一种风光变流器、控制方法及新能源系统与流程

1.本技术涉及新能源发电技术领域，具体涉及一种风光变流器、控制方法及新能源系统。


背景技术：

2.目前，随着新能源产业的不断发展，光伏发电和风力发电可以联合建立风光互补型发电站。最初的风光互补性发电站中的风电系统和光伏系统在升压变前级是独立的，即风电和光伏通过交流侧耦合在一起，再一起并入电网。为了降低成本，目前大部分是风电和光伏在直流侧进行耦合，这样可以节省一套光伏的逆变器和并网变压器。
3.但是，目前风电和光伏在直流侧耦合的方案中，功率密度并不高。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本技术实施例提供一种风光变流器、控制方法及新能源系统，能够进一步提升功率密度，降低成本。
5.本技术提供一种风光变流器，风光变流器包括：整流电路、逆变电路和复合电路；整流电路的输入端，用于连接风力发电机的输出端；整流电路的输出端连接逆变电路的输入端；
6.复合电路的输入端用于连接光伏阵列，复合电路的输出端用于连接逆变电路的输入端；复合电路包括集成在一起的光伏最大功率追踪电路和风电斩波制动电路；
7.风光变流器工作在风力发电模式时，复合电路用于退出工作或工作在斩波制动模式；风光变流器工作在光伏发电模式或工作在风光联合发电模式时，复合电路用于对光伏阵列进行最大功率追踪。
8.优选地，复合电路包括：第一开关支路、第二开关支路、第三开关支路和续流支路；
9.第一开关支路的第一端连接逆变电路的正输入端，第一开关支路的第二端连接第二开关支路的第一端，第二开关支路的第二端连接逆变电路的负输入端；续流支路并联在第一开关支路的两端；
10.第三开关支路的第一端用于连接光伏阵列的正端，第三开关支路的第二端连接第二开关支路的第一端；
11.复合电路工作在斩波制动模式时，第三开关支路断开；复合电路工作在光伏发电模式时，第一开关支路断开，第三开关支路导通，第二开关支路用于功率变换；复合电路工作在风光联合发电模式时，第一开关支路断开，第三开关支路导通，第二开关支路用于功率变换。
12.优选地，第一开关支路至少包括串联的第一电阻和第一开关器件。
13.优选地，第二开关支路至少包括第二开关器件。
14.优选地，第三开关支路至少包括串联的电感和第三开关器件。
15.优选地，续流支路至少包括第一二极管；
16.第一二极管的阳极连接第一开关支路的第二端，第一二极管的阴极连接第一开关支路的第一端。
17.优选地，第一开关器件和第二开关器件集成在一个开关模组中。
18.优选地，光伏阵列包括多个时，复合电路包括多个第三开关支路；多个光伏阵列和多个第三开关支路一一对应。
19.优选地，光伏阵列包括多个时，风光变流器包括多个复合电路；多个光伏阵列和多个复合电路一一对应。
20.优选地，第二开关器件和第三开关器件集成在一个开关模组中。
21.本技术还提供一种风光变流器的控制方法，风光变流器包括：整流电路、逆变电路和复合电路；整流电路的输入端，用于连接风力发电机的输出端；整流电路的输出端连接逆变电路的输入端；复合电路的输入端用于连接光伏阵列，复合电路的输出端用于连接逆变电路的输入端；复合电路包括集成在一起的光伏最大功率追踪电路和风电斩波制动电路；
22.该方法包括：
23.风光变流器工作在风力发电模式时，控制复合电路退出工作或工作在斩波制动模式；
24.风光变流器工作在光伏发电模式或工作在风光联合发电模式时，控制复合电路对光伏阵列进行最大功率追踪。
25.优选地，复合电路包括：第一开关支路、第二开关支路、第三开关支路和续流支路；第一开关支路的第一端连接逆变电路的正输入端，第一开关支路的第二端连接第二开关支路的第一端，第二开关支路的第二端连接逆变电路的负输入端；续流支路并联在第一开关支路的两端；第三开关支路的第一端用于连接光伏阵列的正端，第三开关支路的第二端连接第二开关支路的第一端；
26.在风光变流器工作在风力发电模式时，具体控制第三开关支路断开；
27.在风光变流器工作在光伏发电模式时，具体控制第一开关支路断开，第三开关支路导通，第二开关支路用于功率变换；
28.在风光变流器工作在风光联合发电模式时，具体控制第一开关支路断开，第三开关支路导通，第二开关支路用于功率变换。
29.优选地，在风光变流器进入斩波制动模式时，具体包括：
30.先控制第三开关支路断开，再控制第一开关支路和第二开关支路导通；
31.在风光变流器退出斩波制动模式时，具体包括：
32.先控制第一开关支路和第二开关支路均断开，再控制第三开关支路导通。
33.本技术还提供一种新能源系统，包括以上介绍的风光变流器，还包括：风机、光伏阵列和变压器；
34.风机用于连接风光变流器中的整流电流的输入端；
35.光伏阵列用于连接风光变流器中复合电路的输入端；
36.所述风光变流器中逆变电路的输出端用于连接所述变压器。
37.由此可见，本技术实施例具有如下有益效果：
38.本技术实施例提供的风光变流器，除了包括整流电路和逆变电路以外，还包括复合电路，该复合电路包括集成在一起的光伏最大功率追踪mppt电路和风电斩波制动电路，
即复合电路具有mppt功能和斩波制动的复合的功能。风力发电时，当母线电压太高或者风光变流器异常时，需要进行斩波制动，复合电路可以进行卸能，进行能量释放，避免对变流器中的器件产生损坏。当光伏发电或者风光联合发电时，复合电路可以实现mppt功能，对光伏阵列进行最大功率追踪。由于本技术提供的风光变流器，将风电的斩波制动和光伏的mppt功能集成在一起，电路器件进行复用，从而提高了功率密度，可以降低成本。
附图说明
39.图1为本技术实施例提供的一种风电联合发电的架构图；
40.图2为本技术实施例提供的一种风光变流器的示意图；
41.图3为本技术实施例提供的又一种风光变流器的示意图；
42.图4为本技术实施例提供的一种具体的复合电路的示意图；
43.图5为本技术实施例提供的又一种复合电路的示意图；
44.图6为本技术实施例提供的另一种复合电路的示意图；
45.图7为本技术实施例提供的一种风光变流器的示意图；
46.图8为本技术实施例提供的一种风光变流器的控制方法的流程图；
47.图9为本技术实施例提供的一种新能源系统的示意图；
48.图10为本技术实施例提供的另一种新能源系统的示意图。
具体实施方式
49.为了使本领域技术人员更好地理解本技术提供的技术方案，下面先介绍具体的应用场景。
50.参见图1，该图为本技术实施例提供的一种风电联合发电的架构图。
51.风电联合系统包括：风机、光伏阵列和风光变流器1000，其中风机一般包括桨叶10和发电机m，另外，风电联合系统还包括变压器t，风光变流器1000输出的交流电通过变压器t反馈至交流电网g。其中，风机采用交流-直流-交流的拓扑变换。光伏阵列采用直流-直流变换和卸能复合电路拓扑。
52.其中，本技术提供的风光变流器1000区别于传统中的风光变流器，该风光变流器1000包括整流电路ac/dc100、逆变电路dc/ac200和复合电路300。
53.其中，整流电路ac/dc100的输入端连接发电机m的输出端；整流电路ac/dc100的输出端连接逆变电路dc/ac200的输入端；
54.复合电路300的输入端用于连接光伏阵列，复合电路300的输出端用于连接逆变电路dc/ac200的输入端；复合电路300包括集成在一起的光伏最大功率追踪电路和风电斩波制动电路，集成度高，可以提高功率密度，降低成本；风电斩波制动电路即chopper电路。
55.为使本技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本技术实施例作进一步详细的说明。
56.下面结合附图介绍本技术实施例提供的风电变换器的具体实现方式。
57.参见图2，该图为本技术实施例提供的一种风光变流器的示意图。
58.本实施例提供的风光变流器包括：整流电路100、逆变电路200和复合电路300；整流电路100的输入端，用于连接风力发电机(简称风机)的输出端；整流电路100的输出端连
接逆变电路200的输入端；
59.复合电路300的输入端用于连接光伏阵列，复合电路300的输出端用于连接逆变电路200的输入端；复合电路300包括集成在一起的光伏最大功率追踪mppt电路和风电斩波制动电路，即复合电路300具有mppt功能和斩波制动的复合的功能，不是仅具有单一的功能。应该理解，风力发电时，当母线电压太高或者风光变流器异常时，需要进行斩波制动，即进行卸能，把能量释放到地，避免对变流器中的器件产生损坏。
60.风光变流器工作在风力发电模式时，复合电路300用于退出工作或工作在斩波制动模式；风光变流器正常工作在风力发电模式时，光伏阵列的电能不会输出到逆变电路的输入端，因此，复合电路300可以不工作，整流电路100的输出端直接接通逆变电路200的输入端即可。只有当风光变流器工作在风力发电模式，但是直流母线电压超过预设电压阈值或电网异常或风光变流器异常时，复合电路300工作在斩波制动模式，即对风机传输过来的电能进行卸能释放，进行保护。
61.风光变流器工作在光伏发电模式时，风机不输出电能，因此，复合电路300仅用于对光伏阵列进行最大功率追踪，将光伏阵列输出的电能进行变换后输出给逆变电路200的输入端；
62.风光变流器工作在风光联合发电模式时，复合电路300用于对光伏阵列进行最大功率追踪，即将光伏阵列的电能进行变换后输出至逆变电路200的输入端。
63.本技术实施例提供的风光变流器，除了包括整流电路和逆变电路以外，还包括复合电路，该复合电路包括集成在一起的光伏最大功率追踪mppt电路和风电斩波制动电路，即复合电路具有mppt功能和斩波制动的复合的功能。风力发电时，当母线电压太高或者风光变流器异常时，需要进行斩波制动，复合电路可以进行卸能，进行能量释放，避免对变流器中的器件产生损坏。当光伏发电或者风光联合发电时，复合电路可以实现mppt功能，对光伏阵列进行最大功率追踪。由于本技术提供的风光变流器，将风电的斩波制动和光伏的mppt功能集成在一起，电路器件进行复用，从而提高了功率密度，可以降低成本。
64.下面结合附图详细介绍复合电路的一种具体实现方式。
65.参见图3，该图为本技术实施例提供的又一种风光变流器的示意图。
66.本实施例提供的风光变流器中的复合电路包括：第一开关支路301、第二开关支路302、第三开关支路303和续流支路304；
67.整流电路ac/dc100的输出端连接逆变电路dc/ac200的输入端，应该理解，图3中仅是简单示意，实际中，整流电路ac/dc100的输出端也包括正输出端和负输出端。
68.第一开关支路301的第一端连接逆变电路dc/ac200的正输入端dc ，第一开关支路301的第二端连接第二开关支路302的第一端，第二开关支路302的第二端连接逆变电路dc/ac200的负输入端dc-；续流支路304并联在第一开关支路301的两端；
69.第三开关支路303的第一端用于连接光伏阵列的正端，第三开关支路303的第二端连接第二开关支路302的第一端；
70.复合电路工作在斩波制动模式时，第三开关支路303断开；具体地，可以控制第一开关支路301和第二开关支路302中的一个一直导通，另一个处于斩波状态，例如第一开关支路301常导通，第二开关支路302处于斩波状态更优。
71.复合电路工作在光伏发电模式时，第一开关支路301断开，第三开关支路303导通，
第二开关支路302用于功率变换；
72.复合电路工作在风光联合发电模式时，第一开关支路301断开，第三开关支路303闭合，第二开关支路302用于功率变换。
73.在风光变流器进入斩波制动模式时，具体包括：
74.先控制第三开关支路303断开，再控制第一开关支路301和第二开关支路302导通；
75.在风光变流器退出斩波制动模式时，具体包括：
76.先控制第一开关支路301和第二开关支路302均断开，再控制第三开关支路303导通。
77.本技术实施例提供的风电变流器中的复合电路可以由光伏发电和风力发电复用，例如第二开关支路302既可以为斩波制动时提供卸能通路，又可以为光伏发电的mppt时进行电能变换。由于本技术实施例提供的复合电路有机将斩波制动和最大功率追求进行结合，集成度较高，从而可以提高功率密度，降低风电变流器的成本。
78.下面结合附图介绍本技术提供的一种复合电路的具体电路实现方式。
79.参见图4，该图为本技术实施例提供的一种具体的复合电路的示意图。
80.光伏阵列的正端pv 连接第三开关支路的第一端，光伏阵列的负端pv-连接逆变电路的负输入端dc-。第一开关支路的第一端连接逆变电路的正输入端dc 。另外，逆变电路的正输入端和负输入端之间连接有电容c，该电容c为直流母线电容。
81.本实施例提供的风光变流器中的复合电路，第一开关支路至少包括串联的第一电阻rg和第一开关器件。例如，第一开关器件为t1。应该理解，实际产品中，为了工作需要，一般一个开关器件可以为多个开关管并联在一起来实现。
82.第二开关支路至少包括第二开关器件。例如，第二开关器件为t2。
83.第三开关支路至少包括串联的电感和第三开关器件。例如第三开关器件为t3。
84.当第一开关器件t1和第二开关器件t2均导通时，整流电路输出的电能可以通过第一电阻rg、第一开关器件t1和第二开关器件t2进行释放，其中rg作为纯阻性元件，可以消耗电能，从而降低直流母线电压，即dc 的电压可以降低。
85.本技术实施例不具体限定第一开关器件t1、第二开关器件t2和第三开关器件t3的具体实现方式，例如可以为mos管或igbt管半导体开关器件。第一开关器件t1、第二开关器件t2和第三开关器件t3均包括反并联的体二极管。
86.续流支路至少包括第一二极管d1；第一二极管d1的阳极连接第一开关支路的第二端，第一二极管d1的阴极连接第一开关支路的第一端。
87.当风电变流器工作在光伏发电模式或风光联合发电模式时，光伏阵列输出的电能可以通过复合电路变换后通过续流支路到达逆变电路的输入端。另外，由于d1具有反向截止的功能，因此，逆变电路输入端的电流不会通过d1反向流入复合电路。光伏阵列的电能通过d1传输到逆变电路的输入端，相比通过第一开关支路传输至逆变电路的输入端更加节省电能，因为rg会消耗能量。
88.本技术实施例中不具体限定，第一开关器件t1、第二开关器件t2和第三开关器件t3的具体实现形态，例如可以将第一开关器件t1和第二开关器件t2集成在一个开关模组300a中，即一个芯片中包括两个开关管。其中第三开关器件t3可以独立设置。
89.本实施例中的第二开关器件t2为光伏最大功率追踪电路和风电斩波制动电路共
用的器件。在斩波制动时，t1和t2均导通。在mppt时，t2根据功率调度指令进行开关动作，即进行电能变换。
90.本技术实施例中不具体限定光伏阵列的具体实现形式，例如光伏阵列包括多个光伏阵列时，也可以包括一个光伏阵列，下面介绍多个光伏阵列对应的复合电路的实现方式。
91.参见图5，该图为本技术实施例提供的又一种复合电路的示意图。
92.光伏阵列包括多个光伏阵列时，例如包括n个光伏阵列，其中n为大于等于2的整数，分别为第一光伏阵列pv1至第n光伏阵列pvn，复合电路包括多个第三开关支路；多个光伏阵列和多个第三开关支路一一对应，当光伏阵列包括n个时，复合电路中的第三开关支路也包括n个。
93.如图5所示，第一光伏阵列的正端pv1 连接第三开关支路的第一端，即连接电感l1的第一端，电感l1与第三开关器件t31串联。第一光伏阵列的负端pv1-连接逆变电路的负输入端dc-。
94.同理，第n光伏阵列的正端pvn 连接第三开关支路的第一端，即连接电感ln的第一端，电感ln与第三开关器件t3n串联。第n光伏阵列的负端pvn-连接逆变电路的负输入端dc-。
95.图5所示的风光变流器中，对于多个光伏阵列来说，仅是包括多个第三开关支路，但是第一开关支路和第二开关支路还均是一个，即多个光伏阵列共用第一开关支路和第二开关支路。
96.下面介绍另一种实现方式，即当光伏阵列为多个时，对应的复合电路也为多个，即每个光伏阵列对应一个复合电路，不共用任何开关支路。
97.参见图6，该图为本技术实施例提供的另一种复合电路的示意图。
98.光伏阵列包括多个，继续以n个光伏阵列为例进行介绍，风光变流器包括多个复合电路；多个光伏阵列和多个复合电路一一对应，即一个光伏阵列对应一个复合电路。
99.从图6可以看出，与图5的区别是，除了每个光伏阵列对应各自的第三开关支路以外，还对应各自的第一开关支路和第二开关支路，即每个光伏阵列对应各自的复合电路，该复合电路包括第一开关支路、第二开关支路和第三开关支路。
100.第一光伏阵列的正端pv1 连接第三开关支路的第一端，即连接电感l1的第一端，电感l1与第三开关器件t31串联。第一光伏阵列的负端pv1-连接逆变电路的负输入端dc-。
101.同理，第n光伏阵列的正端pvn 连接第三开关支路的第一端，即连接电感ln的第一端，电感ln与第三开关器件t3n串联。第n光伏阵列的负端pvn-连接逆变电路的负输入端dc-。
102.第一光伏阵列对应第一复合电路中的第一开关支路(t11和rg1串联)和第二开关支路(t21)。第二光伏阵列对应第n复合电路中的第一开关支路(t1n和rgn串联)和第二开关支路(t2n)。
103.以上的图4、图5和图6所示的复合电路中的第一开关器件和第二开关器件均可以集成在一个开关模组中。下面介绍另外一种实现方式，第二开关器件和第三开关器件集成在一个开关模组中。
104.参见图7，该图为本技术实施例提供的一种风光变流器的示意图。
105.图7所示的复合电路中的第三开关器件t3和第二开关器件t2可以集成在一个开关
模组300b中，即一个芯片中包括两个开关器件。此时，第一开关器件t1可以独立设置。
106.基于以上实施例提供的一种风光变流器，本技术实施例还提供一种风光变流器的控制方法，下面结合附图进行详细介绍。
107.方法实施例
108.参见图8，该图为本技术实施例提供的一种风光变流器的控制方法的流程图。
109.本实施例提供的风光变流器的控制方法，风光变流器包括：整流电路、逆变电路和复合电路；整流电路的输入端，用于连接风力发电机的输出端；整流电路的输出端连接逆变电路的输入端；复合电路的输入端用于连接光伏阵列，复合电路的输出端用于连接逆变电路的输入端；复合电路包括集成在一起的光伏最大功率追踪电路和风电斩波制动电路；
110.该方法包括：
111.s801：风光变流器工作在风力发电模式时，控制复合电路退出工作或工作在斩波制动模式；
112.s802：风光变流器工作在光伏发电模式或工作在风光联合发电模式时，控制复合电路对光伏阵列进行最大功率追踪。
113.应该理解，以上的步骤没有先后顺序，风光变流器工作的具体模式，可以由电站来决定，电站的上位机可以向风光变流器发送控制指令，控制指令用于指示风光变流器具体的工作模式。
114.复合电路包括：第一开关支路、第二开关支路、第三开关支路和续流支路；第一开关支路的第一端连接逆变电路的正输入端，第一开关支路的第二端连接第二开关支路的第一端，第二开关支路的第二端连接逆变电路的负输入端；续流支路并联在第一开关支路的两端；第三开关支路的第一端用于连接光伏阵列的正端，第三开关支路的第二端连接第二开关支路的第一端；
115.在风光变流器工作在风力发电模式时，具体控制第三开关支路断开；在风光变流器进入斩波制动模式时，具体包括：先控制第三开关支路断开，再控制第一开关支路和第二开关支路导通；
116.在风光变流器退出斩波制动模式时，具体包括：先控制第一开关支路和第二开关支路均断开，再控制第三开关支路导通。
117.在风光变流器工作在光伏发电模式时，具体控制第一开关支路断开，第三开关支路导通，第二开关支路用于功率变换；
118.在风光变流器工作在风光联合发电模式时，具体控制第一开关支路断开，第三开关支路导通，第二开关支路用于功率变换。
119.基于以上实施例提供的一种风光变流器及控制方法，本技术实施例还提供一种新能源系统，下面结合附图进行详细介绍。
120.新能源系统实施例
121.参见图9，该图为本技术实施例提供的一种新能源系统的示意图。
122.本实施例提供的新能源系统，包括以上实施例介绍的风光变流器1000，还包括：风机2000、光伏阵列pv和变压器t；
123.风机2000用于连接风光变流器1000中的整流电流的输入端；
124.光伏阵列pv用于连接风光变流器1000中复合电路的输入端；
125.风光变流器1000中逆变电路的输出端用于连接变压器。
126.本实施例提供的新能源系统，集成了风力发电和光伏发电，而且其中的风光变流器将光伏的mppt功能和风电的chopper功能集成在一起，有效提高了功率密度，从而可以降低成本。
127.参见图10，该图为本技术实施例提供的另一种新能源系统的示意图。
128.图1介绍的是全功率系统，下面介绍本技术实施例提供的风光变流器的另一种应用场景，如图10所示的双馈系统。
129.其中，开关q2为风力发电的发电机m的定子开关，q2的第一端连接发电机m的定子，q2的第二端连接并网断路器q1的一端。发电机m的转子连接ac/dc电路c1的输入端。
130.下面结合图10介绍双馈系统的工作模式：
131.风力发电模式：q2闭合，c1为发电机提供转子励磁，c2用于稳定直流母线(c1/c2之间的公共点)电压。
132.光伏发电模式：q2断开，c3工作于mppt模式，向直流母线灌输能量，c2向电网逆变电能。
133.风光发电模式：q2闭合，c1为发电机提供转子励磁，c2用于稳定直流母线(c1/c2之间的公共点)电压，c3工作于mppt模式，向直流母线灌输能量。
134.图10所示的双馈系统的制动模式图1所示的全功率系统工作原理相同，在此不再赘述。
135.需要说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统或装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
136.应当理解，在本技术中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“a和/或b”可以表示：只存在a，只存在b以及同时存在a和b三种情况，其中a，b可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
137.还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
138.结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术
领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
139.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。