CN101013818A - 兆瓦级风力发电用三电平中压变流器 - Google Patents

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本发明公开了一种兆瓦级风力发电用三电平中压变流器。它包括三相电感、三相电容、发电机侧三电平变流器、直流侧滤波电容、网侧三电平变流器以及三相并网电感和三相滤波电容，发电机侧三电平变流器和网侧三电平变流器通过直流母线以背靠背形式连接。风力发电机连接三相电容后并联到三相电感的一端，三相电感的另一端连接发电机侧三电平变流器，发电机侧三电平变流器的直流输出端通过直流侧滤波电容连接网侧三电平变流器的直流母线侧，网侧三电平变流器的三相交流输出端连接三相并网电感，与三相滤波电容并联后连到升压变压器后并入电网。本发明不仅适用于永磁直驱式风力发电系统，而且还适用于中压双馈式风力发电系统。

Description

兆瓦级风力发电用三电平中压变流器
(一)技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种风力发电变流器。
(二)背景技术
风能作为一种清洁、无污染的可再生能源越来越受到人们的关注，风力发电将成为21世纪最大规模开发的新能源之一。目前的风力发电机单机容量不断增大，变速恒频、变桨矩型风力机逐渐占据了主导地位。齿轮箱是在目前MW级风力发电机组中过载和过早损坏率较高的部件，从上世纪末开始，以德国Enercon为首的风电机组制造商，推出了一系列无齿轮箱直驱式风力发电系统。这种机组采用多级风力发电机与叶轮直接耦合连接进行驱动的方式，免去齿轮箱这一传统部件，具备低噪声、提高机组寿命、减小机组体积、降低运行维护成本、较低的噪音、低风速时高效率等多种优点，在今后风力机发展中有很大的发展空间。可以预计，省去齿轮箱的直驱式风力发电系统将成为未来风力发电技术发展的主要方向。
直驱式风力发电机组的并网变流器功率等级与发电机组相当，发电机发出的电能全部均需通过变流器变换为频率、电压恒定的交流电馈入电网，并通过对电机侧变流器电流的控制而控制电磁转距，使之实现最大功率输出。与电机直接并网的风力发电系统相比，变流器在发电机组与电网之间的使用，实现了发电机组与电网间的隔离，转速与电网频率之间的耦合问题将得以解决，也在一定程度上避免了因电网波动对发电机组稳定运行所带来的不利影响。
在双馈电机系统中，由于功率变流器位于转子侧，仅处理转差功率，功率变流器额功率为其发电机容量的三分之一左右，并且也属于低压变流器，因此变流器的成本、体积大大降低。由于双馈电机系统的特点，客观上需要低压并且能够四象限运行的功率变流器。传统的交-直-交两电平变流器以其优越的性能，在目前不同风电厂家的变流器产品中得到普遍采用，如图1所示。在这方面作的最为成功是西班牙的Gamesa公司和丹麦的Vestas公司。
在永磁直驱变速恒频风力发电系统中，永磁电机通过全容量的功率变流器与电网相连，实现变速恒频发电。它所需要的是一个全功率变流器。西班牙的MADE公司和德国的SEG公司采用如图2所示的主电路结构，即能量经由不可控AC-DC变流器到达直流侧，由于风速的变化，导致了直流侧电压的波动，采用升压变流器将电压固定到DC-AC变流器的直流母线侧，然后通过DC-AC变流器逆变为符合电网频率的变流电后并网。这种电路结构的成本很低，但是它不具备四象限运行的能力，因而在运行中受到很大的限制。而具备四象限运行能力的双PWW控制的功率变流器则在德国的风机巨头Enercon公司得到了很好的应用(如图3所示)。这也是一种技术最为成熟，运行最为可靠，适应范围最为广泛的技术方案，因此在四象限的运行中被广泛采用，但是因为690VAC的输入输出电压，使得直流侧的母线电压大多使用在1100V左右，而使用的开关器件都是1700V，这就使变流器系统的安全性和可靠性减少很多。目前，国内在兆瓦级风力发电用功率变流器的研究和制造方面总体上处于起步阶段，尤其是2MW及以上功率风力发电用功率变流器更是一片空白。由于兆瓦级变速恒频风电电控设备尤其是功率变流器长期依赖国外进口，制约着我国风电产业化进程。研制具有自主知识产权的2MW以上功率等级的风电功率变流器，不但大大降低风电设备的成本，而且可以提高我国在世界风电行业的竞争力，为我国风电技术出口，提升在世界风电市场上的地位奠定基础。根据以往的经验，功率等级超过2MW使用中压变流器最为经济。
Rockwell公司的PowerFlex7000是采用SGCT的电流型变流器(如图4所示)，它属于中压变流器，但是其在低速和零速附近的性能需要改进，而且采用SGCT这种开关器件的成本也很高。由于控制方法和硬件设计等各种因素，电压型变流器应用比较广泛。电压型交直交变流器，具有结构简单、谐波含量少、功率因数可调等优异的特点，可以明显的改善输出电能质量，并且该结构通过直流母线侧电容完全实现了网侧和电机侧的分离，也是目前变速恒频风力发电的一个代表方向。因此采用电压型的中压变流器成为了一种最佳选择。为此，本发明公开了一种用于兆瓦级尤其是2MW以上功率等级的风力发电用三电平中压变流器的主电路。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种用于兆瓦级以上功率等级的风力发电用的功率变流器。
本发明的目的是这样实现的：它是由两个结构完全相同的三电平中压变流器通过直流母线以背靠背形式连接组成，三电平中压变流器包括三相电感、三相电容、发电机侧三电平变流器、直流侧滤波电容、网侧三电平变流器以及三相并网电感和三相滤波电容，发电机侧三电平变流器和网侧三电平变流器通过直流母线以背靠背形式连接；风力发电机连接三相电容后并联到三相电感的一端，三相电感的另一端连接发电机侧三电平变流器，发电机侧三电平变流器的直流输出端通过直流侧滤波电容连接网侧三电平变流器的直流母线侧，网侧三电平变流器的三相交流输出端连接三相并网电感，与三相滤波电容并联后连到升压变压器，升压变压器连接电网。
本发明还有这样一些结构特征：
1、所述的发电机侧三电平变流器是标准的三电平变流器结构；
2、所述的网侧三电平变流器是标准的三电平变流器结构；
3、所述的三电平中压变流器包括相互并联的三组桥臂和三组箝位二极管，每一桥臂包括四个开关管，每两个开关管首尾相连，三组箝位二极管首尾相连，其中点与桥臂的交点相连并连接直流侧滤波电容的中点；
4、所述的直流测滤波电容是由两个同样的电容串联组成。
为达到变流器更高的功率等级的目的，本发明采用三电平中压变流器的结构，即由两个结构完全相同的三电平中压变流器，通过直流母线以背靠背形式组成的大容量全功率的交直交电压型双向变流器，实现更高的变流器功率等级。
本发明的优点有：
●  发电机侧全控变流器可以使得风力发电机组在很大风速范围内按最佳效率运行，即使在较低风速下，全控变流器的升压控制也能够保证系统满足并网条件；
●  发电机侧全控变流器可以对发电机输出电流进行控制，在最小电流的情况下得到最大的电磁转矩。并降低了发电机的铜耗和铁耗；
●  发电机侧全控变流器可提供几乎为正弦的电流，减少了发电机定子侧的谐波，使发电机内部的转矩控制得以改善，从而进一步减轻了传动系统应力；
●  网侧并网变流器在保证了并网电流品质的基础上，实现了系统功率因数可调。
●  采用三电平的中压变流器结构，使变流器系统的开关器件应力降低为原开关应力的一半，更加方便了开关器件的选型。
本发明的特征是包括一台兆瓦级以上功率等级的风力发电机、三相电感和三相电容、发电机侧三电平变流器、直流侧滤波电容、网侧三电平变流器以及三相并网电感和三相滤波电容和升压变压器。发电机侧三电平变流器和网侧三电平变流器的特征是由两个结构完全相同的三电平中压变流器，通过直流母线以背靠背形式组成的大容量全功率的交直交电压型双向变流器。
三电平变流器的主电路的基本拓扑结构如图5所示。如图可见，每一桥臂有四个开关管，其中直接连到正负直流母线上的两个开关管称之为主开关管，中间的两个开关管称之为辅助开关管。在直流测，直流电容是由两个一样的电容串联组成，这样就可以提供一个中性点(Neutral Point)，连接到中性点上的两个二极管，称之为箝位二极管(Clamping Diodes)，它可以把变流器的的电压箝位到中性点电位，因此该变流器也称为中性点箝位变流器(NeutralPoint Clamped，NPC)。
在每一瞬间，变流器都必须有两个开关管导通。以a相为例，可能的开关管组合分别是Sa11和Sa21，Sa21和S31，Sa31和Sa41，其余任何的组合都是不允许的。这三种情况对应的电压，分别是+Vd/2、0和-Vd/2。其中，当Sa21或者Sa31导通时，桥臂中点电压被强制箝位为0。这三种状态分别用P(Positive)、N(Negtive)、O来表示，在换相过程中直接由P到N是不允许的，因为这需要四个开关管同时动作。另外，上面的四个开关管还具有一种逻辑上的互锁关系，即：Sa11和Sa31的触发脉冲相反，Sa21和Sa41的触发脉冲也相反，所以控制系统只要能够输出Sa11和Sa21的触发信号，
工作时，风力机带动风力发电机发出三相频率及幅值都变化交流电，经过发电机侧滤波电容滤波后进入发电机侧平波电感。平波电感既可以对三相电起到平波的作用，又可以与发电机侧全控变流器一起构成升压变流器，这样就可以使得风力发电机组在很大风速范围内按最佳效率运行，即使在较低风速下，全控变流器的升压控制也能保证直流母线电压的稳定，从保证系统满足并网条件。由平波电感输出来的交流电经过发电机侧三电平变流器的整流和直流侧滤波电容的滤波后，作为网侧三电平变流器的直流母线直接馈电到网侧三电平变流器。经过PWM控制的网侧三电平变流器输出恒频恒幅的三相交流电，经由三相并网电感平波再由三相并网滤波电容滤波后，即可得到恒频恒幅与电网同相的三相准正弦交流电，满足并网条件，经过升压变压器升压后并入电网。其中三相并网电感除了具有平波作用外，还有调节并网电流的相位的作用，使之能够满足交流电并网条件。此外开关器件IGBT中寄生续流二极管，它除了具有续流作用外，还是无功功率的通道，也被称作反馈二极管。
本发明兆瓦级风力发电用三电平中压变流器主电路结构，不仅适用于永磁直驱式风力发电系统，而且还适用于中压双馈式风力发电系统。
(五)附图说明：
图1是双馈电机变流器结构示意图；
图2是采用不可控制整流的永磁直驱变流器结构示意图；
图3是背靠背式永磁直驱变流器结构示意图；
图4是电流源型变流器结构示意图；
图5是本发明的并网变流器主电路结构示意图。
(六)具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作更详细的描述：
结合图5，本实施例兆瓦级风力发电用三电平中压变流器主要包括：风力发电机Gen、发电机侧三相电容C1f、三相电感L1n、发电机侧三电平变流器(Sa11～Sa41、Sb11～Sb41、Sc11～Sc41)含续流二极管和箝位二极管(Da11、Da21、Db11、Db21、Dc11、Dc21)、直流侧滤波电容C1和C2、网侧三电平变流器(Sa12～Sa42、Sb12～Sb42、Sc12～Sc42)含续流二极管和箝位二极管(Da12、Da22、Db12、Db22、Dc12、Dc22)、三相并网电感L2n、三相滤波电容C2f和690VAC升压变压器。
风力发电机Gen连接到三个按照星型方式连接的滤波电容C1f后并联到三相平波电感L1n的一端，然后将平波电感L1n的另一端连接到发电机侧三电平变流器的V11～V13处。发电机侧三电平变流器具体的实现方式是将12只开关器件Sa11～Sa41、Sb11～Sb41、Sc11～Sc41(含续流二极管，本发明采用IGBT但不限于IGBT)和箝位二极管(Da11、Da21、Db11、Db21、Dc11、Dc21)四个一组，分别是Sa11～Sa41、Sb11～Sb41、Sc11～Sc41，然后每组中的每两个器件首尾相连形成一组桥臂。Sa21和Sa31、Sb21和Sb31、Sc21和Sc31的连接点分别是V11、V12、V13。箝位二极管的连接方式(以a相为例)：Da11、Da21首尾相连，然后连接到Sa11和Sa31、Sa31和Sa41的交点处。b、c两相的连接方式与a相相同。这样将三组箝位二极管臂连好后，将其各自的中点相互连接到一起后接到直流侧滤波电容C1和C2的中点。然后将三组桥臂相互并联即形成三相三电平变流器主电路。发电机侧三电平变流器的直流输出端在并联滤波电容C1和C2后，直接馈线到网侧三电平变流器的直流母线侧，为网侧三电平变流器提供逆变用的直流电源。为了增强滤波电容的滤波效果和使用寿命，滤波电容可以采用单个电容三串两并的滤波电容组结构。网侧三电平变流器构成的具体实施方式与发电机侧全控变流器的实施方式相同，不再赘述。网侧三电平变流器的三相交流输出直接连接到三相并网电感L2n，然后经过与三相滤波电容C2f并联后连到升压变压器后并入电网。

Claims (5)

1、一种兆瓦级风力发电用三电平中压变流器，其特征是它是由两个结构完全相同的三电平中压变流器通过直流母线以背靠背形式连接组成，三电平中压变流器包括三相电感、三相电容、发电机侧三电平变流器、直流侧滤波电容、网侧三电平变流器以及三相并网电感和三相滤波电容，发电机侧三电平变流器和网侧三电平变流器通过直流母线以背靠背形式连接；风力发电机连接三相电容后并联到三相电感的一端，三相电感的另一端连接发电机侧三电平变流器，发电机侧三电平变流器的直流输出端通过直流侧滤波电容连接网侧三电平变流器的直流母线侧，网侧三电平变流器的三相交流输出端连接三相并网电感，与三相滤波电容并联后连到升压变压器，升压变压器连接电网。
2、根据权利要求1所述的兆瓦级风力发电用三电平中压变流器，其特征是所述的发电机侧三电平变流器是标准的三电平变流器结构。
3、根据权利要求1所述的兆瓦级风力发电用三电平中压变流器，其特征是所述的网侧三电平变流器是标准的三电平变流器结构。
4、根据权利要求2或3所述的兆瓦级风力发电用三电平中压变流器，其特征是所述的三电平中压变流器包括相互并联的三组桥臂和三组箝位二极管，每一桥臂包括四个开关管，每两个开关管首尾相连，三组箝位二极管首尾相连，其中点与桥臂的交点相连并连接直流侧滤波电容的中点。
5、根据权利要求1所述的兆瓦级风力发电用三电平中压变流器，其特征是所述的直流测滤波电容是由两个同样的电容串联组成。
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