CN102496957B - 一种复合式全功率风电变流器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合式全功率风电变流器，属于风力发电技术领域。包括机侧变流器、网侧变流器和直流侧滤波电容，机侧变流器由两象限三电平Vienna整流器构成，Vienna整流器的交流输入端与风力发电机连接，电压型二极管中点箝位式三电平变流器的交流侧与电网连接，Vienna整流器包括三相桥臂，每相桥臂包括四个功率二极管和两个可控开关的功率器件。与现有技术相比，本发明优化了系统结构，降低了成本，便于系统维护，提高了系统可靠性，有效实现电励磁同步发电机、永磁同步发电机和鼠笼式异步发电机的变速恒频控制，提供优质电能，提高了电网系统可靠性和稳定性。

Description

一种复合式全功率风电变流器
技术领域
本发明涉及一种风电变流器，具体是一种复合式全功率风电变流器，属于全功率风力发电系统技术领域。
背景技术
在全球能源问题日益突出的今天，风能作为一种可再生、无污染而且储量巨大的能源受到人类的高度重视，各国政府更是将这种相对于火力发电最具有竞争力的风力发电作为促进电力结构多样化及环境与生态改善的重要途径。 
目前，风电机组大致可分为双馈式和全功率，全功率风电系统是将风能转变成电能的一种重要形式，其简单、高效、易于实现低电压穿越的特性在风电领域深受青睐，成为了主要的风力发电解决方案。全功率风电系统通过发电机将风力机获取的风能转化为电能，发电机定子输出经全功率变流器将时变的交流电能变成幅值与频率恒定的交流电能。  
现在主流的风电机组多为660V或690V的低压系统，对于大功率的并网变流器，由于受到功率器件电流等级的限制，一般采用变流器并联或者功率器件并联的方式提高变流器的容量，从而使得风电机组的全功率变流器的设计和控制变得复杂。与此同时，国内外主流的风电机组单机容量已经大于2MW，现有5MW全功率变流器多采用背靠背的双三电平四象限运行的变流器方案，但是背靠背的双三电平结构的变流器，对于无需能量双向流动的全功率风力发电系统，不免显得浪费了资源。随着风电机组单机容量的增长与风电机组成本的降低，势必对全功率变流器提出了新的挑战，现有全功率变流器的技术方案已经不能适应新的要求。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种复合式全功率风电变流器，适合在全功率风力发电系统中使用，特别是电励磁同步发电机风力发电系统、永磁直驱式风力发电系统、鼠笼式异步发电机风力发电系统。
为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：一种复合式全功率风电变流器，包括机侧变流器、网侧变流器和直流侧滤波电容，机侧变流器由两象限三电平Vienna整流器构成，网侧变流器由采用可控开关的功率器件的电压型二极管中点箝位式（NPC）三电平变流器构成，Vienna整流器的交流输入端与风力发电机连接，其直流输出端经直流侧滤波电容与电压型二极管中点箝位式三电平变流器的直流母线侧连接，电压型二极管中点箝位式三电平变流器的交流侧与电网连接。
Vienna整流器包括三相桥臂，每相桥臂包括四个功率二极管和两个可控开关的功率器件，两个功率二极管串联构成箝位电路，与串联的两个可控开关的功率器件并联，并联形成的拓扑结构两端分别与两个功率二极管串联构成Vienna整流器的单相桥臂拓扑结构。
电压型二极管中点箝位式三电平变流器包含三相桥臂，每相桥臂包括四个可控开关的功率器件、两个箝位二极管和四个续流二极管，续流二极管和功率器件反向并联连接，两个功率二极管串联构成箝位电路，与串联的两个可控开关的功率器件并联，并联形成的拓扑结构两端分别与两个功率器件串联构成电压型二极管中点箝位式三电平变流器的单相桥臂拓扑结构。
直流侧滤波电容为两个相同的电容串联构成。
为实现机侧变流器的控制目标，采取电流矢量解耦控制，独立控制风力发电机的输出电流的有功和无功分量；采用速度外环、电流内环的双闭环控制，实现风力发电机的转速跟踪最优的转速。网侧变流器将直流母线电压和电网电压作为其控制对象，控制直流母线电压稳定，同时将直流母线上的直流电能转化为与电网电压和频率一致的交流电能。
与现有技术相比，本发明优化了系统结构，降低了成本，便于系统维护，提高了系统可靠性，有效实现电励磁同步发电机、永磁同步发电机和鼠笼式异步发电机的变速恒频控制，提供优质电能，提高了电网系统可靠性和稳定性。
附图说明
图1是复合式全功率风电变流器原理图；
图2是Vienna整流器拓扑结构图；
图3是电压型二极管中点箝位式三电平变流器拓扑结构图；
图4是全功率风力发电系统原理图，其中：
(a)为电励磁同步发电机风力发电系统，
(b)为永磁直驱式发电机风力发电系统，
(c)为鼠笼式异步发电机风力发电系统。
图中：1、机侧变流器，2、网侧变流器，3、风力发电机，3-1、电励磁同步发电机，3-2、永磁直驱式发电机，3-3、鼠笼式异步发电机，4、电网，5、直流励磁，6、Vienna整流器，7、电压型二极管中点箝位式三电平变流器，C1～C2、直流侧滤波电容， Da1～Da4 、Db1～Db4、Dc1～Dc4、功率二极管， Sa1～Sa2、 Sb1～Sb2、 Sc1～Sc2、可控开关的功率器件， D1a～D2a、D1b～D2b、D1c～D2c、箝位二极管， S1a～S4a、S1b～S4b、S1c～S4c、可控开关的功率器件， D3a～D6a、D3b～D6b、D3c～D6c、续流二极管。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，一种复合式全功率风电变流器，包括机侧变流器1、网侧变流器2、风力发电机3、电网4和直流侧滤波电容C1、C2，机侧变流器1由两象限三电平Vienna整流器6构成，网侧变流器2由采用可控开关的功率器件的电压型二极管中点箝位式三电平变流器7构成，Vienna整流器6的交流输入端与风力发电机3连接，其直流输出端经直流侧滤波电容C1、C2与电压型二极管中点箝位式三电平变流器7的直流母线侧连接，电压型二极管中点箝位式三电平变流器7的交流侧与电网4连接。
Vienna整流器6包括三相桥臂，每相桥臂包括四个功率二极管和两个可控开关的功率器件，两个功率二极管串联构成箝位电路，与串联的两个可控开关的功率器件并联，并联形成的拓扑结构两端分别与两个功率二极管串联构成Vienna整流器6的单相桥臂拓扑结构。
电压型二极管中点箝位式三电平变流器7包含三相桥臂，每相桥臂包括四个可控开关的功率器件、两个箝位二极管和四个续流二极管，续流二极管和功率器件反向并联连接，两个功率二极管串联构成箝位电路，与串联的两个可控开关的功率器件并联，并联形成的拓扑结构两端分别与两个功率器件串联构成电压型二极管中点箝位式三电平变流器7的单相桥臂拓扑结构。
直流侧滤波电容C1、C2为两个相同的电容串联构成。
如图2所示，对于无需能量双向流动的全功率风力发电系统，采用Vienna整流器6作为机侧变流器1足以胜任。Vienna整流器6主要由功率二极管Da1～Da4、Db1～Db4、Dc1～Dc4，可控开关的功率器件Sa1～Sa2、Sb1～Sb2、Sc1～Sc2（含续流二极管，本发明采用IGBT但不限于IGBT）和直流侧滤波电容C1、C2组成。Vienna整流器6由于直流电压母线中点的存在，每个功率器件所承受的电压仅为直流母线电压的一半，其所需要的功率器件仅为四象限运行三电平结构的一半，此外，当功率器件开通时，连接于直流母线的二极管可以阻断直通电流，从而提高了整流器的可靠性。
如图3所示，电压型二极管中点箝位式三电平变流器7与电网4连接，实现风力发电机3的并网控制。二极管中点箝位式(NPC)三电平变流器7主要包括：箝位二极管D1a～D2a、D1b～D2b、D1c～D2c，可控开关的功率器件S1a～S4a、S1b～S4b、S1c～S4c（本发明采用IGBT但不限于IGBT），续流二极管D3a～D6a、D3b～D6b、D3c～D6c和直流侧滤波电容C1、C2组成。续流二极管D3a～D6a、D3b～D6b、D3c～D6c和功率器件S1a～S4a、S1b～S4b、S1c～S4c反向并联，箝位二极管D1a～D2a、D1b～D2b、D1c～D2c的作用是在可控开关的功率器件S1a～S4a、S1b～S4b、S1c～S4c导通时提供电流通道同时防止电容短路。
如图4所示，(a)为电励磁同步发电机3-1的风力发电系统图，(b)为永磁直驱式发电机3-2的风力发电系统图，(c)为鼠笼式异步发电机3-3的风力发电系统图。对机侧变流器1的控制主要为了实现两个目标：一是使电机定子端能够输出单位功率因数的电能；二是实现对电机转速的控制，进而跟踪最大风能。为实现机侧变流器1的控制目标，采取电流矢量解耦控制，独立控制风力发电机的输出电流的有功和无功分量，实现无静差控制，控制系统采用速度外环、电流内环的双闭环控制方式，从而控制风力发电机的转速跟踪最优的转速。实现并网控制时，网侧变流器2实质上是整流器工作于逆变状态，网侧变流器2将直流母线电压和电网电压作为其控制对象，主要控制直流母线电压稳定，同时将直流母线上的直流电能转化为与电网电压和频率一致的交流电能，在实现有功功率控制的同时，兼顾调节电网电压时所需要的无功功率。从而实现对电励磁同步发电机3-1、永磁同步发电机3-2和鼠笼式异步发电机3-3的变速恒频控制。

Claims (3)

1.一种复合式全功率风电变流器，包括机侧变流器（1）、网侧变流器（2）和直流侧滤波电容（C1、C2），机侧变流器（1）由两象限三电平Vienna整流器（6）构成，网侧变流器（2）由采用可控开关的功率器件的电压型二极管中点箝位式三电平变流器（7）构成，Vienna整流器（6）的交流输入端与风力发电机（3）连接，其直流输出端经直流侧滤波电容（C1、C2）与电压型二极管中点箝位式三电平变流器（7）的直流母线侧连接，电压型二极管中点箝位式三电平变流器（7）的交流侧与电网（4）连接；
其特征在于，所述的Vienna整流器（6）包括三相桥臂，每相桥臂包括四个功率二极管和两个可控开关的功率器件，两个功率二极管串联构成箝位电路，与串联的两个可控开关的功率器件并联，并联形成的拓扑结构两端分别与两个功率二极管串联构成Vienna整流器（6）的单相桥臂拓扑结构。
2.根据权利要求1所述的一种复合式全功率风电变流器，其特征在于，所述的电压型二极管中点箝位式三电平变流器（7）包含三相桥臂，每相桥臂包括四个可控开关的功率器件、两个箝位二极管和四个续流二极管，续流二极管和功率器件反向并联连接，两个功率二极管串联构成箝位电路，与串联的两个可控开关的功率器件并联，并联形成的拓扑结构两端分别与两个功率器件串联构成电压型二极管中点箝位式三电平变流器（7）的单相桥臂拓扑结构。
3.根据权利要求1所述的一种复合式全功率风电变流器，其特征在于，所述的直流侧滤波电容（C1、C2）为两个相同的电容串联构成。
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