专利名称：一种基于直流电流源回路的风电场汇流与并网方法
技术领域：
本发明涉及一种电力转换方法，更具体的，涉及一种基于直流电流源回路的风电场汇流与并网方法。
背景技术：
风能是一种潜力很大的新能源，有人估计过，地球上可用来发电的风力资源约有100亿千瓦，几乎是现在全世界水力发电量的10倍。利用风能进行发电的技术也获得了突飞猛进的发展，最近几年风力发电的装机容量有了巨大的增长，但是由于受环境条件限制，清洁能源发电一般装机容量小，分布广，供电质量不高并且远离主网，如中小型水电厂、风电场(含海上风电场)、潮汐电站、太阳能电站等，由于其运营成本很高以及交流线路输送能力偏低等原因使采用交流互联方案在经济和技术上均难以满足要求，利用直流输电与主网实现互联是充分利用可再生能源的最佳方式，有利于保护环境。缓解系统电压波动而引 起的风电并网母线电压波动。直流隔离作用能提高风电场在交流系统故障下的低电压穿越能力。动态无功补偿能力，风电场并网最佳技术手段。简化双馈感应风机、永磁直驱风机，异步感应风机的设计，降低风电场建设成本。采用直流电缆作为输送路径，是远距离大型海上风电场并网的最佳手段。但是最新的资料和媒体报道显示，远距离大型海上风电采用的汇流和并网方法为风力发电机发出的电能经过风机变流器变成直流电，然后再由并网变流器变成交流电，然后经过升压变压器将电压升高到合适的值，再经过柔性直流输电的变流器变换成高压直流电进行海上远距离传输。电能到了岸上，再经过柔性直流输电的变流器，变换成交流电并入电网。从本质上来说这种风电场的汇流方法是电流汇流，每台风机都要配备一台变压器，将风机变流器输出的电压变换为汇流母线的电压(一般为35kV)，风机之间采用并联的方式，将小电流汇集起来，成为一个大电流，从而达到汇流的目的。这种汇流与并网方法有如下缺点1，风机变流器本身是有直流环节的，却要将直流变换成交流，升压后，再通过柔性直流输电的变流器变换成直流，这样便增加了中间的交流环节，增加了设备投资，降低了可靠性，并使成本升高。2，需要在海上建立高压变电站与柔性直流输电用的高压大容量变流器，使施工难度增加，并增加了建设成本与运行维护成本。3，风电场需要用海底电缆进行汇流，如果采用交流汇流，那么相间电容和相对地的电容会很大，这会导致功率的传输变的困难，也会增加设备投资。
发明内容
本发明所涉及的基于直流电流源回路的风电场汇流与并网方法为解决以上问题提供了一个可行的思路。本发明所提出的基于直流电流源回路的风电场汇流与并网方法，从本质上来说是一种电压“汇流”，确切一点说应该叫做“汇压”，这种方法用直流电流源回路将风机变流器和并网变流器的直流电流源回路侧串联起来，则多个风机变流器的直流电流源回路侧输出的电压便可以叠加起来，成为一个高电压，因此不需要将直流变成交流也可以实现升压的目的；并网变流器的直流电流源回路侧输出合适的电压，使直流电流源回路中的电流保持合理的值，其中风机变流器与并网变流器可以有多种形式可供选择。本发明采用下述方案来实现本发明的目的一种基于直流电流源回路的风电场汇流与并网方法，其主电路结构包括电网、并网变流器、直流电流源回路、一个或多个风机变流器、风力发电机；控制系统包括并网变流器控制系统和风机变流器控制系统；直流电流源回路将风机变流器和所述并网变流器串联起来；并网变流器连接在电网和直流电流源回路之间；风机变流器连接在直流电流源回路和风力发电机之间；电网为三相交流电网、单相交流电网、直流电压源电网、直流电流源电网的其中之一或是其组合； 并网变流器由电力电子器件、电容、电感、电阻或其组合构成，并网变流器和并网变流器控制系统协同工作，其作用为控制直流电流源回路中的电流大小，同时向电网中输送电能；直流电流源回路由电力电子器件、电容、电感、电阻或其组合构成，且至少包含一个电感，其作用为抑制直流电流源回路中的电流变化；风机变流器由电力电子器件、电容、电感、电阻或其组合构成，风机变流器与风机变流器控制系统协同工作，用于控制风力发电机发出的功率，同时向直流电流源回路输送电能。本发明中所提出的方法中，风机变流器的直流电流源回路侧输出的电压可以叠加起来，在直流电流源回路中形成高电压，该高电压的形成便是能量的汇集过程。并网变流器与并网变流器控制系统根据输送到电网中的功率大小来调整直流电流回路中的电流大小，其目的在于，当输送到电网中的功率减小(或增大)时，使并网变流器和风机变流器的直流电流源回路侧输出的电压保持较高，直流电流源回路中的电流减小(或增大)。本发明中所提出的方法中，电网、并网变流器、直流电流源回路、风机变流器、风力发电机中含有保护装置，由避雷器、断路器、旁路开关等其中之一或是其组合构成，并联或串联在需要保护的装置或器件上，用于保护系统中各部分的电流和电压工作在安全的范围内，故障情况下，保护系统中各装置或器件的安全。
图I是基于直流电流源回路的风电场汇流与并网方法的示意2是具体是实施方式中基于直流电流源回路的风电场汇流与并网方法的主电路结构3是具体是实施方式中的风机变流器结构示意4是当风力发电机输出的功率变化时，输入电网的功率变化曲线
具体实施例方式本发明所提出的基于直流电流源回路的风电场汇流与并网方法，现结合附图和具体实施方式
说明如下如图2所示，主电路的结构及参数电网为三相交流电网，接入点的电压为220kV，经过降压变压器将电压降低到35kV，该降压变压器的变比为220kV/35kV，容量为6OMVA，阻抗为10%o35kV母线上接入两台整流变压器，变比为35kV/4kV，两台整流变压器的高压侧均为三角形连接，其中一台整流变压器低压侧为星型连接，另外一台整流变压器低压侧为三角形连接，容量为8. 5MVA，阻抗为10%。两台整流变压器的低压侧分别接晶闸管相控整流电路，两个晶闸管相控整流电路串联连接，然后在串联接入到直流电流源回路中，直流电流源回路中串联接入500mH的电感用于抑制电流的波动。35kV母线上接有滤波与无功补偿设备，由单调谐滤波器，高通滤波器，和静止同步补偿器(STATC0M)构成，其中单调谐滤波器由5次，7次，11次，13次组成，基波无功容量均为2MVar，高通滤波器为22. 5次高通滤波器，容量为2MVar。静止同步补偿器(STATC0M)的
容量为lOMVar。单调谐滤波器和高通滤波器用来补偿容性无功，并滤除35kV母线上的谐波电流。静止同步补偿器(STATC0M)的作用为控制220kV接入点的功率因数接为I。用三台风力发电机来模拟风电场。风力发电机采用异步感应电机，额定容量为5MW，额定电压为2kV。风机变流器采用直流斩波电路和中点钳位式三电平电压源变流器的组合。其中直流侧两个电容的电压均为1.5kV，变流器的交流测输出线电压最大为2kV，如图3所示。风机变流器的控制中点钳位式三电平电压源变流器的主要作用是输出一个合适的交流电压，用于驱动异步感应发电机，控制异步感应发电机输出的功率，关于异步感应发电机的驱动方法并非本发明的内容，因此这里不再赘述，其驱动方法可以查阅相关的资料。直流斩波电路的控制以电压源变流器的直流侧电容电压作为反馈信号，与电容电压参考值进行比较后，进入比例积分控制器，控制器的输出为开关管的占空比，其范围为O到1，该占空比与幅值为O到1，频率为500Hz的三角波进行比较后，生成开关管的开关信号，用于驱动开关的通断。因此直流斩波电路的控制能够使电压源变流器的直流侧电容电压维持在电容电压参考值附近。并网变流器的控制从整流变压器的35kV侧检测输入电网的有功功率，该有功功率经过一个时间常数为O. I秒，增益为-O. 11的一阶惯性滤波，再经过限幅环节，将该值限制在O. I到2之间，然后得到直流电流源回路的参考电流值，该参考值与直流电流源回路的实际电流进行比较，比较的结果输入到比例积分控制器中，然后经过限幅环节，将该值限制到-O. 85到+0. 85之间，然后求该值的反余弦，最后得到晶闸管的触发角。该触发角在经过触发脉冲生成环节，生成用于触发晶闸管的触发脉冲。了仿真电路。从仿真时间为1.4秒时，风力发电机输出的功率开始从OMW增加，到仿真时间为4. 6秒时，风力发电机的功率增加到14MW，之后保持不变。如图4所示，为输入电网的有功功率变化曲线，仿真结果表明，本发明所提出的方法能够达到预期的目的。以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
权利要求
1.一种基于直流电流源回路的风电场汇流与并网方法，其特征在于，所述方法的主电路结构包括电网(100)、并网变流器(101)、直流电流源回路(102)、一个或多个风机变流器(104)、风力发电机(105);所述方法的控制系统包括并网变流器控制系统(103)和风机变流器控制系统(106)； 所述直流电流源回路(102)将所述一个或多个风机变流器(104)和所述并网变流器(101)串联起来；所述并网变流器(101)连接在所述电网(100)和所述直流电流源回路(102)之间；所述风机变流器(104)连接在所述直流电流源回路(102)和所述风力发电机之间(105)； 所述电网(100)为三相交流电网、单相交流电网、直流电压源电网、直流电流源电网的其中之一或是其组合； 所述并网变流器(101)由电力电子器件、电容、电感、电阻或其组合构成，所述并网变流器(101)和所述并网变流器控制系统(103)协同工作，用于控制直流电流源回路中的电流大小，同时向所述电网(100)中输送电能； 所述直流电流源回路(102)由电力电子器件、电容、电感、电阻或其组合构成，且至少包含一个电感(102a)，其作用为抑制所述直流电流源回路(102)中的电流变化； 所述风机变流器(104)由电力电子器件、电容、电感、电阻或其组合构成，所述风机变流器(104)与所述风机变流器控制系统(106)协同工作，用于控制所述风力发电机(105)发出的功率，同时向所述直流电流源回路(102)输送电能。
2.根据权利要求I所述的基于直流电流源回路的风电场汇流与并网方法，其特征在于，所述风机变流器(104)的直流电流源回路侧输出的电压可以叠加起来，在所述的直流电流源回路(102)中形成高电压。
3.根据权利要求I所述的基于直流电流源回路的风电场汇流与并网方法，其特征在于，所述的并网变流器控制系统(103)与所述的并网变流器(101)根据输送到电网(100)中的功率大小来调整所述直流电流回路(102)中的电流大小，其目的在于，当输送到所述电网(100)中的功率减小(或增大)时，使所述并网变流器(101)和所述风机变流器(104)的直流电流源回路侧输出的电压保持较高，所述直流电流源回路(102)中的电流减小(或增大)。
4.根据权利要求I中所述的基于直流电流源回路的风电场汇流与并网方法，其特征在于，所述的电网(100)、并网变流器(101)、直流电流源回路(102)、风机变流器(104)、风力发电机(105)中含有保护装置，由避雷器、断路器、旁路开关等其中之一或是其组合构成，并联或串联在需要保护的装置或器件上，用于保护系统中各部分的电流和电压工作在安全的范围内，故障情况下，保护系统中各装置或器件的安全。
全文摘要
本发明提出了一种基于直流电流源回路的风电场汇流与并网方法，属于电力的转换与传输技术；可以解决风电场的汇流与并网问题；其特征在于，用含有滤波电感的直流电流源回路将一个或多个风机变流器与并网变流器串联起来，使风力发电机输出的电能从风机变流器经过直流电流源回路传送到并网变流器中，由并网变流器将电能输送到电网中；其优点在于，风机变流器的直流电流源回路侧的输出电压可以叠加起来，形成高电压；该技术可以用于陆地或海上风电场的汇流与并网。
文档编号H02J3/38GK102780231SQ20121015623
公开日2012年11月14日 申请日期2012年5月18日 优先权日2012年5月18日
发明者郭高朋 申请人:郭高朋