一種海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、并網(wǎng)系統(tǒng)及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及分布式電源，屬于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種大規(guī)模的海上風(fēng) 力發(fā)電場(chǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、并網(wǎng)系統(tǒng)及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)今世界，能源問(wèn)題已逐漸成為世界各國(guó)研究的重點(diǎn)問(wèn)題。尋求各種新能源來(lái)取 代日益枯竭的化石燃料，已成為能源發(fā)展的必然趨勢(shì)。風(fēng)能作為一種無(wú)污染和可再生的新 能源，有著巨大的發(fā)展?jié)摿Αで蟠笠?guī)模風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的解決方案，尤其是大規(guī)模海上風(fēng)電場(chǎng) 建設(shè)的解決方案，成為了各國(guó)學(xué)者的主要研究方向。
[0003] 目前，已經(jīng)建成的大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)主要處于陸地或海島上，但是陸上風(fēng)能有限，且占 用了大量±地資源。建設(shè)海上風(fēng)電場(chǎng)，特別是大規(guī)模的海上風(fēng)電場(chǎng)已成為風(fēng)能利用的主要 方向。
[0004] 常用的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)結(jié)構(gòu)中，風(fēng)電機(jī)組輸出為交流，不同的輸出端并聯(lián)，風(fēng)場(chǎng)電網(wǎng)內(nèi) 通過(guò)變壓器改變電壓等級(jí)，通過(guò)高壓交流輸電的方式進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸。
[0005] 傳統(tǒng)的采用直流輸電的海上風(fēng)電場(chǎng)中，每個(gè)風(fēng)機(jī)的直流輸出端級(jí)聯(lián)有DC/AC變換 電路，得到工頻交流電能，該工頻交流電能通過(guò)升壓變壓器接入海上交流母線；交流母線上 的工頻交流電能又經(jīng)一次變壓器升壓和AC/DC變換得到高壓直流電能，該電能送至陸上， 由內(nèi)陸換流器將高壓直流變換為交流后介入電網(wǎng)。此種風(fēng)電場(chǎng)需要建設(shè)海上換流站和海上 電氣平臺(tái)，施工難度大。
[0006] 另一種基于直流串聯(lián)的海上風(fēng)電場(chǎng)中，每個(gè)風(fēng)機(jī)的直流輸出端級(jí)聯(lián)有DC/DC變換 電路，再依次串聯(lián)，得到高壓直流，再進(jìn)行電能的傳輸。該種風(fēng)電場(chǎng)省去了海上換流站和海 上電氣平臺(tái)的建設(shè)，但是各風(fēng)機(jī)的簡(jiǎn)單串聯(lián)使得其輸出功率相互影響，由于各風(fēng)機(jī)捕獲風(fēng) 的功率很難相等，必然產(chǎn)生"棄風(fēng)"現(xiàn)象，"棄風(fēng)"現(xiàn)象是指，當(dāng)各風(fēng)機(jī)的直流輸出電壓相等 時(shí)，串聯(lián)簇中流過(guò)的電流受捕獲風(fēng)的功率最小的風(fēng)機(jī)所限制，使得其他風(fēng)機(jī)的輸出功率減 小，必然丟棄一部分風(fēng)的功率。
[0007] 因此，有必要設(shè)計(jì)一種海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、并網(wǎng)系統(tǒng)及其控制方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題是，針對(duì)【背景技術(shù)】所述的缺陷或不足，提供一種海上風(fēng) 力發(fā)電場(chǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、并網(wǎng)系統(tǒng)及其控制方法，本發(fā)明中各風(fēng)機(jī)能獨(dú)立完成最大功率追蹤， 避免了 "棄風(fēng)"現(xiàn)象的產(chǎn)生，取消了海上換流站和海上電氣平臺(tái)；減少了海上風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 的建設(shè)成本，也降低了系統(tǒng)總的能量損耗。
[0009] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0010] 一種海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括N臺(tái)風(fēng)機(jī)和N-1套分流電路；N臺(tái)風(fēng)機(jī)的直 流輸出端依次串聯(lián)；從串聯(lián)的第1臺(tái)風(fēng)機(jī)開始，依次每?jī)膳_(tái)風(fēng)機(jī)作為一套風(fēng)機(jī)組，即第n臺(tái) 風(fēng)機(jī)與第n+1臺(tái)風(fēng)機(jī)作為一套風(fēng)機(jī)組，其中n=1，2，…，N-1;N為大于2的整數(shù)；每一套 風(fēng)機(jī)組并聯(lián)一套所述的分流電路；
[001U 每臺(tái)風(fēng)機(jī)包括串聯(lián)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)和機(jī)側(cè)AC/DC變流器，W及機(jī)側(cè)AC/DC變流器的 直流輸出端并聯(lián)的直流母線電容；
[0012] 每一套風(fēng)機(jī)組包括串聯(lián)的上下兩臺(tái)風(fēng)機(jī)，上風(fēng)機(jī)的直流母線電容的正極為風(fēng)機(jī) 組的正極，下風(fēng)機(jī)直流母線電容的負(fù)極為風(fēng)機(jī)組的負(fù)極，上下風(fēng)機(jī)的連接點(diǎn)為風(fēng)機(jī)組的中 占. '?、、，
[0013] 所述的每一套分流電路包括一個(gè)半橋電路和一個(gè)電感，半橋電路由2個(gè)IGBT串接 而成；分流電路的正極為半橋電路的正極；分流電路的負(fù)極為半橋電路的負(fù)極；電感的一 端與半橋電路的中點(diǎn)相連，電感的另一端為分流電路的中點(diǎn)；分流電路的正極與相應(yīng)的風(fēng) 機(jī)組的正極相連，分流電路的負(fù)極與相應(yīng)的風(fēng)機(jī)組的負(fù)極相連，分流電路的中點(diǎn)與相應(yīng)的 風(fēng)機(jī)組的中點(diǎn)相連。
[0014] 一種海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的控制方法，海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)采用上述的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其控制 方法為：
[0015] 對(duì)每一套風(fēng)機(jī)組所并聯(lián)的分流電路進(jìn)行W下控制：
[0016] (1)實(shí)時(shí)檢測(cè)風(fēng)機(jī)組中上風(fēng)機(jī)的輸出端口的電壓Ud。。；
[0017] 似將Ud。。與風(fēng)機(jī)的參考電壓Uf。進(jìn)行比較，然后進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，得到電流參考信號(hào) 1血址；
[001引 做檢測(cè)相應(yīng)的分流電路的電感上的電流ih;
[0019] (4)將ih與電流參考信號(hào)Um。進(jìn)行比較，將比較后得到的差值經(jīng)過(guò)滯環(huán)比較，得 到此分流電路上橋臂的開關(guān)信號(hào)，下橋臂的開關(guān)信號(hào)與上橋臂的開關(guān)信號(hào)互補(bǔ)；
[0020]其中n= 1，2，…，N-1。
[0021] 當(dāng)風(fēng)機(jī)組的上風(fēng)機(jī)端口電壓低于參考電壓時(shí)，控制相應(yīng)的分流電路上橋臂IGBT 導(dǎo)通，下橋臂IGBT關(guān)斷，分流電路向風(fēng)機(jī)組注入負(fù)的電流；當(dāng)風(fēng)機(jī)組的上風(fēng)機(jī)端口電壓高 于參考電壓時(shí)，控制相應(yīng)的分流電路上橋臂IGBT關(guān)斷，下橋臂IGBT導(dǎo)通，分流電路向風(fēng)機(jī) 組注入正的電流。
[002引所述PI調(diào)節(jié)的比例系數(shù)Kp= 2,積分系數(shù)Ki= 100。
[0023] 所述滯環(huán)比較的環(huán)寬為0. 1A。
[0024] 所述步驟（4)為：將與電流參考信號(hào)I^e進(jìn)行比較，將比較后得到的差值經(jīng)過(guò) 滯環(huán)比較，得到此分流電路上橋臂的開關(guān)信號(hào)，下橋臂的開關(guān)信號(hào)與上橋臂的開關(guān)信號(hào)互 補(bǔ)；即，當(dāng)-0.05A，分流電路上橋臂的開關(guān)信號(hào)為0,下橋臂的開關(guān)信號(hào)為1，上 橋臂IGBT關(guān)斷，下橋臂IGBT導(dǎo)通；當(dāng)0. 05A，分流電路上橋臂的開關(guān)信號(hào)為1， 下橋臂的開關(guān)信號(hào)為0,上橋臂IGBT導(dǎo)通，下橋臂IGBT關(guān)斷；當(dāng)-0. 05A<I^cf-ih<0. 05A，開 關(guān)信號(hào)維持之前的電平不變。
[002引所述風(fēng)機(jī)的參考電壓其中UtMd是串聯(lián)的所有風(fēng)機(jī)總的輸出電壓，N是所有風(fēng)機(jī)的數(shù)量。
[0026] 一種海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的并網(wǎng)系統(tǒng)，海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)采用上述的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，第1臺(tái) 風(fēng)機(jī)的直流輸出端的正極和第N臺(tái)風(fēng)機(jī)的直流輸出端的負(fù)極分別與高壓傳輸線的正負(fù)極 相連；直流電能經(jīng)高壓傳輸線輸送至內(nèi)陸，經(jīng)內(nèi)陸的DC/AC變換器和濾波器接入公共電網(wǎng)。
[0027] 上述的海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的并網(wǎng)系統(tǒng)的控制方法，對(duì)每一套風(fēng)機(jī)組所并聯(lián)的分流電 路進(jìn)行W下控制：
[002引 （1)實(shí)時(shí)檢測(cè)該風(fēng)機(jī)組中上風(fēng)機(jī)的輸出端口的電壓Udc。；
[0029] 似將Ud。。與風(fēng)機(jī)的參考電壓Uf。進(jìn)行比較，然后進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，得到電流參考信號(hào) 1血址；
[0030] 0)檢測(cè)相應(yīng)的分流電路的電感上的電流ih;
[003U (4)將ih與電流參考信號(hào)Um。進(jìn)行比較，將比較后得到的差值經(jīng)過(guò)滯環(huán)比較，得 到此分流電路上橋臂的開關(guān)信號(hào)，下橋臂的開關(guān)信號(hào)與上橋臂的開關(guān)信號(hào)互補(bǔ)；
[003引 其中n= 1，2，…，N-1。
[003引所述PI調(diào)節(jié)的比例系數(shù)Kp= 2,積分系數(shù)Ki= 100。
[0034] 所述滯環(huán)比較的環(huán)寬為0. 1A。
[003引所述風(fēng)機(jī)的參考電壓其中UtMdi是串聯(lián)的所有風(fēng)機(jī)總的輸出電壓，N是 所有風(fēng)機(jī)數(shù)量。
[0036] 本發(fā)明的與現(xiàn)有技術(shù)相比的益處在于：
[0037] (1)風(fēng)機(jī)、功率開關(guān)管和電感所組成的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能保證每個(gè)風(fēng)機(jī)工作在捕獲 的最大功率點(diǎn)，而不至于產(chǎn)生"棄風(fēng)"現(xiàn)象。
[003引 （2)本發(fā)明所述的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)各風(fēng)機(jī)直流輸出端電壓的穩(wěn)定，保證海上 高壓直流電能的有效傳輸，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的建設(shè)。
[0039] (3)本發(fā)明所述的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的分流電路的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，實(shí)用性強(qiáng)。
[0040] (4)本發(fā)明所述的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無(wú)需建設(shè)海上換流站和海上電氣平臺(tái)，減少了海 上風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)難度和建設(shè)成本，也降低了系統(tǒng)總的能量損耗。
【附圖說(shuō)明】
[0041] 圖1是本發(fā)明的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0042] 圖2是本發(fā)明所述的單臺(tái)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)；
[0043] 圖3是本發(fā)明拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分流電路；
[0044] 圖4是本發(fā)明所述的含3臺(tái)串聯(lián)風(fēng)機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的具體實(shí)例；
[0045] 圖5是本發(fā)明拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分流電路的控制框圖；
[0046] 圖6是實(shí)例中風(fēng)機(jī)1、風(fēng)機(jī)2、風(fēng)機(jī)3的直流輸出端電壓和輸出電流；
[0047] 圖7是實(shí)例中內(nèi)陸經(jīng)過(guò)濾波器濾波后的并網(wǎng)電流；
【具體實(shí)施方式】
[0048] 為了更為具體的描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō) 明。
[0049] 實(shí)施例1 ;
[0化0] 本發(fā)明提出了一種直流串聯(lián)型海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制方法。
[0化1] 直流串聯(lián)型海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)首先將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)出的電變換為直流，然后在直 流側(cè)依次串聯(lián)而成，本發(fā)明從串聯(lián)風(fēng)機(jī)的起點(diǎn)到終點(diǎn)，依次每2臺(tái)風(fēng)機(jī)作為一套風(fēng)機(jī)組并 聯(lián)一套分流電路，同時(shí)從串聯(lián)風(fēng)機(jī)的第2臺(tái)開始，再依次每2臺(tái)風(fēng)機(jī)作為一套風(fēng)機(jī)組并聯(lián)一 套分流電路。本發(fā)明的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。
[0化2] 如圖2所示，每臺(tái)風(fēng)機(jī)包括串聯(lián)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)和機(jī)側(cè)AC/DC變流器，W及機(jī)側(cè)AC/DC變