CN114123305A - 一种单风轮双绕组电机直流串并联切换统一并网系统 - Google Patents

一种单风轮双绕组电机直流串并联切换统一并网系统 Download PDF

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Abstract

本申请提出了一种单风轮双绕组电机直流串并联切换统一并网系统，包括：风轮和电机连接，电机与变流器的输入端连接，变流器内部通过机械开关可实现串并联切换，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，网侧变流器由两个减少为一个，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

一种单风轮双绕组电机直流串并联切换统一并网系统
技术领域
本申请涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种单风轮双绕组电机直流串并联切换统一并网系统。
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单风轮双绕组电机直流串并联切换统一并网系统，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单风轮双绕组电机直流串并联切换统一并网系统，包括：风机、三端口变流器和并网变压器，其中，所述风机包括风轮和电机，所述三端口变流器包括第一整流器、第二整流器、逆变器和机械开关；所述风轮和所述电机连接，所述电机用于在所述风轮转动时输出第一交流电压信号U1、第一交流电流信号I1、第二交流电压信号U2和第二交流电流信号I2；所述电机分别与所述第一整流器的输入端和所述第二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与所述机械开关的第一自由端连接，所述机械开关的第一并联固定端与所述逆变器的输入负端连接，所述第二整流器的输出正端与所述机械开关的第二自由端连接，所述机械开关的第二并联固定端与所述逆变器的输入正端连接，所述机械开关的第一串联固定端与所述机械开关的第二串联固定端连接，所述第二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，所述机械开关的第一自由端切换连接所述机械开关的第一并联固定端和所述机械开关的第一串联固定端，所述机械开关的第二自由端切换连接所述机械开关的第二并联固定端和所述机械开关的第二串联固定端；所述第一整流器用于根据所述第一交流电压信号U1生成第一直流电压信号Ud1，以及根据所述第一交流电流信号I1生成第一直流电流信号Id1，所述第二整流器用于根据所述第二交流电压信号U2生成第二直流电压信号Ud2，以及根据所述第二交流电流信号I2生成第二直流电流信号Id2，所述逆变器用于根据第三直流电压信号Ud3生成第三交流电压信号U3，以及根据第三直流电流信号Id3生成第三交流电流信号I3，并将所述第三交流电压信号U3和所述第三交流电流信号I3输入至所述并网变压器其中所述第三直流电压信号Ud3根据所述第一直流电压信号Ud1和/或所述第二直流电压信号Ud2获得，所述第三直流电流信号Id3根据所述第一直流电流信号Id1和/或所述第二直流电流信号Id2获得。
本申请实施例提出的单风轮双绕组电机直流串联统一并网系统，风轮和电机连接，电机用于在风轮转动时输出第一交流电压信号U1、第一交流电流信号I1、第二交流电压信号U2和第二交流电流信号I2，电机分别与第一整流器的输入端和第二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与机械开关的第一自由端连接，机械开关的第一并联固定端与逆变器的输入负端连接，第二整流器的输出正端与机械开关的第二自由端连接，机械开关的第二并联固定端与逆变器的输入正端连接，机械开关的第一串联固定端与机械开关的第二串联固定端连接，第二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，机械开关的第一自由端切换连接机械开关的第一并联固定端和机械开关的第一串联固定端，机械开关的第二自由端切换连接机械开关的第二并联固定端和机械开关的第二串联固定端，第一整流器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，第二整流器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，逆变器用于根据第三直流电压信号Ud3生成第三交流电压信号U3，以及根据第三直流电流信号Id3生成第三交流电流信号I3，并将第三交流电压信号U3和第三交流电流信号I3输入至并网变压器，其中第三直流电压信号Ud3根据第一直流电压信号Ud1和/或第二直流电压信号Ud2获得，第三直流电流信号Id3根据第一直流电流信号Id1和/或第二直流电流信号Id2获得。本申请实施例提出的单风轮双绕组电机直流串并联切换统一并网系统，由两套机械式选择开关组成切换开关，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，网侧变流器由两个减少为一个，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，所述机械开关包括第一单刀双掷开关和第二单刀双掷开关。
根据本申请的一个实施例，所述电机为永磁同步发电机。
根据本申请的一个实施例，所述电机为双绕组单转子电机。
根据本申请的一个实施例，所述第一整流器为全功率整流器。
根据本申请的一个实施例，所述第二整流器为全功率整流器。
根据本申请的一个实施例，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单风轮双绕组电机直流串并联切换统一并网系统的结构示意图；
图2为本申请实施例的机械开关的结构示意图。
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单风轮双绕组电机直流串并联切换统一并网系统。
图1是根据本申请一个实施例的单风轮双绕组电机直流串并联切换统一并网系统的结构示意图，如图1所示，本申请实施例的单风轮双绕组电机直流串并联切换统一并网系统具体可包括：风机101、三端口变流器102和并网变压器103，其中：
风机101包括风轮1011和电机1012，三端口变流器102包括第一整流器1021、第二整流器1022、逆变器1023和机械开关1024。其中，机械开关1024具体可包括形成两套机械式选择开关的第一单刀双掷开关和第二单刀双掷开关。其中，风轮1011具体可为三叶片风轮。电机1012具体可为双绕组单转子电机，可以包括转子、第一定子绕组和第二定子绕组。
风轮1011和电机1012(具体为风轮1011与电机1012的转子)连接，风轮1011在风的作用下转动，带动电机1012的转子转动。电机1012用于在风轮1011带动电机1012的转子转动时，在第一定子绕组输出第一交流电压信号U1和第一交流电流信号I1；在第二定子绕组输出第二交流电压信号U2和第二交流电流信号I2。其中，电机1012具体可为永磁同步发电机。
电机1012(具体为电机1012的第一定子绕组和第二定子绕组)分别通过三相线路与第一整流器1021的输入端和第二整流器1022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1023的输入正端连接，第一整流器1021的输出负端通过直流母线与机械开关1024的第一自由端201(如图2所示)连接，机械开关1024的第一并联固定端202(如图2所示)通过直流母线与逆变器1023的输入负端连接，第二整流器1022的输出正端通过直流母线与机械开关1024的第二自由端203(如图2所示)连接，机械开关1024的第二并联固定端204(如图2所示)通过直流母线与逆变器1023的输入正端连接，机械开关1024的第一串联固定端205(如图2所示)通过直流母线与机械开关1024的第二串联固定端206(如图2所示)连接，第二整流器1022的输出负端通过直流母线与逆变器1023的输入负端连接，逆变器1023的输出端通过三相线路与并网变压器103连接。
机械开关1024的第一自由端201(如图2所示)可切换连接机械开关1024的第一并联固定端202(如图2所示)和机械开关1034的第一串联固定端205(如图2所示)，机械开关1024的第二自由端203(如图2所示)可切换连接机械开关1024的第二并联固定端204(如图2所示)和机械开关1024的第二串联固定端206(如图2所示)，使系统共有并联连接(状态1，即图1中的1对应的端点被选择连接)和串联连接(状态2，即图1中的2对应的端点被选择连接)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，逆变器1023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 BDA0003322411010000041
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 BDA0003322411010000042
第一整流器1021与第二整流器1022在直流侧进行连接，再与逆变器1023直流输入端连接，逆变器1023直流侧输入第三直流电压信号Ud3和第三直流电流信号Id3，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与第二整流器1022在直流侧串联连接，第三直流电压信号Ud3和第三直流电流信号Id3可基于以下公式获得：
Id3＝Id2＝Id1
Figure BDA0003322411010000051
机械开关处于第二工作状态时，第一整流器1021与第二整流器1022在直流侧并联连接，第三直流电压信号Ud3和第三直流电流信号Id3可基于以下公式获得：
Ud3＝Ud2＝Ud1
Figure BDA0003322411010000052
逆变器1023用于根据第三直流电压信号Ud3生成第三交流电压信号U3，根据第三直流电流信号Id3生成第三交流电流信号I3，逆变器1023将第三交流电压信号U3和第三交流电流信号I3输入至并网变压器103。可选地，逆变器1023工作效率为η3，输出功率为P3，则：
Figure BDA0003322411010000053
本申请实施例提出的单风轮双绕组电机直流串联统一并网系统，风轮和电机连接，电机用于在风轮转动时输出电压信号U1、第一交流电流信号I1、第二交流电压信号U2和第二交流电流信号I2，电机分别与第一整流器的输入端和第二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与机械开关的第一自由端连接，机械开关的第一并联固定端与逆变器的输入负端连接，第二整流器的输出正端与机械开关的第二自由端连接，机械开关的第二并联固定端与逆变器的输入正端连接，机械开关的第一串联固定端与机械开关的第二串联固定端连接，第二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，机械开关的第一自由端切换连接机械开关的第一并联固定端和机械开关的第一串联固定端，机械开关的第二自由端切换连接机械开关的第二并联固定端和机械开关的第二串联固定端，第一整流器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，第二整流器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，逆变器用于根据第三直流电压信号Ud3生成第三交流电压信号U3，以及根据第三直流电流信号Id3生成第三交流电流信号I3，并将第三交流电压信号U3和第三交流电流信号I3输入至并网变压器，其中第三直流电压信号Ud3根据第一直流电压信号Ud1和/或第二直流电压信号Ud2获得，第三直流电流信号Id3根据第一直流电流信号Id1和/或第二直流电流信号Id2获得。本申请实施例提出的单风轮双绕组电机直流串并联切换统一并网系统，由两套机械式选择开关组成切换开关，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，网侧变流器由两个减少为一个，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 (8)

1.一种单风轮双绕组电机直流串并联切换统一并网系统，其特征在于，包括：风机、三端口变流器和并网变压器，其中，所述风机包括风轮和电机，所述三端口变流器包括第一整流器、第二整流器、逆变器和机械开关；
所述风轮和所述电机连接，所述电机用于在所述风轮转动时输出第一交流电压信号U1、第一交流电流信号I1、第二交流电压信号U2和第二交流电流信号I2；
所述电机分别与所述第一整流器的输入端和所述第二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与所述机械开关的第一自由端连接，所述机械开关的第一并联固定端与所述逆变器的输入负端连接，所述第二整流器的输出正端与所述机械开关的第二自由端连接，所述机械开关的第二并联固定端与所述逆变器的输入正端连接，所述机械开关的第一串联固定端与所述机械开关的第二串联固定端连接，所述第二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，所述机械开关的第一自由端切换连接所述机械开关的第一并联固定端和所述机械开关的第一串联固定端，所述机械开关的第二自由端切换连接所述机械开关的第二并联固定端和所述机械开关的第二串联固定端；
所述第一整流器用于根据所述第一交流电压信号U1生成第一直流电压信号Ud1，以及根据所述第一交流电流信号I1生成第一直流电流信号Id1；
所述第二整流器用于根据所述第二交流电压信号U2生成第二直流电压信号Ud2，以及根据所述第二交流电流信号I2生成第二直流电流信号Id2；
所述逆变器用于根据第三直流电压信号Ud3生成第三交流电压信号U3，以及根据第三直流电流信号Id3生成第三交流电流信号I3，并将所述第三交流电压信号U3和所述第三交流电流信号I3输入至所述并网变压器，其中所述第三直流电压信号Ud3根据所述第一直流电压信号Ud1和/或所述第二直流电压信号Ud2获得，所述第三直流电流信号Id3根据所述第一直流电流信号Id1和/或所述第二直流电流信号Id2获得。
2.根据权利要求1所述的单风轮双绕组电机直流串并联切换统一并网系统，其特征在于，所述机械开关包括第一单刀双掷开关和第二单刀双掷开关。
3.根据权利要求1所述的单风轮双绕组电机直流串并联切换统一并网系统，其特征在于，所述电机为永磁同步发电机。
4.根据权利要求1所述的单风轮双绕组电机直流串并联切换统一并网系统，其特征在于，所述电机为双绕组单转子电机。
5.根据权利要求1所述的单风轮双绕组电机直流串并联切换统一并网系统，其特征在于，所述第一整流器为全功率整流器。
6.根据权利要求1所述的单风轮双绕组电机直流串并联切换统一并网系统，其特征在于，所述第二整流器为全功率整流器。
7.根据权利要求1所述的单风轮双绕组电机直流串并联切换统一并网系统，其特征在于，所述逆变器为全功率逆变器。
8.根据权利要求1所述的单风轮双绕组电机直流串并联切换统一并网系统，其特征在于，所述风轮为三叶片风轮。
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赵霞等: "六相电励磁同步风力发电机组的稳态模型", 电力系统保护与控制, vol. 44, no. 1, 1 January 2016 (2016-01-01), pages 77 - 84 *

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