CN101635466A - 采用多相发电机和多电平变换器的兆瓦级变速风电机组 - Google Patents

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张晓华
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Abstract

本发明采用多相发电机和多电平变换器的兆瓦级变速风电机组，包括多组同轴发电机和多个电力电子变换器系统，风机的主轴与多组发电机轴相连，每一发电机定子侧连接独立的变换器系统，并将每一变换器系统之间并联和/或串联并入电网，向电网输送电力，完成风能－机械能－电能的转换。这种技术的主要特点是采用多组同轴发电机来代替单一发电机，每台分立的发电机定子侧采用各自独立的电力电子变换器或者采用多重化技术实现变换器的并联或串联组合来实现兆瓦级变速风电机组。

Description

采用多相发电机和多电平变换器的兆瓦级变速风电机组
技术领域
本发明涉及风电领域，尤指一种采用多相发电机和多电平变换器的兆瓦级变速风电机组。
背景技术
风电是目前最具有商业开发潜力的清洁能源，也是我国重点发展的可再生能源之一。当前风力发电的主流技术方案是变速风机技术，而为了实现风机的变速运行以及风电机组的并网，电力电子变换器是其中必不可少的核心控制器。在各种变速风机的实现方案中，安装在发电机定子侧的全功率风电变换器是实现风机变速恒频控制的重要方案之一，这种方案与发电机转子例变换器方案相比更易于实现，作为风电机组关键设备在电网故障状态下要满足较高的电压穿越能力，因此是目前大功率风电变换器的研究中比较重要和热点的技术。由于定子侧变换器方案必须处理全部的发电机功率，这造成定子侧风电变换器在设计和制造上的很多的困难以及较高的成本。特别是目前国际上风电机组的单机功率已经达到5MW，而且在进一步发展5MW以上的功率等级，因此对于风电变换器的设计和制造提出了更高的要求，而现有的单发电机和单变换器的技术方案已经不能适应这种技术要求。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种采用多相发电机和多电平变换器的兆瓦级变速风电机组。
为实现上述目的，本发明采用多相发电机和多电平变换器的兆瓦级变速风电机组，包括多组同轴发电机和多个电力电子变换器系统，风机的主轴与多组发电机轴相连，每一发电机定子侧连接独立的变换器系统，并将每一变换器系统之间并联和/或串联，将发电机定子并入电网，向电网输送电力，完成风能-机械能-电能的转换。
进一步，所述发电机为多相同步发电机。
进一步，所述变换器系统包括不控整流桥、斩波器和并网逆变器。
进一步，所述并网逆变器为两重化PWM逆变器，用于将直流侧能量变换成满足电网连接要求的形式传递给电网，在保持直流侧电压恒定的同时，使交流侧相电流接近于正弦，相电流与相电压同相，功率因数接近于1，以减少输送到电网的谐波和无功含量。
进一步，所述变换器系统主电路，包括发电机侧滤波器、六相不控整流器、整流输出电容器组、三重升压BOOST变换器、制动单元、逆变侧滤波电容器、双重并网逆变器、逆变输出平衡电抗器、滤波器和升压变压器。
进一步，所述变换器系统控制电路包括电源及复位电路、AD基准电路、D/A输出电路、PWM输出驱动和IGBT故障检测电路和模拟量输入调理电路。
进一步，所述电源及复位电路通过TPS70351芯片输出3.3V和1.8V两种电压，同时可以输出复位信号。
进一步，所述AD基准电路通过2812芯片自带的AD采样基准电路，所述D/A输出电路采用并口16位DA芯片AD574，所述模拟量输入调理电路由差分放大器INA114和运放INA2137构成。
本发明的风电机组采用多相发电机和多电平变换器实现大功率变速风电机组的技术，这种技术的主要特点是采用多组同轴发电机来代替单一发电机，每台分立的发电机定子侧采用各自独立的电力电子变换器或者采用多重化技术实现变换器的并联(或串联)组合。这种技术的主要优点：(1)单台发电机的功率等级相对降低，整个风机的功率被多台发电机分担；(2)发电机可采用容易制造和低成本的鼠笼式感应电机，设计和制造周期短；如果采用永磁同步电机，功率等级较小，则电机的设计和制造难度也相对降低；(3)定子侧电力电子变换器的容量降低，并且可轻易实现变换器的并联或串联多重化；(4)如果单台发电机或变换器出现故障，则整个系统可以减功率继续运行或者启用冗余电机或者变换器。尽管在单发电机风电系统中，电力电子变换器也可采用多个相同结构的变换器并联实现，但是这需要对每台变换器进行隔离；而多相发电机组方案本身提供了多组相互独立的电源，不需要额外的隔离。(5)由于多机组系统中通过增加和减少单台发电机的个数即可适应各种功率等级的风机的需求，因此对于发电机和变换器的制造商而言，不需要提供太多功率等级，这有利于实现发电机和变换器的最优设计。(6)这种技术能够充分适应我国大功率风电机组要求国产化的市场期望和我国现有的技术能力，通过采用国内成熟的较小功率机组的组合来构造大功率风电机组。
附图说明
图1为本发明不控整流接BOOST加IGBT逆变全功率变换器系统原理图；
图2为本发明兆瓦级变速风电机组的电路图；
图3为实施例中风电机组电路原理图；
图4多鼠笼式感应发电机组变速风电系统原理示意图；
图5多永磁同步发电机组变速风电系统原理示意图；
图6变换器并联的发电机组；
图7发电机侧变换器串联的发电机组；
图8变换器系统控制系统硬件框图。
具体实施方式
本发明以多相发电机风电变换系统的核心是通过采用多台发电机与变换器的多重化技术实现大功率风机的变速运行和并网，是高功率等级变速风电机组的新的技术。
实施例1：
如图4、5、6所示，本发明风电机组将多组发电机同轴相连，每一台发电机的定子侧连接有变换器，每一变换器在电网侧进行并联后通过升压变压器连接到电网。其中，发电机可采用容易制造和低成本的鼠笼式感应电机，设计和制造周期短。或者采用永磁同步电机，功率等级较小，则电机的设计和制造难度也相对降低。
如图1和2所示，本发明风电机组包括风机、多相发电机和多电平变换器，其中，变换器的主电路包括发电机侧滤波器、六相不控整流器、整流输出电容器组、三重升压BOOST变换器、制动单元、逆变侧滤波电容器、双重并网逆变器、逆变输出平衡电抗器、滤波器和升压变压器。不控二极管整流桥后加入一个DC/DC Boost升压环节，得到图1所示的直流侧电压稳定的PWM电压源型逆变器型拓扑结构。通过增加这个环节，可以解决风力较小发电机输出电压低时保证直流母线电压的稳定从而使PWM逆变器保持良好的运行特性。它通过Boost升压环节将逆变器直流母线电压提高并稳定在合适的范围，使逆变器的调制深度范围好，提高运行效率，减小损耗。同时，Boost电路还可以对永磁同步发电机输出侧进行功率因数校正。由于不控整流桥的非线性特性，整流桥输入侧电流特性畸变很严重，谐波含量比较大，会使发电机功率因数降低，发电机转矩发生振荡。可以通过功率因数校正技术(PFC)，改变开关器件的占空比，使发电机输出电流保持正弦并保持与输出电压同步。主电路中的直-交变换部分采用两重化PWM逆变器，用于将直流侧能量变换成满足电网连接要求的形式传递给电网，在保持直流侧电压恒定的同时，使交流侧相电流接近于正弦，相电流与相电压同相，功率因数接近于1，以减少输送到电网的谐波和无功含量。该逆变器采用两重化的目的一是实现电路的并联均流，提高功率等级，二是减小交流输出电流中的谐波含量，满足电网对谐波的要求。
如图3所示，大功率风电变换器系统由不控整流桥、斩波器、并网逆变器构成。整流器侧电源三相380V，逆变器侧电源三相690V，闭合配电柜1、2和3，闭合主断路器，三相380V电压接到不控整流桥的输入端，三相690V电压接到并网逆变器的输出端，然后控制箱启动工作，给三重斩波器和两重逆变器发工作脉冲；用操作器给定斩波器的工作电流，观测三重斩波器电流、中间直流电压、交流电流等波形是否正常。结果：用操作器给定整流状态交流电流峰值为450A(半载)、900A(满载)时，中间直流电压、交流电流的波形随着功率增加，电流波形质量越来越好。操作器给定整流状态交流电流峰值为900A时，总功率达到1499kW。根据信号比较得结果其中：
通道1-1/2中间直流电压VDC+(100V/div)。
通道2-690V侧B相电网电压(200V/div)。
通道3-并网逆变器1电感电流(500A/div)。
通道4-并网逆变器2电感电流(500A/div)。
如图8所示，本发明发电机组的核心控制由主控制系统和PWM变流控制系统共同实现，其中主控系统的作用是实现整机的控制，包括风速测量、功率计算、PWM变流系统的指令给定、变速变桨控制、所有接触器的控制等，变流控制系统的作用是根据主控板提供的给定信号，分别向变流系统中的电机侧逆变器、制动单元和并网逆变器发出相应控制脉冲，使发电机的能量通过整流、和逆变后送入电网，在保持中间直流电压恒定的同时，使逆变器输出电流达到电网连接要求。
控制系统硬件DSP外围电路由以下几部分成：
(1)电源及复位电路，此功能由TPS70351芯片实现，该芯片可以输出3.3V和1.8V两种电压，满足DSP供电的需要。同时可以输出复位信号，并可以接手动位按钮。
(2)AD基准电路，TMS320F2812芯片内部自带AD采样的基准电路，可以满足AD采集的需要，利用电压源和运放芯片产生1V和2V的信号提供给DSP，提高AD采集的精度。由于TMS320F2812芯片只能接受0-3V的电压信号，而信号调理板给DSP控制板的信号为双极性信号，所以需要把信号抬高1.5V后再送给DSP。恰好可以利用DSP输出的1V和2V信号给一运放芯片，把双极性的模拟量输入调整到0-3V之间。
(3)D/A输出电路，采用并口16位DA芯片AD574。
(4)PWM输出驱动和IGBT故障检测电路。
(5)模拟量输入调理电路，由差分放大器INA114和运放INA2137组成。
实施例2：
如图4、5、7所示，本发明风电机组将多组发电机同轴相连，每一台发电机的定子侧连接有独立的变换器，每一变换器之间采用串联以提高直流母线电压，而电网侧变换器(逆变器)只用一个，并最终将发电机定子侧并入电网向电网输送电力。发电机也可采用容易制造和低成本的鼠笼式感应电机，设计和制造周期短。或者采用永磁同步电机，功率等级较小，则电机的设计和制造难度也相对降低。其它部分与实施例1中相同。
尽管上文对本发明的具体实施方式通过实例进行了详细的描述和说明，但应该指明的是，本领域的技术人员可以对上述实施方式进行各种改变和修改，但这些都不脱离本发明的精神和权利要求所记载的范围。

Claims (9)

1.一种采用多相发电机和多电平变换器的兆瓦级变速风电机组，包括多组同轴发电机和多个电力电子变换器系统，风机的主轴与多组发电机轴相连，其特征在于，每一发电机定子侧连接独立的变换器系统，并将每一变换器系统之间并联和/或串联并入电网，向电网输送电力，完成风能-机械能-电能的转换。
2.如权利要求1所述的采用多相发电机和多电平变换器的兆瓦级变速风电机组，其特征在于，所述发电机为多相发电机，如鼠笼式感应发电机或者永磁同步发电机。
3.如权利要求1所述的采用多相发电机和多电平变换器的兆瓦级变速风电机组，其特征在于，所述变换器系统包括不控整流桥、斩波器和并网逆变器。
4.如权利要求1所述的采用多相发电机和多电平变换器的兆瓦级变速风电机组，其特征在于，所述每一发电机向与其对应的变换器系统供电。
5.如权利要求3所述的采用多相发电机和多电平变换器的兆瓦级变速风电机组，其特征在于，所述并网逆变器为两重化PWM逆变器，用于将直流侧能量变换成满足电网连接要求的形式传递给电网，在保持直流侧电压恒定的同时，使交流侧相电流接近于正弦，相电流与相电压同相，功率因数接近于1，以减少输送到电网的谐波和无功含量。
6.如权利要求1所述的采用多相发电机和多电平变换器的兆瓦级变速风电机组，其特征在于，所述变换器系统主电路，包括发电机侧滤波器、六相不控整流器、整流输出电容器组、三重升压BOOST变换器、制动单元、逆变侧滤波电容器、双重并网逆变器、逆变输出平衡电抗器、滤波器和升压变压器。
7.如权利要求1所述的采用多相发电机和多电平变换器的兆瓦级变速风电机组，其特征在于，所述变换器系统控制电路包括电源及复位电路、AD基准电路、D/A输出电路、PWM输出驱动和IGBT故障检测电路和模拟量输入调理电路。
8.如权利要求6所述的采用多相发电机和多电平变换器的兆瓦级变速风电机组，其特征在于，所述电源及复位电路通过TPS70351芯片输出3.3V和1.8V两种电压，同时可以输出复位信号。
9.如权利要求6所述的采用多相发电机和多电平变换器的兆瓦级变速风电机组，其特征在于，所述AD基准电路通过2812芯片自带的AD采样基准电路，所述D/A输出电路采用并口16位DA芯片AD574，所述模拟量输入调理电路由差分放大器INA114和运放INA2137构成。
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