CN205141697U - 风光一体化大功率并网变流器***拓扑结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及风光互补领域，公开了一种风光一体化大功率并网变流器***拓扑结构，包括机侧变流器、网侧变流器、光伏Boost升压器，三者在直流母线部分并联。***将风力发电与光伏发电在并网逆变器部分相结合，可独立运行，也可并联运行，削弱了间歇性干扰给并网带来的不利影响，加强了整套***运行的可靠性，适用于大功率风电变流器与光伏逆变器的结合；同时可节省一套光伏并网逆变器、一套并网变压器和及高压并网开关等设备，从而在并网变流器等后续设备部分实现风电及光伏一体化运行。风电机侧变流器、网侧变流器、光伏Boost升压器等部分可以做成一个整体，全部水冷却，置于风电塔筒内，从而节省体积，降低设备成本。

Description

风光一体化大功率并网变流器***拓扑结构

技术领域

本实用新型涉及风光互补领域，特别涉及风力发电与光伏发电一体化的电路结构方案。

背景技术

随着世界能源格局的变更，光伏发电与风力发电日益成为各国深入研究、大力发展的热点。我国幅员辽阔，风光资源丰富，先后建立了一大批风电场、光伏电站。鉴于风能和光能的地域差别性，风电场和光伏电站独立运行。然而由于风能和太阳能都存在间歇性的特点，独立风力发电***和独立太阳能发电***也都存在能量不稳定的缺点。阴雨天或夜晚，太阳能电池的发电效率很低或根本不发电，而此时可能风速很大，更利于风力发电；风和日丽时，更有利于光伏发电，因此风光两种资源存在一定程度的互补性；鉴于此，风能、太阳能的综合利用受到各国的普遍重视，风光互补发电问题被学者所研究。风光互补发电***的应用，就目前来看，多作为独立的小功率供电***，用于远离电网的地区，如部队的边防哨所、邮电通讯的中继站、公路和铁路的信号站、地质勘探和野外考察的工作站等。

目前风光互补发电***多为特定用途的小容量***，逆变器离网运行，一般是将太阳能电池板输出的直流以及风力机输出的变压变频交流电整流而成的直流通过控制器存储到蓄电池组中，当用户需要用电时，逆变器将蓄电池组中储存的直流电转变为交流电，通过输电线路送到用户负载处。风光互补发电站***主要由风力发电机、太阳能电池方阵、智能控制器、蓄电池组、多功能逆变器、电缆及支撑和辅助件等组成一个发电***，将电力并网送入常规电网中。这种小容量风光互补发电***也可称为离网式风光一体化发电***。

我国西北部多戈壁荒漠、北部及东北部多荒野草原，地势相较平坦，风光资源丰富但人烟稀少。大型光伏电站和风电场比较占地方，如10MW的光伏电站装机容量占地约300亩，49.5MW的风电场（以单机容量1.5MW计）占地约为150亩，如果上面为风机，下面为光伏电池板，将二者在场地上结合起来，则同样的150亩土地上，可能建设出超过49.5MW的风光发电场，因此荒滩戈壁、荒野草原成为建设大型地面光伏电站、风电场的合适厂址。某些特殊区域，因军事基地、荒地灌溉、边远无电用户及一些其他原因，需要将光伏电站与风电场集合在一起，实现有限资源空间的充分利用，减少一次性投资，便于综合维护、管理，减弱了风光能源间歇性带来的不利影响。

风电场和光伏电站容量较大，目前基本上都是独立运行，各自实现并网，且彼此空间距离较远。为充分发挥风、光资源的互补优势，实现地面和高空的合理利用，提高设施、设备利用率，提高单一电源供电质量和可靠性，部分国家示范项目采用了风光互补发电***，对保障电网安全稳定运行起到了积极作用，并且弥补了光伏电站夜晚出力为零的缺陷，对电厂发电出力起到良好的坦化作用，使之与接入电网的负荷指标更为接近。目前大容量并网式风光互补发电***，多采用交流侧（10kV或35kV或110kV）并联进入集电站，能量管理***采集电压电流信号、用户功率状况，实现风电与光电的统一调配。

现在主流的直驱或双馈风电多为660V或690V的低压***，直流电压通常为1050V左右且正常情况下不变动，通常容量在2.5MW及以下；电站型光伏逆变器容量通常为500kW，输出电压为270V或315V或400V（欧美居多），母线MPPT电压为450V-900V（270V***）或500V-900V（315V***），MPPT时母线电压波动。风电和光伏经网侧变流器后输出恒压恒频三相交流电，由各自后级变压器升压为10kV（或35kV或110kV），统一并入中压母线送至集电站，典型的***拓扑如图1所示。

受能源分布特性影响，传统的风电场和光伏电站，彼此空间距离较远，很难实现***内统一调度，只能各自升压后并入大电网，制约了分布式能源调度的灵活性。在一些特定的国家性示范基地，风电场和光伏电站距离较近或者合二为一，从整体大电网角度来看，实现了风电和光伏的中压并网、统一调度，充分发挥了风、光资源的互补优势，但仍旧未走出传统的独立并网的阴影，就各自的变流装置及其前后级配置而言，与传统独立并网方式不无一致。

发明内容

为实现分布式风、光能源发电并网的灵活统一调度，本实用新型提供了一种新型的光伏风电一体化电路拓扑结构，充分发挥风、光资源的互补优势。

本实用新型采用如下技术方案：

一种风光一体化大功率并网变流器***拓扑结构，包括一机侧变流器和一网侧变流器，其特征在于还包括一光伏Boost升压器，所述机侧变流器、光伏Boost升压器及网侧变流器在直流母线部分并联；

所述机侧变流器由至少一个整流回路组成，用于将风力发电机输出的交流电整流成直流母线电压；

所述光伏Boost升压器由至少一个升压回路组成，用于将光伏阵列输出的直流电压升压至直流母线电压；

所述网侧变流器由至少一个逆变回路组成，用于将直流母线电压逆变成交流电输出。

本实用新型有益效果：

a.实现光伏发电与风力发电一体化设计，机侧变流器、Boost升压器和网侧变流器通过直流母线并联，既可风电或光伏独立运行，也可并联运行，机侧（或升压器侧）故障时只影响风电（或光伏）并网，而对无故障的升压器侧（或机侧）和网侧几乎没有影响，可正常并网，提高了***的容错率；

b.将光伏母线电压升压后并入风电变流器直流母线，节约了光伏逆变器和后级升压变压器以及高压并网开关等的数量，减少设备需求和电站的投入成本；

c.实现了风电和光电的优势互补，最大程度上减小了风光能源间歇性带来的不利影响，省去了光伏侧储能装置，电站空间得到了充分利用，实现了分布式能源发电并网的统一调度；

d.机侧变流器、光伏Boost升压器和网侧变流器根据电站实际情况可集中放置，也可分置，节省体积和设备，灵活方便；

e.电站未接入大电网的情况下，光伏电池板在有日照的白天提供直流电源，为机组的调试工作提供了更多的便利，可缩短并网前的调试周期，为电站创造更多的收益；

f.利于电站后期升级改造，为增加叶片或者电网线路的“融冰”功能***的铺设及工作的展开提供有力条件；

g.网侧变流器采用两路或多路逆变回路组成时，增大了逆变容量，而且上下两组并联的回路可以互为冗余，一个回路发生故障时，不影响其他回路正常运行；

h.并网变压器采用三绕组变压器时，网侧变流器经滤波器后分别接原边的两个低压绕组，经电磁隔离后并联输出，从而减少了网侧变流器直接并联的数量，降低了环流。

附图说明

图1是传统的风电光伏中压并网***拓扑图。

图2是本实用新型新型光伏风电一体化***拓扑。

图3是单绕组风机机侧整流拓扑。

图4是双绕组风机机侧整流拓扑。

图5是传统单级Boost升压电路。

图6是三电平Boost升压电路。

图7是改进型双级Boost升压电路。

图8是双绕组网侧变流器拓扑。

图9三绕组网侧变流器拓扑。

图10LC滤波器（电容星型连接）。

图11是LCL滤波器（电容星型连接）。

图12是LC滤波器（电容角形连接）。

图13是LCL滤波器（电容角形连接）。

图14是三绕组变压器结构形式1。

图15是三绕组变压器结构形式2。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行进一步的说明。

图2为本实用新型技术方案的***原理框图，主要由三部分可控变流器组成，包括机侧变流器（也即整流器）、光伏Boost升压器及网侧变流器（也即逆变器），三者在***直流母线部分并联。

机侧变流器将风机输出的变压变频交流电整流成单极性直流电压Ud（Ud为直流母线电压）馈送至直流母线，风力发电机可以是低速或者高速直驱风力发电机，抑或是串级或非串级使用的永磁或电励磁直驱风力发电机，电机形式可采用单绕组电机（如图3所示）或双绕组电机（如图4所示），依据不同的电机使用方式，整流器可有相应的单回路、双回路或多回路（三路及三路以上），所有整流回路的直流输出并联在一起。

光伏Boost升压器包含至少一个升压回路，将光伏阵列输出的直流电压升压至Ud馈送至直流母线并实现光伏阵列MPPT功能。依据电站的实际情况可以选用不同的升压器，如传统的单级Boost升压电路（如图5所示）、三电平Boost升压电路（如图6所示）或改进型双级Boost升压电路（如图7所示）。

网侧变流器包含至少一个逆变回路，用于稳定直流母线电压，并将直流电能逆变为恒压恒频的交流电。网侧变流器的输出侧连接并网变压器，逆变得到的交流电通过并网变压器升压至10kV或35kV或110kV等，以适应电网要求，并馈送到中压母线，再送至集电站。根据功率等级的不同，并网变压器可选择双绕组变压器或者三绕组变压器（如图8和图9所示）。当采用三绕组并网变压器时，网侧变流器由两个独立逆变回路组成，两个逆变回路的直流输入并联在一起，上下两个回路互为冗余，两个独立逆变回路输出的两路三相交流电压分别接三绕组并网变压器原边的两个低压绕组，如图14和图15所示，变压器可以采用Y，Y，d接线方式，也可以采用D，D，y接线方式。

各种拓扑结构形式中，逆变输出三相滤波器的方案设计如图10-图13所示，该滤波器可以采用LC结构滤波，也可以采用LCL结构滤波，两种滤波电路结构中，电容C都可以角型连接或星型连接。

一体化变流器可采用集中放置方案，即将机侧变流器、Boost升压器和网侧变流器做成一个整体集中在一个柜子内或多个柜体进行并柜，全部水冷却，置于风电塔筒内，从而节省体积，省掉一个光伏逆变器房或集装箱。这样不仅便于集中散热设计，减少了彼此之间的连接件（或线缆）。也可采用分置方案，机侧变流器置于风塔塔顶，网侧逆变器置于塔底，光伏Boost升压器置于汇流箱（直流柜）附近或者与网侧逆变器安装在一起，利用直流母线进行功率传输，中间长距离直流母线传输，类似轻型直流输电的拓朴结构，从而更有效的节省发电机侧的交流电缆长度，降低因电压反射而引起的过电压可能性，减少因高频交流电流的集肤效应引起的电缆发热现象。

***将风力发电与光伏发电在并网逆变器部分相结合，可独立运行，也可并联运行，削弱了间歇性干扰给并网带来的不利影响，加强了整套***运行的可靠性，适用于大功率风电变流器与光伏逆变器的结合；同时可节省一套光伏并网逆变器、一套并网变压器和及高压并网开关等设备，从而在并网变流器等后续设备部分实现风电及光伏一体化运行。当风电机侧发生故障时，机侧变流器封锁脉冲，Boost升压器和网侧变流器正常运行；当光伏侧发生故障时，Boost升压器封锁脉冲，机侧和网侧变流器仍正常运行；当网侧变流器发生故障时，机侧变流器、Boost升压器和网侧变流器均封锁脉冲，停止向电网发送电能，若网侧变流器有不止一个回路且非短路、绝缘击穿等问题，可只封锁故障回路，提高设备利用率。

Claims (9)

1.一种风光一体化大功率并网变流器***拓扑结构，包括一机侧变流器和一网侧变流器，其特征在于还包括一光伏Boost升压器，所述机侧变流器、光伏Boost升压器及网侧变流器在直流母线部分并联；

所述机侧变流器由至少一个整流回路组成，用于将风力发电机输出的交流电整流成直流母线电压；

所述光伏Boost升压器由至少一个升压回路组成，用于将光伏阵列输出的直流电压升压至直流母线电压；

所述网侧变流器由至少一个逆变回路组成，用于将直流母线电压逆变成交流电输出到并网变压器进行升压。

2.如权利要求1所述的风光一体化大功率并网变流器***拓扑结构，其特征在于机侧变流器由至少两个独立整流回路组成，所有整流回路的直流输出并联在一起。

3.如权利要求1所述的风光一体化大功率并网变流器***拓扑结构，其特征在于网侧变流器由至少两个独立逆变回路组成，所有逆变回路的直流输入并联在一起。

4.如权利要求1所述的风光一体化大功率并网变流器***拓扑结构，其特征在于所述网侧变流器由两个互为冗余的独立逆变回路组成，两个独立逆变回路的输出分别接三绕组并网变压器原边的两个低压绕组。

5.如权利要求1所述的风光一体化大功率并网变流器***拓扑结构，其特征在于所述光伏Boost升压器采用传统单级Boost升压电路、改进型双级Boost升压电路或三电平Boost升压电路。

6.如权利要求1所述的风光一体化大功率并网变流器***拓扑结构，其特征在于所述整流回路、升压回路、逆变回路均为可控回路。

7.如权利要求1所述的风光一体化大功率并网变流器***拓扑结构，其特征在于所述机侧变流器和光伏Boost升压器任一独立运行或两者并联运行。

8.如权利要求1所述的风光一体化大功率并网变流器***拓扑结构，其特征在于所述机侧变流器、光伏Boost升压器及网侧变流器集成为一体安装在风塔筒内。

9.如权利要求1所述的风光一体化大功率并网变流器***拓扑结构，其特征在于所述机侧变流器置于风塔塔顶，网侧变流器置于风塔塔底，光伏Boost升压器置于汇流箱附近或者与网侧变流器安装在一起。