CN204258686U - 开关磁阻风力发电机直流输出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、升降压斩波电路、电力电子开关、滤波器；所述开关磁阻发电机及其控制系统的输出直流电正负端连接所述的升降压斩波电路的输入两端，升降压斩波电路的两个输出端的其中一端连接所述的电力电子开关，电力电子开关的另一端连接所述的滤波器的输入一端，滤波器的另一输入端连接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，尤其针对海上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升降压型斩波电路的系统。

背景技术

随着石油、煤炭等一次性石化资源的大规模开发，能源危机和环境恶化造成的危害已经日益严峻，要解决这一难题的唯一途径就是加快对可持续资源的开发；在现有可再生能源中，无论规模，还是可利用率，风能都是最高的资源之一，并且风能在利用过程中不用消耗矿产资源，不排放有害物质，被人们视为清洁、绿色、环保的能源。

从新疆到内蒙古一线是我国陆上风能资源最为丰富的地区，该地区风速稳定、地广人稀，很适合建设大型风电场。十余年来这些区域的风能开发非常迅速，但由于附近区域的电力需求不高，大量的风电难以就近消化；如果要把多余的风电传输到电力需求巨大的东南部地区，风电波动性强的特点又会使传输的难度和成本加剧，并对电网安全造成威胁；而另一方面，我国东部海岸线长，风能资源好，风能质量好，具备大规模发展海上风电的资源条件，而且矿产资源匮乏，电力需求巨大，海上风电可以就近吸纳，因此在这一区域发展海上风电具有广阔的前景。

海上风能的另一个优点是风速更高、风力更持续，和陆上风能相比，开放性海域的风速要高30％-40％，近海区域要高15％-20％，能够多发50％-70％的电能；并且目前能够容纳大型风场的陆上空间已很难找到，海上风电场的建设已成为风能利用的主要方向。

虽然人们对风电的开发已有五十年之久，但主要集中在陆地上，建设海上风电场的经验比较缺乏；海上风电的主要缺点是在海水中建设塔架和平台(海上变电站)的成本高，维护运行的成本高等，从而对风电机组及其电力传输的高效、稳定、可靠要求更高，同时在变流、输电等多项技术上也有着不同的特点和要求，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，即高效率的实现风能的转换，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。

对开关磁阻电机进行电动运行的研究开展的较早，目前已广泛应用于电力牵引、需要四象限运行调速系统和在宽广的速度范围内实现高效率运行的系统中。但对其发电运行特性的研究，直到20世纪80年代末才得到重视，并在航天起动/发电机等应用领域中展开了探索性的研究。

理想的风力发电机组应该是能够变速运行、直接驱动，省去齿轮箱，减少不必要的保养工作；据此衡量开关磁阻发电机，可以发现开关磁阻发电机用于风力发电具有以下具体优势：(1)开关磁阻发电机具有优良的调速性能，变速范围宽，可以适应不同风速的要求，更高效的利用风能；(2)开关磁阻发电机在低速运行时效率高，通过合理的设计，可以省去齿轮箱，实现风力机直接驱动发电，从而提高了整个系统的发电效率，提高风力发电系统的年发电量，降低发电成本；(3)开关磁阻发电机制造简单，转子上无刷、无线圈、不需要永磁材料(稀土材料)等，因而简化了结构，使得电机的可靠性高、成本低；(4)开关磁阻发电机是典型的机电一体化产品，控制灵活、控制参数多，可方便的实现比较复杂的控制策略，灵活的控制输出的直流电压和直流电流；(5)开关磁阻发电机可以方便的发出电压恒定的直流电，输出电压与转速无关，可以通过自身的控制器直接进行调节，多台发电机运行时并网容易；(6)开关磁阻发电机相绕组间无电耦合，其容错能力大大增强，即使在缺相的情况下，仍然可以维持工作(三相以上)；(7)开关磁阻电机的功率密度高，电机体积小，易于安装运输，耐高温性能好，十分适合风力发电的海上工作环境；(8)开关磁阻发电机具有自励能力，只需小容量的直流起励电源，便可建立工作电压。实际应用中，可以与蓄电池构成互补系统，在风力充足时，开关磁阻发电机从蓄电池获得起励电源进行发电，建立工作电压后，发出的电能一方面给负载供电，同时给蓄电池充电，风力不足时，蓄电池的储能释放出来，供负载使用。以上这些特点使得开关磁阻发电机应非常适合用在风力发电及海上风电的场合中。

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，其中，专利1、CN 102223034 B，大型直驱开关磁阻风力发电机及其机组系统，2013.04.10；2、CN 101686034 B，基于开关磁阻风力发电系统的最大功率自动跟踪方法，2012.04.25；3、CN 102427323 B，开关磁阻风电系统起动控制和MPPT控制方法，2013.10.30，分别就高功率密度SRG设计和系统、SRG风力发电最大功率自动跟踪方法和SRG风力发电启动和最大功率跟踪控制方面取得进步并获得授权专利。

在科研界，关于风电结合开关磁阻发电机的研究，也主要聚焦于单机最大功率跟踪方面，譬如：1、熊立新等.一种开关磁阻风力发电机最大风能跟踪方法[J].电工技术学报，2009，24(11)：1-7；2、Hedi Yahia等.Differential evolution method-based output power optimisation of switched reluctancegenerator for wind turbine applications[J].IET Renew.Power Gener.，2014，8(7)：795-806；3、Da-Woon Choi等.A Study on the Maximum Power Control Method of Switched Reluctance Generatorfor Wind Turbine[J].IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS，2014，50(1)。

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，直接串联连接已直流化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、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升降压斩波电路102的输入对应两端，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、电力电子开关VT、电抗器L、电力二极管VD、第三电容器C3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，第一电阻R1和第二电阻R2相对第一电容器C1和第二电容器C2远离输入端即开关磁阻发电机及其控制系统101的输出端，所述电力电子开关VT一端连接第一电阻R1的上端即开关磁阻发电机及其控制系统101的输出正极端，电力电子开关VT的另一端连接所述电抗器L一端和所述电力二极管VD的负极端，电抗器L的另一端连接第二电阻R2的下端即开关磁阻发电机及其控制系统101的输出负极端，电力二极管VD的正极端连接所述第三电容器C3一端并作为升降压斩波电路102的输出一端，第三电容器C3另一端连接电抗器L的下端即开关磁阻发电机及其控制系统101的输出负极端，同时也是升降压斩波电路102输出的另一端。

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(升降压斩波电路102)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，所以可不考虑隔离环节。

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，相对输入电压，输出电压可调范围宽，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；虽然升降压斩波电路102即使输出相对最大电压也难以与高压直流输电的母线电压值能比，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。

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升降压型电能变换系统图。

图3所示为本实用新型的升降压斩波电路图。

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风电场母线电压低的多，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、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，升降压斩波电路102实现电压的升降可调节，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。

要求电抗器L和第三电容器C3要足够大，以满足使得电抗器L的支路电流和第三电容器C3两端直流电压为平直的直流，不得因为相应电感或电容值在电力电子开关VT开关动作时影响到他们过大的脉动变化。

当电力电子开关VT处于闭合导通状态时，升降压斩波电路102输入直流电压E经电力电子开关VT向电抗器L供电使其存储电能；待到电力电子开关VT关断时，电抗器L中储存的电能向第三电容器C3及负载释放，对于升降压斩波电路102的输出端来说，其两端极性相对输入端正好相反；待到电力电子开关VT再行闭合导通时，除电抗器L被充电储能外，另一侧的第三电容器C3中存储的电能在此时同时作为输出电能并维持稳定的电压值；可根据电抗器L在电力电子开关VT的开关一周期内的吸收和释放电能守恒原理，得到该升降压斩波电路102的输出电压相对输入电压随着电力电子开关VT的闭合导通和断开时间比例的不同而不同，相对输入电压，不仅能降压而且可以升压，调节范围宽，以适应风电场故障或低压穿越等干扰时的调节控制需要。

Claims (3)

1.开关磁阻风力发电机直流输出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)、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升降压斩波电路(102)的输入对应两端，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升降压型电能变换系统，其特征是，所述的升降压斩波电路(102)，由第一电容器(C1)、第二电容器(C2)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、电力电子开关(VT)、电抗器(L)、电力二极管(VD)、第三电容器(C3)组成；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，第一电阻(R1)和第二电阻(R2)相对第一电容器(C1)和第二电容器(C2)远离输入端即开关磁阻发电机及其控制系统(101)的输出端，所述电力电子开关(VT)一端连接第一电阻(R1)的上端即开关磁阻发电机及其控制系统(101)的输出正极端，电力电子开关(VT)的另一端连接所述电抗器(L)一端和所述电力二极管(VD)的负极端，电抗器(L)的另一端连接第二电阻(R2)的下端即开关磁阻发电机及其控制系统(101)的输出负极端，电力二极管(VD)的正极端连接所述第三电容器(C3)一端并作为升降压斩波电路(102)的输出一端，第三电容器(C3)另一端连接电抗器(L)的下端即开关磁阻发电机及其控制系统(101)的输出负极端，同时也是升降压斩波电路(102)输出的另一端。

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。