CN102386633A - 兆瓦级直驱型鼠笼异步发电机交-直-交风力发电系统 - Google Patents

兆瓦级直驱型鼠笼异步发电机交-直-交风力发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种以中压鼠笼异步发电机作为风力发电机的兆瓦级直驱型鼠笼异步发电机交-直-交风力发电系统。包括鼠笼异步发电机、兆瓦级四象限交-直-交变流器、移相变压器，所述的变流器为多个功率单元串联组成的链式结构，变流链的另一端与鼠笼异步发电机对应的定子绕组相连；该风力发电系统采用中压鼠笼异步发电机，尺寸小、重量轻、安装方便、免维护；电压等级为中压；无需增速齿轮箱与电刷等特点，可以更大限度提高风力发电系统的容量，降低制造大容量电机的难度与成本，提高系统可靠性，便于实现低电压穿越功能。

Description

兆瓦级直驱型鼠笼异步发电机交-直-交风力发电系统
技术领域
本发明涉及风力发电系统，特别涉及一种以中压鼠笼异步发电机作为风力发电机的兆瓦级直驱型鼠笼异步发电机交-直-交风力发电系统。
背景技术
国内目前现有的风力发电系统主要采用两种风力发电技术：直驱型与双馈型。直驱型风力发电技术的风力发电机主要采用永磁同步发电机，其主要缺点在于：永磁材料价格飞涨，导致制造永磁同步发电机的成本大幅度上升，严重影响风电场建设成本与风力发电方式的竞争力；双馈型风力发电技术采用线绕转子异步发电机，虽然其成本低、重量轻，但由于存在增速齿轮箱，且电机本身带有电刷，导致系统运行的可靠性低，特别是长期以来难以解决由于电网电压偶尔跌落而使风力发电系统无法正常运行的问题，使风力发电系统难以实现低电压穿越功能。
为了解决永磁同步发电机成本高的问题，有人提出采用电励磁同步发电机替代永磁同步发电机的设想。然而在相同功率等级下，电励磁同步发电机要远比永磁同步电机重量重很多，给风力发电系统新增许多结构、机械承受力方面的问题；而且由于有刷式电励磁同步发电机带有电刷，影响了风力发电系统运行的可靠性，而无刷式电励磁同步发电机长度更长、重量更重，导致结构与机械承受力方面的问题更加突出。
发明内容
本发明的目的是提供一种兆瓦级直驱型鼠笼异步发电机交-直-交风力发电系统，该风力发电系统采用中压鼠笼异步发电机，尺寸小、重量轻、安装方便、免维护；电压等级为中压；无需增速齿轮箱与电刷等特点，可以更大限度提高风力发电系统的容量，降低制造大容量电机的难度与成本，提高系统可靠性，便于实现低电压穿越功能。
本发明采用基于全控型功率开关器件的功率单元串联技术，使电压等级升高至中压，系统承受电流等级大大降低，当电网出现瞬时电压跌落故障时，可提供更高的对电网的支撑能力，提高了风力发电系统的运行的安全性与可靠性；同时多功率单元串联的方式还可以实现多电平输出，提高输出电能质量，减少了风力发电系统对电网的污染；此外，该风力发电系统的交-直-交型变流器兼有动态无功发生器的功能，可以对电网的无功进行实时、有效地补偿。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
兆瓦级直驱型鼠笼异步发电机交-直-交风力发电系统，包括鼠笼异步发电机、兆瓦级四象限交-直-交变流器、移相变压器，所述的兆瓦级四象限交-直-交变流器为多个功率单元串联组成的链式结构，每相为一条变流链；三个变流链的一端连接在一起形成该三相的星形中性点，三个变流链的另一端与鼠笼异步发电机对应的定子绕组相连；鼠笼异步发电机发出的三相交流电，经每相变流链中的功率单元整流模块整流转换成直流电，再经该功率单元的逆变模块将直流电转换成交流电，每个变流链中各功率单元的三相交流输出端再连接至移相变压器对应相的副边绕组；通过移相变压器的铁心耦合至移相变压器的原边三相绕组，变压器的原边A、B、C三相绕组分别与电网的A、B、C三相连接，实现向电网输送中高压电能。
所述的鼠笼异步发电机的三相输出端直接与兆瓦级四象限交-直-交变流器对应相变流链功率单元整流模块相连接，机械传动无需增速齿轮箱。
所述的鼠笼异步发电机采用中压鼠笼异步发电机。
所述变流链的功率单元由H桥整流模块、直流支撑电容、斩波制动模块和三相逆变模块由输入侧至输出侧依次连接组成，每个变流链中n个H桥整流模块相连接构成链式结构，三个变流链的一端连接在一起形成该三相的星形中性点，三个变流链的另一端与鼠笼异步发电机对应的定子绕组相连；每条链中每个功率单元的逆变模块三相交流输出端连接至移相变压器对应相的副边绕组，向电网输送中高压电能。
该风力发电系统除适用于三相鼠笼异步发电机外，还可与多相鼠笼异步发电机配套使用，如多相鼠笼异步发电机具有M套三相定子绕组，则所述兆瓦级四象限交-直-交变流器具有3M条变流链，与每套定子绕组相连的三个变流链的一端连接在一起，每条变流链另一端连接至多相鼠笼异步发电机每套定子绕组中的一相。
所述的风力发电系统还可兼作动态无功发生器，实现对电网的无功进行实时补偿。
与现有风力发电技术相比，本发明在以下诸方面具有显著优势：
1)与永磁同步发电机相比，制造鼠笼异步发电机的成本远比制造永磁同步发电机的成本低很多，使建设风电场更具经济效益。
2)与有刷电励磁同步发电机和无刷电励磁同步发电机相比，鼠笼异步发电机体积小、重量轻、安装方便、免维护、成本低、可靠性高，可减少发电系统新增许多结构、机械承受力方面的问题。
3)与应用双馈线绕异步发电机相比，直驱型中压鼠笼异步发电机交-直-交风力发电系统采用无增速齿轮箱设计，没有齿轮箱漏油、渗油和齿轮齿断裂问题，可靠性极高、而且便于实现低电压穿越功能。
4)采用三相或多相中压的鼠笼异步发电机，同样功率条件下，系统承受电流等级降低，可以更大限度地提高风力发电系统的容量，降低制造大容量电机的难度与成本。
5)兆瓦级直驱式交-直-交型变流器采用多功率单元串联的方式实现多电平输出，大大提高了输出电能质量，减少风力发电系统对电网的污染。
6)兆瓦级直驱式交-直-交型变流器的变流链结构便于高电压等级的输出。
7)兆瓦级直驱式交-直-交型变流器可兼作动态无功发生器，对电网提供支撑和补偿。
附图说明
图1是兆瓦级直驱型鼠笼异步发电机交-直-交风力发电系统电气连接示意图；
图2是兆瓦级直驱型交-直-交变流器基本功率单元电气结构示意图；
图3是H桥整流模块示意图；
图4是功率单元H桥整流模块串联方式示意图；
图5是与多相鼠笼异步发电机配套使用连接方式示意图；
图6是A、B、C三相电网侧逆变模块控制框图；
图7是中压鼠笼异步发电机侧控制框图。
具体实施方式
兆瓦级直驱型鼠笼异步发电机交-直-交风力发电系统，包括中压鼠笼异步发电机、兆瓦级四象限交-直-交变流器、移相变压器，机械传动部分采用无增速齿轮箱设计。
见图1，兆瓦级四象限交-直-交变流器为多个功率单元串联组成的链式结构，每相为一个变流链；三个变流链的一端连接在一起形成该三相的星形中性点，三个变流链的另一端与鼠笼异步发电机对应的定子绕组相连；鼠笼异步发电机发出三相交流电，经每相变流链中的功率单元整流模块整流转换成直流电，再经该功率单元的逆变模块将直流电转换成交流电，每个变流链中各功率单元的三相交流输出端再连接至移相变压器对应相的副边绕组；通过移相变压器的铁心耦合至移相变压器的原边三相绕组，变压器的原边A、B、C三相绕组分别与电网的A、B、C三相连接，实现向电网输送中高压电能。
鼠笼异步发电机输出电压等级决定了每相所串联的功率单元的数量，每相由n个功率单元组成，因此兆瓦级直驱型交-直-交变流器共包括3n个功率单元。与三相中压鼠笼异步发电机配套的四象限交-直-交变流器共需三个变流链，三个变流链的一端连接在一起形成该三相的星形中性点，三个变流链的另一端通过滤波电抗器(如果发电机的定子漏抗较大且du/dt耐受能力强，滤波电抗器可不必采用)与中压鼠笼异步发电机对应的定子绕组相连。
见图2，与中压鼠笼式异步发电机配套使用的兆瓦级直驱式交-直-交型变流器，包括若干功率单元，每个功率单元由H桥整流模块、直流支撑电容、斩波制动模块和三相逆变模块组成。H桥整流模块是由全控型功率开关器件组成双半桥结构，每个半桥上包含两个全控功率开关器件，每个半桥上两个全控功率开关器件的连接点作为H桥整流模块的两个输入端之一，其中全控功率开关器件均并联续流二极管；斩波制动模块由一个全控功率开关器件和一个制动电阻串联组成，其中全控功率开关器件与制动电阻均并联续流二极管；三相逆变模块是由全控功率开关器件组成三半桥结构，每个半桥上包含两个全控功率开关器件，每个半桥上两个全控功率开关器件的连接点作为三相逆变模块的三个交流输出端之一，其中全控功率开关器件均并联续流二极管。每个H桥整流模块的两个直流输出端与直流支撑电容的两极分别相连；然后连接由全控功率开关器件与制动电阻串联的制动模块，再连接三相逆变模块的直流端，最后三相逆变模块的三相交流输出端连接三相滤波电抗器。
见图3，整流模块采用H桥结构，每个半桥上两个全控功率开关器件的连接点作为H桥电路的两个输入端之一，分别定义为输入端1与输入端2。
见图4，n个H桥整流模块的两个输入端1和2依次交替连接，构成一个变流链，作为三相中的一相。与三相中压鼠笼异步发电机配套的四象限交-直-交变流器共需三个变流链，三个变流链的一端连接在一起形成该三相的星形中性点，三个变流链的另一端通过滤波电抗器(如果发电机的定子漏抗较大且du/dt耐受能力强，滤波电抗器可不必采用)与中压鼠笼异步发电机对应的定子绕组相连。
见图5，兆瓦级四象限交-直-交变流器与多相鼠笼异步发电机配套使用。如应用具有M套三相定子绕组的中压鼠笼异步发电机时，则与之配套的兆瓦级四象限交-直-交变流器共需3M个变流链，每三个变流链的一端连接在一起形成一个三相的星形中性点，每三个变流链的另一端通过滤波电抗器(如果发电机的定子漏抗较大且du/dt耐受能力强，滤波电抗器可不必采用)与发电机对应的定子绕组相连。
见图6，电网侧逆变模块的控制采用电流为内环、电压环为外环的双闭环结构，电压环(外环)以维持单元直流电压恒定为控制目标。电流环(内环)以快速跟随电流给定，实现逆变电流正弦化、功率因数角可调为控制目标。
电网侧三相逆变电流iga、igb、igc经Clarke变换和Park变换，得到解耦的有功电流igq和无功电流igd。有功电流igq与电压环输出的有功电流给定igq*比较，经有功电流调节器PI处理后输出ugq，无功电流igd与系统设定的无功电流给定igd*比较，经无功电流调节器PI处理后输出ugd。表征有功电流的ugq和表征无功电流的ugd，经Park逆变换生成两相静止坐标系下的调制电压ugα和ugβ，再经SVPWM生成逆变模块上相应全控功率开关器件的PWM驱动信号PWMg1～PWMgn。
电压环输出的有功电流给定igq*是电压闭环负反馈的输出，总是使电流内环向电压给定量方向跟随调节。无功电流给定igd*是根据系统需要的可设定量，用以调节向电网侧逆变的无功含量。Park逆变换生成的是正弦的调制信号，因此，电压外环能保证电压恒定，电流内环能实现逆变电流正弦化与逆变无功分量的人为调节。
见图7，发电机侧整流器主要完成的是快速跟随风力发电主控系统的功率或电流给定，实现整流电流正弦化、整流功率因数角可调。发电机侧三相整流电流ima、imb、imc经Clarke变换和Park变换，得到有功、无功解耦的电流imq和imd。有功电流imq与来自主控系统的有功电流给定imq*比较，经有功电流调节器PI处理后输出umq，无功电流imq与系统设定的无功电流给定imd*比较，经无功电流调节器PI处理后输出umd。表征有功电流的umq和表征无功电流的umd，经Park逆变换生成两相静止坐标系下的调制电压umα和umβ，再经调制波发生器生成发电机侧ABC三相调制电压uma、umb、umc，三相调制电压uma、umb、umc与各自的移相载波比较，生成机侧各相各整流模块相应IGBT的PWM驱动信号，A相是PWMma1～PWMman，B相是PWMmb1～PWMmbn，C相是PWMmc1～PWMmcn。无功电流给定imd*是根据系统需要的可设定量，用以调节机侧整流的功率因数角。Park逆变换生成的是正弦的调制信号，电流环能实现机侧整流电流正弦化与机侧整流功率因数角的人为调节。
桨叶直接驱动中压鼠笼异步发电机转动，当交-直-交型变流器的电机侧产生的基波频率低于中压鼠笼异步发电机当前转速所对应的电频率时(即发电机的转差频率为负)，鼠笼异步发电机工作在发电状态，通过控制发电机的转差和定子电压可以控制发电机的输出功率；鼠笼异步发电机发出的交流电分别由各H桥整流模块转换成为H桥整流模块各自的直流电；H桥整流模块各自的直流电通过各自的三相逆变模块转化成为三相工频交流电施加在移相变压器相应的副边绕组上，从而通过移相变压器的铁心耦合至移相变压器的原边三相绕组，变压器的原边A、B、C三相绕组分别与电网的A、B、C三相连接，实现向电网输送电能。当因任何原因(譬如风力过大)导致某个或某些功率单元的直流支撑电容的电压超过规定的阈值时，斩波制动模块中的全控功率开关器件自动导通，通过制动电阻消耗过剩的能量，使直流支撑电容的电压被限制在不超过规定的阈值。
由于兆瓦级直驱式交-直-交型变流器采用H桥串联技术和多副边绕组移相变压器隔离技术，使风力发电系统可以采用各种电压等级的中压甚至高压的鼠笼异步发电机成为可能。由于采用中压甚至高压的三相或多相鼠笼异步发电机，以及与之配套的交-直-交型变流器，使实现更大功率的风力发电系统成为可能；由于交-直-交型变流器与风力发电机功率相当、斩波制动模块的采用、风力发电机与电网之间没有直接的耦合关系，使该风力发电系统实现低电压穿越功能更为容易；由于交-直-交型变流器的三相逆变模块与直流支撑电容结构构成了动态无功发生器主电路拓扑的关键要素，因此该风力发电系统还可兼作动态无功发生器，可以对电网的无功进行实时、有效地补偿。

Claims (6)

1.兆瓦级直驱型鼠笼异步发电机交-直-交风力发电系统，其特征在于，包括鼠笼异步发电机、兆瓦级四象限交-直-交变流器、移相变压器，所述的兆瓦级四象限交-直-交变流器为多个功率单元串联组成的链式结构，每相为一个变流链；三个变流链的一端连接在一起形成该三相的星形中性点，三个变流链的另一端与鼠笼异步发电机对应的定子绕组相连；鼠笼异步发电机发出的三相交流电，经每相变流链中的功率单元整流模块整流转换成直流电，再经该功率单元的逆变模块将直流电转换成交流电，每个变流链中各功率单元的三相交流输出端再连接至移相变压器对应相的副边绕组；通过移相变压器的铁心耦合至移相变压器的原边三相绕组，变压器的原边A、B、C三相绕组分别与电网的A、B、C三相连接，实现向电网输送中高压电能。
2.根据权利要求1所述的兆瓦级直驱型鼠笼异步发电机交-直-交风力发电系统，其特征在于，所述的鼠笼异步发电机的三相输出端直接与兆瓦级四象限交-直-交变流器对应相变流链功率单元整流模块相连接，机械传动无需增速齿轮箱。
3.根据权利要求1所述的兆瓦级直驱型鼠笼异步发电机交-直-交风力发电系统，其特征在于，所述的鼠笼异步发电机采用中压鼠笼异步发电机。
4.根据权利要求1所述的兆瓦级直驱型鼠笼异步发电机交-直-交风力发电系统，其特征在于，所述变流链的功率单元由H桥整流模块、直流支撑电容、斩波制动模块和三相逆变模块由输入侧至输出侧依次连接组成，每个变流链中n个H桥整流模块相连接构成链式结构，三个变流链的一端连接在一起形成该三相的星形中性点，三个变流链的另一端与鼠笼异步发电机对应的定子绕组相连；每条链中每个功率单元的逆变模块三相交流输出端连接至移相变压器对应相的副边绕组，向电网输送中高压电能。
5.根据权利要求1所述的兆瓦级直驱型鼠笼异步发电机交-直-交风力发电系统，其特征在于，该风力发电系统除适用于三相鼠笼异步发电机外，还可与多相鼠笼异步发电机配套使用，如多相鼠笼异步发电机具有M套三相定子绕组，则所述兆瓦级四象限交-直-交变流器具有3M条变流链，与每套定子绕组相连的三个变流链的一端连接在一起，每条变流链另一端连接至多相鼠笼异步发电机每套定子绕组中的一相。
6.根据权利要求1所述的兆瓦级直驱型鼠笼异步发电机交-直-交风力发电系统，其特征在于，所述的兆瓦级四象限交-直-交变流器还可兼作动态无功发生器，实现对电网的无功进行实时补偿。
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