CN101950986A

CN101950986A - 高频正弦波调制的风电场并网逆变器

Info

Publication number: CN101950986A
Application number: CN 201010500473
Authority: CN
Inventors: 刘闯; 赵伊苓
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-10-08
Filing date: 2010-10-08
Publication date: 2011-01-19

Abstract

一种高效的、高频的、正弦波调制的风电场并网逆变器(100)，包括：高频逆变器(20)、串联谐振电路(30)、高频变压器(28)、并网电容(34)、并网电感(36)，其中，高频变压器(28)用于隔离和升压；串联谐振电路(30)将高频逆变器(20)输出的脉冲电平转换为正弦波形，便于变压器(28)升压；高频逆变器(20)通过调节输出的2种电平的作用比例控制谐振电流的幅值及方向，调节并网电容(34)的电压(32)跟踪电网电压(40)的变化，通过并网电感(36)向电网馈送与电网电压同频率、同相位的交流电流(38)。该逆变器无需耐高压的电力电子器件，可用于大型风电场向高压输电网并网。

Description

高频正弦波调制的风电场并网逆变器

技术领域

本发明涉及一种逆变器，具体是高效的、高频的、正弦波调制的、用于风电场直接向高压输电网并网的逆变器。

背景技术

风能资源是清洁的可再生能源，风力发电是新能源中技术最成熟、最具规模开发条件和商业化发展前景的发电方式之一。世界上很多国家，尤其是发达国家，已充分认识到风电在调整能源结构、缓解环境污染等方面的重要性，对风电的开发给予了高度重视。近8年来，全世界风电装机容量年平均增长超过30％，成为发展最快的电力资源。开发新能源是国家能源建设实施可持续发展战略的需要，是促进能源结构调整、减少环境污染、推进技术进步的重要手段。风电以其丰富的资源、良好的环境效益和逐步降低的发电成本，将成为21世纪中国重要的可再生绿色能源。

风电场是指在同一场地上安装几十甚至上百台风力发电机组，并联在一起，通过电子计算机控制共同向电网供电的风能利用方式，发展风电场的先决条件是当地风能资源丰富。因此，风电场主要集中在东北、内蒙古、新疆等较为空旷、风力资源好的地方。风电场是风力发电的发展方向，是大规模开发利用风能的主要方式。由于风电场的场地限制条件，这就决定了大型的风电场通常在广袤的草原或山区地带，给风电场的并网带来诸多的不利条件，而且这些地区通常是电力资源宽裕的地区，需要将风电场的电能输送到电能缺乏的东南沿海，这就决定风电场的电能需向高压输电网并网。风电场向高压输电网并网，这就要求逆变器的开关器件耐压很高，随着风电场容量的增加，开关器件的容量已很难达到。

近年来随着风能的开发和利用，尤其在采用变速变频发电机组的风力发电系统中，并网逆变器作为发电机连接电网的核心装置获得广泛应用。由于采用PWM控制技术，并网逆变器交流侧具有可控功率因数，正弦化输出电流波形，以及可以实现电能的双向传输等优点。但是由于风力发电用并网逆变器功率容量较大，直流母线两端的电压较高，因此为降低功率器件应力使得PWM信号开关频率受到限制，频率范围通常在1～3kHz之间。开关频率的降低导致逆变器网侧输出电流中的谐波分量增加。

经对现有技术文献的检索发现，张强、张崇巍、张兴、谢震“风力发电用大功率并网逆变器研究”(中国电机工程学报，2007年第27卷第16期，p54-59)为降低开关频率较低造成的电流谐波，在并网逆变器中引入T型滤波器取代典型的电感滤波器。该方法在一定程度上抑制了输出电流中的谐波分量，改善了输出的正弦电流波形，但是并不能改变PWM控制方式对开关频率的限制，也无法解决开关器件耐压的问题，对于并网电流的改善，也仅是抑制了一定量的谐波，其谐波含量仍然较大，而且由于采用了T性滤波器，降低了逆变器的稳定性。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提出一种隔离型的基于正弦波调制的并网逆变器。该逆变器通过调节正弦波形的谐振电流使其输出电压跟踪电网电压，开关频率显著提高；开关器件在变压器的前端，耐压要求很小，并网侧无需耐高压的电力电子器件，可满足向高压电网并网，且实施容易、控制简单。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：高频逆变器、串联谐振电路、高频变压器、并网电容、并网电感，其中，高频变压器用于隔离和升压；串联谐振电路用于将逆变器输出的脉冲电平转换为正弦波形；高频逆变器控制谐振电流的幅值及方向，调节并网电容的电压跟踪电网电压的变化，通过并网电感向电网馈送与电网电压同频率、同相位的交流电流。

所述的高频逆变器有2种工作状态，向串联谐振提供电能，使得谐振幅度增大，称之为正谐振状态；串联谐振向逆变器的直流母线反馈电能，谐振幅度减小，称之为负谐振状态。正谐振状态，逆变器输出的电平始终与谐振电流方向相同，使得谐振电流的幅值增大；负谐振状态，逆变器输出的电平始终与谐振电流方向相反，使得谐振电流的幅值减小。高频逆变器由4个反并联快速二极管的开关器件组成，负谐振状态时，4个开关器件全部关断，根据谐振电流的方向，4个二极管自动导通和关断；正谐振状态时，控制2个开关器件导通，且在一个谐振周期内，正谐振状态在谐振电流过零点时开始作用，消除一次开关损耗。

在一个谐振周期内，逆变器交替工作在正谐振状态和负谐振状态，通过调节两种状态的作用时间比例来调节谐振电流的幅值和方向，使得并网电容的电压跟踪电网电压的变化，正谐振状态的作用比例在0～50％之间。一个谐振周期内，谐振电流正负交替，只有一个方向的谐振电流是并网电容所需要的，正谐振状态的作用比例用来调节所需要的谐振电流的幅值，负谐振状态用来抑制另一个方向的谐振电流，减弱其对并网电容电压的影响。

逆变器的输入直流电压是可变化的，只需控制策略中增加输入直流电压的变量，输入直流电压变化时，正谐振周期的相应作用时间随之改变即可。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：第一、采用高频变压器隔离，安全性高，且变压器体积小、响应快；第二、通过变压器升压，开关器件在变压器初级侧，所需耐压值很小，开关器件不易损坏，提高了逆变器的使用寿命；第三、一个谐振周期内，只需要控制2个开关器件的导通，且只有其关断时有开关损耗，逆变器整体损耗低、效率高；第四、并网侧无需大功率、耐高压的电力电子器件，逆变器容易实施；第六、逆变器的输入电压可变化，可实现风机的最大功率跟踪。

附图说明

图1为根据本发明的一个实施例；

图2为并网电容电压、谐振电流、逆变器的输出电平三者的关系，1-并网电容电压，2-谐振电流，3-逆变器的输出电平，I-调节正向谐振电流幅值，正谐振状态作用比例为40％，负谐振状态抑制负向谐振电流，II-调节负向谐振电流幅值，正谐振状态作用比例为40％，负谐振状态抑制正向谐振电流。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。因此，应当明白，所附的权利要求意欲涵盖落入本发明的真实精神的所有这些修改和改变。

如图1所示，本实施例包括：高频逆变器20、串联谐振电路30、高频变压器28、并网电容34、并网电感36，其中，高频变压器28用于隔离和升压；串联谐振电路30用于将逆变器20输出的脉冲电平转换为正弦波形；高频逆变器20控制谐振电流的幅值及方向，调节并网电容34的电压32跟踪电网电压40的变化，通过并网电感36向电网馈送与电网电压同频率、同相位的交流电流38。

高频逆变器20有2种工作状态，向串联谐振电路30提供电能，使得谐振幅度增大，称之为正谐振状态；串联谐振电路30向逆变器20的直流母线10反馈电能，谐振幅度减小，称之为负谐振状态。正谐振状态，逆变器20输出的电平始终与谐振电流25方向相同，使得谐振电流25的幅值增大；负谐振状态，逆变器20输出的电平始终与谐振电流25方向相反，使得谐振电流25的幅值减小。负谐振状态，开关器件全部关断，谐振电流25为正时，二极管14和16导通形成回路；谐振电流25为负时，二极管12和18导通形成回路；正谐振状态，2个开关器件导通，谐振电流25为正时，开关器件2和8导通；谐振电流为负时，开关器件4和6导通。

如图2所示，在一个谐振周期内，逆变器20交替工作在正谐振状态和负谐振状态，通过调节两种状态的作用时间比例来调节谐振电流25的幅值和方向，使得并网电容34的电压32跟踪电网电压40的变化，正谐振状态的作用比例在0～50％之间，且正谐振状态在谐振电流25的过零点开始作用，消除一次开关损耗。一个谐振周期内，谐振电流正负交替，只有一个方向的谐振电流是并网电容34所需要的，正谐振状态的比例用来调节所需要的谐振电流的幅值，负谐振状态用来抑制另一个方向的谐振电流，减弱其对并网电容电压32的影响。逆变器20的输入直流电压10是可变化的，只需控制策略中增加输入直流电压的变量，输入直流电压变化时，正谐振的相应作用时间随之改变。

外加电容器24与高频隔离变压器28的漏感组成了串联谐振电路30，如果漏感不足以达到给定的谐振周期，可以外加电感26。电容器和电感的容量确定，串联谐振的周期即固定，高频逆变器20的开关器件频率为串联谐振的频率。

元件列表

(2)开关器件

(4)开关器件

(6)开关器件

(8)开关器件

(10)直流电压

(12)快速二极管

(14)快速二极管

(16)快速二极管

(18)快速二极管

(20)高频逆变器

(24)谐振电容

(25)谐振电流

(26)谐振外加电感

(28)高频隔离变压器

(30)串联谐振电路

(32)并网电容电压

(34)并网电容

(36)并网电感

(38)并网电流

(40)电网电压

Claims

1.一种高效的、高频的、正弦波调制的风电场并网逆变器(100)，包括：高频逆变器(20)、串联谐振电路(30)、高频变压器(28)、并网电容(34)、并网电感(36)，其中，高频变压器(28)用于隔离和升压；串联谐振电路(30)将高频逆变器(20)输出的脉冲电平转换为正弦波形，便于变压器(28)升压；高频逆变器(20)通过调节输出的2种电平的作用比例控制谐振电流的幅值及方向，调节并网电容(34)的电压(32)跟踪电网电压(40)的变化，通过并网电感(36)向电网馈送与电网电压同频率、同相位的交流电流(38)。

2.根据权利要求1所述的逆变器(100)，其特征是，高频逆变器(20)有2种工作状态，向串联谐振电路(30)提供电能，使得谐振幅度增大，称之为正谐振状态，串联谐振电路(30)向逆变器(20)的直流母线(10)反馈电能，谐振幅度减小，称之为负谐振状态。

3.根据权利要求1所述的逆变器(100)，其特征是，正谐振状态，逆变器(20)输出的电平始终与谐振电流(25)方向相同，使得谐振电流(25)的幅值增大，负谐振状态，逆变器(20)输出的电平始终与谐振电流(25)方向相反，使得谐振电流(25)的幅值减小。

4.根据权利要求1所述的逆变器(100)，其特征是，负谐振状态，开关器件全部关断，谐振电流(25)为正时，二极管(14)和(16)导通形成回路，谐振电流(25)为负时，二极管(12)和(18)导通形成回路，正谐振状态，2个开关器件导通，谐振电流(25)为正时，开关器件(2)和(8)导通，谐振电流为负时，开关器件(4)和(6)导通。

5.根据权利要求1所述的逆变器(100)，其特征是，在一个谐振周期内，逆变器(20)交替工作在正谐振状态和负谐振状态，通过调节两种状态的作用时间比例来调节谐振电流(25)的幅值和方向，使得并网电容(34)的电压(32)跟踪电网电压(40)的变化，正谐振状态的作用比例在0～50％之间，且正谐振状态在谐振电流(25)的过零点开始作用，消除一次开关损耗。

6.根据权利要求1所述的逆变器(100)，其特征是，一个谐振周期内，谐振电流正负交替，只有一个方向的谐振电流是并网电容(34)所需要的，正谐振状态的比例用来调节所需要的谐振电流的幅值，负谐振状态用来抑制另一个方向的谐振电流，减弱其对并网电容电压(32)的影响。