專利名稱：一種基于直流電流源回路的風電場匯流與并網方法
技術領域：
本發明涉及一種電力轉換方法，更具體的，涉及一種基于直流電流源回路的風電場匯流與并網方法。
背景技術：
風能是一種潛力很大的新能源，有人估計過，地球上可用來發電的風力資源約有100億千瓦，幾乎是現在全世界水力發電量的10倍。利用風能進行發電的技術也獲得了突飛猛進的發展，最近幾年風力發電的裝機容量有了巨大的增長，但是由于受環境條件限制，清潔能源發電一般裝機容量小，分布廣，供電質量不高并且遠離主網，如中小型水電廠、風電場(含海上風電場)、潮汐電站、太陽能電站等，由于其運營成本很高以及交流線路輸送能力偏低等原因使采用交流互聯方案在經濟和技術上均難以滿足要求，利用直流輸電與主網實現互聯是充分利用可再生能源的最佳方式，有利于保護環境。緩解系統電壓波動而引 起的風電并網母線電壓波動。直流隔離作用能提高風電場在交流系統故障下的低電壓穿越能力。動態無功補償能力，風電場并網最佳技術手段。簡化雙饋感應風機、永磁直驅風機，異步感應風機的設計，降低風電場建設成本。采用直流電纜作為輸送路徑，是遠距離大型海上風電場并網的最佳手段。但是最新的資料和媒體報道顯示，遠距離大型海上風電采用的匯流和并網方法為風力發電機發出的電能經過風機變流器變成直流電，然后再由并網變流器變成交流電，然后經過升壓變壓器將電壓升高到合適的值，再經過柔性直流輸電的變流器變換成高壓直流電進行海上遠距離傳輸。電能到了岸上，再經過柔性直流輸電的變流器，變換成交流電并入電網。從本質上來說這種風電場的匯流方法是電流匯流，每臺風機都要配備一臺變壓器，將風機變流器輸出的電壓變換為匯流母線的電壓(一般為35kV)，風機之間采用并聯的方式，將小電流匯集起來，成為一個大電流，從而達到匯流的目的。這種匯流與并網方法有如下缺點1，風機變流器本身是有直流環節的，卻要將直流變換成交流，升壓后，再通過柔性直流輸電的變流器變換成直流，這樣便增加了中間的交流環節，增加了設備投資，降低了可靠性，并使成本升高。2，需要在海上建立高壓變電站與柔性直流輸電用的高壓大容量變流器，使施工難度增加，并增加了建設成本與運行維護成本。3，風電場需要用海底電纜進行匯流，如果采用交流匯流，那么相間電容和相對地的電容會很大，這會導致功率的傳輸變的困難，也會增加設備投資。
發明內容
本發明所涉及的基于直流電流源回路的風電場匯流與并網方法為解決以上問題提供了一個可行的思路。本發明所提出的基于直流電流源回路的風電場匯流與并網方法，從本質上來說是一種電壓“匯流”，確切一點說應該叫做“匯壓”，這種方法用直流電流源回路將風機變流器和并網變流器的直流電流源回路側串聯起來，則多個風機變流器的直流電流源回路側輸出的電壓便可以疊加起來，成為一個高電壓，因此不需要將直流變成交流也可以實現升壓的目的；并網變流器的直流電流源回路側輸出合適的電壓，使直流電流源回路中的電流保持合理的值，其中風機變流器與并網變流器可以有多種形式可供選擇。本發明采用下述方案來實現本發明的目的一種基于直流電流源回路的風電場匯流與并網方法，其主電路結構包括電網、并網變流器、直流電流源回路、一個或多個風機變流器、風力發電機；控制系統包括并網變流器控制系統和風機變流器控制系統；直流電流源回路將風機變流器和所述并網變流器串聯起來；并網變流器連接在電網和直流電流源回路之間；風機變流器連接在直流電流源回路和風力發電機之間；電網為三相交流電網、單相交流電網、直流電壓源電網、直流電流源電網的其中之一或是其組合； 并網變流器由電力電子器件、電容、電感、電阻或其組合構成，并網變流器和并網變流器控制系統協同工作，其作用為控制直流電流源回路中的電流大小，同時向電網中輸送電能；直流電流源回路由電力電子器件、電容、電感、電阻或其組合構成，且至少包含一個電感，其作用為抑制直流電流源回路中的電流變化；風機變流器由電力電子器件、電容、電感、電阻或其組合構成，風機變流器與風機變流器控制系統協同工作，用于控制風力發電機發出的功率，同時向直流電流源回路輸送電能。本發明中所提出的方法中，風機變流器的直流電流源回路側輸出的電壓可以疊加起來，在直流電流源回路中形成高電壓，該高電壓的形成便是能量的匯集過程。并網變流器與并網變流器控制系統根據輸送到電網中的功率大小來調整直流電流回路中的電流大小，其目的在于，當輸送到電網中的功率減小(或增大)時，使并網變流器和風機變流器的直流電流源回路側輸出的電壓保持較高，直流電流源回路中的電流減小(或增大)。本發明中所提出的方法中，電網、并網變流器、直流電流源回路、風機變流器、風力發電機中含有保護裝置，由避雷器、斷路器、旁路開關等其中之一或是其組合構成，并聯或串聯在需要保護的裝置或器件上，用于保護系統中各部分的電流和電壓工作在安全的范圍內，故障情況下，保護系統中各裝置或器件的安全。
圖I是基于直流電流源回路的風電場匯流與并網方法的示意2是具體是實施方式中基于直流電流源回路的風電場匯流與并網方法的主電路結構3是具體是實施方式中的風機變流器結構示意4是當風力發電機輸出的功率變化時，輸入電網的功率變化曲線
具體實施例方式本發明所提出的基于直流電流源回路的風電場匯流與并網方法，現結合附圖和具體實施方式
說明如下如圖2所示，主電路的結構及參數電網為三相交流電網，接入點的電壓為220kV，經過降壓變壓器將電壓降低到35kV，該降壓變壓器的變比為220kV/35kV，容量為6OMVA，阻抗為10%o35kV母線上接入兩臺整流變壓器，變比為35kV/4kV，兩臺整流變壓器的高壓側均為三角形連接，其中一臺整流變壓器低壓側為星型連接，另外一臺整流變壓器低壓側為三角形連接，容量為8. 5MVA，阻抗為10%。兩臺整流變壓器的低壓側分別接晶閘管相控整流電路，兩個晶閘管相控整流電路串聯連接，然后在串聯接入到直流電流源回路中，直流電流源回路中串聯接入500mH的電感用于抑制電流的波動。35kV母線上接有濾波與無功補償設備，由單調諧濾波器，高通濾波器，和靜止同步補償器(STATC0M)構成，其中單調諧濾波器由5次，7次，11次，13次組成，基波無功容量均為2MVar，高通濾波器為22. 5次高通濾波器，容量為2MVar。靜止同步補償器(STATC0M)的
容量為lOMVar。單調諧濾波器和高通濾波器用來補償容性無功，并濾除35kV母線上的諧波電流。靜止同步補償器(STATC0M)的作用為控制220kV接入點的功率因數接為I。用三臺風力發電機來模擬風電場。風力發電機采用異步感應電機，額定容量為5MW，額定電壓為2kV。風機變流器采用直流斬波電路和中點鉗位式三電平電壓源變流器的組合。其中直流側兩個電容的電壓均為1.5kV，變流器的交流測輸出線電壓最大為2kV，如圖3所示。風機變流器的控制中點鉗位式三電平電壓源變流器的主要作用是輸出一個合適的交流電壓，用于驅動異步感應發電機，控制異步感應發電機輸出的功率，關于異步感應發電機的驅動方法并非本發明的內容，因此這里不再贅述，其驅動方法可以查閱相關的資料。直流斬波電路的控制以電壓源變流器的直流側電容電壓作為反饋信號，與電容電壓參考值進行比較后，進入比例積分控制器，控制器的輸出為開關管的占空比，其范圍為O到1，該占空比與幅值為O到1，頻率為500Hz的三角波進行比較后，生成開關管的開關信號，用于驅動開關的通斷。因此直流斬波電路的控制能夠使電壓源變流器的直流側電容電壓維持在電容電壓參考值附近。并網變流器的控制從整流變壓器的35kV側檢測輸入電網的有功功率，該有功功率經過一個時間常數為O. I秒，增益為-O. 11的一階慣性濾波，再經過限幅環節，將該值限制在O. I到2之間，然后得到直流電流源回路的參考電流值，該參考值與直流電流源回路的實際電流進行比較，比較的結果輸入到比例積分控制器中，然后經過限幅環節，將該值限制到-O. 85到+0. 85之間，然后求該值的反余弦，最后得到晶閘管的觸發角。該觸發角在經過觸發脈沖生成環節，生成用于觸發晶閘管的觸發脈沖。了仿真電路。從仿真時間為1.4秒時，風力發電機輸出的功率開始從OMW增加，到仿真時間為4. 6秒時，風力發電機的功率增加到14MW，之后保持不變。如圖4所示，為輸入電網的有功功率變化曲線，仿真結果表明，本發明所提出的方法能夠達到預期的目的。以上實施方式僅用于說明本發明，而并非對本發明的限制，有關技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術方案也屬于本發明的范疇，本發明的專利保護范圍應由權利要求限定。
權利要求
1.一種基于直流電流源回路的風電場匯流與并網方法，其特征在于，所述方法的主電路結構包括電網(100)、并網變流器(101)、直流電流源回路(102)、一個或多個風機變流器(104)、風力發電機(105);所述方法的控制系統包括并網變流器控制系統(103)和風機變流器控制系統(106)； 所述直流電流源回路(102)將所述一個或多個風機變流器(104)和所述并網變流器(101)串聯起來；所述并網變流器(101)連接在所述電網(100)和所述直流電流源回路(102)之間；所述風機變流器(104)連接在所述直流電流源回路(102)和所述風力發電機之間(105)； 所述電網(100)為三相交流電網、單相交流電網、直流電壓源電網、直流電流源電網的其中之一或是其組合； 所述并網變流器(101)由電力電子器件、電容、電感、電阻或其組合構成，所述并網變流器(101)和所述并網變流器控制系統(103)協同工作，用于控制直流電流源回路中的電流大小，同時向所述電網(100)中輸送電能； 所述直流電流源回路(102)由電力電子器件、電容、電感、電阻或其組合構成，且至少包含一個電感(102a)，其作用為抑制所述直流電流源回路(102)中的電流變化； 所述風機變流器(104)由電力電子器件、電容、電感、電阻或其組合構成，所述風機變流器(104)與所述風機變流器控制系統(106)協同工作，用于控制所述風力發電機(105)發出的功率，同時向所述直流電流源回路(102)輸送電能。
2.根據權利要求I所述的基于直流電流源回路的風電場匯流與并網方法，其特征在于，所述風機變流器(104)的直流電流源回路側輸出的電壓可以疊加起來，在所述的直流電流源回路(102)中形成高電壓。
3.根據權利要求I所述的基于直流電流源回路的風電場匯流與并網方法，其特征在于，所述的并網變流器控制系統(103)與所述的并網變流器(101)根據輸送到電網(100)中的功率大小來調整所述直流電流回路(102)中的電流大小，其目的在于，當輸送到所述電網(100)中的功率減小(或增大)時，使所述并網變流器(101)和所述風機變流器(104)的直流電流源回路側輸出的電壓保持較高，所述直流電流源回路(102)中的電流減小(或增大)。
4.根據權利要求I中所述的基于直流電流源回路的風電場匯流與并網方法，其特征在于，所述的電網(100)、并網變流器(101)、直流電流源回路(102)、風機變流器(104)、風力發電機(105)中含有保護裝置，由避雷器、斷路器、旁路開關等其中之一或是其組合構成，并聯或串聯在需要保護的裝置或器件上，用于保護系統中各部分的電流和電壓工作在安全的范圍內，故障情況下，保護系統中各裝置或器件的安全。
全文摘要
本發明提出了一種基于直流電流源回路的風電場匯流與并網方法，屬于電力的轉換與傳輸技術；可以解決風電場的匯流與并網問題；其特征在于，用含有濾波電感的直流電流源回路將一個或多個風機變流器與并網變流器串聯起來，使風力發電機輸出的電能從風機變流器經過直流電流源回路傳送到并網變流器中，由并網變流器將電能輸送到電網中；其優點在于，風機變流器的直流電流源回路側的輸出電壓可以疊加起來，形成高電壓；該技術可以用于陸地或海上風電場的匯流與并網。
文檔編號H02J3/38GK102780231SQ20121015623
公開日2012年11月14日 申請日期2012年5月18日 優先權日2012年5月18日
發明者郭高朋 申請人:郭高朋