专利名称：直流侧集成超导磁储能的电流源型风能变换装置的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种通过大功率中压电流源型变频器将超导磁储能和风力发电有 机结合的新型风能变化系统，属于电工、电力电子、电机应用的技术领域。
背景技术：
为了更加有效地利用风能并降低风机单机系统的建设成本，全球风机正朝着大型 化的趋势发展。随着风机容量的逐渐增大，齿轮箱的高速传动部件故障问题日益突出，因此 直驱式风机越来越多地用到大型风力发电系统中。而直驱式风机所普遍采用的全功率变频 器，可以明显改善系统的电能质量，减轻系统对电网的冲击，保障电网并网后的可靠性和安 全性。由于结构简单和效率高的优点，中压大功率变频器非常适合用于基于全功率变频器 的大型风能变换系统中。其中中压电流源型变频器有诸多优点(1)拓扑结构简单、器件数 目少；(2)输出波形好、dv/dt值小；(3)具有四象限运行能力；(4)直流侧电感使得电路短 路保护能力强等等。而目前独立的风能变换系统中还存在着一些关键问题待解决(1)随 机风速下有功功率平滑困难；(2)低压穿越困难，电网发生低压故障时，风机捕获的风能无 法向电网输出；(3)多风机电场电力系统存在暂态稳定性问题。超导磁储能系统具有功率 密度高、寿命长、充放电速度快、效率高的优点。基于这些优点，超导磁储能系统对提高风力 发电性能有着重要作用(1)可平滑随机风速下风能变换系统的功率输出；(2)可以提高风 场电力系统的暂态稳定性，帮助抑制风场电力系统暂态过程中发生的功率和电压振荡；(3) 可以帮助风能系统克服外部电网故障，实现不间断运行。目前将超导磁储能和风能变换系 统的集成都是通过电压源型变频器实现，或是两者在电网侧的并联连接方式。而充分利用 大功率电流源型变频器优点，将风能变换系统和超导磁储能进行有机结合的结构形式还未 出现。
发明内容技术问题本实用新型的目的是提出直流侧集成超导磁储能的大功率电流源型风 能变换装置，在同时满足风能变换系统和超导磁储能运行条件及不增加成本的前提下，要 求继承超导磁储能和电流源型变频器在大容量风力发电中的优点。同时从功能上要解决传 统的独立风能变换系统有功平滑困难、低压穿越困难及多风机电场电网络暂态稳定性的技 术难题。从结构上要求克服基于电压源型变频器超导磁储能和风力发电集成需依赖斩波器 的问题，以使得结构更紧凑、控制更直接。技术方案为解决上述技术问题，本实用新型采用了中压电流源型变频器作为将 风力发电和超导磁储能集成的变频器拓扑结构，将超导磁储能中的超导磁体集成在电流源 型风能变换系统的直流侧。在风机侧，超导磁体通过电流源型整流器和风力发电机相连，而 在电网侧超导磁体通过电流源型逆变器和电网相连。通过这种结构，省去了电压源型超导 磁储能系统中的斩波器，而且绕过斩波器直接控制超导磁体中的能量。因此本发明中的系 统结构更紧凑、控制更直接。由于本发明中系统直流侧采用了可存储大量能量的超导磁体取代传统电流源型风能变换系统的直流电感，因此可以吸收电网发生低压故障时风机捕获 但不能输送入网的多余能量，从而解决了低压穿越问题。当风场电力系统中发生功率和电 压振荡时，本发明中超导磁体能量可以在短时间内向电网发出或吸收大量能量，从而抑制 振荡，解决了风场电力系统暂态稳定性的问题。当大惯量风机的机械动态行为发生变化时， 本发明中直流侧超导磁体中的能量也可以通过快速吸收或释放能量来解决大惯量风机机 械动态控制慢的技术问题。此外，本发明采用了并联电流源型变频器的结构，不仅可以增加 超导磁体中最大值电流和分担单个变频器的负担，而且可实现超导磁体电流降为最大值一 半时系统仍能输出额定功率的基本要求。具体结构为该装置中的风机通过齿轮箱与发电机的主轴相连，发电机的输出端 与多个彼此相并联的风机侧电流源型变频器的输入端相连，风机侧电流源型变频器的输出 端接风机侧直流均流电感；电网侧电流源型变频器的输入端接电网侧直流均流电感，在风 机侧直流均流电感与电网侧直流均流电感之间连接超导磁体，超导磁体通过电网侧电流源 型变频器和电网进行能量交换；多个彼此相并联的电网侧电流源型变频器的输出端、入网 电感、入网变压器、电网顺序串联连接；电网侧滤波电容接在电网侧电流源型变频器的输出 端，风机侧滤波电容接在风机侧电流源型变频器的输入端。风机侧电流源型变频器的单机容量和电网侧电流源型变频器的单机容量相同；超 导磁体中最大电流数值和风机侧电流源型变频器的总电流数值相等，也和电网侧电流源型 变频器的总电流数值相等；而发电机的额定电流为超导磁体中最大电流数值的一半。电网 侧滤波电容的数值根据电网侧无功要求和谐波要求设计，而风机侧滤波电容的数值根据发 电机无功要求和谐波要求设计。风机侧电流源型变频器和电网侧电流源型变频器采用具有反向电压阻断能力的 电力电子器件，包括对称门极关断晶闸管、对称型门极换向晶闸管、绝缘栅双极性晶体管和 二极管串联形式。有益效果1、由于集成了超导磁储能系统，本实用新型中风能变换系统具有风力发电中超导 磁储能的一般优点，即可平滑系统有功、提高风场电力系统的暂态稳定性。2、本实用新型集成结构基于电流源型变频器结构，不仅具有大功率中压电流源型 变频器结构简单、dv/dt小、四象限运行、短路保护能力强等诸多优点，而且不需电压源型超 导磁储能系统中的斩波器，因此结构更简单、控制更直接。3、相比传统的风能变换系统和超导磁储能在电网侧并联连接结构，本实用新型中 结构通过将超导磁体集成到电流源型风能变换系统直流侧，可以利用超导磁体存储电网发 生低压故障时风机捕获但无法输入电网的多余能量，增强系统低压穿越能力。4、将超导磁体放置风机和电网之间，可以利用超导磁体中存储的能量直接参与控 制大惯量风机的机械动态性能，可帮助提高风机机械动态性能及抑制风机的机械振荡。5、相比传统的风能变换系统和超导磁储能在电网侧并联连接结构，本实用新型中 系统只需测量并控制一个电网侧电流，而传统并联结构需要分别测量和控制风能变换系统 和超导磁储能系统的两个电网侧电流，因此本发明中控制更简单。6、采用并联型电流源型变频器结构，可使发电机电流由多个变频器承担，单个变 频器负担减小，而且单个变频器开关频率可降低。通过并联变频器，还使得超导磁体能通过更大数值电流和存储更多的能量。
图1是本实用新型所提出的直流侧集成超导磁储能的电流源型风能变换装置的 结构示意图，图2中所示为两个电流源型变频器并联为例的直流侧集成超导磁储能电流源型 风能变换装置的示意图。其中有风机1、齿轮箱2、发电机3、风机侧滤波电容4、风机侧电流源型变频器5、 风机侧直流均流电感6、超导磁体7、电网侧直流均流电感8、电网侧电流源型变频器9、电网 侧滤波电容10、入网电感11、入网变压器12、电网13。
具体实施方式
图1中，风机1，通过齿轮箱2和发电机3相连。对于直驱式风机，齿轮箱2可不 选。发电机3通过风机侧滤波电容4和风机侧电流源型变频器5相连。发电机3通过风机 侧电流源型变频器5和超导磁体7进行能量的交换。6为风机侧直流均流电感。8为电网 侧直流均流电感。超导磁体7通过电网侧电流源型变频器9和电网13进行能量交换。10 为电网侧滤波电容，11为入网电感。整个风能变换系统通过入网变压器12和电网13相连。 风机侧电流源型变频器5和电网侧电流源型变频器9都采用并联电流源型变频器结构，其 单元数可视超导磁体中所需存储最大能量及风机容量而定。以图2中所示的集成超导磁储能的电流源型风能变换系统为例说明。风机侧和电 网侧的电压等级都为4160V，超导磁体电流的最大值为1600A，发电机的额定电流为800A， 每台变频器的额定电流为800A。电网侧的输出功率和发电机的额定功率设计相同。风机1通过齿轮箱2和发电机3连接。风机1可为永磁同步发电机、感应发电机、 绕线式转子同步发电机。齿轮箱2是用来调节风机和发电机之间转速的比例关系，可选可 不选，例如对于直驱式风机，齿轮箱2可不需要。风机侧的滤波电容4，其作用为减小风机侧的谐波，同时起着在风机侧电流源型变 频器交流侧辅助换流的作用。因此风机侧滤波电容4将根据发电机电流大小和发电机参数 进行设计，要求满足风机侧的电流谐波要求。风机侧电流源型变频器5。根据超导磁体7中电流数值、发电机3的有功、无功要 求，风机侧电流源型变频器5可控制发电机3中的电流。同时风机侧电流源型变频器5通 过并联变频器之间延迟角的配合或冗余开关策略，实现风机侧直流均衡电感6中的电流均 衡控制。电网侧电流源型变频器9。根据超导磁体7中电流数值、电网13中有功和无功要 求，电网侧电流源型变频器9控制入网电感11中电流。同时电网侧电流源型变频器9通过 并联变频器之间延迟角的配合或冗余开关策略，实现电网侧直流均衡电感8中的电流均衡 控制。电网侧滤波电容10，其作用为减小电网侧的谐波，同时起着在电网侧电流源型变 频器交流侧辅助换流的作用。因此电网侧滤波电容10将根据电网侧电流大小和入网电感 11参数进行设计，要求满足电网侧电流的谐波要求。整个风能变换系统通过变压器12和电网13连接。该例中，当超导磁体7中电流工作在最大值1600A时，可通过降低电网侧变频器9 的直流母线电压为额定值一半来实现电网输出功率和发电机额定功率相同。而当超导磁体 7中电流工作在最大值一半即800A时，可通过控制电网侧变频器9直流母线电压为额定值， 实现电网输出功率和发电机额定功率相同。这时，每台风机侧变频器5的直流母线电流只 有400A，相比传统风能变换系统，器件上导通的电流减为一半。当电网13发生低压故障时，风机(1)捕获但不能输送入网13的多余能量，可以被 超导磁体7吸收，从而改善了系统低压穿越问题。当电网13中发生功率和电压振荡时，超 导磁体7能量可以在短时间内向电网13发出或吸收大量能量，从而抑制振荡，解决了风场 电力系统暂态稳定性问题。当风机1的机械动态行为发生变化时，超导磁体7中的能量也 可以通过快速吸收或释放能量来解决风机1机械动态控制慢的技术问题。
权利要求一种直流侧集成超导磁储能的电流源型风能变换装置，其特征是该装置中的风机(1)通过齿轮箱(2)与发电机(3)的主轴相连，发电机(3)的输出端与多个彼此相并联的风机侧电流源型变频器(5)的输入端相连，风机侧电流源型变频器(5)的输出端接风机侧直流均流电感(6)；电网侧电流源型变频器(9)的输入端接电网侧直流均流电感(8)，在风机侧直流均流电感(6)与电网侧直流均流电感(8)之间连接超导磁体(7)，超导磁体(7)通过电网侧电流源型变频器(9)和电网(13)进行能量交换；多个彼此相并联的电网侧电流源型变频器(9)的输出端、入网电感(11)、入网变压器(12)、电网(13)顺序串联连接；电网侧滤波电容(10)接在电网侧电流源型变频器(9)的输出端，风机侧滤波电容(4)接在风机侧电流源型变频器(5)的输入端。
2.根据权利要求1所述的直流侧集成超导磁储能的电流源型风能变换装置，其特征 是风机侧电流源型变频器(5)的单机容量和电网侧电流源型变频器(9)的单机容量相同； 超导磁体(7)中最大电流数值和风机侧电流源型变频器(5)的总电流数值相等，也和电网 侧电流源型变频器(9)的总电流数值相等；而发电机(3)的额定电流为超导磁体(7)中最 大电流数值的一半。
3.根据权利要求1所述的直流侧集成超导磁储能的电流源型风能变换装置，其特征 是风机侧电流源型变频器(5)和电网侧电流源型变频器(9)采用具有反向电压阻断能力 的电力电子器件，包括对称门极关断晶闸管(GTO)、对称型门极换向晶闸管(SGCT)、绝缘栅 双极性晶体管(IGBT)和二极管串联形式。
专利摘要一种直流侧集成超导磁储能的电流源型风能变换装置，该装置中的风机(1)通过齿轮箱(2)与发电机(3)的主轴相连，发电机(3)的输出端与多个彼此相并联的风机侧电流源型变频器(5)的输入端相连，风机侧电流源型变频器的输出端接风机侧直流均流电感(6)；电网侧电流源型变频器(9)的输入端接电网侧直流均流电感(8)，在风机侧直流均流电感与电网侧直流均流电感之间连接超导磁体(7)，超导磁体通过电网侧电流源型变频器和电网(13)进行能量交换；多个彼此相并联的电网侧电流源型变频器的输出端、入网电感(11)、入网变压器(12)、电网(13)顺序串联连接；电网侧滤波电容(10)接在电网侧电流源型变频器的输出端，风机侧滤波电容(4)接在风机侧电流源型变频器的输入端。
文档编号F03D9/00GK201696223SQ201020166960
公开日2011年1月5日 申请日期2010年4月21日 优先权日2010年4月21日
发明者王政, 程明, 邹国棠 申请人:东南大学