CN101465607A

CN101465607A - 谐波注入型直驱式风电变流器

Info

Publication number: CN101465607A
Application number: CNA2009100280016A
Authority: CN
Inventors: 赵剑锋; 倪喜军; 孙仪; 郑良广; 闫安心
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2009-01-05
Filing date: 2009-01-05
Publication date: 2009-06-24
Anticipated expiration: 2029-01-05
Also published as: CN101465607B

Abstract

谐波注入型直驱式风电变流器的功率单元包括整流电路、升压斩波电路和逆变电路。整流电路采用三相桥式不控整流方式，直流侧增加两个可控功率管以及两个快速二极管，由此组成直流升压斩波电路，以控制直流环节的电压，并通过提升直流侧电压来维持低风速下的能量馈送至电网。逆变器采用全控型功率管组成的三相半桥可控输出。升压半桥、滤波电容器组的中性点与谐波电流注入电路的中性点相连，可为注入零序电流提供通道，以实现高功率因数整流和输入电流的正弦化，避免发电机功率因数降低和发电机转矩发生振荡。

Description

谐波注入型直驱式风电变流器

技术领域

本发明涉及一种风电变流器，尤其涉及一种结构为直驱式、可对直流环节电压进行平衡控制及实现输入电流正弦化、并能够维持低风速下的能量馈送至电网的谐波注入型变流器。

背景技术

伴随着能源和环境问题的日益尖锐，近二十年来风力发电技术的研究得到前所未有的重视。我国作为能源消耗大国，近年来我国风力发电产业的发展速度也非常快，但我国的风力发电技术尤其是风力发电机驱动控制变流相关技术还远不成熟。传统大型风力发电机组一般使用变桨距控制的双馈式风力机，如图1所示，包括风力机、齿轮箱、感应机、PWM变频器和直流侧电容器等。双馈机的定子与电网直接连接，转子通过两个电压源变频器连接到电网中，机组可在较大速度范围内运行，与电网之间实现能量双向传输。当风力机运行在超同步速度时，功率从转子流向电网；而当运行在次同步速度时，功率从定子流向转子。直流侧电容器的作用主要是维持直流侧电压。该种发电机组的功率控制方式为变桨距控制，即桨距角随着风速的改变而改变，从而使风力机在较大范围内按最佳参数运行，以提高风能利用率。当风速增大到额定值以上时，叶片与轮毂间的轴承机构转动使叶片桨距角增大，功角减小，从而减小翼型的升力，达到控制风力机叶片的扭矩和功率的目的。但是双馈式风力发电机组由于需要安装变桨装置故其机械损耗和噪音较大，而且采用了绕线型异步电机致使结构和控制方式相对复杂、维护不便、机组价格昂贵。

因此随着风力发电技术的不断发展，直驱式风力发电系统因其维护成本低、噪声小、结构简单等优点而受到越来越多的关注。如图2所示，它采用风轮直接驱动多极低速永磁同步发电机发电，然后通过功率变换电路将电能转换后并入电网，省去了传统双馈式风力发电系统中的齿轮箱，系统效率大为提高，有效抑制了噪声。该系统能够使风力机在很大风速范围内按最佳效率运行并且省去了增速装置，从而提高了系统的效率和可靠性，同时也降低了系统维护费用和直接费用。但已采用的变流器中，存在如下一些问题，如整流桥输入侧电流畸变很严重，谐波含量比较大，因而使发电机功率因数降低，发电机转矩发生振荡；其直流侧电压也难以实现平衡控制，电容电压的波动必定会影响装置的整体输出性能。另外还有一个无法克服的缺点，即同步发电机在低风速时输出电压较低，无法将能量反馈入电网。这些都是有待解决的问题。

发明内容

技术问题：本发明的目的是克服现有直驱式风力发电系统变流器实现方案的不足，提出一种可对直流环节的电压进行控制、实现高功率因数整流、滤波电容器组容量要求低、能够维持低风速下的能量馈送至电网的谐波注入型直驱式风电变流器。

技术方案：本发明的谐波注入型直驱式风电变流器中，六个整流二极管即第一整流二极管、第二整流二极管、第三整流二极管、第四整流二极管、第五整流二极管、第六整流二极管组成三相不可控整流桥，其输入端分别通过第一输入电感、第二输入电感、第三输入电感对应连接到第一熔断器、第二熔断器、第三熔断器上，而熔断器则直接与永磁同步电机的电压输出端Ua、Ub、Uc相连；整流桥输出端则连接到第一升压功率管、第二升压功率管组成的升压半桥上；升压半桥的正、负极分别通过第一限流二极管、第二限流二极管连接到第一滤波电容、第二滤波电容、第三滤波电容、第四滤波电容组成的滤波电容器组的正、负极上，每个滤波电容都分别对应并联有一个均压电阻即第一均压电阻、第二均压电阻、第三均压电阻、第四均压电阻；升压桥中性点即第一功率管、第二功率管的连接公共点和滤波电容器组中性点即整个电容器组容量的1/2位置处连接在一起，并由此点引出中性线连到谐波电流注入电路中性点上；滤波电容器组的正、负极分别与逆变器的正、负极输入端相连。

本发明可采用的第一种逆变器，其特征在于该逆变器中六个逆变功率管即第一逆变功率管、第二逆变功率管、第三逆变功率管、第四逆变功率管、第五逆变功率管、第六逆变功率管组成三相可控逆变半桥，其输入连接在滤波电容器组的正、负极上，输出端则通过输出滤波电路分别对应连到电网的接入端UA、UB、UC上。

本发明可采用的第二种逆变器是：六个逆变桥臂组成三相可控逆变半桥，即第七逆变功率管和第八逆变功率管、第九逆变功率管和第十逆变功率管、第十一逆变功率管和第十二逆变功率管、第十三逆变功率管和第十四逆变功率管、第十五逆变功率管和第十六逆变功率管、第十七逆变功率管和第十八逆变功率管分别组成一个逆变桥臂；六个桥臂的中点即两个逆变功率管的连接公共点分别通过第一钳位二极管、第二钳位二极管、第三钳位二极管、第四钳位二极管、第五钳位二极管、第六钳位二极管与滤波电容器组中性点相连，其中第一钳位二极管、第三钳位二极管、第五钳位二极管的负极分别对应连接到各上桥臂的中点上，第二钳位二极管、第四钳位二极管、第六钳位二极管的正极分别对应连接到各下桥臂的中点上；三相逆变半桥的输入连接在滤波电容器组的正、负极上，输出端则通过输出滤波电路分别对应连到电网的接入端UA、UB、UC上。

有益效果：

(1)可以对功率单元直流环节的电压进行控制，提升其直流电压稳定性，并进一步提升变流器输出交流电压波形的质量；

(2)谐波电流注入电路为注入零序电流提供了通道，可以实现功率单元的高功率因数整流和输入电流的正弦化，减少谐波带来的一些问题；

(3)直流电压环节的稳定控制，对滤波电容器组的容量要求比不控拓扑型的低，可节省成本；

(4)直流环节采用升压电路，使发电机在低风速时也能将能量馈送至电网，同时可减小直流环节的电流，降低损耗；

(5)使风力发电系统维护成本低、噪声小、结构比较简单、控制较方便。

附图说明

图1双馈式风力发电系统示意图，

图2直驱式风力发电系统示意图，

图3本发明的结构示意图，

图4本发明另一种实施方案的结构示意图，

图5功率单元工作示意图，

图6三相整流输入电压波形示意图。

图中有：风力机1、齿轮箱2、双馈感应电机3、三绕组变压器4、交流/直流变流模块5、直流侧电容器6、直流/交流变流模块7、永磁同步电机8、第一熔断器9、第二熔断器10、第三熔断器11、谐波电流注入电路12、第一输入电感13、第二输入电感14、第三输入电感15、第一整流二极管16、第二整流二极管17、第三整流二极管18、第四整流二极管19、第五整流二极管20、第六整流二极管21、第一升压功率管22、第二升压功率管23、第一限流二极管24、第二限流二极管25、第一均压电阻26、第二均压电阻27、第三均压电阻28、第四均压电阻29、第一滤波电容30、第二滤波电容31、第三滤波电容32、第四滤波电容33、第一逆变功率管34、第二逆变功率管35、第三逆变功率管36、第四逆变功率管37、第五逆变功率管38、第六逆变功率管39、输出滤波电路40、电网等效电源41、滤波电容器组中性点42、升压桥中性点43、谐波电流注入电路中性点44、第七逆变功率管45、第八逆变功率管46、第九逆变功率管47、第十逆变功率管48、第十一逆变功率管49、第十二逆变功率管50、第十三逆变功率管51、第十四逆变功率管52、第十五逆变功率管53、第十六逆变功率管54、第十七逆变功率管55、第十八逆变功率管56、第一钳位二极管57、第二钳位二极管58、第三钳位二极管59、第四钳位二极管60、第五钳位二极管61、第六钳位二极管62、a相等效电源63。

具体实施方式

如图1所示为传统的双馈式风力发电系统示意图。风力机1通过齿轮箱2和双馈感应电机3相连，双馈感应电机3的定子绕组与三绕组变压器4的中压侧直接连接，转子通过两个电压源变频器(即图中的交流/直流变流模块5、直流/交流变流模块7)连接到三绕组变压器4的低压侧。由于转子绕组采用了独立电源供电，故机组可在较大速度范围内运行，并与电网之间实现能量双向传输：当风力机运行在超同步速度时，功率从转子流向电网；而当运行在次同步速度时，功率从定子流向转子。直流侧电容器6可维持直流侧电压及滤除电压纹波。

如图2所示为直驱式风力发电系统示意图，将风力机1直接驱动多极低速永磁同步发电机8发电，然后通过功率变换电路(即图中的交流/直流变流模块5、直流/交流变流模块7)将电能转换后并人电网，省去了传统双馈式风力发电系统中的齿轮箱，系统效率大为提高，有效抑制了噪声。该系统无机械变速装置，从而提高了系统的效率和可靠性，降低了系统的运行和维护成本。但直驱式风力发电系统中的变流器(包括图中的交流/直流变流模块5、直流侧电容器6、直流/交流变流模块7三部分)直流侧电压的平衡控制较难，而且变流器的输入电流正弦化及结构简化也较难实现。另外在低风速时，永磁同步发电机8输出电压较低，不能将能量馈送至电网。针对上述传统直驱风力发电系统功率单元的不足，本发明提出一种新型风电变流器，如图3所示。本发明变流器的六个整流二极管组成三相不可控整流桥，其输入端通过输入电感连接到熔断上，而熔断器则直接对应与永磁同步电机8的电压输出端Ua、Ub、Uc相连。三相不可控整流桥的输出端连接到两个升压功率管组成的双开关升压半桥上。升压半桥的正、负极分别通过限流二极管(为快速二极管)连接到滤波电容组成的滤波电容器组(或采用耐压值足够高的混合电容器组)的正、负极上。均压电阻分别并联到滤波电容上，以防止电容器电压不平衡。升压半桥的正、负极分别与限流二极管24的正极、25的负极相连。升压桥中性点43(即升压桥两个升压功率管的公共点)和滤波电容器组的中性点42(整个电容器组容量的1/2位置处)连接在一起，并由此点引出中性线连到谐波电流注入电路中性点44上。六个逆变功率管组成三相逆变半桥(第一种逆变器)，其输入连接在滤波电容器组的正、负极上，输出端则通过输出滤波电路分别对应连到电网的接入端UA、UB、UC上。

当然本发明变流器的逆变电路也可以采用三电平逆变器(第二种逆变器，图3所示为两电平逆变器)，如图4所示。该逆变器每个半桥桥臂都由两个可控逆变功率管组成，如逆变功率管45~46组成一个桥臂，逆变功率管47~48组成一个桥臂。而每个桥臂的中点(串联功率管的公共点)分别通过钳位二极管57~62和滤波电容器组的中性点42相连。这样六个桥臂组成三相逆变半桥，其输入连接在滤波电容器组的正、负极上，输出端则通过输出滤波电路40分别对应连到电网的接入端UA、UB、UC上。相对于直流测电压而言，该三电平逆变电路的输出电压有两种可能的取值，比两电平逆变电路多出一种，因此使逆变电路输出的电压谐波大为减少。此外三电平逆变电路还有一个突出的优点就是每个逆变功率管关断时所承受的电压仅为直流测电压的一半，这就降低了功率管的耐压要求。

本发明变流器可进行直流电压升压和直流电压控制，其工作原理如图5所示。当a相等效电源63的电压处于正半周时整流二极管16导通，整流二极管17关断，由于开关频率相对于工频很高，此电路即可看作升压斩波电路(BoostCopper)。当升压功率管22处于通态时，电源63向输入电感13充电；当升压功率管22处于断态时电源63和输入电感13共同向滤波电容充电，这样输出电压的幅值就高于了电源63电压的幅值。类似的，当a相等效电源63的电压处于负半周时整流二极管16关断，整流二极管17导通，由电源63、输入电感13、升压功率管23、滤波电容组成的电路仍为升压斩波电路。其工作过程同电源63电压处于正半周时类似，输出电压的幅值也高于电源63电压的幅值。当然，b相、c相电源作用时电路也是按照这种方式进行工作的。

由以上的电路工作过程分析可知，电路相当于对直流电压进行了升压(相对于仅用二极管进行整流而言)。对升压功率管的通断占空比进行调节，即可以控制输入电感充电的时间，最终达到控制直流电压的目的。

直流电压得到控制的直接好处即是使装置的整体性能得到了提升，改善了变流器输出交流电压波形的质量。而且直流环节的电压变得更加稳定，降低了对滤波的要求，所以滤波电容器组的容量也可相应降低，以节省成本。另一方面，直流环节的电压得到提升，在低风速下也可将能量馈送至电网。

本发明的电路实现高功率因数整流的控制原理如下：根据三相三线制中三相电流瞬时和为零，可知3个相电流共有2个自由度，即在某个时刻，控制其中的两个相电流，另外的那相电流就等同控制了。这种控制方法就是通过升压功率管分别控制正向电压最大相和负向电压最大相的电流来实现的，即控制升压功率管的通断就可以控制三相的瞬时电流，使其跟踪各相电压，以达到提高功率因数的目的。

三相整流输入电压波形示意图如图6所示。ωt＝π/6～5π/6时，a相电压达到正向最大值，即进入图5所示的正向升压工作过程，此时即可以通过控制升压功率管22的通断使输入a相电流波形跟踪a相电压波形。在此时间段考虑其它两相的电流情况：ωt＝π/6～π/2时，b相电压达到负向最大值，即进入图5所示的负向升压工作过程，此时即可以通过控制升压功率管23的通断使输入b相电流波形跟踪b相电压波形，根据三相电流瞬时和为零可知c相电流自动跟踪c相电压波形；而在时间段ωt＝π/2～5π/6时，c相电压达到负向最大值，进入图5所示的负向升压工作过程，此时即可以通过控制升压功率管23的通断使输入c相电流波形跟踪c相电压波形，根据三相电流瞬时和为零可知b相电流自动跟踪b相电压波形。类似的，在其他时间段，三相电流也可按照这种方法得到控制。

由于输入电流为近似正弦，降低了输入到永磁同步电机8的谐波电流。可避免发电机功率因数降低和发电机转矩发生振荡，此外采用不控整流加升压双开关的拓扑可简化功率单元的结构和降低其控制难度，并节约了成本。

注入零序电流的原因仍结合图6说明，当仅采用三相整流桥整流时，各相电流波形为正弦波的i_max、i_min部分(即实线部分)。要实现输入电流的正弦化则必须注入电流i_har，即图5中的虚线部分。经频谱分析可知：i_har这部分谐波电流分布在3次的奇数倍工频频率上，也即谐波电流只包含零序电流。基于这个原因，本发明采用了谐波电流注入电路，其中性点44连接到滤波电容器组中性点42、升压桥中性点43上，这样可以为零序电流提供通路。而这部份谐波电流只能在本发明功率单元的内部流通(通过整流环节、直流环节和谐波电流注入环节形成谐波电流回路)，不会流入永磁同步电机8或电网，故最终可达到注入i_har实现输入电流正弦化的目的。

下面给出谐波电流注入电路12的两种具体实施方案：(1)采用YN-Δ型四芯柱三相变压器，并将中性线N与升压桥中性点43相连，Y形侧的绕组分别对应接在永磁同步电机8三相输出端上(接入点位于熔断器和输入电感之间)，变压器的Δ形侧不接入电路；(2)直接将三组电容接成YN形，并引出三相端子Ua、Ub、Uc以及中性点N，三相端子分别对应接在永磁同步电机8三相输出端上(接入点位于熔断器和输入电感之间)，中性点N与升压桥中性点43相连。

输出滤波电路40可采用以下的实施方案：(1)将三个电感分别对应串入到变流器与电网连接的线路中；(2)在三条连接线路(连接变流器与电网)与地之间分别并联电容；(3)采用LC滤波电路接在变流器与电网之间。

Claims

1.一种谐波注入型直驱式风电变流器，其特征在于在该变流器中，六个整流二极管即第一整流二极管(16)、第二整流二极管(17)、第三整流二极管(18)、第四整流二极管(19)、第五整流二极管(20)、第六整流二极管(21)组成三相不可控整流桥，其输入端分别通过第一输入电感(13)、第二输入电感(14)、第三输入电感(15)对应连接到第一熔断器(9)、第二熔断器(10)、第三熔断器(11)上，而熔断器的另一端则直接与永磁同步电机(8)的电压输出端Ua、Ub、Uc相连；整流桥输出端连接到第一升压功率管(22)、第二升压功率管(23)组成的升压半桥上；升压半桥的正、负极分别通过第一限流二极管(24)、第二限流二极管(25)连接到第一滤波电容(30)、第二滤波电容(31)、第三滤波电容(32)、第四滤波电容(33)组成的滤波电容器组的正、负极上，每个滤波电容都分别对应并联有一个均压电阻即第一均压电阻(26)、第二均压电阻(27)、第三均压电阻(28)、第四均压电阻(29)；升压桥中性点(43)即第一功率管(22)、第二功率管(23)的连接公共点和滤波电容器组中性点(42)即整个电容器组容量的1/2位置处连接在一起，并由此点引出中性线连到谐波电流注入电路中性点(44)上；滤波电容器组的正、负极分别与逆变器的正、负极输入端相连。

2、根据权利要求1所述的谐波注入型直驱式风电变流器，其特征在于所述的逆变器中六个逆变功率管即第一逆变功率管(34)、第二逆变功率管(35)、第三逆变功率管(36)、第四逆变功率管(37)、第五逆变功率管(38)、第六逆变功率管(39)组成三相可控逆变半桥，其输入连接在滤波电容器组的正、负极上，输出端则通过输出滤波电路(40)分别对应连到电网的接入端UA、UB、UC上。

3、根据权利要求1所述的谐波注入型直驱式风电变流器，其特征在于所述的逆变器中六个逆变桥臂组成三相可控逆变半桥，即第七逆变功率管(45)和第八逆变功率管(46)、第九逆变功率管(47)和第十逆变功率管(48)、第十一逆变功率管(49)和第十二逆变功率管(50)、第十三逆变功率管(51)和第十四逆变功率管(52)、第十五逆变功率管(53)和第十六逆变功率管(54)、第十七逆变功率管(55)和第十八逆变功率管(56)分别组成一个逆变桥臂；六个桥臂的中点即两个逆变功率管的连接公共点分别通过第一钳位二极管(57)、第二钳位二极管(58)、第三钳位二极管(59)、第四钳位二极管(60)、第五钳位二极管(61)、第六钳位二极管(62)与滤波电容器组中性点(42)相连，其中第一钳位二极管(57)、第三钳位二极管(59)、第五钳位二极管(61)的负极分别对应连接到各上桥臂的中点上，第二钳位二极管(58)、第四钳位二极管(60)、第六钳位二极管(62)的正极分别对应连接到各下桥臂的中点上；三相逆变半桥的输入连接在滤波电容器组的正、负极上，输出端则通过输出滤波电路(40)分别对应连到电网的接入端UA、UB、UC上。