CN213521713U - 一种大功率高可靠风力发电制氢系统 - Google Patents

一种大功率高可靠风力发电制氢系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种大功率高可靠风力发电制氢系统包括双三相永磁同步风力发电机，ABC三相绕组，DEF三相绕组，两个相互独立的三相绕组中性点，两套三相二极管整流桥，直流母线电容，N组DC‑DC变换器，电解水制氢装置。该系统通过配合使用双三相永磁同步风力发电机和两套三相二极管整流桥，可降低约75％的直流母线电流纹波，能够大幅降低直流母线电容容量。当系统中的发电机绕组，二极管整流桥，直流母线电容或DC‑DC变换器发生电气故障后，可通过将故障部分切除，利用冗余部分继续运行，从而提高系统的可靠性。

Description

一种大功率高可靠风力发电制氢系统
技术领域
本实用新型属于可再生能源制氢技术领域，特别是一种大功率高可靠风力发电制氢系统。
背景技术
近年来，在可再生能源应用领域里，风力发电发展迅猛，但是由于风力发电受自然环境影响存在发电功率大幅间歇波动的情况，并且电网负荷也存在一定的波动性，风力发电系统存在较高的弃风率。随着风力发电比重的不断增加，弃风浪费问题日益突出，不容忽视。与此同时，氢作为重要的工业原料和燃料电池的发电原料，得到越来越多的重视，利用可再生能源制氢成了解决弃风问题的重要途径。
另一方面，随着风力发电功率等级的不断提升，如何提升风力发电制氢系统的功率等级和可靠性具有重要的工程应用意义。
实用新型内容
实用新型目的：针对现有风力发电制氢系统功率等级受限，可靠性相对较低的问题，本实用新型提出一种大功率高可靠风力发电制氢系统，可以弥补现有风力发电制氢系统在功率等级和可靠性方面存在的缺点。
技术方案：本实用新型提供以下技术方案：一种大功率高可靠风力发电制氢系统，包括双三相永磁同步风力发电机，ABC三相绕组，DEF三相绕组，两个相互独立的三相绕组中性点，两套三相二极管整流桥，直流母线电容，N组 DC-DC变换器，电解水制氢装置；双三相永磁同步风力发电机的ABC三相绕组和DEF三相绕组输出端分别连接一套三相二极管整流桥，两套整流桥直流侧与同一直流母线电容连接，N组DC-DC变换器采用并联方式连接，并建立直流母线电容与电解水制氢装置的连接纽带。
作为优化，对于所述双三相永磁同步风力发电机，两套三相绕组空间上互差30°电角度，两套三相绕组的中性点相互独立。
作为优化，对于所述双三相永磁同步风力发电机，ABC三相绕组与DEF三相绕组分别通过各自三相二极管整流桥在直流侧连接。
作为优化，对于所述N组DC-DC变换器，N组变换器的输入端连接在同一两套三相二极管整流桥汇合的直流母线，输出端连接在同一电解水制氢装置的直流供电端。
作为优化，对于所述N组DC-DC变换器，任何一个DC-DC变换器发生故障后都可通过关闭控制信号方式将其从系统中切除。
有益效果：本实用新型与现有技术相比具有以下优点：
(1)本方案采用的双三相永磁同步风力发电机通过将三相永磁同步发电机的绕组数量加倍大幅提升发电机的容量。
(2)本方案通过配合使用两套三相绕组互差30°电角度的双三相永磁同步风力发电机和两套三相二极管整流桥，可降低约75％的直流母线电压电流纹波，能够大幅降低直流母线电容容量。
(3)本方案根据DC-DC变换器最优效率下的运行功率范围及实时系统发电功率确定开启N组DC-DC变换器(17)中的M组，可以提升系统整体运行效率。
(4)本方案通过对M组DC-DC变换器之间建立360°/M的相位差，可以大幅降低电解水制氢装置的供电电流纹波，有效改善电解水制氢装置的寿命，并降低DC-DC变换器中的电容容量。
(4)本方案通过对发电机绕组、三相二极管整流器和DC-DC变换器建立冗余，可以在系统中ABC三相绕组，DEF三相绕组，三相二极管整流桥，直流母线电容或DC-DC变换器发生电气故障后，利用冗余部分继续运行，大幅提高系统的可靠性。
附图说明
图1为大功率高可靠风力发电制氢系统的结构框图；
其中，11为双三相永磁同步风力发电机，12为ABC三相绕组，13为DEF 三相绕组，14为三相绕组中性点，15为三相二极管整流桥，16为直流母线电容， 17为N组DC-DC变换器，18为电解水制氢装置。
图2为双三相永磁同步风力发电机绕组电流优化示意图；
其中，21为传统的三相永磁同步风力发电机绕组电流，22为改进的双三相永磁同步风力发电机绕组电流。
图3为二极管整流电流优化示意图；
其中，31为传统的单套三相二极管整流桥产生的整流电流，32为改进的两套三相二极管整流桥产生的整流电流。
图4为直流母线电流纹波优化示意图；
其中，41为传统的单套三相二极管整流桥产生的直流母线电流，42为改进的两套三相二极管整流桥产生的直流母线电流。
具体实施方式
下面结合附图和相关规则，进一步阐明本实用新型，应理解这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围，在阅读了本实用新型之后，本领域技术人员对本实用新型的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
图1显示了本实用新型提出的大功率高可靠风力发电制氢系统的结构框图。首先双三相永磁同步风力发电机11的风叶在风力作用下带动永磁体转子建立旋转磁动势。由于ABC三相绕组12和DEF三相绕组13空间上互差30°电角度，两套三相绕组产生的相电流之间也互差30°电角度。两套三相绕组产生的三相电流分别流经相应的三相二极管整流桥15后在直流母线上相互叠加，能够产生具有较小纹波的直流母线电流和直流母线电压，并通过直流母线电容16进行进一步的滤波。为了能够为电解水制氢装置提供最优的供电电压，本系统引入了 DC-DC变换器17，对电解水制氢装置的供电电压进行可控调节。为了提升系统运行效率及系统可靠性，本系统采用N组DC-DC变换器并联。系统中装配的 DC-DC变换器17数量N是通过对风机最大发电功率与单组DC-DC变换器17 功率作商得到的。N组DC-DC变换器17根据变换器最优效率下的运行功率范围及实时系统发电功率确定开启N组DC-DC变换器17中的M组，从而对系统整体运行效率进行优化。投入运行的M组DC-DC变换器17通过在不同变换器间建立360°/M的相位差以降低电解水制氢装置18的供电电流纹波，改善电解水制氢装置18的寿命，并降低DC-DC变换器17中的电容容量。在系统可靠性方面，本实用新型中的永磁同步发电机绕组、三相二极管整流桥和DC-DC变换器均具有冗余特性，可以在系统中ABC三相绕组，DEF三相绕组，三相二极管整流桥，直流母线电容或DC-DC变换器发生电气故障后，利用冗余部分继续运行，大幅提高系统的可靠性。当ABC三相绕组12发生电气故障后，可通过断开ABC 三相绕组与三相二极管整流桥直接的电气连接从而将发生故障的绕组从系统中切除，并利用冗余绕组继续进行发电制氢。当两套三相二极管整流桥15中的一套发生电气故障后，可通过隔离故障二极管，并利用整流二极管继续产生较为平稳的直流母线电压和电流。直流母线电容16可通过采取多个并立案的方式，进一步提高直流母线电容16故障后的可靠性。当N个DC-DC变换器17中的一个发生电气故障后，可通过关闭开关管驱动信号及其他断路方式将故障的DC-DC 变换器17从系统中移除，并使用冗余的N-1个健全的DC-DC变换器继续工作以继续输出理想的电解水制氢装置18供电电压，并确保系统保持高效可靠运行。
对于双三相永磁同步风力发电机绕组电流的优化，如图2所示。由于双三相永磁同步风力发电机的绕组数量是传统的三相永磁同步风力发电机绕组数量的二倍，因此改进的双三相永磁同步风力发电机绕组电流22的幅值为相同功率等级的传统三相永磁同步风力发电机绕组电流21的一半。因此，通过增加风力发电机绕组数量可有效降低绕组电流应力，有助于提升风力发电制氢系统的功率等级。
对于二极管整流电流的优化如图3所示。图中电流波形代表的是每一相二极管整流桥对直流母线的电流贡献。电流峰值与不同相电流的最大交叉点电流的差值决定最终的直流母线电流纹波大小。可以看出改进的两套三相二极管整流桥产生的整流电流32的电流峰值与不同相电流的最大交叉点电流的差值要远大于传统的单套三相二极管整流桥产生的整流电流31的相应差值。并且，通过对两套三相绕组空间上构建30°电角度差，能够实现改进的两套三相二极管整流桥产生的整流电流32的对称分布，能够最大限度的降低直流母线电流纹波。对于直流母线电流纹波的优化如图4所示。可以看出改进的两套三相二极管整流桥产生的直流母线电流波形42上的电流纹波远小于传统的单套三相二极管整流桥产生的直流母线电流波形41上的电流纹波。通过该对比波形，可以发现提出的大功率高可靠风力发电制氢系统通过配合使用双三相永磁同步风力发电机和两套三相二极管整流桥，可降低约75％的直流母线电流纹波，能够大幅降低直流母线电容容量。

Claims (5)

1.一种大功率高可靠风力发电制氢系统，包括双三相永磁同步风力发电机(11)，ABC三相绕组(12)，DEF三相绕组(13)，两个相互独立的三相绕组中性点(14)，两套三相二极管整流桥(15)，直流母线电容(16)，N组DC-DC变换器(17)，电解水制氢装置(18)；双三相永磁同步风力发电机(11)的ABC三相绕组(12)和DEF三相绕组(13)输出端分别连接一套三相二极管整流桥(15)，两套整流桥直流侧与同一直流母线电容(16)连接，N组DC-DC变换器(17)采用并联方式连接，并建立直流母线电容(16)与电解水制氢装置(18)的连接纽带。
2.根据权利要求1所述的风力发电制氢系统，其特征在于，对于所述双三相永磁同步风力发电机(11)，两套三相绕组空间上互差30°电角度，两套三相绕组的中性点(14)相互独立。
3.根据权利要求1所述的风力发电制氢系统，其特征在于，对于所述双三相永磁同步风力发电机(11)，ABC三相绕组(12)与DEF三相绕组(13)分别通过各自三相二极管整流桥(15)在直流侧连接。
4.根据权利要求1所述的风力发电制氢系统，其特征在于，对于所述N组DC-DC变换器(17)，N组变换器的输入端连接在同一两套三相二极管整流桥汇合的直流母线，输出端连接在同一电解水制氢装置(18)的直流供电端。
5.根据权利要求1所述的风力发电制氢系统，其特征在于，对于所述N组DC-DC变换器(17)，任何一个DC-DC变换器(17)发生故障后都可通过关闭控制信号方式将其从系统中切除。
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RU228169U1 (ru) * 2024-03-26 2024-08-16 Федеральное государственное бюджетное образовательно учреждение высшего образования "Уфимский университет науки и технологий" Горизонтально-турбинный девятифазный ветрогенератор

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