CN102064711A - 一种同步发电机用大功率等级的全功率风电并网变流器 - Google Patents

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刘广东
冯红岩
王东
赵双喜
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Abstract

本发明涉及一种同步发电机用大功率等级的全功率风电并网变流器，属于风电新能源技术领域。技术方案是：所述的整流单元由至少一个三相不控二极管整流单元构成或多个三相不控二极管整流单元并联连接构成；所述的升压斩波单元由至少一个升压斩波单元构成或多个升压斩波单元并联连接构成；所述逆变单元由至少一个三相全控逆变单元构成或多个三相全控逆变单元并联连接构成；所述的电机励磁单元由至少一个降压斩波单元或多个降压斩波单元并联构成。本发明的有益效果是：把技术成熟、成本低廉的同步发电机应用于风力发电中，大大降低了整个机组的成本；把电机的励磁回路集成在变流器中，简化了控制结构，增强了机组的稳定性和适应性。该结构在同等开关电压电流应力的开关器件的基础上，能实现更高的功率等级，并且可以更方便的实现产品的系列化。

Description

一种同步发电机用大功率等级的全功率风电并网变流器
技术领域：
本发明涉及一种同步发电机用大功率等级的全功率风电并网变流器，属于风电新能源技术领域。
背景技术：
近十年来人类社会的发展已经步入了飞速发展的新时期，全球经济一体化的趋势日益明显。信息、能源和材料三大支柱产业是二十一世纪人类走向新文明的重要基石，而其中能源产业对经济的快速发展起着至关重要的作用。风力发电是目前新能源中技术比较成熟、最具规模化开发条件和商业化发展前景的发电方式，具有占地少、无污染、建设周期短、装机规模灵活等优点，受到世界各国的广泛关注，在整个世界电力市场上呈现出强劲的发展势头。为了推动并网型风力发电的发展，国家发改委组织制定的《可再生能源中长期发展规划》中明确要求，2020年全国风电装机容量达到3000万千瓦。我们知道，并网型风力发电系统主要包括直驱式风力发电系统和非直驱式风力发电系统两种形式。其中，变速恒频交流励磁双馈式风力发电系统和直驱多极永磁电机风力发电系统是这两种风力发电系统的典型代表，也是最有前景的风力发电方案，目前已经成为大功率风电机组的首选方案，同时也是我国风电设备制造业进军大功率风电市场的主攻方向。
非直驱式风力发电系统的风轮通过增速齿轮箱接发电机，然后通过变压器并入电网。而直驱式风力发电系统中风轮直接连接发电机，然后通过变流器并入电网。很显然，直驱式风力发电系统与非直驱式风力发电系统相比，省去了增速齿轮箱，这样不但减少了风力发电机的体积和重量，而且减少了对齿轮箱的日常维护工作，降低了风电系统的噪声、提高了机组寿命和低风速时高效率等多种优点，所以直驱式风力发电系统成了现代风力发电系统的发展趋势，而作为其并网核心部件的并网变流器性能的好坏对整个系统的正常运行起着至关重要的作用，因此直驱式并网变流器的研究成为了风电科技领域的研究热点。
直驱式风力发电机组的并网变流器的功率等级与发电机组相当，发电机发出的电能全部通过变流器转换为频率、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矩，使之实现最大功率输出。与非直驱式风力发电系统相比，变流器在发电机组与电网之间使用，实现了发电机组与电网的隔离，转速与电网频率之间的耦合问题获得了很好的解决，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，同时，也减轻对电网得冲击，保障风电机组并网后电网可靠性和安全性。与双馈型机组（变流器容量通常为1/2～1/3风电机组的额定功率）相比，全功率变流器更容易实现低电压穿越等功能，更容易满足电网对风电并网日益严格的要求。
目前，直驱式风电机组中采用的发电机多为永磁同步发电机，图1是典型的永磁直驱式变速恒频风力发电系统的结构图，包括永磁同步发电机和全功率背靠背双PWM变流器。虽然，近年来随着永磁材料性能的不断提高，价格的下降，永磁同步电机的价格已经大大降低，逐渐变得被大众所接受，但是由于永磁材料本身的局限性，特别是，理论上永磁体在高温时存在失磁的风险，同时永磁材料的寿命问题也限制的其在风电领域的应用，因目前风电机组的设计寿命基本为20年，而目前永磁电机的使用寿命基本在10年左右。针对上述问题，利用电励磁同步发电机、直驱环形发电机来代替永磁发电机是本领域技术研发的重要方向。
发明内容：
本发明目的是提供一种同步发电机用大功率等级的全功率风电并网变流器，电路结构简单，降低风电设备的成本，解决背景技术中存在的上述问题。
本发明的技术方案是：
一种同步发电机用大功率等级的全功率风电并网变流器，它包含电机侧三相滤波电容单元、整流单元、升压斩波单元、逆变单元、电机励磁单元、网侧三相滤波电容单元，各单元之间依次匹配连接，其特别之处是：所述的整流单元由至少一个三相不控二极管整流单元构成或多个三相不控二极管整流单元并联连接构成；所述的升压斩波单元由至少一个升压斩波单元构成或多个升压斩波单元并联连接构成；所述逆变单元由至少一个三相全控逆变单元构成或多个三相全控逆变单元并联连接构成；所述的电机励磁单元由至少一个降压斩波单元或多个降压斩波单元并联构成。
风力机、同步发电机连接三相滤波电容单元，三相滤波电容单元连接整流单元，整流单元连接升压斩波单元，升压斩波单元同时连接逆变单元和电机励磁单元，其中逆变单元连接三相滤波电容单元，三相滤波电容单元连接并网变压器，并网变压器连接工频电网；电机励磁单元连接到同步发电机的转子端进行励磁。
先将六个二极管两两一组，然后将每组中的两个器件首尾相连成一相桥臂，最后将三相桥臂并联组成整流单元；组成中有多个整流单元，把多个桥臂的两端并联。
升压斩波单元为：将电感和二极管串联，然后在其节点处并联一功率开关器件，最后在支路末端并联一电容器；升压斩波单元由多个升压斩波单元构成，将每个升压斩波器串联。
逆变单元：将六只功率开关器件两两一组，然后将每组中的两个器件首尾相连组成一相桥臂，进而将三相桥臂并联组成三相逆变单元，最后二极管并联在每个功率开关器件上。
电机励磁单元为：将功率开关器件和电感元件串联，然后在其节点处并联一二极管；电机励磁单元由多个电机励磁单元构成，将每个电机励磁单元并联。
本发明中主电路采用的功率开关器件可以为IGCT（集成门极换流晶闸管），但不限于IGCT。
本发明工作时，由于风速处出于不断的变化中，风力机带动风力发电机输出三相频率及幅值都变化的交流电，经过发电机侧的三相滤波电容单元后进入整流单元。整流单元将三相幅值频率均变化的的交流电整流成多脉波的幅值变化的直流电。直流电经升压斩波单元后变为幅值稳定的直流母线电压，然后直流母线电压馈入逆变单元。逆变单元在控制系统的控制下把直流电转变为与电网电压同频同相交流电，经并网变压器并入电网。因为升压斩波单元的存在，即使在较低的风速下，也能保证直流母线电压的稳定。同时，在整个运行过程中，电机励磁单元可根据风速的不断变化，而适时调节电机励磁电流的大小。
本发明的有益效果有：电路结构简单，把技术成熟、成本低廉的同步发电机应用于风力发电系统中，大大降低了整个机组的成本；把电机的励磁回路集成在变流器中，简化了控制结构，增强了机组的稳定性和适应性。大大降低了功率器件的开关损耗电路中的整流单元、升压斩波单元、逆变单元、电机励磁单元都采用的模块化电路，该结构在同等开关电压电流应力的开关器件的基础上，能实现更高的功率等级，并且可以更方便的实现产品的系列化。
本发明产品电路结构简单，不但大大降低了风电设备的成本，而且可以提高我国在世界风电设备制造领域的地位和影响力，为我国风电设备的出口，提升在世界风电市场上的地位奠定了坚实的基础。
附图说明：
图1是背景技术中典型的永磁直驱式变速恒频风力发电系统示意图；
图2是本发明示意图；
图中：图中：风力机1、永磁同步发电机2、电网3、同步发电机4、并网变压器5。
具体实施方式：
以下结合附图，通过实施例对本发明作进一步说明。
参照附图2，在实施例中，本发明位于兆瓦级的风力机1、同步发电机4与并网变压器5、电网3之间。本发明包括：发电机侧三相滤波电容器Cf1，整流器单元、升压斩波单元、逆变单元、电机励磁单元、网侧三相电容滤波器Cf2。风力机1、同步发电机4连接三相滤波电容器Cf1，三相滤波电容器Cf1连接整流单元，整流单元连接升压斩波单元，升压斩波单元同时连接逆变单元和电机励磁单元，其中逆变单元连接Cf2，三相滤波电容器Cf2连接并网变压器5，并网变压器5连接工频电网3。电机励磁单元连接到同步发电机4的转子端进行励磁。
整流单元是由三相不可控二极管整流器构成，其包括六个二极管（D11～D16）。升压斩波单元由电感元件L21、功率开关器件V21、二极管D21、电容C21组成。逆变单元由功率开关器件（V31～V36）、续流二极管（D31～D36）构成。电机励磁单元由功率开关器件V41、续流二极管D41、电感元件L41构成。
具体实施方式主要分为两步：
①构建各个单元环节，包括整流单元、升压斩波单元、逆变单元和电机励磁单元。
首先构建整流单元。先将六个二极管（（D11～D16）两两一组，分别是D11和D12、D13和D14、D15和D16，然后将每组中的两个器件首尾相连组成一相桥臂，最后将三相桥臂并联组成三相整流单元。如果有多个整流单元，把多个桥臂的两端并联即可。
其次构建升压斩波单元。将电感L21和二极管D21串联，然后在其节点处并联一功率开关器件V21，最后在L21-D21支路的末端并联一电容器C21。若升压斩波单元是由多个升压斩波单元构成，只需将单个升压斩波单元并联即可。
紧接着构建逆变单元。将六只功率开关器件（V31～V36）两两一组，分别是V31和V32，V33和V34，V35和V36，然后将每组中的两个器件首尾相连组成一相桥臂，进而将三相桥臂并联组成三相逆变单元，最后在二极管（D31～D36）并联在每个功率开关器件上。若逆变单元是由多个逆变单元构成，只需将单个逆变单元并联即可
最后构建电机励磁单元。将功率开关器件V41和电感元件L41串联，然后在其节点处并联一二极管D21。若电机励磁单元是由多个电机励磁单元构成，只需将单个电机励磁单元并联即可。
②将同步发电机经过发电机侧三相滤波电容器Cf1连接到整流器单元，接着将整流单元、升压斩波单元顺序连接，然后逆变单元和电机励磁单元并接在升压斩波单元输出端上，其中 逆变单元通过网侧三相滤波电容器Cf2，连接到并网变压器后并入电网。而电机励磁单元则连接到电机转子侧给电机提供所需励磁电流。

Claims (6)

1.一种同步发电机用大功率等级的全功率风电并网变流器，它包含电机侧三相滤波电容单元、整流单元、升压斩波单元、逆变单元、电机励磁单元、网侧三相滤波电容单元，各单元之间依次匹配连接，其特征在于：所述的整流单元由至少一个三相不控二极管整流单元构成或多个三相不控二极管整流单元并联连接构成；所述的升压斩波单元由至少一个升压斩波单元构成或多个升压斩波单元并联连接构成；所述逆变单元由至少一个三相全控逆变单元构成或多个三相全控逆变单元并联连接构成；所述的电机励磁单元由至少一个降压斩波单元或多个降压斩波单元并联构成。
2.根据权利要求1所述之同步发电机用大功率等级的全功率风电并网变流器，其特征在于风力机、同步发电机连接三相滤波电容单元，三相滤波电容单元连接整流单元，整流单元连接升压斩波单元，升压斩波单元同时连接逆变单元和电机励磁单元，其中逆变单元连接三相滤波电容单元，三相滤波电容单元连接并网变压器，并网变压器连接工频电网；电机励磁单元连接到同步发电机的转子端进行励磁。
3.根据权利要求1或2所述之同步发电机用大功率等级的全功率风电并网变流器，其特征在于先将六个二极管两两一组，然后将每组中的两个器件首尾相连成一相桥臂，最后将三相桥臂并联组成整流单元；组成中有多个整流单元，把多个桥臂的两端并联。
4.根据权利要求1或2所述之同步发电机用大功率等级的全功率风电并网变流器，其特征在于升压斩波单元为：将电感和二极管串联，然后在其节点处并联一功率开关器件，最后在支路末端并联一电容器；升压斩波单元由多个升压斩波单元构成，将每个升压斩波器串联。
5.根据权利要求1或2所述之同步发电机用大功率等级的全功率风电并网变流器，其特征在于逆变单元：将六只功率开关器件两两一组，然后将每组中的两个器件首尾相连组成一相桥臂，进而将三相桥臂并联组成三相逆变单元，最后二极管并联在每个功率开关器件上。
6.根据权利要求1或2所述之同步发电机用大功率等级的全功率风电并网变流器，其特征在于电机励磁单元为：将功率开关器件和电感元件串联，然后在其节点处并联一二极管；电机励磁单元由多个电机励磁单元构成，将每个电机励磁单元并联。
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