專利名稱：一種基于串聯結構的風電場及其控制方法
技術領域：
本發明屬于風電傳輸技術領域，具體涉及一種基于串聯結構的風電場及其控制。
背景技術：
開發可再生能源是實施可持續發展戰略的重要保證，其中風能是一種非常重要的可再生能源。風能的一個重要特點是，通過建立大型風電場可以對風能進行大規模開發利用。目前已經建成的大型風電場一般多處在陸地或海島上。陸上風電場不僅可利用的風能資源有限，而且占用了大量土地，破壞了當地生態。建立海上風電場，特別是遠海風電場是開發可再生能源的重要手段；與陸上風電場相比，海上風電場不僅具有更加豐富的風能資源，而且不占用陸上土地，對人類影響較小。因此，海上風電場特別是遠海風電場日益成為國內外關注的焦點。與交流輸電相比，直流輸電由于沒有無功功率輸送，當海上風電場距陸地距離較 遠(80-100km以上)時,直流輸電是唯一可行的輸電方法。故直流輸電技術是遠距離海上風電場并網的最佳選擇，但是直流輸電技術需要建造大型的海上電氣平臺來支撐海上換流站。傳統的海上風電場及其直流輸電系統結構如圖I所示，其由多臺風力發電機組成，每臺風力發電機都配有一套換流設備；風力發電機發出的低頻交流電能經過AC-DC換流器整流為直流電能，直流電能通過DC-AC換流器逆變為工頻(50Hz)交流電能，該工頻交流電能通過變壓器升壓后接入海島上的交流母線。交流母線上的工頻交流電能又經過一次變壓器升壓和大型的AC-DC換流器整流后，轉換成高壓直流電能后輸送至岸上，由內陸的換流器再將高壓直流電轉換為交流后接入公共電網。故現有海上風電場直流輸電技術需要建造大型的海上電氣平臺來支撐海上換流站。在海上特別是深海，建造大型海上電氣平臺不僅成本很高，而且建造難度很大；另外傳統的海上風電場需要使用較多的電能轉換設備，這不僅增加了系統成本，而且能量的多次轉換增加了系統損耗。

發明內容
針對現有技術所存在的上述技術缺陷，本發明提供了一種基于串聯結構的風電場及其控制方法，無需建立大型換流站即能實現海上遠距離的直流輸電。一種基于串聯結構的風電場，包括多臺風力發電機和一控制器；所述的風力發電機連接有AC-DC換流器，所述的AC-DC換流器的直流輸出側并聯有直流母線電容和半H橋換流器；多臺風力發電機分別對應的多臺半H橋換流器的輸出側依次串聯；所述的控制器用于根據各AC-DC換流器的直流母線電壓，通過排序投切向各半H橋換流器提供驅動信號。所述的半H橋換流器由兩個功率開關管組成；其中，上橋臂功率開關管的集電極與AC-DC換流器的正輸出端相連，上橋臂功率開關管的發射極與下橋臂功率開關管的集電極相連且為半H橋換流器的第一輸出端，下橋臂功率開關管的發射極與AC-DC換流器的負輸出端相連且為半H橋換流器的第二輸出端，兩個功率開關管的門極分別接收控制器提供的一對互補的驅動信號。所述的功率開關管采用IGBT。所述的直流母線電壓為AC-DC換流器對應直流母線電容兩端的電壓。上述風電場的控制方法，包括如下步驟(I)實時采集各AC-DC換流器的直流母線電壓；(2)對于下一控制周期，使各AC-DC換流器的直流母線電壓由高到低進行排序；
(3)將直流母線電壓排列前η的AC-DC換流器分別對應的η臺半H橋換流器置于投入狀態，即使這些半H橋換流器的上橋臂功率開關管均開通，下橋臂功率開關管均關閉；將其余半H橋換流器置于切除狀態，即使這些半H橋換流器的上橋臂功率開關管均關閉，下橋臂功率開關管均開通為大于O的自然數。本發明風電場中的各風力發電機的換流器件采用串聯連接，風力發電機發出的交流電能通過AC-DC換流器變換為直流電能并向直流電容充電。直流電容輸出端與半H橋換流器相連，直流電容放電與否由半H橋換流器控制。對各AC-DC換流器的直流母線電壓進行采集并排序。按照直流電容電壓由高到低的順序，選擇一定數量的直流母線電容，將與這些直流電母線容相連的半H橋換流器置于投入狀態，其余半H橋換流器置于切除狀態。使與處于投入狀態的半H橋換流器并聯的直流電容放電，使與處于切除狀態的半H橋換流器并聯的直流電容不放電。本發明將風力發電機經過AC-DC換流器變換得到的直流電壓直接串聯，串聯結構的首末兩端輸出高壓的直流電能，將串聯結構的首末兩端通過直流海底電纜與岸上的換流器相連，岸上換流器將直流電能逆變為交流電能并送入公共電網。本發明與現有技術相比具有的有益效果是本發明通過將各風力發電機的換流器件串聯連接，使所有風力發電機的交流電能在風電場內部就整流為高壓直流電能，可以取消大型的海上換流站，也不需要建造海上電氣平臺；且每臺風力發電機無需DC-AC的換流設備，這不僅減少了系統成本，而且也降低了系統能量損耗。


圖I為現有海上風電場的結構示意圖。圖2為本發明風電場的結構示意圖。圖3為18臺風力發電機的風速示意圖。圖4(a)為岸上換流站輸出的有功和無功功率示意圖。圖4(b)為各AC-DC換流器的直流母線電壓波形示意圖。
具體實施例方式為了更為具體地描述本發明，下面結合附圖及具體實施方式
對本發明的技術方案及其相關原理進行詳細說明。如圖2所示，一種基于串聯結構的風電場，包括18臺風力發電機和一控制器；每臺風力發電機均連接有AC-DC換流器，AC-DC換流器為三相六橋臂結構；AC-DC換流器的直流輸出側并聯有直流母線電容C和半H橋換流器；18臺風力發電機分別對應的18臺半H橋換流器的輸出側依次串聯；半H橋換流器由兩個IGBT組成；其中，上橋臂IGBT的集電極與AC-DC換流器的正輸出端相連，上橋臂IGBT的發射極與下橋臂IGBT的集電極相連且為半H橋換流器的第一輸出端，下橋臂IGBT的發射極與AC-DC換流器的負輸出端相連且為半H橋換流器的第二輸出端，兩個IGBT的門極分別接收控制器提供的一對互補的驅動信號?？刂破饔糜诟鶕鰽C-DC換流器的直流母線電壓，通過排序投切向各半H橋換流器提供驅動信號；其由多個電壓傳感器、多個采樣保持電路、一 MCU模塊和多個驅動電路組成，電壓傳感器用于采集直流母線電壓；采樣保持電路對采集得到的電壓模擬信號進行采樣以及模數轉換后提供給MCU ;MCU對各直流母線電壓進行排序，然后按一定比例進行投切，輸出兩組驅動信號(一組對應投入狀態的半H橋換流器，另一組對應切除狀態的半H橋換流器)；驅動電路用于對MCU輸出的驅動信號功率放大后以驅動半H橋換流器中的IGBT。 本實施方式中控制器所對應的投切控制方法，如下首先，實時采集各AC-DC換流器的直流母線電壓；然后，對于下一控制周期，使各AC-DC換流器的直流母線電壓由高到低進行排序；最后，使直流母線電壓排列前10的AC-DC換流器分別對應的10臺半H橋換流器的上橋臂IGBT均開通，下橋臂IGBT均關閉；使其余8臺半H橋換流器的上橋臂IGBT均關閉，下橋臂IGBT均開通。風電場中的各風力發電機的半H橋換流器采用串聯連接；風力發電機發出的交流電能通過AC-DC換流器變換為直流電能并向直流母線電容C充電，直流母線電容C與半H橋換流器并聯，直流母線電容C放電與否由半H橋換流器控制?？刂破鲗Ω鰽C-DC換流器的直流母線電容C的電壓進行測量并排序，按照直流母線電壓由高到低的順序，選擇一定數量的直流母線電容C，將與這些電容并聯的半H橋換流器置于投入狀態，其余半H橋換流器置于切除狀態。與處于投入狀態的半H橋換流器并聯的直流母線電容C放電，與處于切除狀態的半H橋換流器并聯的直流母線電容C不放電。本實施方式將所有風力發電機經過AC-DC換流器變換得到的直流電壓直接串聯，串聯結構的首末兩端輸出高壓的直流電能，將串聯結構的首末兩端通過直流海底電纜與岸上的換流器相連，岸上換流器將直流電能逆變為交流電能并送入公共電網。圖3所示為本實施方式風電場中的18臺風力發電機的風速，每臺風力發電機的風速都隨時間變化。風力發電機輸出的電能與其風速的三次方成正比。風力發電機發出的交流電能通過AC-DC換流器變換為直流電能并向直流母線電容充電。直流母線電容與半H橋換流器并聯，直流母線電容放電與否由半H橋換流器控制。當半H橋換流器中的上橋臂IGBT開通，下橋臂IGBT關斷時，半H橋換流器輸出電壓為其所連接的直流母線電容的電壓，并且該直流母線電容放電。當半H橋換流器中的上橋臂IGBT關斷，下橋臂IGBT開通時，半H橋換流器輸出電壓為零，且其對應的直流母線電容不放電。海上風電場通過90km的海底電纜與岸上換流站相連。岸上換流站采用直流電壓控制和無功功率控制，圖4(a)所示為岸上換流站送入交流電網的有功和無功功率。圖4(b)是各AC-DC換流器的直流母線電壓。
權利要求
1.一種基于串聯結構的風電場，其特征在于，包括多臺風力發電機和一控制器；所述的風力發電機連接有AC-DC換流器，所述的AC-DC換流器的直流輸出側并聯有直流母線電容和半H橋換流器；多臺風力發電機分別對應的多臺半H橋換流器的輸出側依次串聯； 所述的控制器用于根據各AC-DC換流器的直流母線電壓，通過排序投切向各半H橋換流器提供驅動信號。
2.根據權利要求I所述的基于串聯結構的風電場，其特征在于所述的半H橋換流器由兩個功率開關管組成；其中，上橋臂功率開關管的集電極與AC-DC換流器的正輸出端相連，上橋臂功率開關管的發射極與下橋臂功率開關管的集電極相連且為半H橋換流器的第一輸出端，下橋臂功率開關管的發射極與AC-DC換流器的負輸出端相連且為半H橋換流器的第二輸出端，兩個功率開關管的門極分別接收控制器提供的一對互補的驅動信號。
3.根據權利要求2所述的基于串聯結構的風電場，其特征在于所述的功率開關管采用 IGBT。
4.一種如權利要求I所述的風電場的控制方法，包括如下步驟 (1)實時采集各AC-DC換流器的直流母線電壓； (2)對于下一控制周期，使各AC-DC換流器的直流母線電壓由高到低進行排序； (3)將直流母線電壓排列前η的AC-DC換流器分別對應的η臺半H橋換流器置于投入狀態，即使這些半H橋換流器的上橋臂功率開關管均開通，下橋臂功率開關管均關閉；將其余半H橋換流器置于切除狀態，即使這些半H橋換流器的上橋臂功率開關管均關閉，下橋臂功率開關管均開通為大于O的自然數。
全文摘要
本發明公開了一種基于串聯結構的風電場，包括多臺風力發電機和一控制器；風力發電機連接有AC-DC換流器，AC-DC換流器的直流輸出側并聯有直流母線電容和半H橋換流器；多臺風力發電機分別對應的多臺半H橋換流器的輸出側依次串聯。本發明還公開了上述風電場的投切控制方法。本發明通過將各風力發電機的換流器件串聯連接，使所有風力發電機的交流電能在風電場內部就整流為高壓直流電能，可以取消大型的海上換流站，也不需要建造海上電氣平臺；且每臺風力發電機無需DC-AC的換流設備，這不僅減少了系統成本，而且也降低了系統能量損耗。
文檔編號H02J3/36GK102868154SQ201210362928
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月26日 優先權日2012年9月26日
發明者徐政, 管敏淵, 薛英林, 唐庚 申請人:浙江大學