一种风力发电机组并网系统的制作方法

1.本实用新型属于风力发电机组并网控制领域，尤其涉及风力发电机组功率控制、组网及并网的技术。


背景技术：

2.随着社会发展对能源的需求和要求一步步提高，对环境造成污染的化石能源逐渐被淘汰，风能、光伏等可再生能源已在电力舞台上大放异彩。
3.目前的风力发电技术主要有全功率风力发电和双馈风力发电两种，其中全功率风力发电技术在风力发电机定子与电网间连接了一个与风力发电机功率相同的变流器,将风力发电机发出的电压、频率不同的电力经过整流、逆变后变成与电网电压、频率相同的电力输入电网。全功率风力发电可以实现发电机与电网全隔离，发电机所受冲击小、寿命长、故障率低，特别是对电网波动的敏感度小，可较为便利地实现低电压穿越功能，在电网故障时可以发出无功，以维持电网电压，逐渐成为风力发电的新方向。
4.现有全功率风力发电通常利用全功率风电变流器机侧部分实现风电机组的转矩控制，网侧部分实现并网控制。实际中为了避免共模电压对风力发电机的影响，改善系统安全性能，需要使用到体积大、成本高的工频隔离变压器，导致全功率风力发电在中小功率应用场所的使用存在一定的局限性。如果通过前级机侧采用独立变换器实现转矩控制，进而实现风电机组的最大功率跟踪(mppt)，多机直流汇集后再通过集中式变换器实现并网，可以有效降低全功率风电机组的成本，提升中小功率全功率风电机组的经济适用性。


技术实现要素：

5.本实用新型针对风力发电机组的并网问题，提出了一种利用隔离型变换器实现风电机组输入与输出隔离、将多台风电机组输出通过灵活串并联连接后利用非隔离型的集中式dc/ac变换器实现并网。
6.技术方案
7.为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
8.一种风力发电机组并网系统，包括风力发电机组以及非隔离型dc/ac变换器，其特征在于：
9.风力发电机组包括单台风力发电机和功率控制器；
10.非隔离型dc/ac变换器设在多台风力发电机组的输出汇集的直流母线上，用于将多台风力发电机组串/并联后的输出汇集到直流母线后并网。
11.本实用新型还进一步采用以下优选技术方案：
12.多台风力发电机组的串并联方式包括串联、并联、先串后并、先并后串。
13.在每台风力发电机组的输出侧设置功率控制器。
14.所述功率控制器包括三相不控整流器、储能电感、单相全桥逆变器、隔离变压器、单相不控整流器、滤波电容；
15.所述三相不控整流器、储能电感、单相全桥逆变器、隔离变压器、单相不控整流器、滤波电容依次设在风力发电机的输出侧。
16.所述三相不控整流输入端与风力发电机组的交流输出端相连；
17.三相不控整流的输出端通过储能电感与单相全桥逆变器输入端相连；
18.单相全桥逆变器输出端与隔离变压器原边相连；
19.单相不控整流器的输入端与隔离变压器的副边相连；
20.单相不控整流输出端通过滤波电容后汇集到直流母线。
21.所述储能电感连接在三相不控整流器共阴极组与单相全桥逆变器共射极组之间。
22.所述滤波电容连接在单相不控整流器的共阴极组和共阳极组之间。
23.本专利的有益效果
24.与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：
25.1)每台风电机组可利用隔离的dc/dc变换器同时实现输入与输出隔离、变压及mppt功能；
26.2)多台风电机组输出可灵活串并联后汇集到直流母线，可避免风电机组间的共模电压和电压等级不匹配等问题，方便组成不同电压等级；
27.3)直流汇集后可通过非隔离型的集中式dc/ac变换器实现并网，减少了并网逆变器数量和成本，避免使用工频隔离变压器，提升了系统经济性。
附图说明
28.图1是本实用新型的并网系统的结构示意图。
29.图2是本实用新型的单台风电机组的功率控制器结构示意图。
具体实施方式
30.下面将结合本实用新型的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
31.如图1、2所示，实用新型提供一种风力发电机组并网系统，该系统包括多台风机及其各自的功率控制器10以及非隔离型dc/ac变换器12。
32.在每台风力发电机组的输出侧设置功率控制器10。
33.具体地，该功率控制器10包括三相不控整流器1、储能电感2、单相全桥逆变器3、隔离变压器4、单相不控整流器5、滤波电容6。
34.风力发电机的交流输出端与三相不控整流输入端相连；三相不控整流的输出端通过储能电感2与单相全桥逆变器3输入端相连；单相全桥逆变器3输出端作为高频升压隔离变压器4原边；高频升压隔离变压器4副边与单相不控整流输入端相连；单相不控整流输出端通过滤波电容6后汇集到直流母线11。
35.风力发电机交流输出经过三相不控整流器1将风力发电机的三相交流输出变化为单相直流输出。三相不控整流器1由六个不可控二极管构成三组桥臂，各上桥臂第一二极管d1、第三二极管d3、第五二极管d5的阴极连接在一起构成三相不控整流器1的共阴极组，各下
桥臂第二二极管d2、第四二极管d4、第六二极管d6的阳极连接在一起构成三相不控整流器1的共阳极组。风力发电机a、b、 c三相分别连接到三组桥臂中间。a相输出与第一二极管d1的阳极和第四二极管d4阴极相连，b相输出与第三二极管d3的阳极和第六二极管d6阴极相连，c 相与第五二极管d5的阳极和第二二极管d2阴极相连。由于二极管的单向导电性和三相交流电特点，三相电压瞬时值最大的的那一相上管自然导通，三相电压瞬时值最小的那一相下管自然导通。通过六个不控二极管依次导通实现三相整流，最终输出脉动的三相线电压最大值。以下给出二极管动作时序：
36.1)a相电压瞬时值最大，c相电压瞬时值最小时，第一二极管d1和第二二极管d2导通，其余二极管截止，输出线电压v
ac
；
37.2)当b相电压瞬时值最大，c相电压瞬时值最小时，第二二极管d2和第三二极管d3导通，其余二极管截止，输出线电压v
bc
；
38.3)b相电压瞬时值最大，a相电压瞬时值最小时，第三二极管d3和第四二极管d4导通，其余二极管截止，输出线电压v
ba
；
39.4)c相电压瞬时值最大，a相电压瞬时值最小时，第四二极管d4和第五二极管d5导通，其余二极管截止，输出线电压v
ca
；
40.5)c相电压瞬时值最大，b相电压瞬时值最小时，第五二极管d5和第六二极管d6导通，其余二极管截止，输出线电压v
cb
；
41.6)a相电压瞬时值最大，b相电压瞬时值最小时，第一二极管d1和第六二极管d6导通，其余二极管截止，输出线电压v
ab
。
42.三相不控整流器1输出端经过储能电感2后与单相全桥逆变器3相连，具体地，储能电感2连接在三相不控整流器1共阴极组与单相全桥逆变器3共射极组之间。单相全桥逆变器3由四个开关管构成两组桥臂，各下桥臂开关管第三开关 s3、第四开关s4的阴极连接在一起构成单相全桥逆变器3的共射极组，各上桥臂开关管第一开关s1、第二开关s2的阳极连接在一起构成单相全桥逆变器3的共集电极组。通过控制单相全桥逆变器3四个开关管实现直流逆变。以下给出典型的开关管动作时序：
43.单相全桥逆变器3工作在以下三种模态：模态一：全部开关导通，风力发电机输出经过三相不控整流器1整流后与储能电感2串联，储能电感2充电，电流增加，风电机组高频升压隔离变压器4副边输出电压为零，输出功率为零。
44.模态二：第一开关s1、第三开关s3导通，第二开关s2、第三开关s4关断，风力发电机输出经过整流后与储能电感2、高频升压隔离变压器4原边串联,储能电感2放电，电流减小，高频升压隔离变压器4副边输出电压为滤波电容6电压，输出功率非零。
45.模态三：第二开关s2、第四开关s4导通，第一开关s1、第三开关s3关断，风力发电机输出经过整流后与储能电感2和高频升压隔离变压器4原边串联,储能电感2放电，电流减小，高频升压隔离变压器4副边输出电压为反向的滤波电容6电压，输出功率非零。
46.单相全桥逆变器的周期工作模态切换顺序为：模态一、模态二、模态一、模态三，从而实现逆变功能。
47.每台风电机组采用高频升压隔离变压器4实现高频传输、升压、输入与输出隔离。高频升压隔离变压器4副边与单相不控整流器5相连，实现整流输出。
48.高频升压变压器的原边分别与单相全桥逆变器两组桥臂中间引出，副边与单相不
控整流器5输入端相连。
49.单相不控整流器5由四个不可控二极管构成两组桥臂，各上桥臂的第七二极管d7、第八二极管d8的阴极连接在一起构成单相不控整流器5的共阴极组；各下桥臂第九二极管d9、第十d
10
的阳极连接在一起构成单相不控整流器5的共阳极组。以下给出二极管动作时序：
50.处于高频交流正半周期时，第七二极管d7、第八二极管d8导通，第九二极管d9、第十二极管d10截止，输出高频交流正半周期；
51.处于高频交流负半周期时，第九二极管d9、第十d10导通，第七二极管d7、第八二极管d8截止，实现高频交流负半周期翻转。
52.非隔离型dc/ac变换器12设在多台风力发电机组的输出汇集的直流母线11 上，用于将多台风力发电机组串/并联后的输出汇集到直流母线11后并网。多台风力发电机组的串并联方式包括串联、并联、先串后并、先并后串。并且，该非隔离型dc/ac变换器12可以使用常规dc/ac变换器均可此满足需求。
53.本实用新型的并网系统通过采集单相不控整流器5输出侧的瞬时电压uo、瞬时电流io、储能电感2的瞬时电流i
l
以及当前风速来进行功率控制。
54.具体地，首先，按预定间隔采集风速v
win
、单相不控整流器5输出侧的瞬时电压uo、瞬时电流io、储能电感2的瞬时电流i
l
以及三相不控整流器1输出侧电压v
in
。
55.其次，基于采集的风速v
win
以及三相不控整流器1输出侧电压v
in
计算储能电感2的电流参考值初始值i
l-ref
。
56.具体地，通过以下公式计算储能电感2电流参考值初始值：
[0057][0058]
其中，i
l-ref
表示储能电感2的电流参考值初始值，pw表示发电机的功率曲线查表上得到的在所采集的风速v
win
下对应的功率值。需要说明的是，在步骤3 中，仅需要计算储能电感2电流参考值初始值即可。
[0059]
基于单相不控整流器5输出侧的瞬时电压uo、瞬时电流io计算其瞬时功率po。
[0060]
之后，比较第k个采集时刻的瞬时功率po(k)和第k-1个采集时刻的瞬时功率 po(k-1)，基于比较结果计算第k个采集时刻的储能电感2的电流参考值。
[0061]
具体地，为储能电感2增加扰动δi，并计算增加扰动后的瞬时功率po(k)。其中，该扰动足够小。将增加扰动后的瞬时功率po(k)与前一次采集时刻的瞬时功率po(k-1)进行比较；若po(k)≥po(k-1)，则使第k个采集时刻的电流参考值 i
l-ref
(k)＝i
l-ref
(k-1)-δi，若po(k)《po(k-1)，则使第k个采集时刻的电流参考值 i
l-ref
(k)＝i
l-ref
(k-1)+δi。
[0062]
最后基于电流参考值i
l-ref
与储能电感2的实际瞬时电流i
l
，计算电感误差δi
l
，将电感误差δi
l
经过pi调节放大和限幅后与三角载波作比较，确定单相不控整流器5的工作模态。
[0063]
具体地，若经过pi调节放大和限幅的电感误差δi
l
大于三角载波幅值，则使单相不控整流器5轮流工作在第二工作模态和第三工作模态，向负载供电，电流减小；若经过pi调节放大和限幅的电感误差δi
l
小于三角载波幅值，则使单相不控整流器5工作在第一工作模态，电流增大。
[0064]
本实用新型中，每台风电机组可利用隔离的dc/dc变换器同时实现输入与输出隔离、变压及mppt功能；多台风电机组输出可灵活串并联后汇集到直流母线11，可避免风电机组间的共模电压和电压等级不匹配等问题，方便组成不同电压等级。直流汇集后可通过非隔离型的集中式dc/ac变换器12实现并网，减少了并网逆变器数量和成本，避免使用工频隔离变压器，提升了系统经济性。
[0065]
在本实用新型中，每台风电机组采用高频升压隔离变压器实现了前级输入与输出的隔离，便于多台风电机组输出灵活串并联后汇集到直流母线11，可组成不同电压等级、功率等级的直流母线系统。
[0066]
本实用新型结合说明书附图对本实用新型的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本实用新型的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本实用新型精神，而并非对本实用新型保护范围的限制，相反，任何基于本实用新型的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本实用新型的保护范围之内。