CN203056971U

CN203056971U - 直驱风电系统升降压直直变换器

Info

Publication number: CN203056971U
Application number: CN 201220680566
Authority: CN
Inventors: 陈荣
Original assignee: Yangcheng Institute of Technology
Current assignee: Yangcheng Institute of Technology; Yancheng Institute of Technology
Priority date: 2012-12-11
Filing date: 2012-12-11
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2022-12-11

Abstract

本实用新型公开了一种直驱风电系统升降压直直变换器，属一种直驱风电系统配套变换器，所述的直直变换器包括升降压变换电路、输入检测与逻辑控制电路，所述输入检测与逻辑控制电路中设有三路比较器，用于将输入电压与其内部的预设值相比较，并根据比较结果向升降压变换电路输出相应的工作状态控制信号；升降压变换电路用于根据来自于输入检测与逻辑控制电路中的控制信号，执行相应的工作状态，将输入的电压按照规定电压输出。通过将升降压直直变换器应用在直驱风力发电系统，可以在环境风速变化的情况下，动态调整并网逆变器输入直流电压的数值，保证满足并网逆变器向电网逆变馈电的要求，保证并网逆变器的安全稳定运行。

Description

直驱风电系统升降压直直变换器

技术领域

本实用新型涉及一种直驱风电系统配套变换器，更具体的说，本实用新型主要涉及一种直驱风电系统升降压直直变换器。

背景技术

在永磁直驱同步风力发电系统中，风力机与多极永磁同步发电机同轴相连。在风力机驱动下，发电机发出频率、幅值随风速变化的交流电。该变压变频交流电经三相不控整流电路变换成幅值随风速变化的直流电，再通过PWM逆变器变换成与电网同频、同相的交流电，将风能馈入电网。但是，逆变器正常工作的电压范围有限，逆变器输入直流电压低了无法将电能馈入电网，电压高了逆变器不能承受。倘若为了保证逆变器承受可能出现的最高电压，其电压等级配置将很高，设备投入的成本必然加大。目前，针对直驱同步风力发电系统，为拓宽风力发电系统的工作范围，常用的方法是：在环境风速较小时，将发电机发出的变压直流电压通过升压斩波电路进行提升；当风速超过额定风速时，借助于变浆距控制方式限制风能的馈入，保证直驱同步风力发电系统的输出在额定功率以下。显然这种控制方法需要给该直驱同步风力发电系统配备变浆距控制装置，系统的投入成本高、运维工作量大。若不配备变浆距控制装置，在环境风速很高的情况下，风力发电机输出交流电经过变换产生的直流电压将很高，对变换器电路的安全工作不利。为此，必须借助于电力变换电路将逆变器输入直流电压进行调整。通过配置升/降压变换电路，保证直驱风力发电系统在很宽的风速范围内安全稳定地运行。

实用新型内容

本实用新型的目的之一在于针对上述不足，提供一种直驱风电系统升降压直直变换器，以期望解决现有技术中，在环境风速较低时需将当前常用的升压变换电路融入该变换器电路中；在环境风速较高时需借助于变浆距系统降低风电机组吸收的风能，从而造成风电系统运维成本较高，以及风电机组产生的交流电经变化而成之的直流电电压较高，影响逆变器的安全运行等技术问题。

为解决上述的技术问题，本实用新型采用以下技术方案：

本实用新型所提供的一种直驱风电系统升降压直直变换器，所述的直直变换器包括升降压变换电路、输入检测与逻辑控制电路，所述输入检测与逻辑控制电路中设有三路比较器，用于将输入电压与其内部的预设值相比较，并根据比较结果向升降压变换电路输出相应的工作状态控制信号；升降压变换电路用于根据来自于输入检测与逻辑控制电路中的控制信号，执行相应的工作状态，将输入的电压按照设定的电压输出。

作为优选，进一步的技术方案是：所述的升降压变换电路中至少包括升压单元与降压单元，且升压单元与降压单元中均各自设有开关管，用于根据检测与逻辑控制电路中的控制信号，执行升压、直通、降压与封锁的工作状态。

更进一步的技术方案是：所述的检测与逻辑控制电路中的三路比较器内部的预设值分别为最低值、基准值与最高值，并分别通过控制调节器接入升降压变换电路中升压单元与降压单元的开关管，用于控制开关管的通断，以及通过脉冲宽度调制信号进行开关管占空比的调制。

更进一步的技术方案是：所述内部基准值为最低值的比较器通过非门接入输出信号至开关管的控制调节器，用于封闭升降压变换电路中升压单元与降压单元的开关管的驱动信号。

更进一步的技术方案是：所述三路比较器内部设置的最低值、基准值与最高值均设置有电压比较滞环。

更进一步的技术方案是：所述升降压变换电路中升压单元与降压单元执行升压与降压的工作状态时，控制调节器对其进行PI控制，控制调节器的输出电压与三角载波比较以产生脉冲宽度调制信号，适时调整升压单元与降压单元的占空比。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果之一是：通过将升降压直直变换器应用在直驱风力发电系统，可以在环境风速变化的情况下，动态调整并网逆变器输入直流电压的数值，保证满足并网逆变器向电网逆变馈电的要求，保证并网逆变器的安全稳定运行，减少因为配置变浆距控制装置所需要的设备成本，同时本实用新型所提供的一种直驱风电系统升降压直直变换器电路构成简单，控制方便，运行效率高，且适于工业化生产，易于推广。

附图说明

图1为用于说明本实用新型实施例中的升降压变换电路图；

图2为用于说明本实用新型实施例的的输入检测与逻辑控制电路图；

图3为用于说明本实用新型实施例中控制调节器的内部电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步阐述。

参考图1、图2所示，本实用新型的一个实施例是一种直驱风电系统升降压直直变换器，所述的直直变换器包括升降压变换电路、输入检测与逻辑控制电路，所述输入检测与逻辑控制电路中设有三路比较器，用于将输入电压与其内部的预设值相比较，并根据比较结果向升降压变换电路输出相应的工作状态控制信号；升降压变换电路用于根据来自于输入检测与逻辑控制电路中的控制信号，执行相应的工作状态，将输入的电压按照设定电压输出。

再参考图1所示，较上述实施例来说，更加具体的是在升降压变换电路中设置升压单元与降压单元，且升压单元与降压单元中均各自设有开关管，用于根据检测与逻辑控制电路中的控制信号，执行升压、直通、降压与封锁的工作状态。

再结合参考图2所示，根据本实用新型的另一实施例，所述的检测与逻辑控制电路中的三路比较器内部的预设值分别为最低值、基准值与最高值，并分别通过控制调节器接入升降压变换电路中升压单元与降压单元的开关管，用于控制开关管的通断，以及通过脉冲宽度调制信号进行开关管占空比调制。

而上述实施例中，升压单元与降压单元的开关管执行封锁工作状态的方式为，将上述内部基准值为最低值的比较器通过非门接入输出信号至开关管的控制调节器，即正如前述所提到的，其作用为封闭升降压变换电路中升压单元与降压单元的开关管的驱动信号。

另外，为了保证电路在工作状态转换的过程中的稳定性，最好再在三路比较器内部设置的最低值、基准值与最高值中增设电压比较滞环。

在本实用新型更为具体的一个实施例中，在升降压变换电路中升压单元与降压单元执行升压与降压的工作状态时，控制调节器对其进行PI控制，控制调节器的输出电压与三角载波比较以产生脉冲宽度调制信号，适时调整升压单元与降压单元的占空比。

下面再结合具体电路结构，对本实用新型上述的实施例做进一步的扩充说明，应当理解为，下述所描述的技术内容可用于解释和扩充上述实施例中的技术方案。

再参考图1所示，本实用新型在实际应用中，如果风速较小，直流输入电压较低，后接逆变器不能正常工作，无法将风能馈入电网，需要对输入电压进行提升。此时，控制系统设定T₁全通，D₁截止，T₂按要求作脉冲宽度调制导通关断，T₂、D₂、L实现升压变换，将输入直流电压提升到设定数值。

如果风速较大，直流输入电压在后接逆变器合适的工作电压范围内，则该变换电路既不升压也不降压。此时，控制系统设定T₁全通，T₂截止，直流输入电压直接通过T₁、L、D₂到输出端，直接加到逆变器输入端。

如果风速很高，风力发电机运行速度进一步提高(在许可范围内)，逆变器输入电压将很高，对逆变器安全运行不利，需要将输入直流电压降低。控制系统要求T₁作脉冲宽度调制控制，以调整输入电压。T₂截止，T₁、D₁、L实现降压变换，将输入电压降低到设定数值。

参考图3所示，在图中图中，u_Δ1、u_Δ2、u₀分别代表与U_Δ1、U_Δ2、U₀成比例的基准电压信号，u_i为直流输入电压。当系统启动时，随着风速的增长，不控整流器输出直流电压从零逐步增长，按照逆变器对直流电压的需求，升降压变换电路的输入电压将可能出现四种情况。这四种情况可以由三路比较器给出升降压变换器的输入状态，按照并网逆变器对输入直流电压的要求，直/直变换电路控制逻辑满足以下条件，变换电路按相应方式工作。分别是：

1、输入电压低于变换器起始电压U₀，比较器3输出状态1，经过反相输出0，用以封锁两只开关管的驱动信号，变换电路不工作。

2、输入电压高于起始电压U₀而低于U_Δ1，比较器1、2输出状态均为“1”，变换器实施升压控制。管T₁全通，管T₂进行脉冲宽度控制，按要求调整输入电压(升压)到设定值。

3、输入电压高于U_Δ1，但低于U_Δ2，比较器1输出状态“0”，比较器2输出状态“1”，变换器不升压也不降压，即直通。管T₁全通，管T₂截止。

4、输入电压高于U_Δ2，比较器1、2输出状态均为“0”，变换器实施降压控制。管T₁进行脉冲宽度控制，管T₂截止，按要求调整输入电压(降压)到指定值。

除电源电压低于起始电压外，管T₁在任意情况下均有控制信号，其控制逻辑可以在其自身控制电路中实现，图3中非门的逻辑控制信号可以作为T₁驱动电路的开门信号。

在图2中，逆变器输入端随风速变化的直流电经检测电路引入到图2输入端，经3个比较器确定输入电源的电压状态，进而确定变换电路的工作模式。

1、若A＝1，B＝1，输入电压低于U_Δ1，变换器实施升压控制，T₁全导通，T₂进行脉冲宽度控制。T₁、T₂控制电路如图3所示。

针对T₂管，图3中的u_gd＝u_Δ1，u_fu为变换器输出电压检测反馈值。电路所产生的控制脉冲经图2门电路给T₂驱动，实施升压控制，T₂控制电路调节器上限限幅决定占空比最大值(可设置0.8左右)，下限可设置为零。

针对T₁管，其驱动信号亦来自图3输出，其u_gd＝u_Δ2，因输出电压反馈值u_fu小于u_gd，调节器输出向正方向变化到大于载波信号正向幅值，比较器输出状态为“1”，送入T₁驱动电路使其全导通。

2、若A＝0，B＝1，输入电压低于U_Δ2而高于U_Δ1，变换器既不升压也不降压，T₁全导通，T₂截止。

针对T₂管，图2与门1封锁了驱动信号，T₂管截止。图3给定信号小于反馈，比较器输出信号小于载波信号负向幅值，该信号和载波信号无交点，比较器输出低电平。

针对T₁管，输出电压反馈值u_fu小于u_gd(＝u_Δ2)，调节器输出仍大于载波正向幅值，比较器输出状态为高电平，T₁全导通。

3、若A＝0，B＝0，输入电压高于U_Δ2，变换器进行降压控制，T₁实施脉冲宽度控制，T₂截止。

针对T₂管，图2与门1封锁了驱动信号，T₂管截止。图3输入给定信号小于反馈，比较器输出信号小于载波信号负向幅值，比较器输出低电平。

针对T₁管，输出电压反馈值u_fu大于u_gd(＝u_Δ2)，调节器输出按PI控制规律从峰值以上向下变化，与载波信号相交产生脉冲宽度调制信号，经驱动电路驱动T₁管以调整输出电压。

此外，由于不控整流输出的直流电压幅值与风速有关，随机性较大，变换器输入电压在不断变动过程中。为防止电压随机波动而出现电路工作状态的频繁切换，从而导致系统工作的不稳定，在直通电压上、下限(U_Δ1、U_Δ2)均设置了电压比较滞环，从而，可以提高变换电路工作可靠性。

而系统设置一个起始电压U₀十分必要，低于该数值表示发电系统输出电压太低，不具备发电能力，数值可以根据系统具体情况设置。在逻辑控制上，也设置一个比较电路，由比较电路输出状态封锁两调整管门极驱动信号(带电压比较滞环)。

综上所述的具体技术细节，本实用新型具有如下特点：

1、构成直驱风力发电系统输出直流电压的调整变换电路。直驱风力发电系统中，受风力机驱动的永磁同步发电机随着环境风速的变化输出变压变频交流电，经过不控整流电路变换成幅值随风速变化的直流电。因为该直流电随着风速的增加而增加，当风速较低时，该直流电压比较低，后续并网逆变器不能实现逆变，无法将风能馈入电网；当风速较高时，该直流电压比较高，后续并网逆变器不能承受，系统安全运行受到威胁。目前常用的方法是，当风速较低时，借助于升压斩波电路实施并网逆变器输入直流电压的提升，以拓展风力发电系统的运行范围；当风速较高时，借助于变浆距系统，降低风力机吸收的风能，从而控制并网逆变器输入直流电压的数值，满足系统的安全运行。因此，系统的投入与运维成本较高，实际运行中，许多直驱风力发电系统并没有配置变浆距调整装置，系统安全运行无法保证。本实用新型借助于升压、降压变换电路的组合，按照适当的控制方法使电路的开关管实施输入功率的变换，将输入电压调整至合适工作范围。

2、根据馈送到并网逆变器输入端的直流电压数值，设定电路的工作模式。根据本实用新型的电路组成结构，考虑到并网逆变器输入直流电压的变化情况，确定电路的工作状态，它们分别是：一是输入直流电压太低，功率变换电路为锁定状态。此时，升压、降压变换组合电路处于不工作状态，该输入直流电压被变换电路的开关管所阻断，不能加到并网逆变器输入端。二是输入直流电压较低，后续逆变器不能满足并网逆变要求，无法将电能馈入电网。此时，升压、降压变换组合电路中的升压部分工作，并根据输入电压的变化动态调整升压斩波电路的占空比，将输入直流电压提升到合适数值，以满足后续并网逆变器的逆变运行。三是输入直流电压在合适的范围内，后续逆变器可以满足并网逆变要求。此时，升压、降压变换组合电路既不进行升压也不进行降压，处于直通状态，整流电路给出的直流电压直接送至并网逆变器输入端，为并网逆变器提供电能。四是输入直流电压较高，后续逆变器不能安全工作。此时，升压、降压变换组合电路中的降压部分工作，并根据输入电压的变化动态调整降压斩波电路的占空比，将输入直流电压降低到合适数值，以满足后续并网逆变器的安全运行。

3、根据升压、降压变换组合电路工作状态需求，构成检测控制电路。根据本实用新型的电路工作状态要求，考虑逆变器输入直流电压变化情况，选定三个电压比较器，将输入直流电压的采样数值与三个基准数值进行比较，检测电路便产生四种工作状态，对应以上电路工作模式。该检测与控制电路的输出状态经过逻辑门电路，控制升压、降压变换组合电路中两开关管的工作状态，以实现前面所述四种工作状态，实现逆变器输入直流电压的数值调整。

4、确定本实用新型的主电路各开关管占空比控制电路的构成。除了该升压、降压变换组合电路处于锁定状态和直通状态外，变换电路的升压变换和降压变换控制均采用PI调节控制。给定信号与实际检测反馈信号比较后实施PI调节，调节器的输出电压信号与三角载波比较以产生PWM信号，适时调整升降压斩波电路的占空比，使加至并网逆变器输入端的直流电压被控制在规定范围内。

5、确定本实用新型的变换电路各开关管工作状态转换的技术要求。从并网逆变器输入端直流电压从零逐步增加的过程中，该升压、降压变换组合电路的工作方式从锁定状态、升压状态、直通状态、降压状态逐一过渡；而当直流电压从额定电压以上到零逐步减小的过程中，变换电路的工作状态则正好相反。为了保证电路在工作状态转换的过程中的工作稳定，每一种工作状态的转换点设置均有滞环，使电路在直流电压上升过程中的状态转换点与直流电压下降过程中的状态转换点有错位，以避免当直流输入电压在状态转换点附近时电路工作状态转换的不稳定。

除上述以外，还需要说明的是在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”、等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本实用新型的范围内。

尽管这里参照本实用新型的多个解释性实施例对本实用新型进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims

1.一种直驱风电系统升降压直直变换器，其特征在于：所述的直直变换器包括升降压变换电路、输入检测与逻辑控制电路，所述输入检测与逻辑控制电路中设有三路比较器，用于将输入电压与其内部的预设值相比较，并根据比较结果向升降压变换电路输出相应的工作状态控制信号；升降压变换电路用于根据来自于输入检测与逻辑控制电路中的控制信号，执行相应的工作状态，将输入的电压按照额定电压输出。

2.根据权利要求1所述的直驱风电系统升降压直直变换器，其特征在于：所述的升降压变换电路中至少包括升压单元与降压单元，且升压单元与降压单元中均各自设有开关管，用于根据检测与逻辑控制电路中的控制信号，执行升压、直通、降压与封锁的工作状态。

3.根据权利要求2所述的直驱风电系统升降压直直变换器，其特征在于：所述的检测与逻辑控制电路中的三路比较器内部的预设值分别为最低值、基准值与最高值，并分别通过控制调节器接入升降压变换电路中升压单元与降压单元的开关管，用于控制开关管的通断，以及通过脉冲宽度调制信号进行开关管占空比调制。

4.根据权利要求3所述的直驱风电系统升降压直直变换器，其特征在于：所述内部基准值为最低值的比较器通过非门接入输出信号至开关管的控制调节器，用于封闭升降压变换电路中升压单元与降压单元的开关管的驱动信号。

5.根据权利要求3或4所述的直驱风电系统升降压直直变换器，其特征在于：所述三路比较器内部设置的最低值、基准值与最高值均设置有电压比较滞环。

6.根据权利要求3所述的直驱风电系统升降压直直变换器，其特征在于：所述升降压变换电路中升压单元与降压单元执行升压与降压的工作状态时，控制调节器对其进行PI控制，控制调节器的输出电压与三角载波比较以产生脉冲宽度调制信号，适时调整升压单元与降压单元的占空比。