一種基于全波斬控整流電路的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種基于全波斬控整流電路的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于：由原動(dòng)機(jī)，齒輪箱，發(fā)電機(jī)，變壓器，N個(gè)全波斬控整流電路和直流系統(tǒng)構(gòu)成；其中發(fā)電機(jī)的輸出接變壓器的一次繞組，變壓器的二次繞組有N個(gè)相互隔離的線圈，每個(gè)線圈接全波斬控整流電路的交流輸入；全波斬控整流電路包含單相全橋二極管整流電路，濾波電容，斬波電路；N個(gè)全波斬控整流電路的交流側(cè)相互隔離，直流側(cè)依次串聯(lián)連接，然后接入直流系統(tǒng)，用于電能的匯集與傳輸。N個(gè)全波斬控整流電路的交流側(cè)電流畸變率很小，直流側(cè)輸出電壓0到最大值可調(diào)。
【專利說明】-種基于全波斬控整流電路的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電力轉(zhuǎn)換方法，更具體的說，涉及一種基于全波斬 控整流電路的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著全球氣候變暖，二氧化碳排放量持續(xù)增加以及傳統(tǒng)化石能源的逐漸枯竭，人 們對(duì)可再生能源的關(guān)注越來越多，而陸上的太陽能與風(fēng)能的開發(fā)技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，并已 經(jīng)大規(guī)模開發(fā)，而海上風(fēng)電由于離岸較遠(yuǎn)，其建設(shè)與維護(hù)就非常困難，對(duì)于離岸較遠(yuǎn)的風(fēng)力 發(fā)電場，直流傳輸成為唯一可供選擇的電能傳輸方案，現(xiàn)在的離岸距離較遠(yuǎn)的風(fēng)力發(fā)電場 的電能匯集與轉(zhuǎn)換的方法為：風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用異步雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)，通過齒輪箱將轉(zhuǎn)速提 高到額定轉(zhuǎn)速附近，雙饋感應(yīng)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子采用交流勵(lì)磁，以控制異步雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸 出電壓為50Hz，然后經(jīng)過升壓變壓器升高到35kV，進(jìn)行中壓匯流，通過海上平臺(tái)的換流變 壓器和電壓源變流器（Voltage Source Convertor, VSC)將交流電轉(zhuǎn)化成直流電，然后通 過海底直流電纜進(jìn)行傳輸。這種方法需要建設(shè)昂貴的海上平臺(tái)用于放置換流變壓器、電壓 源變流器及其附屬設(shè)備，建設(shè)成本高，且周期長，維護(hù)困難，運(yùn)行時(shí)的功率損耗較大。風(fēng)電變 流器采用電力電子設(shè)備進(jìn)行交流勵(lì)磁，該設(shè)備的故障率高，增加了維護(hù)成本?，F(xiàn)有的海上風(fēng) 力發(fā)電系統(tǒng)采用中等電壓等級(jí)的交流進(jìn)行匯流，其開關(guān)設(shè)備較多，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。當(dāng)發(fā)生交流 短路時(shí)，對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的影響較大，可能會(huì)造成風(fēng)機(jī)大面積脫網(wǎng)。
[0003] 目前，已經(jīng)有多篇文獻(xiàn)針對(duì)直流串聯(lián)的海上風(fēng)電進(jìn)行了研究，直流串聯(lián)的海上風(fēng) 電匯集與傳輸系統(tǒng)采用變流器的直流側(cè)串聯(lián)，得到一個(gè)高電壓，用于海上風(fēng)電的匯集和傳 輸，嚴(yán)格來說，傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電的功率匯集方法為：匯流，而基于直流串聯(lián)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 的功率匯集方法為：匯壓，由于可以通過串聯(lián)的方式得到一個(gè)高電壓，所以可以省去海上平 臺(tái)以及高壓大容量電壓源變流器，從而大幅降低了建設(shè)成本和運(yùn)營成本，降低了系統(tǒng)的結(jié) 構(gòu)，提高了可靠性。但是由于傳統(tǒng)的交流-直流變換器的固有缺點(diǎn)，導(dǎo)致直流串聯(lián)結(jié)構(gòu)的風(fēng) 力發(fā)電系統(tǒng)只是處于前期的研究階段，且并不具有實(shí)用價(jià)值，其性能不滿足風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 的要求：交流側(cè)電流畸變小，直流側(cè)輸出電壓從〇到最大值任意可調(diào)，變流器技術(shù)成熟，成 本低，損耗小，控制簡單，可靠性高等?；诰чl管的相控整流器的直流側(cè)電壓可以任意調(diào) 節(jié)，但是交流側(cè)電流畸變大，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的性能與壽命造成重大影響；基于電壓源變流器 的風(fēng)電變流器（Voltage Source Convertor, VSC)交流側(cè)電流波形畸變率很小，但是直流 側(cè)電壓不可以任意調(diào)節(jié)，不適合用于直流串聯(lián)的風(fēng)電系統(tǒng)；基于全控型電流源變流器的風(fēng) 電變流器（Current Source Convertor, CSC)交流側(cè)電流波形畸變率小，且直流側(cè)電壓可 以任意調(diào)節(jié)，但其技術(shù)不成熟，且損耗較大，控制困難，且其他方面的應(yīng)用也幾乎沒有，針對(duì) CSC的研究也非常有限，只是停留在理論研究階段。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供了一種基于全波斬控整流電路的風(fēng)力發(fā)電系 統(tǒng)，其中全波斬控整流電路的交流側(cè)電流畸變很小，其直流側(cè)輸出是一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓， 且在0到最大值之間任意可調(diào)，通過調(diào)整直流輸出電壓來調(diào)整風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率， 使直流側(cè)串聯(lián)更加容易實(shí)現(xiàn)。
[0005] 本發(fā)明采用以下方法來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。
[0006] -種基于全波斬控整流電路的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于：由原動(dòng)機(jī)，齒輪箱，發(fā) 電機(jī)，變壓器，N個(gè)全波斬控整流電路和直流系統(tǒng)構(gòu)成。
[0007] 其中原動(dòng)機(jī)將風(fēng)力轉(zhuǎn)換成風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，經(jīng)過齒輪箱加速后，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能。
[0008] 發(fā)電機(jī)的輸出接變壓器的一次繞組，變壓器的二次繞組有N個(gè)相互隔離的線圈， 每個(gè)線圈接全波斬控整流電路的交流輸入。
[0009] N個(gè)全波斬控整流電路的直流輸出串聯(lián)連接，然后接入直流系統(tǒng)。
[0010] 直流系統(tǒng)用于風(fēng)電的匯集，傳輸與并網(wǎng)。
[0011] 全波斬控整流電路包含單相全橋二極管整流電路，濾波電容，斬波電路。
[0012] 單相全橋二極管整流電路作為全波斬控整流電路的交流輸入，單相全橋二極管整 流電路的直流側(cè)接濾波電容（C)，斬波電路的輸入接濾波電容的兩端，斬波電路的輸出作為 全波斬控整流電路的輸出。
[0013] 所述的斬波電路為單重?cái)夭娐坊蛴啥鄠€(gè)單重?cái)夭娐凡⒙?lián)連接構(gòu)成的多重?cái)?波電路。
[0014] 其中單重?cái)夭娐窞榻祲簲夭娐?，由IGBT (T)，二極管（D)和電感（L)構(gòu)成，IGBT 的集電極作為斬波電路的正極輸入，IGBT的發(fā)射極，二極管（D)的陰極和電感（L)的一端相 連，二極管（D)的陽極作為斬波電路的輸入和輸出的負(fù)極，電感（L)的另一端作為斬波電路 輸出的正極。
[0015] 所述的斬波電路中的IGBT的占空比為： _ F, X G …
[0016] D = -^- (1)。
[0017] 其中D為所述的直流斬波電路中IGBT的占空比，Vdc為所述的二極管整流電路直 流側(cè)電壓瞬時(shí)值，L為直流斬波電路輸出側(cè)電流，G為等效電導(dǎo)；通過控制等效電導(dǎo)（G)的 大小，便可以控制整流電路輸出電壓的大小。
[0018] 其中濾波電容（C)和斬波電路可以等效為一個(gè)電導(dǎo)為G的電導(dǎo)，連接在二極管整 流電路的直流側(cè)，從而使二極管整流電路的交流側(cè)電流為正弦波。
[0019] 全波斬控整流電路的輸出電壓為：
[0020] I，，= - ρ ι-- = d X L 二(2)。 Τ c ι· f 1 ：
[0021] 設(shè)二極管交流側(cè)電壓的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
[0022] U+二 (3)。
[0023] 則二極管直流側(cè)電壓表達(dá)式為：
[0024] = |sill(ftjf)l (4)0
[0025] 將式（4)帶入式（2)可以得到全波斬控整流電路的輸出電壓為：
[0026] F； = -[I ...eosa?f)] (5)。
[0027] 由式（5)可以看到，全波斬控整流電路的輸出電壓中含有直流分量和倍頻分量。
[0028] 所述的變壓器的二次側(cè)由一組或多組三相交流電源構(gòu)成，假設(shè)其中一組三相交流 電源的電壓為： rr? = Γ·； sin(f：3f)
[0029] 乂 I'； ； 1二 sin(_* - 2-了 / 3) (6)。 IV. = i'^siiiCoj* + 2,7/ 3)
[0030] 根據(jù)式（5)可以得到則每個(gè)全波斬控整流電路的輸出電壓為： r· χ； η ；rs, = -^_Ii-c〇a；2ftf)] ! -4 I -. F* xG
[0031] <； ····： -=-fj - cosl 2<ar + 3)] (7)。 ! 24 i - F+: x G . . -{1 ^ cos( 2ctf - 2π / 3)] 21 . K, ?·
[0032] 由于全波斬控整流電路的直流側(cè)串聯(lián)連接，則其直流側(cè)輸出電壓為：
[0033] =鏟知-?λ-,?, + (8)。
[0034] 將式（7)代入式（8)可以得到：
[0035] f".- = U(9)。 -24
[0036] 由式（9)可以看出，三相全波斬控整流電路的直流側(cè)輸出電壓是一個(gè)穩(wěn)定的直流 電壓，單個(gè)全波斬控整流電路的直流側(cè)串聯(lián)后，其輸出電壓中的倍頻波動(dòng)分量相互抵消了， 而三相交流電源輸入的電流為正弦波，可以通過改變等效電導(dǎo)（G)的大小來改變?nèi)喟肟?整流電路的輸出電壓。
[0037] 所述的發(fā)電機(jī)是永磁同步發(fā)電機(jī)或采用直流勵(lì)磁的同步發(fā)電機(jī)。
[0038] 采用本發(fā)明所提供的解決方案可以實(shí)現(xiàn)如下益處。
[0039] 全波斬控整流電路的直流側(cè)輸出電壓穩(wěn)定且可以在0到最大值之間可調(diào)，交流側(cè) 電流畸變率很小，其控制簡單。
[0040] 同等容量的變流器，全波斬控整流電路的所用的開關(guān)器件較少，節(jié)約成本，體積 小，結(jié)構(gòu)緊湊。
[0041] 全波斬控整流電路的容量擴(kuò)展容易實(shí)現(xiàn)，可以通過更多重?cái)夭娐穪頂U(kuò)展其電流 大小，可以通過串聯(lián)更多的全波斬控整流電路來實(shí)現(xiàn)電壓的擴(kuò)展。
[0042] 基于全波斬控整流電路的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變流環(huán)節(jié)較少，因此損耗較小。
[0043] 風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用永磁同步發(fā)電機(jī)或直流勵(lì)磁的同步發(fā)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)成 熟，可靠性高。
[0044] 發(fā)電機(jī)輸出交流電壓的頻率在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，基于全波斬控整流電路的風(fēng)力 發(fā)電系統(tǒng)輸出的直流電壓仍為穩(wěn)定且可調(diào)的直流電壓。
[0045] 由于發(fā)電機(jī)和變流器之間有變壓器進(jìn)行隔離，因此，可以對(duì)發(fā)電機(jī)和全波斬控整 流電路進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)，使其運(yùn)行在最優(yōu)的電壓和電流等級(jí)下。
[0046] 采用全控?cái)夭ㄕ麟娐?，易于?shí)現(xiàn)基于直流側(cè)串聯(lián)的風(fēng)電匯集、傳輸與并網(wǎng)系統(tǒng)， 且控制容易實(shí)現(xiàn)，穩(wěn)定運(yùn)行和故障下的控制與保護(hù)比較簡單，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，運(yùn) 行損耗小，運(yùn)行維護(hù)成本低。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0047] 圖1是基于全波斬控整流電路的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。
[0048] 圖2是全波斬控整流電路的結(jié)構(gòu)圖。

【具體實(shí)施方式】
[0049] 一種基于全波斬控整流電路的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于：由原動(dòng)機(jī)，齒輪箱，發(fā) 電機(jī)，變壓器，N個(gè)全波斬控整流電路和直流系統(tǒng)構(gòu)成。
[0050] 其中原動(dòng)機(jī)將風(fēng)力轉(zhuǎn)換成風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，經(jīng)過齒輪箱加速后，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能。
[0051] 發(fā)電機(jī)的輸出接變壓器的一次繞組，變壓器的二次繞組有N個(gè)相互隔離的線圈， 每個(gè)線圈接全波斬控整流電路的交流輸入。
[0052] N個(gè)全波斬控整流電路的直流輸出串聯(lián)連接，然后接入直流系統(tǒng)。
[0053] 直流系統(tǒng)用于風(fēng)電的匯集，傳輸與并網(wǎng)。
[0054] 全波斬控整流電路包含單相全橋二極管整流電路，濾波電容，斬波電路。
[0055] 單相全橋二極管整流電路作為全波斬控整流電路的交流輸入，單相全橋二極管整 流電路的直流側(cè)接濾波電容（C)，斬波電路的輸入接濾波電容的兩端，斬波電路的輸出作為 全波斬控整流電路的輸出。
[0056] 所述的斬波電路為單重?cái)夭娐坊蛴啥鄠€(gè)單重?cái)夭娐凡⒙?lián)連接構(gòu)成的多重?cái)?波電路。
[0057] 其中單重?cái)夭娐窞榻祲簲夭娐罚蒊GBT (T)，二極管（D)和電感（L)構(gòu)成，IGBT 的集電極作為斬波電路的正極輸入，IGBT的發(fā)射極，二極管（D)的陰極和電感（L)的一端相 連，二極管（D)的陽極作為斬波電路的輸入和輸出的負(fù)極，電感（L)的另一端作為斬波電路 輸出的正極。
[0058] 所述的斬波電路中的IGBT的占空比為：
[0059] D - ^ (1)。 '?
[0060] 其中D為所述的直流斬波電路中IGBT的占空比，Vdc為所述的二極管整流電路直 流側(cè)電壓瞬時(shí)值，Ii為直流斬波電路輸出側(cè)電流，G為等效電導(dǎo)；通過控制等效電導(dǎo)（G)的 大小，便可以控制整流電路輸出電壓的大小。
[0061] 其中濾波電容（C)和斬波電路可以等效為一個(gè)電導(dǎo)為G的電導(dǎo)，連接在二極管整 流電路的直流側(cè)，從而使二極管整流電路的交流側(cè)電流為正弦波。
[0062] 全波斬控整流電路的輸出電壓為： ,-. 1 fr. V1 x G
[0063] F, = - f/ = J x L = ( 2 )。 7：H **- 4
[0064] 設(shè)二極管交流側(cè)電壓的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
[0065] ?+二-=匕 sitt(CUf丨（3)。
[0066] 則二極管直流側(cè)電壓表達(dá)式為：
[0067] 1?=匕卜1觀￡?^ (4)。
[0068] 將式（4)帶入式（2)可以得到全波斬控整流電路的輸出電壓為： Γ; <G
[0069] F：> = ^-[l-COSliftf)] (5)〇
[0070] 由式（5)可以看到，全波斬控整流電路的輸出電壓中含有直流分量和倍頻分量。
[0071] 所述的變壓器的二次側(cè)由一組或多組三相交流電源構(gòu)成，假設(shè)其中一組三相交流 電源的電壓為：
[0072] j s -(:戰(zhàn)-3) (6)。 |Ff =rwsiiiUrf-2,T/3j
[0073] 根據(jù)式（5)可以得到則每個(gè)全波斬控整流電路的輸出電壓為： f--- V2 X G = -cos(2ftf)] > -ir . .J :
[0074] | Vr,t = - cos(2?f + 2/了 / 3)] (7)。 i -1， 丨V: x G ：f3, =: [i-cosi- 2-/3)]
[0075] 由于全波斬控整流電路的直流側(cè)串聯(lián)連接，則其直流側(cè)輸出電壓為：
[0076] = ?%β + Ρ-- + ?%; (8)〇
[0077] 將式（7)代入式（8)可以得到：
[0078] ?,:上」? (9)。 -- ，/
[0079] 由式（9)可以看出，三相全波斬控整流電路的直流側(cè)輸出電壓是一個(gè)穩(wěn)定的直流 電壓，單個(gè)全波斬控整流電路的直流側(cè)串聯(lián)后，其輸出電壓中的倍頻波動(dòng)分量相互抵消了， 而三相交流電源輸入的電流為正弦波，可以通過改變等效電導(dǎo)（G)的大小來改變?nèi)喟肟?整流電路的輸出電壓。
[0080] 所述的發(fā)電機(jī)是永磁同步發(fā)電機(jī)或采用直流勵(lì)磁的同步發(fā)電機(jī)。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于全波斬控整流電路的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于：由原動(dòng)機(jī)，齒輪箱，發(fā)電 機(jī)，變壓器，N個(gè)全波斬控整流電路和直流系統(tǒng)構(gòu)成； 其中原動(dòng)機(jī)將風(fēng)力轉(zhuǎn)換成風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，經(jīng)過齒輪箱加速后，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子 旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能； 發(fā)電機(jī)的輸出接變壓器的一次繞組，變壓器的二次繞組有N個(gè)相互隔離的線圈，每個(gè) 線圈接全波斬控整流電路的交流輸入； N個(gè)全波斬控整流電路的直流輸出串聯(lián)連接，然后接入直流系統(tǒng)； 直流系統(tǒng)用于風(fēng)電的匯集，傳輸與并網(wǎng)。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于全波斬控整流電路的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于：全 波斬控整流電路包含單相全橋二極管整流電路，濾波電容，斬波電路； 單相全橋二極管整流電路作為全波斬控整流電路的交流輸入，單相全橋二極管整流電 路的直流側(cè)接濾波電容（C)，斬波電路的輸入接濾波電容的兩端，斬波電路的輸出作為全波 斬控整流電路的輸出； 所述的斬波電路為單重?cái)夭娐坊蛴啥鄠€(gè)單重?cái)夭娐凡⒙?lián)連接構(gòu)成的多重?cái)夭?路； 其中單重?cái)夭娐窞榻祲簲夭娐罚蒊GBT (T)，二極管（D)和電感（L)構(gòu)成，IGBT的 集電極作為斬波電路的正極輸入，IGBT的發(fā)射極，二極管（D)的陰極和電感（L)的一端相 連，二極管（D)的陽極作為斬波電路的輸入和輸出的負(fù)極，電感（L)的另一端作為斬波電路 輸出的正極。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種基于全波斬控整流電路的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于：所 述的發(fā)電機(jī)是永磁同步發(fā)電機(jī)或采用直流勵(lì)磁的同步發(fā)電機(jī)。
【文檔編號(hào)】H02J3/38GK203911789SQ201420236626
【公開日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2014年5月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月10日
【發(fā)明者】郭高朋 申請(qǐng)人:郭高朋