開關(guān)磁阻風力發(fā)電機直流輸出電流可逆電能變換系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】開關(guān)磁阻風力發(fā)電機直流輸出電流可逆電能變換系統(tǒng)，包括：開關(guān)磁阻發(fā)電機及其控制系統(tǒng)、電流可逆斬波電路、電力電子開關(guān)、濾波器；開關(guān)磁阻發(fā)電機及其控制系統(tǒng)的輸出直流電正負端連接電流可逆斬波電路的輸入對應兩端，電流可逆斬波電路的兩個輸出端的其中一端連接電力電子開關(guān)，電力電子開關(guān)的另一端連接濾波器的輸入一端，濾波器的另一輸入端連接電流可逆斬波電路的沒有與電力電子開關(guān)直接連接的另一輸出端，濾波器輸出兩端并與風電場的其他開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)串聯(lián)；本實用新型采用開關(guān)磁阻發(fā)電機做風力發(fā)電機，和結(jié)構(gòu)簡單的直流輸出接口斬波電路，可控性強，針對風電場領(lǐng)域具有一定應用意義。
【專利說明】開關(guān)磁阻風力發(fā)電機直流輸出電流可逆電能變換系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及風力發(fā)電領(lǐng)域，尤其是海上風力發(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(Switched Reluctance Generator，簡稱:SRG)為風力發(fā)電機，開關(guān)磁阻發(fā)電機直流輸出接口端采用電流可逆斬波電路的系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]清潔、綠色、環(huán)保為標志的風力發(fā)電是多年來國內(nèi)外重點發(fā)展的可再生能源發(fā)電形式。
[0003]我國陸地風電開發(fā)已經(jīng)比較成熟，海上風電剛剛起步，但技術(shù)上有別于陸地風電；歐洲的開發(fā)經(jīng)驗告訴我們，海上風電大有可為！
[0004]海上風能相對陸地來說，風速更高更穩(wěn)定，開發(fā)價值更高；目前我國已啟動海上風電場的規(guī)劃和建設(shè)，預期未來海上風電的開發(fā)將成為風能利用的主要方向。
[0005]但是，海上風電技術(shù)上更復雜，成本更高，目前大多需要在海上建設(shè)海上變電站，并與岸上變電站連接；特別是，不同于陸地風電，海上風電利用高壓直流傳輸成為發(fā)展和應用趨勢，效果極佳。
[0006]目前風電機組主要以雙饋型異步風力發(fā)電機組和直驅(qū)全功率變換型永磁同步風力發(fā)電機組為主；雙饋型異步風力發(fā)電機組有較好的性價比，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型齒輪箱，這對機組的可靠性和可維護性提出了更苛刻的要求；直驅(qū)全功率變換型永磁同步風力發(fā)電機組通過變頻器并網(wǎng)，對電網(wǎng)故障的穿越能力較強，有一定的支撐電網(wǎng)能力，避免了齒輪箱的維護工作量，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)電機的制造工藝復雜，技術(shù)難度大，電機體積大，造價高，海上安裝成本更高，同時隨著機組容量的不斷增大，配套的變頻器價格昂貴更增加了其使用成本。
[0007]開關(guān)磁阻發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)子上無刷、無繞組、無永久磁體；其運行時相當于一個電流源，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，這非常適合于當前主流的變速運行的風力機，可提高風能的利用效率；更重要的是它直接發(fā)出為直流電，適應了當前海上風電以高效的直流方式進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，開關(guān)磁阻發(fā)電機可以在風力直接驅(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，這也正是風力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢；而在運行過程中，開關(guān)磁阻發(fā)電機可控參數(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；可見，開關(guān)磁阻發(fā)電機引入海上風電，完全符合安裝困難、成本高、維護保養(yǎng)困難的海上風電發(fā)展的需要，即高效率實現(xiàn)風能的轉(zhuǎn)換，結(jié)構(gòu)的簡潔化意味著更高的可靠性更少的維護以及更低的安裝成本和設(shè)備采購成本。
[0008]近年來，關(guān)于開關(guān)磁阻發(fā)電機用于風力發(fā)電的研宄和實踐也有一些，重點在:高功率密度開關(guān)磁阻發(fā)電機、開關(guān)磁阻風力發(fā)電最大功率跟蹤控制方法、以及開關(guān)磁阻發(fā)電機用于風力發(fā)電工況下的控制器設(shè)計等；但是，就開關(guān)磁阻發(fā)電機系統(tǒng)直流輸出變換的研宄或?qū)嵺`很少。
[0009]國內(nèi)外研宄表明，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電最為方便經(jīng)濟，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，特別適合被應用于海上風電場與電網(wǎng)的連接；現(xiàn)有利用HVDC與電網(wǎng)連接的風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)電機全部為交流發(fā)電機，要通過每臺交流發(fā)電機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)復雜，電能需要經(jīng)過多次交流和直流之間的轉(zhuǎn)換。
[0010]有些研宄則考慮到風電機組本身的結(jié)構(gòu)特點，可以在一次變流后直接組成直流網(wǎng)絡，由直流并聯(lián)網(wǎng)絡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)復雜度，但僅僅是省去了升壓變壓器。
[0011]進一步研宄表明，直接串聯(lián)連接經(jīng)過電能變換為直流的各風電機組則更加經(jīng)濟，可無需升壓變壓器和海上變電站，多個低壓風電機組直接串聯(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?，此種方式目前已成為海上風電場電能匯聚的研宄熱點。
[0012]目前，已有的開關(guān)磁阻風力發(fā)電機系統(tǒng)，在啟動時，往往采用自備蓄電池向開關(guān)磁阻發(fā)電機提供起始勵磁電流，增加了設(shè)備的維護工作量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]根據(jù)以上的【背景技術(shù)】，本實用新型結(jié)合風電場尤其是海上風電場，針對直流串聯(lián)型風場結(jié)構(gòu)，提出采用開關(guān)磁阻發(fā)電機作為風力發(fā)電機的單機輸出電能的簡單易行的電流可逆的變壓斬波變換系統(tǒng)，開關(guān)磁阻發(fā)電機啟動時，無需加裝蓄電池系統(tǒng)提供勵磁電流，而是通過相應開關(guān)動作將輸出端電流逆向提供給開關(guān)磁阻發(fā)電機啟動之用。
[0014]本實用新型的技術(shù)方案為:
[0015]開關(guān)磁阻風力發(fā)電機直流輸出電流可逆電能變換系統(tǒng)，由開關(guān)磁阻發(fā)電機及其控制系統(tǒng)101、電流可逆斬波電路102、電力電子開關(guān)103、濾波器104組成；其技術(shù)特征在于，所述開關(guān)磁阻發(fā)電機及其控制系統(tǒng)101的輸出直流電正負端連接所述的電流可逆斬波電路102的輸入兩端，電流可逆斬波電路102的兩個輸出端的其中一端連接所述的電力電子開關(guān)103，電力電子開關(guān)103的另一端連接所述的濾波器104的輸入一端，濾波器104的另一輸入端連接電流可逆斬波電路102的沒有與電力電子開關(guān)103直接連接的另一輸出端，濾波器104輸出兩端并與風電場的其他開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)串聯(lián)。
[0016]眾多開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)la、lb、…的輸出均串聯(lián)連接。
[0017]所述的電流可逆斬波電路102，由第一電容器Cl、第二電容器C2、第一電阻R1、第二電阻R2、第一電力電子開關(guān)VT1、第二電力電子開關(guān)VT2、第一電力二極管VD1、第二電力二極管VD2、電抗器L、第三電阻R3組成；其技術(shù)特征在于，所述第一電容器Cl和所述第二電容器C2串聯(lián)后上下分別連接來自開關(guān)磁阻發(fā)電機及其控制系統(tǒng)101輸出的正負極，所述第一電阻Rl和所述第二電阻R2串聯(lián)后上下分別連接來自開關(guān)磁阻發(fā)電機及其控制系統(tǒng)101輸出的正負極，第一電容器Cl和第二電容器C2的中間串聯(lián)點與第一電阻Rl和第二電阻R2的中間串聯(lián)點連接，其中第一電阻Rl和第二電阻R2距離電流可逆斬波電路102輸入端相對第一電容器Cl和第二電容器C2遠，所述第一電力電子開關(guān)VTl和所述第二電力電子開關(guān)VT2按從上到下順序串聯(lián)后再與由第一電阻Rl和第二電阻R2組成的支路并聯(lián)，所述第二電力二極管VD2和所述第一電力二極管VDl按從上到下順序串聯(lián)后再與由第一電力電子開關(guān)VTl和第二電力電子開關(guān)VT2組成的支路并聯(lián)，并且第一電力電子開關(guān)VTl和第二電力電子開關(guān)VT2的中間串聯(lián)點與第二電力二極管VD2和第一電力二極管VDl的中間串聯(lián)點連接并且外接所述電抗器L的一端，電抗器L的另一端連接所述第三電阻R3的一端，第三電阻R3的另一端為電流可逆斬波電路102的輸出正端，電流可逆斬波電路102的輸出負端與它的輸入負端等電位。
[0018]電力電子開關(guān)103為常閉開關(guān)，當開關(guān)磁阻發(fā)電機及其控制系統(tǒng)101或電流可逆斬波電路102發(fā)生故障，或者風力過小或過大需要停止發(fā)電時，將電力電子開關(guān)103斷開。
[0019]本實用新型的主要技術(shù)效果是:
[0020]本實用新型的開關(guān)磁阻風力發(fā)電機直流輸出電流可逆電能變換系統(tǒng)，由于開關(guān)磁阻發(fā)電機直接發(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，基于開關(guān)磁阻發(fā)電機的直流輸電風力發(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，海上風場環(huán)境下的話采用的直流電纜鋪設(shè)于海底造成的污染也小；
[0021]目前風力發(fā)電機由于幾乎全部是交流發(fā)電機，每臺發(fā)電機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，結(jié)構(gòu)復雜，而后者由于低頻變壓器的存在體積巨大，海上風電場的話因此常需要加建海上變電站；而本實用新型的開關(guān)磁阻風力發(fā)電機直流輸出電流可逆電能變換系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，體積小巧，成本低，考慮到開關(guān)磁阻發(fā)電機本身獨特的靈活的可控性和變換電路(電流可逆斬波電路102)本身對電壓的調(diào)節(jié)能力，以及故障時電力電子開關(guān)103的保護作用，增加了其適應性。
[0022]根據(jù)電力電子開關(guān)VT的開關(guān)占空比的調(diào)節(jié)，可靈活改變輸出直流電壓值，并且相對輸入來說可大可小，范圍寬，這是繼開關(guān)磁阻發(fā)電機本身的調(diào)節(jié)功能之后又一可調(diào)節(jié)之處，可增強系統(tǒng)的低壓穿越及抗干擾能力和風場電壓調(diào)節(jié)能力；雖然電流可逆斬波電路102并不一定能直接獲得滿足要求的高壓直流電，但眾多的開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)串聯(lián)則抬高了風場電壓可達到所需的高壓值。
[0023]濾波器104的存在，能確保直流電壓和電流的平穩(wěn)。
[0024]電流可逆斬波電路102還有一項重要的作用，就是針對開關(guān)磁阻風力發(fā)電機在啟動時，因其啟動時需要勵磁電流，采用具有可逆功能的電流可逆斬波電路102，可實現(xiàn)取消常規(guī)的蓄電池供勵磁系統(tǒng)，通過其第二電力電子開關(guān)VT2的開關(guān)動作，實現(xiàn)啟動時由電網(wǎng)端向開關(guān)磁阻發(fā)電機提供勵磁電流并可調(diào)節(jié)，進一步降低了結(jié)構(gòu)的復雜度，減少了維護工作量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1所示為本實用新型的海上風電場結(jié)構(gòu)圖。
[0026]圖2所示為本實用新型的開關(guān)磁阻風力發(fā)電機直流輸出電流可逆電能變換系統(tǒng)圖。
[0027]圖3所示為本實用新型的電流可逆斬波電路102圖。
[0028]圖中:la、lb、...]^代表各開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)，2代表海底電纜，3代表岸上變電站，101代表開關(guān)磁阻發(fā)電機及其控制系統(tǒng)，102代表電流可逆斬波電路102，103代表電力電子開關(guān)，104代表濾波器。

【具體實施方式】
[0029]針對如圖1所示的串聯(lián)型海上風電場，開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)la、lb、…為多個風力機驅(qū)動的開關(guān)磁阻發(fā)電機及相應的控制和電能變換裝置，各開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)輸出的直流電壓雖然相對較低，但眾多個開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)串聯(lián)構(gòu)成直流高壓，經(jīng)由海底電纜2傳輸給岸上變電站3，再由岸上變電站3逆變后與外部交流電網(wǎng)連接。
[0030]開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)la、lb、…即開關(guān)磁阻風力發(fā)電機直流輸出電流可逆電能變換系統(tǒng)包括開關(guān)磁阻發(fā)電機及其控制系統(tǒng)101、電流可逆斬波電路102、電力電子開關(guān)103、濾波器104，如圖2所示，開關(guān)磁阻發(fā)電機及其控制系統(tǒng)101完成對自身開關(guān)磁阻發(fā)電機的常規(guī)控制和最大功率點跟蹤控制，電流可逆斬波電路102實現(xiàn)一定范圍內(nèi)輸出電壓可調(diào)節(jié)，并在開關(guān)磁阻發(fā)電機啟動時提供勵磁電流，濾波器104對預輸出的直流電進行電壓和電流的濾波，電力電子開關(guān)103的作用是在開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)需停機時斷開，系統(tǒng)運行時閉合。
[0031]圖3所示為電流可逆斬波電路102，第一電容器Cl、第二電容器C2的作用是對開關(guān)磁阻發(fā)電機直接發(fā)出的直流電濾波、電壓支撐，以及緊急情況下抑制電壓沖擊的作用，而第一電阻Rl和第二電阻R2則起到分別平衡第一電容器Cl和第二電容器C2的電壓，保護這兩個電容器的電壓均勻、安全，同時吸收第一電容器Cl和第二電容器C2多余電能的作用；第一電阻Rl和第二電阻R2的阻值相當高，應在百ΜΩ級別，因為電阻過小會引起的較大的功率損耗并有過流的可能。
[0032]如圖3所示，第一電力電子開關(guān)VTl和第二電力電子開關(guān)VT2可以是IGBT，或者其他可控的電力電子器件，如晶閘管，若采用晶閘管，需設(shè)置晶閘管關(guān)斷的輔助電路。
[0033]電抗器L的電感值需足夠大，以滿足相應支路上電流平穩(wěn)的需要。
[0034]圖3中，第一電力電子開關(guān)VTl和第一電力二極管VDl構(gòu)成降壓斬波電路，在開關(guān)磁阻發(fā)電機及其控制系統(tǒng)101及電網(wǎng)正常運行工作時，該第一電力電子開關(guān)VTl和第一電力二極管VDl工作，根據(jù)第一電力電子開關(guān)VTl的開關(guān)占空比的變化，輸出直流電壓在低于輸入電壓以下一定范圍內(nèi)可調(diào)，以適應大系統(tǒng)控制和供電的需要，此時第二電力電子開關(guān)VT2處于斷開狀態(tài)，并且第二電力二極管VD2也處于斷態(tài)。
[0035]當開關(guān)磁阻發(fā)電機從停止狀態(tài)需要啟動時，第一電力電子開關(guān)VTl處于斷態(tài)，控制第二電力電子開關(guān)VT2閉合，加之第二電力二極管VD2的導通，原輸出側(cè)即直流網(wǎng)側(cè)將逆向給開關(guān)磁阻發(fā)電機及其控制系統(tǒng)101中開關(guān)磁阻發(fā)電機的繞組中提供勵磁電流，從而幫助其啟動并發(fā)電，而電流可逆斬波電路102的輸出電壓極性相對發(fā)電正常運行時并未改變；并且，可以通過控制第二電力電子開關(guān)VT2的占空比來調(diào)節(jié)啟動勵磁電流大小，以滿足需要。
[0036]第三電阻R3是主要起保護作用的低阻值功率電阻。
【權(quán)利要求】
1.開關(guān)磁阻風力發(fā)電機直流輸出電流可逆電能變換系統(tǒng)，由開關(guān)磁阻發(fā)電機及其控制系統(tǒng)(101)、電流可逆斬波電路(102)、電力電子開關(guān)(103)、濾波器(104)組成；其技術(shù)特征在于，所述開關(guān)磁阻發(fā)電機及其控制系統(tǒng)(101)的輸出直流電正負端連接所述的電流可逆斬波電路(102)的輸入兩端，電流可逆斬波電路(102)的兩個輸出端的其中一端連接所述的電力電子開關(guān)(103)，電力電子開關(guān)(103)的另一端連接所述的濾波器(104)的輸入一端，濾波器(104)的另一輸入端連接電流可逆斬波電路(102)的沒有與電力電子開關(guān)(103)直接連接的另一輸出端，濾波器(104)輸出兩端并與風電場的其他開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)串聯(lián)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)磁阻風力發(fā)電機直流輸出電流可逆電能變換系統(tǒng)，其特征是，所述的電流可逆斬波電路(102)，由第一電容器(Cl)、第二電容器(C2)、第一電阻(Rl)、第二電阻(R2)、第一電力電子開關(guān)(VTl)、第二電力電子開關(guān)(VT2)、第一電力二極管(VD1)、第二電力二極管(VD2)、電抗器(L)、第三電阻(R3)組成；其技術(shù)特征在于，所述第一電容器(Cl)和所述第二電容器(C2)串聯(lián)后上下分別連接來自開關(guān)磁阻發(fā)電機及其控制系統(tǒng)(101)輸出的正負極，所述第一電阻(Rl)和所述第二電阻(R2)串聯(lián)后上下分別連接來自開關(guān)磁阻發(fā)電機及其控制系統(tǒng)(101)輸出的正負極，第一電容器(Cl)和第二電容器(C2)的中間串聯(lián)點與第一電阻(Rl)和第二電阻(R2)的中間串聯(lián)點連接，其中第一電阻(Rl)和第二電阻(R2)距離電流可逆斬波電路(102)輸入端相對第一電容器(Cl)和第二電容器(C2)遠，所述第一電力電子開關(guān)(VTl)和所述第二電力電子開關(guān)(VT2)按從上到下順序串聯(lián)后再與由第一電阻(Rl)和第二電阻(R2)組成的支路并聯(lián)，所述第二電力二極管(VD2)和所述第一電力二極管(VDl)按從上到下順序串聯(lián)后再與由第一電力電子開關(guān)(VTl)和第二電力電子開關(guān)(VT2)組成的支路并聯(lián)，并且第一電力電子開關(guān)(VTl)和第二電力電子開關(guān)(VT2)的中間串聯(lián)點與第二電力二極管(VD2)和第一電力二極管(VDl)的中間串聯(lián)點連接并且外接所述電抗器(L)的一端，電抗器(L)的另一端連接所述第三電阻(R3)的一端，第三電阻(R3)的另一端為電流可逆斬波電路(102)的輸出正端，電流可逆斬波電路(102)的輸出負端與它的輸入負端等電位。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)磁阻風力發(fā)電機直流輸出電流可逆電能變換系統(tǒng)，其特征是，所述電力電子開關(guān)(103)為常閉開關(guān)，當開關(guān)磁阻發(fā)電機及其控制系統(tǒng)(101)或電流可逆斬波電路(102)發(fā)生故障，或者風力過小或過大需要停止發(fā)電時，將電力電子開關(guān)(103)斷開。
【文檔編號】H02P101/15GK204258685SQ201420778265
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月11日
【發(fā)明者】孫冠群 申請人:中國計量學院