[發明專利]直流側集成超導磁儲能的電流源型風能變換裝置

無效

• 申請號: 201010153415.4
• 申請日: 2010-04-21
• 公開（公告）號: CN101860227A
• 公開（公告）日: 2010-10-13
• 發明（設計）人: 王政;程明;鄒國棠
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H02M5/44
• 分類號: H02M5/44;H02J3/36
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

技術領域

本發明是一種通過大功率中壓電流源型變頻器將超導磁儲能和風力發電有機結合的新型風能變化系統，屬于電工、電力電子、電機應用的技術領域。

背景技術

為了更加有效地利用風能并降低風機單機系統的建設成本，全球風機正朝著大型化的趨勢發展。隨著風機容量的逐漸增大，齒輪箱的高速傳動部件故障問題日益突出，因此直驅式風機越來越多地用到大型風力發電系統中。而直驅式風機所普遍采用的全功率變頻器，可以明顯改善系統的電能質量，減輕系統對電網的沖擊，保障電網并網后的可靠性和安全性。由于結構簡單和效率高的優點，中壓大功率變頻器非常適合用于基于全功率變頻器的大型風能變換系統中。其中中壓電流源型變頻器有諸多優點：(1)拓撲結構簡單、器件數目少；(2)輸出波形好、dv/dt值小；(3)具有四象限運行能力；(4)直流側電感使得電路短路保護能力強等等。而目前獨立的風能變換系統中還存在著一些關鍵問題待解決：(1)隨機風速下有功功率平滑困難；(2)低壓穿越困難，電網發生低壓故障時，風機捕獲的風能無法向電網輸出；(3)多風機電場電力系統存在暫態穩定性問題。超導磁儲能系統具有功率密度高、壽命長、充放電速度快、效率高的優點。基于這些優點，超導磁儲能系統對提高風力發電性能有著重要作用：(1)可平滑隨機風速下風能變換系統的功率輸出；(2)可以提高風場電力系統的暫態穩定性，幫助抑制風場電力系統暫態過程中發生的功率和電壓振蕩；(3)可以幫助風能系統克服外部電網故障，實現不間斷運行。目前將超導磁儲能和風能變換系統的集成都是通過電壓源型變頻器實現，或是兩者在電網側的并聯連接方式。而充分利用大功率電流源型變頻器優點，將風能變換系統和超導磁儲能進行有機結合的結構形式還未出現。

發明內容

技術問題：本發明的目的是提出直流側集成超導磁儲能的大功率電流源型風能變換裝置，在同時滿足風能變換系統和超導磁儲能運行條件及不增加成本的前提下，要求繼承超導磁儲能和電流源型變頻器在大容量風力發電中的優點。同時從功能上要解決傳統的獨立風能變換系統有功平滑困難、低壓穿越困難及多風機電場電網絡暫態穩定性的技術難題。從結構上要求克服基于電壓源型變頻器超導磁儲能和風力發電集成需依賴斬波器的問題，以使得結構更緊湊、控制更直接。

技術方案：為解決上述技術問題，本發明采用了中壓電流源型變頻器作為將風力發電和超導磁儲能集成的變頻器拓撲結構，將超導磁儲能中的超導磁體集成在電流源型風能變換系統的直流側。在風機側，超導磁體通過電流源型整流器和風力發電機相連，而在電網側超導磁體通過電流源型逆變器和電網相連。通過這種結構，省去了電壓源型超導磁儲能系統中的斬波器，而且繞過斬波器直接控制超導磁體中的能量。因此本發明中的系統結構更緊湊、控制更直接。由于本發明中系統直流側采用了可存儲大量能量的超導磁體取代傳統電流源型風能變換系統的直流電感，因此可以吸收電網發生低壓故障時風機捕獲但不能輸送入網的多余能量，從而解決了低壓穿越問題。當風場電力系統中發生功率和電壓振蕩時，本發明中超導磁體能量可以在短時間內向電網發出或吸收大量能量，從而抑制振蕩，解決了風場電力系統暫態穩定性的問題。當大慣量風機的機械動態行為發生變化時，本發明中直流側超導磁體中的能量也可以通過快速吸收或釋放能量來解決大慣量風機機械動態控制慢的技術問題。此外，本發明采用了并聯電流源型變頻器的結構，不僅可以增加超導磁體中最大值電流和分擔單個變頻器的負擔，而且可實現超導磁體電流降為最大值一半時系統仍能輸出額定功率的基本要求。

具體結構為：該裝置中的風機通過齒輪箱與發電機的主軸相連，發電機的輸出端與多個彼此相并聯的風機側電流源型變頻器的輸入端相連，風機側電流源型變頻器的輸出端接風機側直流均流電感；電網側電流源型變頻器的輸入端接電網側直流均流電感，在風機側直流均流電感與電網側直流均流電感之間連接超導磁體，超導磁體通過電網側電流源型變頻器和電網進行能量交換；多個彼此相并聯的電網側電流源型變頻器的輸出端、入網電感、入網變壓器、電網順序串聯連接；電網側濾波電容接在電網側電流源型變頻器的輸出端，風機側濾波電容接在風機側電流源型變頻器的輸入端。

風機側電流源型變頻器的單機容量和電網側電流源型變頻器的單機容量相同；超導磁體中最大電流數值和風機側電流源型變頻器的總電流數值相等，也和電網側電流源型變頻器的總電流數值相等；而發電機的額定電流為超導磁體中最大電流數值的一半。電網側濾波電容的數值根據電網側無功要求和諧波要求設計，而風機側濾波電容的數值根據發電機無功要求和諧波要求設計。