业界亟待解决的问题。
发明内容
本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本申请的第一个目的在于提出一种风力发电用三输入单输出直流串并联并网切换系统，以提高系统输出功率，降低设备重量和成本，减少系统线路损耗，降低系统控制复杂度，提高系统的并网发电效率。
为达上述目的，本申请第一方面实施例提出了一种风力发电用三输入单输出直流串并联并网切换系统，包括：风电机组、四端口变流器和并网变压器，其中，所述风电机组包括风轮和与所述风轮对应的电机，所述四端口变流器包括第一整流器、第二整流器、第三整流器、逆变器和功率开关元件，所述功率开关元件包括第一功率开关元件、第二功率开关元件、第三功率开关元件、第四功率开关元件、第五功率开关元件、和第六功率开关元件；所述风轮和所述与所述风轮对应的电机连接；所述风电机组的第一输出端与所述第一整流器的输入端连接，所述风电机组的第二输出端与所述第二整流器的输入端连接，所述风电机组的第三输出端与所述第三整流器的输入端连接，所述第一整流器的输出正端与所述逆变器的输入正端连接，所述第一整流器的输出负端通过所述第一功率开关元件与所述逆变器的输入负端连接，所述第一整流器的输出负端通过所述第二功率开关元件与所述第二整流器的输出正端连接，所述第二整流器的输出正端通过所述第三功率开关与所述逆变器的输入正端连接，所述第二整流器的输出负端通过所述第四功率开关元件与所述逆变器的输入负端连接，所述第二整流器的输出负端通过所述第五功率开关元件与所述第三整流器的输入正端连接，所述第三整流器的输出正端通过所述第六功率开关元件与所述逆变器的输入正端连接，所述第三整流器的输出负端与所述逆变器的输入负端连接，所述逆变器的输出端与所述并网变压器连接，所述第一功率开关元件、所述第三功率开关元件、所述第四功率开关元件和所述第六功率开关元件的开关状态一致，所述第二功率开关元件和所述第五功率开关元件的开关状态一致，所述第一功率开关元件和所述第二功率开关元件的开关状态不一致。
本申请实施例提出的风力发电用三输入单输出直流串并联并网切换系统，风轮和与风轮对应的电机连接，风电机组的第一输出端与第一整流器的输入端连接，风电机组的第二输出端与第二整流器的输入端连接，风电机组的第三输出端与第三整流器的输入端连接，第一整流器的输出正端与逆变器的输入正端连接，第一整流器的输出负端通过第一功率开关元件与逆变器的输入负端连接，第一整流器的输出负端通过第二功率开关元件与第二整流器的输出正端连接，第二整流器的输出正端通过第三功率开关与逆变器的输入正端连接，第二整流器的输出负端通过第四功率开关元件与逆变器的输入负端连接，所述第二整流器的输出负端通过第五功率开关元件与第三整流器的输入正端连接，第三整流器的输出正端通过第六功率开关元件与逆变器的输入正端连接，第三整流器的输出负端与逆变器的输入负端连接，逆变器的输出端与并网变压器连接，第一功率开关元件、第三功率开关元件、第四功率开关元件和第六功率开关元件的开关状态一致，第二功率开关元件和第五功率开关元件的开关状态一致，第一功率开关元件和第二功率开关元件的开关状态不一致。本申请实施例提出的风力发电用三输入单输出直流串并联并网切换系统，由电力电子功率开关元件组成切换开关，根据并网系统需求，通过切换开关的动作实现并网系统直流侧串联升压、并联汇流的不同功能，根据切换开关的不同工作状态，可以使系统工作于直流侧串联模式和直流侧并联模式，可以提高系统变流系统的直流母线电压等级，或变流系统直流侧电压不变的基础上通过汇集电流增加系统输出功率。采用半导体开关器件可以减少机械式开关带来的损耗，降低系统体积和重量，提高响应速度。网侧变流器由三个减少为一个，降低了设备重量和成本，减少了系统线路损耗，降低了系统控制复杂度，提高了系统的并网发电效率。
根据本申请的一个实施例，所述功率开关元件为晶体管或晶闸管。
根据本申请的一个实施例，所述风电机组包括第一风机和第二风机；所述第一风机包括第一风轮和与所述第一风轮连接的第一电机，所述第一电机的输出端作为所述风电机组的第一输出端；所述第二风机包括第二风轮和与所述第二风轮连接的第二电机，所述第二电机的第一输出端作为所述风电机组的第二输出端，所述第二电机的第二输出端作为所述风电机组的第三输出端。
根据本申请的一个实施例，所述第一电机为单转子单绕组电机，第二电机为双绕组单转子电机。
根据本申请的一个实施例，所述第一整流器、所述第二整流器和所述第三整流器为全功率整流器，所述逆变器为全功率逆变器。
根据本申请的一个实施例，所述电机为永磁同步发电机，所述风轮为三叶片风轮。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本申请一个实施例的风力发电用三输入单输出直流串并联并网切换系统的结构示意图；
图2是根据本申请一个实施例的风力发电用三输入单输出直流串并联并网切换系统中风电机组的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
下面结合附图来描述本申请实施例的风力发电用三输入单输出直流串并联并网切换系统。
图1是根据本申请一个实施例的风力发电用三输入单输出直流串并联并网切换系统的结构示意图，如图1所示，本申请实施例的风力发电用三输入单输出直流串并联并网切换系统具体可包括：风电机组101、四端口变流器102和并网变压器103，其中：
风电机组101包括风轮1011和与风轮1011对应的电机1012，四端口变流器102包括第一整流器1021、第二整流器1022、第三整流器1023、逆变器1024和功率开关元件1025。功率开关元件1025包括第一功率开关元件10251、第二功率开关元件10252、第三功率开关元件10253、第四功率开关元件10254、第五功率开关元件10255和第六功率开关元件10256。其中，功率开关元件1025具体可为晶体管或晶闸管，例如金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET，简称MOS管)，MOS管可以是N型MOS管，也可以是P型MOS管。
风轮1011和与风轮对应的电机1012连接，风电机组101用于通过第一输出端输出第一交流电压信号U1和第一交流电流信号I1，通过第二输出端输出第二交流电压信号U2和第二交流电流信号I2，通过第三输出端输出第三交流电压信号U3和第三交流电流信号I3。其中，电机1012具体可为永磁同步发电机，风轮1011具体可为三叶片风轮。
风电机组101的第一输出端通过三相线路与第一整流器1021的输入端连接，风电机组101的第二输出端通过三相线路与第二整流器1022的输入端连接，风电机组101的第三输出端通过三相线路与第三整流器1023的输入端连接，第一整流器1021的输出正端通过直流母线与逆变器1024的输入正端连接，第一整流器1021的输出负端通过第一功率开关元件10251与逆变器1024的输入负端连接，第一整流器1021的输出负端通过第二功率开关元件10252与第二整流器1022的输出正端连接，第二整流器1022的输出正端通过第三功率开关10253与逆变器1024的输入正端连接，第二整流器1022的输出负端通过第四功率开关元件10254与逆变器1024的输入负端连接，第二整流器1022的输出负端通过第五功率开关元件10255与第三整流器1023的输入正端连接，第三整流器1023的输出正端通过第六功率开关元件10256与逆变器1024的输入正端连接，第三整流器1023的输出负端与逆变器1024的输入负端连接，逆变器1024的输出端通过三相电路与并网变压器103连接。
第一功率开关元件10251、第三功率开关元件10253、第四功率开关元件10254和第六功率开关元件10256的开关状态一致，第二功率开关元件10252和第五功率开关元件10255的开关状态一致，第一功率开关元件10251和第二功率开关元件10252的开关状态不一致，即第一功率开关元件10251导通时，第三功率开关元件10253、第四功率开关元件10254和第六功率开关元件10256也导通，而第二功率开关元件10252和第五功率开关元件10255截止；或者，第一功率开关元件10251截止时，第三功率开关元件10253、第四功率开关元件10254和第六功率开关元件10256也截止，而第二功率开关元件10252和第五功率开关元件10255导通。通过控制功率元器件的开关状态，使系统共有并联连接(状态1，即第一功率开关元件10251、第三功率开关元件10253、第四功率开关元件10254和第六功率开关元件10256导通，第二功率开关元件10252和第五功率开关元件10255截止时)和串联连接(状态2，即第二功率开关元件10252和第五功率开关元件10255导通，第一功率开关元件10241第三功率开关元件10253、第四功率开关元件10254和第六功率开关元件10256截止时)两种工作状态，根据并网系统需求，通过切换开关的动作实现并网系统直流侧串联升压、并联汇流的不同功能。其中，第一整流器1021具体可为全功率整流器，第二整流器1022具体可为全功率整流器，第三整流器1023具体可为全功率整流器，逆变器1024具体可为全功率逆变器。
第一整流器1021用于根据第一交流电压信号U1生成第一直流电压信号Ud1，以及根据第一交流电流信号I1生成第一直流电流信号Id1，第一整流器1021输出功率为P1，工作效率为η1，则：
Figure BDA0003322409280000051
第二整流器1022用于根据第二交流电压信号U2生成第二直流电压信号Ud2，以及根据第二交流电流信号I2生成第二直流电流信号Id2，第二整流器1022输出功率为P2，工作效率为η2，则：
Figure BDA0003322409280000052
第三整流器1023用于根据第三交流电压信号U3生成第三直流电压信号Ud3，以及根据第三交流电流信号I3生成第三直流电流信号Id3，第三整流器1023输出功率为P3，工作效率为η3，则：
Figure BDA0003322409280000053
第一整流器1021、第二整流器1022和第三整流器1023在直流侧进行连接，再与逆变器1024直流输入端连接，逆变器1024直流侧输入第四直流电压信号Ud4和第四直流电流信号Id4，其中机械开关通过切换可以实现以下两种工作状态：
机械开关处于第一工作状态时，第一整流器1021、第二整流器1022和第三整流器1023在直流侧串联连接，第四直流电压信号Ud4和第四直流电流信号Id4可基于以下公式获得：
Id4＝Id3＝Id2＝Id1
Figure BDA0003322409280000054
机械开关处于第二工作状态时，第一整流器1021、第二整流器1022和第三整流器1023在直流侧并联连接，第四直流电压信号Ud4和第四直流电流信号Id4可基于以下公式获得：
Ud4＝Ud3＝Ud2＝Ud1
Figure BDA0003322409280000055
逆变器1024用于根据第四直流电压信号Ud4生成第四交流电压信号U4，根据第四直流电流信号Id4生成第四交流电流信号I4，逆变器1024将第四交流电压信号U4和第四交流电流信号I4输入至并网变压器103。可选地，逆变器1024工作效率为η4，输出功率为P4，则：
Figure BDA0003322409280000061
可选地，本申请实施例中的风电机组101可以包括第一风机和第二风机，如图2所示，风机可以包括第一风机中的第一风轮2011以及第二风机中的第二风轮2012，电机可以包括第一风机中的第一电机2021和第二风机中的第二电机2022，其中第一电机2021可以为单转子单绕组电机；第二电机2022可以为双绕组单转子电机，包括转子、第一定子绕组和第二定子绕组。
第一风机中，第一风轮2011与第一电机2021(具体为第一风轮2011与第一电机2021的转子)连接，第一电机2021的输出端作为电机机组101的第一输出端，第一风轮2011在风力的作用下转动，带动第一电机2021的转子转动，使得第一电机2021在第一风轮2011带动第一电机2021的转子转动时，从输出端即风电机组101的第一输出端输出第一交流电压信号U1和第一交流电流信号I1。
第二风机中，第二风轮2012与第二电机2022(具体为第二风轮2012与第二电机2022的转子)连接，第二电机2022的第一输出端作为风电机组101的第二输出端，第二电机2022的第二输出端作为风电机组101的第三输出端。第二风轮2012在风力的作用下转动，带动第二电机2022的转子转动，使得第二电机2022，具体为第二电机2022中的第一定子绕组，在第二风轮2012带动第二电机2022的转子转动时，从第二电机2022的第一输出端即风电机组101的第二输出端输出第二交流电压信号U2和第二交流电流信号I2，同时使得第二电机2022，具体为第二电机2022中的第二定子绕组，在第二风轮2012带动第二电机2022的转子转动时，从第二电机2022的第二输出端即风电机组101的第三输出端输出第三交流电压信号U3和第三交流电流信号I3。
本申请实施例提出的风力发电用三输入单输出直流串并联并网切换系统，风轮和与风轮对应的电机连接，风电机组的第一输出端与第一整流器的输入端连接，风电机组的第二输出端与第二整流器的输入端连接，风电机组的第三输出端与第三整流器的输入端连接，第一整流器的输出正端与逆变器的输入正端连接，第一整流器的输出负端通过第一功率开关元件与逆变器的输入负端连接，第一整流器的输出负端通过第二功率开关元件与第二整流器的输出正端连接，第二整流器的输出正端通过第三功率开关与逆变器的输入正端连接，第二整流器的输出负端通过第四功率开关元件与逆变器的输入负端连接，所述第二整流器的输出负端通过第五功率开关元件与第三整流器的输入正端连接，第三整流器的输出正端通过第六功率开关元件与逆变器的输入正端连接，第三整流器的输出负端与逆变器的输入负端连接，逆变器的输出端与并网变压器连接，第一功率开关元件、第三功率开关元件、第四功率开关元件和第六功率开关元件的开关状态一致，第二功率开关元件和第五功率开关元件的开关状态一致，第一功率开关元件和第二功率开关元件的开关状态不一致。本申请实施例提出的风力发电用三输入单输出直流串并联并网切换系统，由电力电子功率开关元件组成切换开关，根据并网系统需求，通过切换开关的动作实现并网系统直流侧串联升压、并联汇流的不同功能，根据切换开关的不同工作状态，可以使系统工作于直流侧串联模式和直流侧并联模式，可以提高系统变流系统的直流母线电压等级，或变流系统直流侧电压不变的基础上通过汇集电流增加系统输出功率。采用半导体开关器件可以减少机械式开关带来的损耗，降低系统体积和重量，提高响应速度。网侧变流器由三个减少为一个，降低了设备重量和成本，减少了系统线路损耗，降低了系统控制复杂度，提高了系统的并网发电效率。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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申请和简化描述，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申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种风力发电用三输入单输出直流串并联并网切换系统，其特征在于，包括：风电机组、四端口变流器和并网变压器，其中，所述风电机组包括风轮和与所述风轮对应的电机，所述四端口变流器包括第一整流器、第二整流器、第三整流器、逆变器和功率开关元件，所述功率开关元件包括第一功率开关元件、第二功率开关元件、第三功率开关元件、第四功率开关元件、第五功率开关元件、和第六功率开关元件；
所述风轮和所述与所述风轮对应的电机连接；
所述风电机组的第一输出端与所述第一整流器的输入端连接，所述风电机组的第二输出端与所述第二整流器的输入端连接，所述风电机组的第三输出端与所述第三整流器的输入端连接，所述第一整流器的输出正端与所述逆变器的输入正端连接，所述第一整流器的输出负端通过所述第一功率开关元件与所述逆变器的输入负端连接，所述第一整流器的输出负端通过所述第二功率开关元件与所述第二整流器的输出正端连接，所述第二整流器的输出正端通过所述第三功率开关与所述逆变器的输入正端连接，所述第二整流器的输出负端通过所述第四功率开关元件与所述逆变器的输入负端连接，所述第二整流器的输出负端通过所述第五功率开关元件与第三整流器的输入正端连接，所述第三整流器的输出正端通过所述第六功率开关元件与所述逆变器的输入正端连接，所述第三整流器的输出负端与所述逆变器的输入负端连接，所述逆变器的输出端与所述并网变压器连接，所述第一功率开关元件、所述第三功率开关元件、所述第四功率开关元件和所述第六功率开关元件的开关状态一致，所述第二功率开关元件和所述第五功率开关元件的开关状态一致，所述第一功率开关元件和所述第二功率开关元件的开关状态不一致。
2.根据权利要求1所述的风力发电用三输入单输出直流串并联并网切换系统，其特征在于，所述功率开关元件为晶体管或晶闸管。
3.根据权利要求1所述的风力发电用三输入单输出直流串并联并网切换系统，其特征在于，所述风电机组包括第一风机和第二风机；
所述第一风机包括第一风轮和与所述第一风轮连接的第一电机，所述第一电机的输出端作为所述风电机组的第一输出端；
所述第二风机包括第二风轮和与所述第二风轮连接的第二电机，所述第二电机的第一输出端作为所述风电机组的第二输出端，所述第二电机的第二输出端作为所述风电机组的第三输出端。
4.根据权利要求3所述的风力发电用三输入单输出直流串并联并网切换系统，其特征在于，所述第一电机为单转子单绕组电机，第二电机为双绕组单转子电机。
5.根据权利要求1所述的风力发电用三输入单输出直流串并联并网切换系统，其特征在于，所述第一整流器、所述第二整流器和所述第三整流器为全功率整流器，所述逆变器为全功率逆变器。
6.根据权利要求1所述的风力发电用三输入单输出直流串并联并网切换系统，其特征在于，所述电机为永磁同步发电机，所述风轮为三叶片风轮。
CN202111250370.7A 2021-10-26 2021-10-26 风力发电用三输入单输出直流串并联并网切换系统 Pending CN114123303A (zh)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN101291071A (zh) * 2008-06-18 2008-10-22 张皓 一种风力发电直接并网电力变换装置
EP2911260A1 (de) * 2014-02-19 2015-08-26 Siemens Aktiengesellschaft Einrichtung zur Einspeisung windkrafterzeugter elektrischer Energie in ein elektrisches Netz

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