基于户用小风机串联的变换系统

本发明涉及风力发电，具体涉及一种基于户用小风机串联的变换系统。

背景技术：

1、风力发电作为一种新能源技术，其应用范围越来越广。并网运行的风力发电场可以得到大电网的补偿和支撑，更加充分的开发可利用的风力资源，是国内外风力发电的主要发展方向。常用的风机并网方案一般选用永磁同步发电机和双馈发电机发电，通过交－直－交转换方式后，使随风速变化的交流电变为满足并网要求的交流电，采用准同期的并网方式将风力发电机并入电网。

2、如图1所示，以永磁同步发电机为例，交－直－交转换电路是目前最为广泛应用于风电并网中的方案。在此系统中风轮与永磁同步发电机直接连接，无需升速齿轮箱。首先将风能转化成频率与幅值变化的交流电，经过整流之后变为直流电，然后经过三相逆变器变换为三相频率恒定的交流电连接到电网。此系统采用交－直－交结构，通过全功率变流并网；在户用小风机系统中，亦常采用交－直－负载(电池等)结构。

3、然而，在风速波动的工作环境里，户用小风机转速受风速限制较大，会出现风机电压不足的情况。在单风机并网情况下，小风机电压降低时，上述方案无法提供稳定的升压措施来实现并网。因此小风机工作情况较为单薄，往往只能用于带动小功率家用负载，这大大降低了发电和输电设备的利用率，同时产生大量的附加损耗，面对复杂工况的适应性极差。即现有的方案在单风机并网的情况下，会存在电压降低时无法提供稳定的升压措施来实现并网的技术问题。

技术实现思路

1、(一)解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于户用小风机串联的变换系统，解决了现有的户用小风机系统在风速波动的工作环境里会出现风机电压不足的情况，在单风机并网情况下，导致无法提供稳定的升压措施来实现并网的技术问题。

3、(二)技术方案

4、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

5、本发明提供一种基于户用小风机串联的变换系统，包括n个小风机发电机、n个ac/dc整流器和dc/ac逆变器，n为正整数，n≥2；

6、每个小风机发电机分别连接一个ac/dc整流器，n个ac/dc整流器输出串联后连接到一个dc/ac逆变器中，dc/ac逆变器的输出连接到电网中。

7、优选的，所述n个ac/dc整流器采用单一整流的方式或者混合整流的方式；

8、其中，所述单一整流的方式为所述n个ac/dc整流器均采用一种形式的整流器；

9、所述混合整流的方式为所述n个ac/dc整流器中至少包括两种不同形式的整流器。

10、优选的，所述n个ac/dc整流器均采用全桥整流，每个ac/dc整流器均包括6个开关管和一个稳压电容；

11、其中，第一、第二、第三开关管的第一端连接，作为ac/dc整流器的第一输出端，第一、第二、第三开关管的第二端分别连接第四、第五、第六开关管的第一端，第四、第五、第六开关管的第二端连接，作为ac/dc整流器的第二输出端；两个输出端上并联一个稳压电容；

12、n个ac/dc整流器的输出端按照前一个ac/dc整流器的第二输出端连接后一个ac/dc整流器的第一输出端的方式依次串联，其中，第一个ac/dc整流器的第一输出端连接到dc/ac逆变器的第一输入端上；最后一个ac/dc整流器的第二输出端连接到dc/ac逆变器的第二输入端上；

13、小风机的三相输出分别连接在第一、第四开关管的公共端，第二、第五开关管的公共端，第三、第六开关管的公共端上。

14、优选的，所述n个ac/dc整流器均采用不控二极管整流，每个ac/dc整流器包括7个二极管、电容、电感、一个开关管和一个稳压电容；

15、其中，第一、第二、第三二极管的阴极连接，其公共端经由电感与第七二极管的阳极连接，第七二极管的阴极作为ac/dc整流器的第一输出端；第一、第二、第三二极管的阳极分别连接第四、第五、第六二极管的阴极，第四、第五、第六二极管的阳极连接在一起，其公共端与电容的第一端、开关管的第二端连接，作为ac/dc整流器的第二输出端；两个输出端上并联一个稳压电容；

16、电容的第一端连接在电感和第一、第二、第三二极管的阴极的连接端上，开关管的第一端连接在电感和第七二极管的公共端上；

17、n个ac/dc整流器的输出端按照前一个ac/dc整流器的第二输出端连接后一个ac/dc整流器的第一输出端的方式依次串联，其中，第一个ac/dc整流器的第一输出端连接到dc/ac逆变器的第一输入端上；最后一个ac/dc整流器的第二输出端连接到dc/ac逆变器的第二输入端上；

18、小风机的三相输出分别连接在第一、第四二极管的公共端，第二、第五二极管的公共端，第三、第六二极管的公共端上。

19、优选的，所述n个ac/dc整流器部分采用全桥整流，部分采用不控二极管整流；

20、其中，在全桥整流中，每个ac/dc整流器均包括6个开关管和第一稳压电容；第一、第二、第三开关管的第一端连接，作为ac/dc整流器的第一输出端，第一、第二、第三开关管的第二端分别连接第四、第五、第六开关管的第一端，第四、第五、第六开关管的第二端连接，作为ac/dc整流器的第二输出端；两个输出端上并联一个稳压电容；每个小风机的三相输出分别连接在第一、第四开关管的公共端，第二、第五开关管的公共端，第三、第六开关管的公共端上；小风机的三相输出分别连接在第一、第四开关管的公共端，第二、第五开关管的公共端，第三、第六开关管的公共端上；

21、在不控二极管整流，每个ac/dc整流器包括7个二极管、电容、电感、一个开关管和第二稳压电容；

22、其中，第一、第二、第三二极管的阴极连接，其公共端经由电感与第七二极管的阳极连接，第七二极管的阴极作为ac/dc整流器的第一输出端；第一、第二、第三二极管的阳极分别连接第四、第五、第六二极管的阴极，第四、第五、第六二极管的阳极连接在一起，其公共端与电容的第一端、开关管的第二端连接，作为ac/dc整流器的第二输出端；两个输出端上并联第二稳压电容；电容的第一端连接在电感和第一、第二、第三二极管的阴极的连接端上，开关管的第一端连接在电感和第七二极管的公共端上；小风机的三相输出分别连接在第一、第四二极管的公共端，第二、第五二极管的公共端，第三、第六二极管的公共端上；

23、n个ac/dc整流器的输出端按照前一个ac/dc整流器的第二输出端连接后一个ac/dc整流器的第一输出端的方式依次串联，其中，第一个ac/dc整流器的第一输出端连接到dc/ac逆变器的第一输入端上；最后一个ac/dc整流器的第二输出端连接到dc/ac逆变器的第二输入端上。

24、优选的，所述dc/ac逆变器根据电压工况选取，选取范围包括：t型三电平逆变器、i型三电平逆变器和两电平逆变器。

25、优选的，所述两电平逆变器包括6个开关管，第七、第八、第九开关管的第一端连接，作为两电平逆变器的第一输入端，第七、第八、第九开关管的第二端连接第十、第十一、第十二开关管的第一端，第十、第十一、第十二开关管的第二端连接，作为两电平逆变器的第二输入端；

26、第七、第十开关管的连接端，第八、第十一开关管的连接端，第九、第十二开关管的连接端分别作为两电平逆变器u相、v相、w相的三相输出端，三相输出端分别经由一个lc滤波器接到三相电网中。

27、优选的，所述dc/ac逆变器通过svpwm调制波控制。

28、优选的，所述n个ac/dc整流器的输出端串联后连接直流负载。

29、优选的，所述基于户用小风机串联的变换系统的控制策略包括：

30、以获得足够稳定的高直流总电压和风机最优转速、系统最优功率输出为目标，对不同户用小风机的整流侧进行任务分配，采用最大转矩电流比控制方法优化控制，协调变换系统内各风机的功率分配。

31、(三)有益效果

32、本发明提供了一种基于户用小风机串联的变换系统。与现有技术相比，具备以下有益效果：

33、本发明提出的小风机串联变换系统，较传统方案的风机并网方案，其对各风机尤其是小风机的风能利用率显著提高。小风机面对风速低的工况，往往无法输出满足并网幅值要求的直流电压，大大降低了风机所捕获风能的转换效益，本发明将多个风机的直流电压输出端串联在一起再进行电能利用，因此面对单个小风机整流后获得的直流电压小的工况，依然能够有效利用这部分低直流电压参与大系统并网，最大化利用风机电能转换的效率。