一种基于串联结构的风电场及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于串联结构的风电场，包括：多台风力发电机和一控制器；风力发电机连接有AC-DC换流器，AC-DC换流器的直流输出侧并联有直流母线电容和半H桥换流器；多台风力发电机分别对应的多台半H桥换流器的输出侧依次串联。本发明专利技术还公开了上述风电场的投切控制方法。本发明专利技术通过将各风力发电机的换流器件串联连接，使所有风力发电机的交流电能在风电场内部就整流为高压直流电能，可以取消大型的海上换流站，也不需要建造海上电气平台；且每台风力发电机无需DC-AC的换流设备，这不仅减少了系统成本，而且也降低了系统能量损耗。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于风电传输
，具体涉及一种基于串联结构的风电场及其控制。
技术介绍
开发可再生能源是实施可持续发展战略的重要保证，其中风能是一种非常重要的可再生能源。风能的一个重要特点是，通过建立大型风电场可以对风能进行大规模开发利用。目前已经建成的大型风电场一般多处在陆地或海岛上。陆上风电场不仅可利用的风能资源有限，而且占用了大量土地，破坏了当地生态。建立海上风电场，特别是远海风电场是开发可再生能源的重要手段；与陆上风电场相比，海上风电场不仅具有更加丰富的风能资源，而且不占用陆上土地，对人类影响较小。因此，海上风电场特别是远海风电场日益成为国内外关注的焦点。与交流输电相比，直流输电由于没有无功功率输送，当海上风电场距陆地距离较 远(80-100km以上)时,直流输电是唯一可行的输电方法。故直流输电技术是远距离海上风电场并网的最佳选择，但是直流输电技术需要建造大型的海上电气平台来支撑海上换流站。传统的海上风电场及其直流输电系统结构如图I所示，其由多台风力发电机组成，每台风力发电机都配有一套换流设备；风力发电机发出的低频交流电能经过AC-DC换流器整流为直流电能，直流电能通过DC-AC换流器逆变为工频(50Hz)交流电能，该工频交流电能通过变压器升压后接入海岛上的交流母线。交流母线上的工频交流电能又经过一次变压器升压和大型的AC-DC换流器整流后，转换成高压直流电能后输送至岸上，由内陆的换流器再将高压直流电转换为交流后接入公共电网。故现有海上风电场直流输电技术需要建造大型的海上电气平台来支撑海上换流站。在海上特别是深海，建造大型海上电气平台不仅成本很高，而且建造难度很大；另外传统的海上风电场需要使用较多的电能转换设备，这不仅增加了系统成本，而且能量的多次转换增加了系统损耗。
技术实现思路
针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本专利技术提供了，无需建立大型换流站即能实现海上远距离的直流输电。一种基于串联结构的风电场，包括多台风力发电机和一控制器；所述的风力发电机连接有AC-DC换流器，所述的AC-DC换流器的直流输出侧并联有直流母线电容和半H桥换流器；多台风力发电机分别对应的多台半H桥换流器的输出侧依次串联；所述的控制器用于根据各AC-DC换流器的直流母线电压，通过排序投切向各半H桥换流器提供驱动信号。所述的半H桥换流器由两个功率开关管组成；其中，上桥臂功率开关管的集电极与AC-DC换流器的正输出端相连，上桥臂功率开关管的发射极与下桥臂功率开关管的集电极相连且为半H桥换流器的第一输出端，下桥臂功率开关管的发射极与AC-DC换流器的负输出端相连且为半H桥换流器的第二输出端，两个功率开关管的门极分别接收控制器提供的一对互补的驱动信号。所述的功率开关管采用IGBT。所述的直流母线电压为AC-DC换流器对应直流母线电容两端的电压。上述风电场的控制方法，包括如下步骤(I)实时采集各AC-DC换流器的直流母线电压；(2)对于下一控制周期，使各AC-DC换流器的直流母线电压由高到低进行排序； (3)将直流母线电压排列前η的AC-DC换流器分别对应的η台半H桥换流器置于投入状态，即使这些半H桥换流器的上桥臂功率开关管均开通，下桥臂功率开关管均关闭；将其余半H桥换流器置于切除状态，即使这些半H桥换流器的上桥臂功率开关管均关闭，下桥臂功率开关管均开通为大于O的自然数。本专利技术风电场中的各风力发电机的换流器件采用串联连接，风力发电机发出的交流电能通过AC-DC换流器变换为直流电能并向直流电容充电。直流电容输出端与半H桥换流器相连，直流电容放电与否由半H桥换流器控制。对各AC-DC换流器的直流母线电压进行采集并排序。按照直流电容电压由高到低的顺序，选择一定数量的直流母线电容，将与这些直流电母线容相连的半H桥换流器置于投入状态，其余半H桥换流器置于切除状态。使与处于投入状态的半H桥换流器并联的直流电容放电，使与处于切除状态的半H桥换流器并联的直流电容不放电。本专利技术将风力发电机经过AC-DC换流器变换得到的直流电压直接串联，串联结构的首末两端输出高压的直流电能，将串联结构的首末两端通过直流海底电缆与岸上的换流器相连，岸上换流器将直流电能逆变为交流电能并送入公共电网。本专利技术与现有技术相比具有的有益效果是本专利技术通过将各风力发电机的换流器件串联连接，使所有风力发电机的交流电能在风电场内部就整流为高压直流电能，可以取消大型的海上换流站，也不需要建造海上电气平台；且每台风力发电机无需DC-AC的换流设备，这不仅减少了系统成本，而且也降低了系统能量损耗。附图说明图I为现有海上风电场的结构示意图。图2为本专利技术风电场的结构示意图。图3为18台风力发电机的风速示意图。图4(a)为岸上换流站输出的有功和无功功率示意图。图4(b)为各AC-DC换流器的直流母线电压波形示意图。具体实施例方式为了更为具体地描述本专利技术，下面结合附图及具体实施方式对本专利技术的技术方案及其相关原理进行详细说明。如图2所示，一种基于串联结构的风电场，包括18台风力发电机和一控制器；每台风力发电机均连接有AC-DC换流器，AC-DC换流器为三相六桥臂结构；AC-DC换流器的直流输出侧并联有直流母线电容C和半H桥换流器；18台风力发电机分别对应的18台半H桥换流器的输出侧依次串联；半H桥换流器由两个IGBT组成；其中，上桥臂IGBT的集电极与AC-DC换流器的正输出端相连，上桥臂IGBT的发射极与下桥臂IGBT的集电极相连且为半H桥换流器的第一输出端，下桥臂IGBT的发射极与AC-DC换流器的负输出端相连且为半H桥换流器的第二输出端，两个IGBT的门极分别接收控制器提供的一对互补的驱动信号。控制器用于根据各AC-DC换流器的直流母线电压，通过排序投切向各半H桥换流器提供驱动信号；其由多个电压传感器、多个采样保持电路、一 MCU模块和多个驱动电路组成，电压传感器用于采集直流母线电压；采样保持电路对采集得到的电压模拟信号进行采样以及模数转换后提供给MCU ;MCU对各直流母线电压进行排序，然后按一定比例进行投切，输出两组驱动信号(一组对应投入状态的半H桥换流器，另一组对应切除状态的半H桥换流器)；驱动电路用于对MCU输出的驱动信号功率放大后以驱动半H桥换流器中的IGBT。 本实施方式中控制器所对应的投切控制方法，如下首先，实时采集各AC-DC换流器的直流母线电压；然后，对于下一控制周期，使各AC-DC换流器的直流母线电压由高到低进行排序；最后，使直流母线电压排列前10的AC-DC换流器分别对应的10台半H桥换流器的上桥臂IGBT均开通，下桥臂IGBT均关闭；使其余8台半H桥换流器的上桥臂IGBT均关闭，下桥臂IGBT均开通。风电场中的各风力发电机的半H桥换流器采用串联连接；风力发电机发出的交流电能通过AC-DC换流器变换为直流电能并向直流母线电容C充电，直流母线电容C与半H桥换流器并联，直流母线电容C放电与否由半H桥换流器控制。控制器对各AC-DC换流器的直流母线电容C的电压进行测量并排序，按照直流母线电压由高到低的顺序，选择一定数量的直流母线电容C，将与这些电容并联的半H桥换流器置于投入状态，其余半H桥换流器置于切除状态。与处于投入状态的半H桥换流器并联的直流母线电容C放电，与处于切除状本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于串联结构的风电场，其特征在于，包括：多台风力发电机和一控制器；所述的风力发电机连接有AC？DC换流器，所述的AC？DC换流器的直流输出侧并联有直流母线电容和半H桥换流器；多台风力发电机分别对应的多台半H桥换流器的输出侧依次串联；所述的控制器用于根据各AC？DC换流器的直流母线电压，通过排序投切向各半H桥换流器提供驱动信号。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：徐政，管敏渊，薛英林，唐庚，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：