CN204258295U - 开关磁阻风力发电机直流输出Cuk升降压型电能变换系统 - Google Patents

Abstract

开关磁阻风力发电机直流输出Cuk升降压型电能变换系统，包括：开关磁阻发电机及其控制系统、Cuk升降压斩波电路、电力电子开关、滤波器；开关磁阻发电机及其控制系统的输出直流电正负端连接Cuk升降压斩波电路的输入对应两端，Cuk升降压斩波电路的两个输出端的其中一端连接电力电子开关，电力电子开关的另一端连接滤波器的输入一端，滤波器的另一输入端连接Cuk升降压斩波电路的没有与电力电子开关直接连接的另一输出端，滤波器输出两端并与风电场的其他开关磁阻电机系统串联；本实用新型采用开关磁阻发电机做风力发电机，和结构简单的直流输出接口斩波电路，可控性强，针对风电场领域具有一定应用意义。

Description

开关磁阻风力发电机直流输出Cuk升降压型电能变换系统

技术领域

本发明涉及风力发电领域，尤其是海上风力发电领域，具体涉及采用直接输出直流电能的开关磁阻发电机(Switched Reluctance Generator，简称：SRG)为风力发电机，开关磁阻发电机直流输出接口端采用Cuk升降压型斩波电路的系统。

背景技术

清洁、绿色、环保为标志的风力发电是多年来国内外重点发展的可再生能源发电形式。

我国陆地风电开发已经比较成熟，海上风电刚刚起步，但技术上有别于陆地风电；欧洲的开发经验告诉我们，海上风电大有可为！

海上风能相对陆地来说，风速更高更稳定，开发价值更高；目前我国已启动海上风电场的规划和建设，预期未来海上风电的开发将成为风能利用的主要方向。

但是，海上风电技术上更复杂，成本更高，目前大多需要在海上建设海上变电站，并与岸上变电站连接；特别是，不同于陆地风电，海上风电利用高压直流传输成为发展和应用趋势，效果极佳。

目前风电机组主要以双馈型异步风力发电机组和直驱全功率变换型永磁同步风力发电机组为主；双馈型异步风力发电机组有较好的性价比，但对电网故障的穿越能力和支撑能力较弱，它的传动链必须要有大型齿轮箱，这对机组的可靠性和可维护性提出了更苛刻的要求；直驱全功率变换型永磁同步风力发电机组通过变频器并网，对电网故障的穿越能力较强，有一定的支撑电网能力，避免了齿轮箱的维护工作量，可靠性有所提高，但由于其转速很低，随着功率的增大，多极数永磁同步发电机的制造工艺复杂，技术难度大，电机体积大，造价高，海上安装成本更高，同时随着机组容量的不断增大，配套的变频器价格昂贵更增加了其使用成本。

开关磁阻发电机结构简单，转子上无刷、无绕组、无永久磁体；其运行时相当于一个电流源，这样在一定转速范围内，输出端电压不会随着转速的变化而变化，这非常适合于当前主流的变速运行的风力机，可提高风能的利用效率；更重要的是它直接发出为直流电，适应了当前海上风电以高效的直流方式进行电力传输趋势的需要，省去了整流环节；由于这些特性，开关磁阻发电机可以在风力直接驱动下实现较高的发电效率，从而省去了齿轮箱，使整个发电系统结构更加简洁、可靠，这也正是风力发电系统的发展趋势；而在运行过程中，开关磁阻发电机可控参数多，如开通角、关断角控制，电流斩波控制等，可方便的实现比较复杂的控制策略，灵活的控制输出直流电压和电流，也大大降低了低电压穿越的技术压力；可见，开关磁阻发电机引入海上风电，完全符合安装困难、成本高、维护保养困难的海上风电发展的需要，即高效率实现风能的转换，结构的简洁化意味着更高的可靠性更少的维护以及更低的安装成本和设备采购成本。

近年来，关于开关磁阻发电机用于风力发电的研究和实践也有一些，重点在：高功率密度开关磁阻发电机、开关磁阻风力发电最大功率跟踪控制方法、以及开关磁阻发电机用于风力发电工况下的控制器设计等；但是，就开关磁阻发电机系统直流输出变换的研究或实践很少。

国内外研究表明，采用高压直流(High-Voltage Direct Current，简称：HVDC)的方式传输电力对于海上风电最为方便经济，而电压源型变流器(Voltage Source Converter，简称：VSC)的HVDC(VSC-HVDC)以其控制灵活，体积小、具备黑启动能力等特点，特别适合被应用于海上风电场与电网的连接；现有利用HVDC与电网连接的风场都采用在海上建立一个变电站的方式，因目前的海上发电机全部为交流发电机，要通过每台交流发电机组连接的交流变压器先升压至中压，然后集中到海上变电站转换成直流输送，由岸上变电站的逆变器逆变后连接交流电网；其结构复杂，电能需要经过多次交流和直流之间的转换。

有些研究则考虑到风电机组本身的结构特点，可以在一次变流后直接组成直流网络，由直流并联网络将电能集中到海上直流升压变电站，然后由直流传输到岸上变电站，最后再逆变连接交流电网，这样就降低了系统复杂度，但仅仅是省去了升压变压器。

进一步研究表明，直接串联连接经过电能变换为直流的各风电机组则更加经济，可无需升压变压器和海上变电站，多个低压风电机组直接串联后成为所需的高压直流，然后直接通过海底直流电缆传输到陆地变电站，此种方式目前已成为海上风电场电能汇聚的研究热点。

发明内容

根据以上的背景技术，本实用新型结合风电场尤其是海上风电场，针对直流串联型风场结构，提出采用开关磁阻发电机作为风力发电机的单机输出电能的简单易行的Cuk升降压型变换系统。

本实用新型的技术方案为：

开关磁阻风力发电机直流输出Cuk升降压型电能变换系统，由开关磁阻发电机及其控制系统101、Cuk升降压斩波电路102、电力电子开关103、滤波器104组成；其技术特征在于，所述开关磁阻发电机及其控制系统101的输出直流电正负端连接所述的Cuk升降压斩波电路102的输入两端，Cuk升降压斩波电路102的两个输出端的其中一端连接所述的电力电子开关103，电力电子开关103的另一端连接所述的滤波器104的输入一端，滤波器104的另一输入端连接Cuk升降压斩波电路102的没有与电力电子开关103直接连接的另一输出端，滤波器104输出两端并与风电场的其他开关磁阻电机系统串联。

众多开关磁阻电机系统1a、1b、…的输出均串联连接。

所述的Cuk升降压斩波电路102，由第一电容器C1、第二电容器C2、第一电阻R1、第二电阻R2、第一电抗器L1、电力电子开关VT、第三电容器C3、电力二极管VD、第二电抗器L2组成；其技术特征在于，所述第一电容器C1和所述第二电容器C2串联后上下分别连接来自开关磁阻发电机及其控制系统101输出的正负极，所述第一电阻R1和所述第二电阻R2串联后上下分别连接来自开关磁阻发电机及其控制系统101输出的正负极，第一电容器C1和第二电容器C2的中间串联点与第一电阻R1和第二电阻R2的中间串联点连接，其中第一电阻R1和第二电阻R2距离Cuk升降压斩波电路102输入端相对第一电容器C1和第二电容器C2远，所述第一电抗器L1接于Cuk升降压斩波电路102输入的正极性线上并串联，第一电抗器L1一端接第一电阻R1，另一端分别接所述电力电子开关VT和所述第三电容器C3的一端，电力电子开关VT的另一端直接接第二电阻R2即Cuk升降压斩波电路102的输入负极性端，第三电容器C3的另一端分别接所述电力二极管VD正端和所述第二电抗器L2的一端，电力二极管VD的负端直接接电力电子开关VT一端即Cuk升降压斩波电路102的输入负极性端，并作为Cuk升降压斩波电路102的输出一端，第二电抗器L2的另一端作为Cuk升降压斩波电路102的输出另一端。

电力电子开关103为常闭开关，当开关磁阻发电机及其控制系统101或Cuk升降压斩波电路102发生故障，或者风力过小或过大需要停止发电时，将电力电子开关103断开。

本实用新型的主要技术效果是：

本实用新型的开关磁阻风力发电机直流输出Cuk升降压型电能变换系统，由于开关磁阻发电机直接发出直流电，省去了整流环节，简化了结构降低了成本提高了可靠性，也因此，基于开关磁阻发电机的直流输电风力发电场才是真正意义上的全直流发输电；而直流输电的优势不言而喻，尤其是损耗小的优点，海上风场环境下的话采用的直流电缆铺设于海底造成的污染也小；

目前风力发电机由于几乎全部是交流发电机，每台发电机的输出端往往是采用先整流，然后逆变并采用高频变压器升压后再整流为直流；或者发电机发出交流电后先升压变压器升压，然后再整流等模式，前者电能变换繁复，结构复杂，而后者由于低频变压器的存在体积巨大，海上风电场的话因此常需要加建海上变电站；而本实用新型的开关磁阻风力发电机直流输出Cuk升降压型电能变换系统，结构简单，体积小巧，成本低，考虑到开关磁阻发电机本身独特的灵活的可控性和变换电路(Cuk升降压斩波电路1022)本身对电压的调节能力，以及故障时电力电子开关103的保护作用，增加了其适应性。

根据电力电子开关VT的开关占空比的调节，可灵活改变输出直流电压值，并且相对输入来说可大可小，范围宽，这是继开关磁阻发电机本身的调节功能之后又一可调节之处，可增强系统的低压穿越及抗干扰能力和风场电压调节能力；虽然Cuk升降压斩波电路102并不一定能直接获得满足要求的高压直流电，但众多的开关磁阻电机系统串联则抬高了风场电压可达到所需的高压值。

滤波器104的存在，能确保直流电压和电流的平稳，尤其是电压波形的平稳，因为Cuk斩波电路本身的特点就是电流较为平滑。

附图说明

图1所示为本实用新型的海上风电场结构图。

图2所示为本实用新型的开关磁阻风力发电机直流输出Cuk升降压型电能变换系统图。

图3所示为本实用新型的Cuk升降压斩波电路图。

图中：1a、1b、…1n代表各开关磁阻电机系统，2代表海底电缆，3代表岸上变电站，101代表开关磁阻发电机及其控制系统，102代表Cuk升降压斩波电路，103代表电力电子开关，104代表滤波器。

具体实施方式

针对如图1所示的串联型海上风电场，开关磁阻电机系统1a、1b、…为多个风力机驱动的开关磁阻发电机及相应的控制和电能变换装置，各开关磁阻电机系统输出的直流电压虽然相对较低，但众多个开关磁阻电机系统串联可构成直流高压，经由海底电缆2传输给岸上变电站3，再由岸上变电站3逆变后与外部交流电网连接。

开关磁阻电机系统1a、1b、…即开关磁阻风力发电机直流输出Cuk升降压型电能变换系统包括开关磁阻发电机及其控制系统101、Cuk升降压斩波电路102、电力电子开关103、滤波器104，如图2所示，开关磁阻发电机及其控制系统101完成对自身开关磁阻发电机的常规控制和最大功率点跟踪控制，Cuk升降压斩波电路102实现一定范围内输出电压可调节，滤波器104对预输出的直流电进行电压和电流的滤波，电力电子开关103的作用是在开关磁阻电机系统需停机时断开，系统运行时闭合。

图3所示为Cuk升降压斩波电路102，第一电容器C1、第二电容器C2的作用是对开关磁阻发电机直接发出的直流电滤波、电压支撑，以及紧急情况下抑制电压冲击的作用，而第一电阻R1和第二电阻R2则起到分别平衡第一电容器C1和第二电容器C2的电压，保护这两个电容器的电压均匀、安全，同时吸收第一电容器C1和第二电容器C2多余电能的作用；第一电阻R1和第二电阻R2的阻值相当高，应在百MΩ级别，因为电阻过小会引起的较大的功率损耗并有过流的可能。

如图3所示，电力电子开关VT可以是IGBT，或者其他可控的电力电子器件，如晶闸管，若采用晶闸管，需设置晶闸管关断的辅助电路。

第一电抗器L1、第二电抗器L2的电感值需足够大，以满足相应支路上电流平稳，第三电容器C3的电容值也需足够大，以满足其两端电压值的平稳。

Cuk升降压斩波电路102首次工作，当电力电子开关VT闭合导通时，Cuk升降压斩波电路102的输入直流电向第一电抗器L1充电，电力电子开关VT断开后，Cuk升降压斩波电路102的输入直流电加上第一电抗器L1储存的电能共同经电力二极管VD向第三电容器C3充电；第二次到电力电子开关VT闭合导通时，除Cuk升降压斩波电路102的输入直流电向第一电抗器L1充电之外，第三电容器C3中的电能经电力电子开关VT、滤波器104内回路、电力电子开关103向第二电抗器L2充电，此时，Cuk升降压斩波电路102输出端产生电压输出，电力电子开关VT断开后，除Cuk升降压斩波电路102的输入直流电加上第一电抗器L1储存的电能共同经电力二极管VD向第三电容器C3充电之外，同时有第二电抗器L2释放电能即维持有输出；第三次之后，重复第二次同样的能量传递关系，随着电力电子开关VT的开关动作，Cuk升降压斩波电路102输入电能先后经第一电抗器L1、第三电容器C3、第二电抗器L2这三个储能元件传递、输出；通过对电力电子开关VT的闭合导通时间和断开时间的比例调整，可改变输出电压值，相对输入值来说，输出值可大可小。

Claims (3)

1.开关磁阻风力发电机直流输出Cuk升降压型电能变换系统，由开关磁阻发电机及其控制系统(101)、Cuk升降压斩波电路(102)、电力电子开关(103)、滤波器(104)组成；其技术特征在于，所述开关磁阻发电机及其控制系统(101)的输出直流电正负端连接所述的Cuk升降压斩波电路(102)的输入两端，Cuk升降压斩波电路(102)的两个输出端的其中一端连接所述的电力电子开关(103)，电力电子开关(103)的另一端连接所述的滤波器(104)的输入一端，滤波器(104)的另一输入端连接Cuk升降压斩波电路(102)的没有与电力电子开关(103)直接连接的另一输出端，滤波器(104)输出两端并与风电场的其他开关磁阻电机系统串联。

2.根据权利要求1所述的开关磁阻风力发电机直流输出Cuk升降压型电能变换系统，其特征是，所述的Cuk升降压斩波电路(102)，由第一电容器(C1)、第二电容器(C2)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第一电抗器(L1)、电力电子开关(VT)、第三电容器(C3)、电力二极管(VD)、第二电抗器(L2)组成；其技术特征在于，所述第一电容器(C1)和所述第二电容器(C2)串联后上下分别连接来自开关磁阻发电机及其控制系统(101)输出的正负极，所述第一电阻(R1)和所述第二电阻(R2)串联后上下分别连接来自开关磁阻发电机及其控制系统(101)输出的正负极，第一电容器(C1)和第二电容器(C2)的中间串联点与第一电阻(R1)和第二电阻(R2)的中间串联点连接，其中第一电阻(R1)和第二电阻(R2)距离Cuk升降压斩波电路(102)输入端相对第一电容器(C1)和第二电容器(C2)远，所述第一电抗器(L1)接于Cuk升降压斩波电路(102)输入的正极性线上并串联，第一电抗器(L1)一端接第一电阻(R1)，另一端分别接所述电力电子开关(VT)和所述第三电容器(C3)的一端，电力电子开关(VT)的另一端直接接第二电阻(R2)即Cuk升降压斩波电路(102)的输入负极性端，第三电容器(C3)的另一端分别接所述电力二极管(VD)正端和所述第二电抗器(L2)的一端，电力二极管(VD)的负端直接接电力电子开关(VT)一端即Cuk升降压斩波电路(102)的输入负极性端，并作为Cuk升降压斩波电路(102)的输出一端，第二电抗器(L2)的另一端作为Cuk升降压斩波电路(102)的输出另一端。

3.根据权利要求1所述的开关磁阻风力发电机直流输出Cuk升降压型电能变换系统，其特征是，所述电力电子开关(103)为常闭开关，当开关磁阻发电机及其控制系统(101)或Cuk升降压斩波电路(102)发生故障，或者风力过小或过大需要停止发电时，将电力电子开关(103)断开。