一種風(fēng)電場全直流電能匯聚系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種風(fēng)電場全直流電能匯聚系統(tǒng)，由SRG系統(tǒng)及其DC變換電路、電力電子開關(guān)、電力線組成，多個SRG系統(tǒng)及其DC變換電路先串聯(lián)組成一個支路，多個相同數(shù)量的SRG系統(tǒng)及其DC變換電路串聯(lián)的支路間并聯(lián)，不同支路的平行相鄰的SRG系統(tǒng)及其DC變換電路之間通過電力電子開關(guān)進(jìn)行同極性端連接；SRG系統(tǒng)及其DC變換電路由SRG系統(tǒng)、DC變換電路組成，SRG系統(tǒng)和DC變換電路連接；DC變換電路由電容C1、電容C2、電容C3、電阻R1、電阻R2、電阻R3、二極管VD、電力電子開關(guān)VT1、電力電子開關(guān)VT2、電力電子開關(guān)VT3、電抗器L組成。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、損耗小，發(fā)輸電效益高成本低。
【專利說明】—種風(fēng)電場全直流電能匯聚系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，具體涉及采用直接輸出直流電能的開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)為風(fēng)力發(fā)電機(jī)，全直流電能匯聚及直流輸電的結(jié)構(gòu)簡單的風(fēng)電場電氣系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著石油、煤炭等一次性石化資源的大規(guī)模開發(fā)，能源危機(jī)和環(huán)境惡化造成的危害已經(jīng)日益嚴(yán)峻，要解決這一難題的唯一途徑就是加快對可持續(xù)資源的開發(fā)。在現(xiàn)有可再生能源中，無論規(guī)模，還是可利用率，風(fēng)能都是最高的資源之一，并且風(fēng)能在利用過程中不用消耗礦產(chǎn)資源，不排放有害物質(zhì)，被人們視為清潔、綠色、環(huán)保的能源。
[0003]從新疆到內(nèi)蒙古一線是我國陸上風(fēng)能資源最為豐富的地區(qū)，該地區(qū)風(fēng)速穩(wěn)定、地廣人稀，很適合建設(shè)大型風(fēng)電場。十余年來這些區(qū)域的風(fēng)能開發(fā)非常迅速，但由于附近區(qū)域的電力需求不高，大量的風(fēng)電難以就近消化。如果要把多余的風(fēng)電傳輸?shù)诫娏π枨缶薮蟮臇|南部地區(qū)，風(fēng)電波動性強(qiáng)的特點(diǎn)又會使傳輸?shù)碾y度和成本加劇，并對電網(wǎng)安全造成威脅。而另一方面，我國東部海岸線長，風(fēng)能資源好，風(fēng)能質(zhì)量好，具備大規(guī)模發(fā)展海上風(fēng)電的資源條件，而且礦產(chǎn)資源匱乏，電力需求巨大，海上風(fēng)電可以就近吸納，因此在這一區(qū)域發(fā)展海上風(fēng)電具有廣闊的前景。
[0004]海上風(fēng)能的另一個優(yōu)點(diǎn)是風(fēng)速更高、風(fēng)力更持續(xù)，和陸上風(fēng)能相比，開放性海域的風(fēng)速要高30% -40%，近海區(qū)域要高15% -20%，能夠多發(fā)50% -70%的電能；并且目前能夠容納大型風(fēng)場的陸上空間已很難找到，大規(guī)模海上風(fēng)電場的建設(shè)已成為風(fēng)能利用的主要方向。
[0005]雖然人們對風(fēng)電的開發(fā)已有五十年之久，但主要集中在陸地上，建設(shè)大型海上風(fēng)電場的經(jīng)驗比較缺乏。海上風(fēng)電的主要缺點(diǎn)是在海水中建設(shè)塔架和平臺(海上變電站)的成本高，維護(hù)運(yùn)行的成本高等，從而對風(fēng)電機(jī)組及其電力傳輸?shù)母咝?、穩(wěn)定、可靠要求更高，同時在變流、輸電等多項技術(shù)上也有著不同的特點(diǎn)和要求。
[0006]目前功率在兆瓦級以上的大型風(fēng)電機(jī)組主要以雙饋型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和直驅(qū)全功率變換型永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為主。雙饋型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有較好的性價比，但對電網(wǎng)故障的穿越能力和支撐能力較弱，它的傳動鏈必須要有大功率齒輪箱，這對機(jī)組的可靠性和可維護(hù)性提出了更苛刻的要求。直驅(qū)全功率變換型永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過變頻器并網(wǎng)，對電網(wǎng)故障的穿越能力較強(qiáng)，有一定的支撐電網(wǎng)能力，避免了大功率齒輪箱的維護(hù)工作量，可靠性有所提高，但由于其轉(zhuǎn)速很低，隨著功率的增大，多極數(shù)永磁同步發(fā)電機(jī)的制造工藝復(fù)雜，技術(shù)難度大，電機(jī)體積大，造價高，海上安裝成本更高，同時隨著機(jī)組容量的不斷增大，配套的大功率變頻器價格昂貴更增加了其使用成本。
[0007]開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)(Switched Reluctance Generator,簡稱:SRG)結(jié)構(gòu)簡單,轉(zhuǎn)子上無刷、無繞組、無永久磁體。其運(yùn)行時相當(dāng)于一個電流源，這樣在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，輸出端電壓不會隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化，這非常適合于當(dāng)前主流的變速運(yùn)行的風(fēng)力機(jī)，可提高風(fēng)能的利用效率；更重要的是它直接發(fā)出為直流電，適應(yīng)了當(dāng)前海上風(fēng)電以高效的直流方式進(jìn)行電力傳輸趨勢的需要，省去了整流環(huán)節(jié)。由于這些特性，SRG可以在風(fēng)力直接驅(qū)動下實現(xiàn)較高的發(fā)電效率，從而省去了齒輪箱，使整個發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡潔、可靠，這也正是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。而在運(yùn)行過程中，SRG可控參數(shù)多，如開通角、關(guān)斷角控制，電流斬波控制等，可方便的實現(xiàn)比較復(fù)雜的控制策略，靈活的控制輸出直流電壓和電流，也大大降低了低電壓穿越的技術(shù)壓力?？梢?，SRG引入海上風(fēng)電，完全符合安裝困難、成本高、維護(hù)保養(yǎng)困難的海上風(fēng)電發(fā)展的需要，即高效率的實現(xiàn)風(fēng)能的轉(zhuǎn)換，結(jié)構(gòu)的簡潔化意味著更高的可靠性更少的維護(hù)以及更低的安裝成本和設(shè)備采購成本。
[0008]對開關(guān)磁阻電機(jī)進(jìn)行電動運(yùn)行的研究開展的較早，目前已廣泛應(yīng)用于電力牽引、需要四象限運(yùn)行調(diào)速系統(tǒng)和在寬廣的速度范圍內(nèi)實現(xiàn)高效率運(yùn)行的系統(tǒng)中。但對其發(fā)電運(yùn)行特性的研究，直到20世紀(jì)80年代末才得到重視，并在航天起動/發(fā)電機(jī)等應(yīng)用領(lǐng)域中展開了探索性的研究。
[0009]理想的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)該是能夠變速運(yùn)行、直接驅(qū)動，省去齒輪箱，減少不必要的保養(yǎng)工作。據(jù)此衡量SRG，可以發(fā)現(xiàn)SRG用于風(fēng)力發(fā)電具有以下具體優(yōu)勢= (I)SRG具有優(yōu)良的調(diào)速性能，變速范圍寬，可以適應(yīng)不同風(fēng)速的要求，更高效的利用風(fēng)能。(2) SRG在低速運(yùn)行時效率高，通過合理的設(shè)計，可以省去齒輪箱，實現(xiàn)風(fēng)力機(jī)直接驅(qū)動發(fā)電，從而提高了整個系統(tǒng)的發(fā)電效率，提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的年發(fā)電量，降低發(fā)電成本。(3)SRG制造簡單，轉(zhuǎn)子上無刷、無線圈、不需要永磁材料(稀土材料)等，因而簡化了結(jié)構(gòu)，使得電機(jī)的可靠性高、成本低。(4) SRG是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，控制靈活、控制參數(shù)多，可方便的實現(xiàn)比較復(fù)雜的控制策略，靈活的控制輸出的直流電壓和直流電流。(5) SRG可以方便的發(fā)出電壓恒定的直流電，輸出電壓與轉(zhuǎn)速無關(guān)，可以通過自身的控制器直接進(jìn)行調(diào)節(jié)，多臺發(fā)電機(jī)運(yùn)行時并網(wǎng)容易。(6) SRG相繞組間無電耦合，其容錯能力大大增強(qiáng)，即使在缺相的情況下，仍然可以維持工作(三相以上)。(7)開關(guān)磁阻電機(jī)的功率密度高，電機(jī)體積小，易于安裝運(yùn)輸，耐高溫性能好，十分適合風(fēng)力發(fā)電的海上工作環(huán)境。(8) SRG具有自勵能力，只需小容量的直流起勵電源，便可建立工作電壓。實際應(yīng)用中，可以與蓄電池構(gòu)成互補(bǔ)系統(tǒng)，在風(fēng)力充足時，SRG從蓄電池獲得起勵電源進(jìn)行發(fā)電，建立工作電壓后，發(fā)出的電能一方面給負(fù)載供電，同時給蓄電池充電，風(fēng)力不足時，蓄電池的儲能釋放出來，供負(fù)載使用。以上這些特點(diǎn)使得SRG應(yīng)非常適合用在風(fēng)力發(fā)電及海上風(fēng)電的場合中。
[0010]近年來，關(guān)于SRG用于風(fēng)力發(fā)電的研究和實踐也有一些。其中，專利1、CN102223034 B，大型直驅(qū)開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其機(jī)組系統(tǒng)，2013.04.10 ;2、CN 101686034B，基于開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大功率自動跟蹤方法，2012.04.25 ;3、CN 102427323 B，開關(guān)磁阻風(fēng)電系統(tǒng)起動控制和MPPT控制方法，2013.10.30，分別就高功率密度大型SRG設(shè)計和系統(tǒng)、SRG風(fēng)力發(fā)電最大功率自動跟蹤方法和SRG風(fēng)力發(fā)電啟動和最大功率跟蹤控制方面取得進(jìn)步并獲得授權(quán)專利。
[0011]在科研界，關(guān)于風(fēng)電結(jié)合SRG的研究，也主要聚焦于單機(jī)最大功率跟蹤方面，譬如:1、熊立新等.一種開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大風(fēng)能跟蹤方法[J].電工技術(shù)學(xué)報，2009，24(11):1-7 ;2、Hedi Yahia 等.Differential evolut1n method-based output poweroptimisat1n of switched reluctance generator for wind turbine applicat1ns[J].1ET Renew.Power Gener., 2014,8 (7):795-806 ;3、Da-Woon Choi 等.Α Study on theMaximum Power Control Method of Switched Reluctance Generator for WindTurbine[J].IEEE TRANSACT1NS ON MAGNETICS,2014，50(I)。
[0012]但是，就SRG系統(tǒng)直流輸出變換以及由多SRG系統(tǒng)組成的風(fēng)電場全直流電能匯聚方面的研究或?qū)嵺`還沒有完全出現(xiàn)。
[0013]國內(nèi)外研究表明，采用高壓直流(High-Voltage Direct Current,簡稱:HVDC)的方式傳輸電力對于海上風(fēng)電最為方便經(jīng)濟(jì)。而電壓源型變流器(Voltage SourceConverter，簡稱:VSC)的HVDC(VSC-HVDC)以其控制靈活，體積小、具備黑啟動能力等特點(diǎn)，特別適合被應(yīng)用于海上風(fēng)電場與電網(wǎng)的連接?，F(xiàn)有利用HVDC與電網(wǎng)連接的風(fēng)場都采用在海上建立一個變電站的方式，因目前的海上發(fā)電機(jī)全部為交流發(fā)電機(jī)，要通過每臺交流發(fā)電機(jī)組連接的交流變壓器先升壓至中壓，然后集中到海上變電站轉(zhuǎn)換成直流輸送，由岸上變電站的逆變器逆變后連接交流電網(wǎng)。其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電能需要經(jīng)過多次交流和直流之間的轉(zhuǎn)換。
[0014]有些研究則考慮到風(fēng)電機(jī)組本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以在一次變流后直接組成直流網(wǎng)絡(luò)，由直流并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)將電能集中到海上直流升壓變電站，然后由直流傳輸?shù)桨渡献冸娬?，最后再逆變連接交流電網(wǎng)，這樣就降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，但僅僅是省去了升壓變壓器。
[0015]進(jìn)一步研究表明，直接串聯(lián)連接已直流化的各風(fēng)電機(jī)組則更加經(jīng)濟(jì)，可無需升壓變壓器和海上變電站，多個低壓風(fēng)電機(jī)組直接串聯(lián)后成為所需的高壓直流，然后直接通過海底直流電纜傳輸?shù)疥懙刈冸娬荆朔N方式目前已成為海上風(fēng)電場電能匯聚的研究熱點(diǎn)。
[0016]無海上變電站的全直流電能匯聚及其HVDC研究成為發(fā)展趨勢，這當(dāng)中主發(fā)電機(jī)多采用永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)(PMSG)。文獻(xiàn):1、Amir Parastar, Jul-Ki Seok.High—Power—Density Power Convers1n Systems for HVDC-Connected Offshore WindFarms[J].Journal of Power Electronics,2013,13(5):737-745.2、N.Holtsmark,
H.J.Bahirat,M.Molinas,et al.An all-DC offshore wind farm with series-connectedturbines:An alternative to the classical parallel AC model.1EEE Trans.1nd.Electron, 2013,60 (6):2420-2428.3、Thanh Hai Nguyen, Dong-Choon Lee, Chan-Ki Kim.A Series-Connected Topology of a D1de Rectifier and a Voltage-Source Converterfor an HVDC Transmiss1n System[J], IEEE TRANSACT1NS ON POWER ELECTRONICS,2014,29 (4): 1579-1584.4、Etienne Veilleux, Peter ff.Lehn.1nterconnect1nof Direct-Drive Wind Turbines Using a Series-Connected DC Grid[J].1EEETRANSACT1NS SUSTAINABLE ENERGY, 2014, 5 (I):139-147.5、李響，韓民曉.，海上風(fēng)電串聯(lián)多端VSC-HVDC協(xié)調(diào)控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報，2013，28 (5) =42-48,57.等，聚焦于采用直流串聯(lián)的風(fēng)電場拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制方面，一般各個機(jī)組自行經(jīng)過整流及DC/DC變換，然后風(fēng)場所有機(jī)組串聯(lián)后獲得直流高電壓進(jìn)行電能傳輸?shù)桨渡献冸娬荆@些文獻(xiàn)主要聚焦于DC/DC變換的結(jié)構(gòu)與控制、整流方式、諧波治理、系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制等方面，串聯(lián)結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點(diǎn)除了無海上變電站，就是極易于控制，但為了迎合控制的需要常常需要脫開一些本來可發(fā)電的機(jī)組，發(fā)電效益降低；另外，因為我國尤其東南沿海的各省份，大部分近海區(qū)域地質(zhì)復(fù)雜，島嶼眾多，人口密集，經(jīng)濟(jì)活動非常頻繁，如若一處海底電纜因人為因素或經(jīng)濟(jì)活動發(fā)生破壞被迫中斷，則整個串聯(lián)風(fēng)場將中斷電力供應(yīng)，尤其離岸較遠(yuǎn)的海上風(fēng)電場，不適宜采用串聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)匯聚電能。
[0017]而另一種叫做直流串并聯(lián)結(jié)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，克服了單純直流串聯(lián)結(jié)構(gòu)的一些缺點(diǎn)，可罪性也有所提聞，文獻(xiàn):何大清.基于直流串聯(lián)的海上風(fēng)電場及其控制[D].上海:上海交通大學(xué)，2013.，對這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計方法、協(xié)調(diào)控制等問題進(jìn)行了較為深入的研究。
[0018]不過，不管風(fēng)電場是何種電能匯聚結(jié)構(gòu)，它們所采用的發(fā)電機(jī)依然是雙饋異步或永磁直驅(qū)為主的交流發(fā)電機(jī)，要進(jìn)行直流輸電，都必須存在整流環(huán)節(jié)，所以它們也不是真正意義上的全直流電能匯聚與輸電系統(tǒng)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0019]根據(jù)以上的【背景技術(shù)】，本發(fā)明提出了一種風(fēng)電場尤其是海上風(fēng)電場用SRG作為發(fā)電機(jī)的單機(jī)輸出電能簡單易行的變換電路；以及相關(guān)風(fēng)電場直流電能匯聚結(jié)構(gòu)，定義為直流混聯(lián)矩陣結(jié)構(gòu)，并通過與直流串并聯(lián)結(jié)構(gòu)的對比分析給出其基本控制方法和優(yōu)勢。
[0020]本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0021]一種風(fēng)電場全直流電能匯聚系統(tǒng)，由SRG系統(tǒng)及其DC變換電路、電力電子開關(guān)、電力線組成，其特征在于，多個所述SRG系統(tǒng)及其DC變換電路先串聯(lián)組成一個支路，多個相同數(shù)量的SRG系統(tǒng)及其DC變換電路串聯(lián)的支路間并聯(lián)，不同支路的平行相鄰的SRG系統(tǒng)及其DC變換電路之間通過所述電力電子開關(guān)進(jìn)行同極性端連接，例外的是，全直流電能匯聚系統(tǒng)的最上端線路和最下端線路上都沒有電力電子開關(guān)；電力電子開關(guān)為常開；所有連接都使用所述的電力線。
[0022]所述SRG系統(tǒng)及其DC變換電路由SRG系統(tǒng)、DC變換電路組成，其特征在于，所述SRG系統(tǒng)和所述DC變換電路連接。
[0023]所述DC變換電路由電容Cl、電容C2、電容C3、電阻R1、電阻R2、電阻R3、二極管VD、電力電子開關(guān)VT1、電力電子開關(guān)VT2、電力電子開關(guān)VT3、電抗器L組成，其特征在于，電容Cl和電容C2串聯(lián)后上下分別接SRG系統(tǒng)的正負(fù)極，電阻Rl和電阻R2串聯(lián)后上下分別接SRG系統(tǒng)的正負(fù)極，電容Cl和電容C2的中間串聯(lián)點(diǎn)與電阻Rl和電阻R2的中間串聯(lián)點(diǎn)連接，電抗器L 一端與SRG系統(tǒng)正極連接，另一端連接二極管VD的正端和電力電子開關(guān)VTl的正端，電力電子開關(guān)VT3和電阻R3串聯(lián)后與電抗器L并聯(lián)，其中電力電子開關(guān)VT3負(fù)極連接SRG系統(tǒng)正極，二極管VD的負(fù)端和電力電子開關(guān)VT2正極串聯(lián)連接，電力電子開關(guān)VT2負(fù)極連接電容C3，電容C3的另一端連接電力電子開關(guān)VTl負(fù)端并一同連接SRG系統(tǒng)的負(fù)極。
[0024]進(jìn)一步的，當(dāng)風(fēng)電場運(yùn)行期間，發(fā)生某SRG系統(tǒng)及其DC變換電路故障或檢修等其他原因需要停機(jī)脫離停止發(fā)電和供電時，通過相應(yīng)電力電子開關(guān)的閉合動作，使得與該SRG系統(tǒng)及其DC變換電路并聯(lián)的相鄰支路的另外的正常運(yùn)行SRG系統(tǒng)及其DC變換電路與本SRG系統(tǒng)及其DC變換電路并聯(lián)連通即承載，此時，運(yùn)行時DC變換電路中常閉的電力電子開關(guān)VT2斷開；加入承載的SRG系統(tǒng)及其DC變換電路可以是一個或多個，最多為風(fēng)電場的支路數(shù)減去一。
[0025]所述DC變換電路，它的輸入端直流電壓就是SGR系統(tǒng)的輸出直流電壓，正常運(yùn)行工作時，通過對電力電子開關(guān)VTl開通和關(guān)斷的時間及比例進(jìn)行改變，就可以調(diào)整其輸出直流電壓大小。
[0026]DC變換電路的電力電子開關(guān)VT3為常開開關(guān)，當(dāng)電力電子開關(guān)VT2斷開時電力電子開關(guān)VT3閉合，為電抗器L提供能量泄放的回路，并由電阻R3消耗。
[0027]本發(fā)明的技術(shù)效果主要有:
[0028]對于單純的并聯(lián)結(jié)構(gòu)的海上風(fēng)電場，一般需建設(shè)海上變電站；對于單純串聯(lián)結(jié)構(gòu)的風(fēng)電場，雖然一般無需建設(shè)海上變電站，但考慮到我國東南沿海的各省份，大部分近海區(qū)域地質(zhì)復(fù)雜，島嶼眾多，人口密集，經(jīng)濟(jì)活動非常頻繁，如若一處海底電纜因人為因素或經(jīng)濟(jì)活動發(fā)生破壞被迫中斷，則整個風(fēng)場將中斷電力供應(yīng)，尤其離岸較遠(yuǎn)的大型海上風(fēng)電場，不適宜采用串聯(lián)拓?fù)鋮R聚電能；
本發(fā)明的一種風(fēng)電場全直流電能匯聚系統(tǒng)，采用不同支路相鄰間不同SRG系統(tǒng)及其DC變換電路通過電力電子開關(guān)互聯(lián)的直流混聯(lián)矩陣結(jié)構(gòu)，由于SRG直接發(fā)出直流電，省去了整流環(huán)節(jié)，簡化了結(jié)構(gòu)降低了成本提高了可靠性，也因此，基于SRG的直流輸電風(fēng)力發(fā)電場才是真正意義上的全直流發(fā)輸電；而直流輸電的優(yōu)勢不言而喻，尤其是損耗小的優(yōu)點(diǎn)，海上風(fēng)場環(huán)境下的話采用的直流電纜鋪設(shè)于海底造成的污染也??；
由于本發(fā)明的多套SRG系統(tǒng)及其DC變換電路串聯(lián)及其中的DC變換電路一定的升壓作用，每條支路電壓即母線電壓可獲得高壓并可直接用于電力輸送到變電站再與電網(wǎng)連接，如果是海上風(fēng)電場的話，則對海上變電站更無需求，也無需升壓變壓器，節(jié)省大量投資；
[0029]目前在風(fēng)電場直流電能匯聚及傳輸領(lǐng)域，由于幾乎全部是交流發(fā)電機(jī)，每臺發(fā)電機(jī)的輸出端往往是采用先整流，然后逆變并采用高頻變壓器升壓后再整流為直流；或者發(fā)電機(jī)發(fā)出交流電后先升壓變壓器升壓，然后再整流等模式，前者電能變換繁復(fù)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而后者由于低頻變壓器的存在體積巨大；而本發(fā)明提出的DC變換電路，結(jié)構(gòu)簡單，體積小巧，成本低，安裝簡便，考慮到SRG本身獨(dú)特的靈活的可控性和DC變換電路本身對電壓的調(diào)節(jié)能力，以及故障時電力電子開關(guān)VT2的保護(hù)作用，所以可不考慮隔離環(huán)節(jié)；
另外，考慮到大功率SRG，尤其是海上風(fēng)場更大功率的SRG，一定的諧波造成的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動問題，由于功率等級的增大，發(fā)電機(jī)體積重量即慣性的增加，本身對轉(zhuǎn)矩波動具備一定的平滑抵抗能力而不至于對葉片及機(jī)械傳動裝置造成損壞；
[0030]本發(fā)明的直流混聯(lián)矩陣結(jié)構(gòu)下，面對故障或其他因素停機(jī)時的承載方式，能有效降低最高電壓，不浪費(fèi)所需絕緣柵雙極晶體管(簡稱:IGBT)等電氣元件的定額電壓，提高發(fā)輸電效益；根據(jù)風(fēng)電場實際情況，在確定允許的最大停機(jī)數(shù)量或比例后，即可在風(fēng)場運(yùn)行中進(jìn)行相應(yīng)的承載控制，保證全部完好機(jī)組在可發(fā)電風(fēng)速范圍內(nèi)的正常運(yùn)行發(fā)輸電。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]圖1所示為本發(fā)明的SRG系統(tǒng)及其DC變換電路圖。
[0032]圖2所示為本發(fā)明的風(fēng)電場結(jié)構(gòu)圖。
[0033]圖3所示為直流串并聯(lián)結(jié)構(gòu)一機(jī)組停機(jī)旁路圖。
[0034]圖4所示為直流串并聯(lián)結(jié)構(gòu)二機(jī)組停機(jī)旁路圖。
[0035]圖5所示為直流串并聯(lián)結(jié)構(gòu)三機(jī)組停機(jī)旁路圖。
[0036]圖6所示為直流混聯(lián)矩陣結(jié)構(gòu)三機(jī)組停機(jī)互聯(lián)一支路承載情況圖。
[0037]圖7所示為直流混聯(lián)矩陣結(jié)構(gòu)三機(jī)組停機(jī)互聯(lián)二支路承載情況圖。
[0038]圖8所示為直流混聯(lián)矩陣結(jié)構(gòu)三機(jī)組停機(jī)互聯(lián)三支路承載情況圖。
[0039]圖9所示為直流串并聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)組停機(jī)旁路后最大電壓動態(tài)仿真結(jié)果。
[0040]圖10所示為直流混聯(lián)矩陣結(jié)構(gòu)三機(jī)組停機(jī)互聯(lián)后最大電壓仿真結(jié)果。
[0041]圖11所示為直流混聯(lián)矩陣結(jié)構(gòu)三機(jī)組停機(jī)互聯(lián)后最大電流仿真結(jié)果。
圖中:111、SRG系統(tǒng)，112、DC變換電路，11…mn、各SRG系統(tǒng)及其DC變換電路。

【具體實施方式】
[0042]如圖1所示為本發(fā)明的SRG系統(tǒng)及其DC變換電路圖，由SRG系統(tǒng)(111)和DC變換電路(112)組成，直流混聯(lián)矩陣風(fēng)電場結(jié)構(gòu)如圖2所示，當(dāng)中的11、…、mn為mXn個相同的SRG系統(tǒng)及其DC變換電路，K11、..., K(m-l) (η-l)為(m_l) X (n_l)個相同的電力電子開關(guān)(K11、…、K(m-l) (n-l))。
[0043]如圖1所示，SRG系統(tǒng)(111)輸出直流電后進(jìn)入DC變換電路(112)，電容Cl和電容C2具有電壓支撐、濾波、儲能作用，而電阻Rl和電阻R2則起到平衡電容Cl和電容C2的電壓和保護(hù)作用，以及為電容Cl和電容C2提供泄放回路，電阻Rl和電阻R2 —般在100M Ω級別左右，否則阻值過小的話他們將消耗較大的有功；而此處采用電容Cl和電容C2兩個電容器，是考慮到提高可靠性，萬--只電容損壞時，加之電阻Rl或電阻R2的保護(hù)，提高容錯能力，電路在一定時間范圍內(nèi)仍能工作。
[0044]DC變換電路(112)中，正常工作運(yùn)行時電力電子開關(guān)VT2是閉合狀態(tài)，當(dāng)電力電子開關(guān)VTl閉合時，SRG系統(tǒng)(111)發(fā)出的直流電向電抗器L充電，同時電容C3兩端的電壓支撐向外供電；當(dāng)電力電子開關(guān)VTl斷開時，SRG系統(tǒng)(111)輸出電能和電抗器L儲存的電能共同疊加向外供電并給電容C3充電；電力電子開關(guān)VTl的閉合和斷開動作，根據(jù)所需輸出電壓值確定閉合和斷開的時間和比例；由于電力電子開關(guān)VTl關(guān)斷時電容C3接收來自SRG系統(tǒng)(111)和電抗器L儲能的雙重提供，保持電力電子開關(guān)VTl不變的開關(guān)頻率情況以及足夠大的電容C3和電抗器L前提下，DC變換電路(112)輸出電壓隨著電力電子開關(guān)VTl相對的開通時間越短，即關(guān)斷時間越長，其輸出電壓越大過SRG系統(tǒng)(111)給予的輸入電壓，從而達(dá)到升壓變換的目的。
[0045]當(dāng)如圖1所示的某套機(jī)組即SRG系統(tǒng)及其DC變換電路故障等原因需要停止發(fā)輸電時，電力電子開關(guān)VT2斷開該機(jī)組并由相鄰支路機(jī)組承載，此時，DC變換電路中的電力電子開關(guān)VT3同時閉合，由電阻R3消耗掉電抗器L可能的不能散發(fā)出去的能量，對電抗器L起到保護(hù)作用。
[0046]為了形象的說明本發(fā)明提出的直流混聯(lián)矩陣結(jié)構(gòu)的風(fēng)電場承載控制方式和優(yōu)勢，本實施例以與直流串并聯(lián)結(jié)構(gòu)風(fēng)場相比較的模式進(jìn)行。具體如下:
[0047]以mXn = 5X4結(jié)構(gòu)為例，如圖3、圖4、圖5為直流串并聯(lián)結(jié)構(gòu)的風(fēng)場拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，假定所有SRG系統(tǒng)及其DC變換電路(11、12、…、54)均自行進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤控制，運(yùn)行于額定點(diǎn)，各參量額定點(diǎn)標(biāo)么值為lpu。
[0048]圖3為31號機(jī)組即31號SRG系統(tǒng)及其DC變換電路發(fā)生停機(jī)，直流串并聯(lián)結(jié)構(gòu)的在遇到這種情況時，往往采用如圖3所示旁路掉該31機(jī)組的方法，此時我們看到因并聯(lián)關(guān)系，該I號支路電壓不變，原31機(jī)組承擔(dān)的電壓均分到同支路的其他四臺機(jī)組上，各為
1.25pu ;假設(shè)各機(jī)組電壓限值為1.5pu,如若此I號支路31、41號兩臺機(jī)組同時停機(jī)旁路，則相應(yīng)的同支路其他機(jī)組電壓達(dá)到1.667pu，超過了限定值，如圖4所示；更嚴(yán)重的，該I號支路31、41、51三臺機(jī)組同時停機(jī)旁路，則11、21完好機(jī)組要各承擔(dān)2.5pu的更高電壓，如圖5所示；因此，出現(xiàn)兩臺及以上機(jī)組旁路時，只能是將本來完好的串聯(lián)的機(jī)組也停機(jī)以防止燒壞相關(guān)電氣元件；所以，在以上條件下，小于或等于5機(jī)組串聯(lián)的串并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)限定了每條支路上最多只能有一臺機(jī)組旁路，達(dá)到或超過兩臺機(jī)組因故障或其他原因如風(fēng)速過低或過大需停機(jī)時，只能是該支路其余機(jī)組全部退出供電，則大大降低了發(fā)電場效益。解決方案之一是提高選用的開關(guān)器件的耐壓限值，但這不可避免的增加了采購成本，并且當(dāng)前主流的IGBT中最高電壓等級的也不超過7KV。
[0049]考慮互相串聯(lián)的機(jī)組間地理位置靠近、風(fēng)速接近，如若遇到超低或超高風(fēng)速時，常出現(xiàn)串聯(lián)相鄰機(jī)組同時脫網(wǎng)的情況。所以本實施例針對直流串并聯(lián)和直流混聯(lián)矩陣這兩種結(jié)構(gòu)，具體比較其中一條支路上一到數(shù)臺機(jī)組同時停機(jī)脫離供電的情況具備實際意義。
[0050]如下為本發(fā)明的直流混聯(lián)矩陣針對如上機(jī)組停機(jī)情況時的最大電壓電流分析。[0051 ] 同樣考慮這三臺機(jī)組同時停機(jī)情況，如圖6所示31、41、51三臺機(jī)組停機(jī)，開關(guān)K21閉合互聯(lián)，第2支路的32、42、52機(jī)組承載了停機(jī)的三臺機(jī)組；此時最大機(jī)組電壓來自非互聯(lián)機(jī)組，即11、12機(jī)組，為1.429pu，最大機(jī)組電流來自互聯(lián)的承載機(jī)組，1.4pu,總輸出電流與圖5 —樣3.4pu，輸出電壓因各支路支撐不變，從而總輸出功率也不變；而串并聯(lián)時最高電壓2.5pu。可見改用直流混聯(lián)矩陣結(jié)構(gòu)第2支路互聯(lián)后機(jī)組最高電壓降低了很多，同時降低了機(jī)組變流器內(nèi)部電力電子開關(guān)及其他相關(guān)電氣元件的耐壓限值，降低了成本。
[0052]而如果進(jìn)一步將第3、4支路先后拖入承載，如圖7和圖8所示，K22和K23先后閉合的話，最高電壓分別下降到1.25pu和1.176pu,最大電流分別下降到1.2pu和1.133pu,但總輸出功率保持不變；可見，停機(jī)機(jī)組同時互聯(lián)的支路越多，最高電流電壓下降幅度越大，但總的輸出功率還是維持不變，所以，可采用機(jī)組停機(jī)之后將全部支路的同位置相鄰機(jī)組間全部互聯(lián)起來的方式，可獲得最小的電壓和電流限值，而輸出總功率與互聯(lián)前相比沒有變化。
[0053]從以上的分析可見，采用直流混聯(lián)矩陣及相應(yīng)的控制方式后，降低了選擇功率器件及其他耐壓元件的最高電壓等級，節(jié)省了成本；相比串并聯(lián)結(jié)構(gòu)的一定數(shù)量機(jī)組因故障或其他因素停機(jī)后不得不也使得同支路的完好機(jī)組停機(jī)，明顯提高了發(fā)電效益。
[0054]對以上的直流串并聯(lián)結(jié)構(gòu)和直流混聯(lián)結(jié)構(gòu)下所述例子，進(jìn)行了仿真。
[0055]直流串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，在第Is時31機(jī)組停機(jī)旁路，第3s時加入41機(jī)組停機(jī)旁路，第5s時再加入51機(jī)組停機(jī)旁路，即如圖3、圖4、圖5情況下，圖9給出了最大電壓的動態(tài)仿真情況，得到了驗證。
[0056]直流混聯(lián)矩陣結(jié)構(gòu)，31、41、51三機(jī)組同時停機(jī)，在第Is時第2支路相鄰機(jī)組承載停機(jī)機(jī)組，第3s時加入第3支路相應(yīng)位置機(jī)組承載，第5s時再加入第4支路相應(yīng)位置機(jī)組承載，即如圖6、圖7、圖8所示，圖10是最大電壓的動態(tài)仿真情況，得到了驗證，比圖9的直流串并聯(lián)結(jié)構(gòu)最大電壓小很多；另外，圖11所示最大電流的動態(tài)仿真情況看，也得到了驗證。
【權(quán)利要求】
1.一種風(fēng)電場全直流電能匯聚系統(tǒng)，由SRG系統(tǒng)及其DC變換電路、電力電子開關(guān)、電力線組成，其特征在于，多個所述SRG系統(tǒng)及其DC變換電路先串聯(lián)組成一個支路，多個相同數(shù)量的SRG系統(tǒng)及其DC變換電路串聯(lián)的支路間并聯(lián)，不同支路的平行相鄰的SRG系統(tǒng)及其DC變換電路之間通過所述電力電子開關(guān)進(jìn)行同極性端連接，例外的是，全直流電能匯聚系統(tǒng)的最上端線路和最下端線路上都沒有電力電子開關(guān)；電力電子開關(guān)為常開；所有連接都使用所述的電力線。
2.所述SRG系統(tǒng)及其DC變換電路由SRG系統(tǒng)、DC變換電路組成，其特征在于，所述SRG系統(tǒng)和所述DC變換電路連接。
3.所述DC變換電路由電容Cl、電容C2、電容C3、電阻R1、電阻R2、電阻R3、二極管VD、電力電子開關(guān)VT1、電力電子開關(guān)VT2、電力電子開關(guān)VT3、電抗器L組成，其特征在于，電容Cl和電容C2串聯(lián)后上下分別接SRG系統(tǒng)的正負(fù)極，電阻Rl和電阻R2串聯(lián)后上下分別接SRG系統(tǒng)的正負(fù)極，電容Cl和電容C2的中間串聯(lián)點(diǎn)與電阻Rl和電阻R2的中間串聯(lián)點(diǎn)連接，電抗器L 一端與SRG系統(tǒng)正極連接，另一端連接二極管VD的正端和電力電子開關(guān)VTl的正端，電力電子開關(guān)VT3和電阻R3串聯(lián)后與電抗器L并聯(lián)，其中電力電子開關(guān)VT3負(fù)極連接SRG系統(tǒng)正極，二極管VD的負(fù)端和電力電子開關(guān)VT2正極串聯(lián)連接，電力電子開關(guān)VT2負(fù)極連接電容C3，電容C3的另一端連接電力電子開關(guān)VTl負(fù)端并一同連接SRG系統(tǒng)的負(fù)極。
【文檔編號】H02J1/10GK104332986SQ201410690430
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年11月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月25日
【發(fā)明者】孫冠群 申請人:中國計量學(xué)院