CN102684509A - 大功率三相三重直流斩波装置 - Google Patents

大功率三相三重直流斩波装置 Download PDF

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孙建平
张雅琨
寇金华
李康乐
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Abstract

本发明涉及风力发电变流技术，具体是一种大功率三相三重直流斩波装置。本发明解决了现有风力发电变流装置设备成本较高、控制较复杂、维修成本较高的问题。大功率三相三重直流斩波装置包括电机侧变流装置、电网侧变流装置、以及斩波控制装置；所述电机侧变流装置包括三相不控整流电路和三重升压斩波电路；所述电网侧变流装置包括三相PWM逆变电路；三相不控整流电路的正输出端与三重升压斩波电路的正输入端连接。本发明基于全新的结构，有效解决了现有风力发电变流装置设备成本较高、控制较复杂、维修成本较高的问题，适用于风力发电变流，尤其适用于低风速区直驱型风力发电变流。

Description

大功率三相三重直流斩波装置
技术领域
本发明涉及风力发电变流技术，具体是一种大功率三相三重直流斩波装置。
背景技术
风力发电作为一种新型的、清洁的可再生能源，近年来在国内外发展迅猛。为了实现风电并网，需要在风力发电机组与电网之间连接风力发电变流装置。现有风力发电变流装置通常包括由三相PWM整流电路构成的电机侧变流装置和由三相PWM逆变电路构成的电网侧变流装置。其中，三相PWM整流电路用于将风力发电机组输出的幅值变化、频率变化的交流电压整流成直流电压，三相PWM逆变电路用于将直流电压逆变为幅值稳定、频率稳定的交流电压，并与电网连接，输出功率。如图1所示，所述三相PWM整流电路包括由第十七-第二十IGBTM17-M20构成的第一整流桥、由第二十一-第二十四IGBTM21-M24构成的第二整流桥、以及由第二十五-第二十八IGBTM25-M28构成的第三整流桥。所述三相PWM逆变电路包括由第四-第七IGBTM4-M7构成的第一逆变桥、由第八-第十一IGBTM8-M11构成的第二逆变桥、由第十二-第十五IGBTM12-M15构成的第三逆变桥。工作时，三相PWM整流电路的三相输入端连接风力发电机组，三相PWM逆变电路的三相输出端连接电网。通过PWM控制三相PWM整流电路中各个IGBT的电流，达到间接控制直流电压的目的。通过PWM控制三相PWM逆变电路中各个IGBT的电流，达到间接控制交流电压的目的。但由于三相PWM整流电路和三相PWM逆变电路均需采用大功率PWM控制方式，导致现有风力发电变流装置存在设备成本较高、控制较复杂、维修成本较高的问题。为此有必要发明一种全新的风力发电变流装置，以解决现有风力发电变流装置存在的上述问题。
发明内容
本发明为了解决现有风力发电变流装置设备成本较高、控制较复杂、维修成本较高的问题，提供了一种大功率三相三重直流斩波装置。
本发明是采用如下技术方案实现的：大功率三相三重直流斩波装置，包括电机侧变流装置、电网侧变流装置、以及斩波控制装置；所述电机侧变流装置包括三相不控整流电路和三重升压斩波电路；所述电网侧变流装置包括三相PWM逆变电路；三相不控整流电路的正输出端与三重升压斩波电路的正输入端连接；三相不控整流电路的负输出端与三重升压斩波电路的负输入端连接；三重升压斩波电路的正输出端与三相PWM逆变电路的正输入端连接；三重升压斩波电路的负输出端与三相PWM逆变电路的负输入端连接；三重升压斩波电路的控制端、三相PWM逆变电路的控制端均与斩波控制装置的输出端连接。
工作时，三相不控整流电路的三相输入端连接风力发电机组，三相PWM逆变电路的三相输出端连接电网。三相不控整流电路用于将风力发电机组输出的交流电压整流成直流电压。通过斩波控制装置调节三重升压斩波电路的斩波脉宽比，实现直流电压的稳定。具体而言，当风速较低时，风力发电机组的输出电压较低，此时通过增大三重升压斩波电路的斩波脉宽比，将直流电压稳定在规定电压值。当风速较高时，风力发电机组的输出电压较高，此时通过减小三重升压斩波电路的斩波脉宽比，将直流电压稳定在规定电压值。通过斩波控制装置控制三相PWM逆变电路，将稳定的直流电压逆变为幅值稳定、频率稳定的交流电压，并与电网连接，输出功率。基于上述过程，与现有风力发电变流装置相比，本发明所述的大功率三相三重直流斩波装置采用三相不控整流电路和三重升压斩波电路替代原有的三相PWM整流电路作为电机侧变流装置，大幅减少了电机侧变流装置中的IGBT数量，由此不仅降低了设备成本和维修成本，提高了可靠性，而且简化了控制，使控制变得更加简单。
本发明基于全新的结构，有效解决了现有风力发电变流装置设备成本较高、控制较复杂、维修成本较高的问题，适用于风力发电变流，尤其适用于低风速区直驱型风力发电变流。
附图说明
图1是现有风力发电变流装置的结构示意图。
图2是本发明的电机侧变流装置和电网侧变流装置的结构示意图。
图3是本发明的斩波控制装置的结构示意图。
图4是本发明的第一斩波控制芯片输出的三相斩波PWM控制信号的波形示意图。
具体实施方式
大功率三相三重直流斩波装置，包括电机侧变流装置、电网侧变流装置、以及斩波控制装置；所述电机侧变流装置包括三相不控整流电路和三重升压斩波电路；所述电网侧变流装置包括三相PWM逆变电路；三相不控整流电路的正输出端与三重升压斩波电路的正输入端连接；三相不控整流电路的负输出端与三重升压斩波电路的负输入端连接；三重升压斩波电路的正输出端与三相PWM逆变电路的正输入端连接；三重升压斩波电路的负输出端与三相PWM逆变电路的负输入端连接；三重升压斩波电路的控制端、三相PWM逆变电路的控制端均与斩波控制装置的输出端连接；
所述三相不控整流电路包括由第一-第四二极管D1-D4构成的第一整流桥、由第五-第八二极管D5-D8构成的第二整流桥、以及由第九-第十二二极管D9-D12构成的第三整流桥；第一整流桥的正输出端、第二整流桥的正输出端、第三整流桥的正输出端并接构成三相不控整流电路的正输出端；第一整流桥的负输出端、第二整流桥的负输出端、第三整流桥的负输出端并接构成三相不控整流电路的负输出端；
所述三重升压斩波电路包括第一-第三IGBTM1-M3、第一-第三电感L1-L3、第十三-第十五二极管D13-D15；第一-第三电感L1-L3的一端并接构成三重升压斩波电路的正输入端；第一电感L1的另一端、第一IGBTM1的集电极均与第十三二极管D13的正极连接；第二电感L2的另一端、第二IGBTM2的集电极均与第十四二极管D14的正极连接；第三电感L3的另一端、第三IGBTM3的集电极均与第十五二极管D15的正极连接；第十三-第十五二极管D13-D15的负极并接构成三重升压斩波电路的正输出端；第一-第三IGBTM1-M3的发射极并接构成三重升压斩波电路的负输入端；第一-第三IGBTM1-M3的发射极并接构成三重升压斩波电路的负输出端；第一-第三IGBTM1-M3的栅极共同构成三重升压斩波电路的控制端；
所述三相PWM逆变电路包括由第四-第七IGBTM4-M7构成的第一逆变桥、由第八-第十一IGBTM8-M11构成的第二逆变桥、由第十二-第十五IGBTM12-M15构成的第三逆变桥；第一逆变桥的正输入端、第二逆变桥的正输入端、第三逆变桥的正输入端并接构成三相PWM逆变电路的正输入端；第一逆变桥的负输入端、第二逆变桥的负输入端、第三逆变桥的负输入端并接构成三相PWM逆变电路的负输入端；第四-第十五IGBTM4-M15的栅极共同构成三相PWM逆变电路的控制端；
所述斩波控制装置包括第一斩波控制芯片N1、第二斩波控制芯片N2、双口RAM芯片N3、以及CPLD芯片N4；第一斩波控制芯片N1的地址总线与双口RAM芯片N3的右端地址总线连接；第一斩波控制芯片N1的数据总线与双口RAM芯片N3的右端数据总线连接；第二斩波控制芯片N2的地址总线与双口RAM芯片N3的左端地址总线连接；第二斩波控制芯片N2的数据总线与双口RAM芯片N3的左端数据总线连接；第一斩波控制芯片N1的控制总线与CPLD芯片N4的右端控制总线连接；第二斩波控制芯片N2的控制总线与CPLD芯片N4的左端控制总线连接；第一斩波控制芯片N1的输出端构成斩波控制装置的输出端；工作时，第一斩波控制芯片用于逻辑控制和网络接口，第二斩波控制芯片用于复杂数学运算；第一斩波控制芯片和第二斩波控制芯片之间通过双口RAM芯片交换数据；CPLD芯片用于实现第一斩波控制芯片、第二斩波控制芯片、双口RAM芯片之间的时序管理和片选逻辑；如图4所示，第一斩波控制芯片输出相间互差120°的三相斩波PWM控制信号，实现对三重升压斩波电路和三相PWM逆变电路的控制；
还包括第十六二极管D16、第十六IGBTM16、电阻R、第四-第五电容C4-C5；第十六二极管D16的负极与三重升压斩波电路的正输出端连接；第十六IGBT M16的发射极与三重升压斩波电路的负输出端连接；第十六二极管D16的正极与第十六IGBTM16的集电极连接；电阻R并接于第十六二极管D16的正、负极之间；第五电容C5并接于三重升压斩波电路的正、负输入端之间；第四电容C4并接于三重升压斩波电路的正、负输出端之间；
具体实施时，如图2所示，三相不控整流电路的三相输入端连接风力发电机组G，三相PWM逆变电路的三相输出端通过第一-第三电容C1-C3连接电网T。如图3所示，第一斩波控制芯片采用外围功能强大的TMS320LF2407A型控制芯片。第二斩波控制芯片采用可进行浮点运算的TMS320VC33型控制芯片。双口RAM芯片采用IDT70V24S25PF型双口RAM芯片。CPLD芯片采用EPM7064AETC100-10CPLD型CPLD芯片。

Claims (6)

1.一种大功率三相三重直流斩波装置，其特征在于：包括电机侧变流装置、电网侧变流装置、以及斩波控制装置；所述电机侧变流装置包括三相不控整流电路和三重升压斩波电路；所述电网侧变流装置包括三相PWM逆变电路；三相不控整流电路的正输出端与三重升压斩波电路的正输入端连接；三相不控整流电路的负输出端与三重升压斩波电路的负输入端连接；三重升压斩波电路的正输出端与三相PWM逆变电路的正输入端连接；三重升压斩波电路的负输出端与三相PWM逆变电路的负输入端连接；三重升压斩波电路的控制端、三相PWM逆变电路的控制端均与斩波控制装置的输出端连接。
2.根据权利要求1所述的大功率三相三重直流斩波装置，其特征在于：所述三相不控整流电路包括由第一-第四二极管（D1-D4）构成的第一整流桥、由第五-第八二极管（D5-D8）构成的第二整流桥、以及由第九-第十二二极管（D9-D12）构成的第三整流桥；第一整流桥的正输出端、第二整流桥的正输出端、第三整流桥的正输出端并接构成三相不控整流电路的正输出端；第一整流桥的负输出端、第二整流桥的负输出端、第三整流桥的负输出端并接构成三相不控整流电路的负输出端。
3.根据权利要求1所述的大功率三相三重直流斩波装置，其特征在于：所述三重升压斩波电路包括第一-第三IGBT（M1-M3）、第一-第三电感（L1-L3）、第十三-第十五二极管（D13-D15）；第一-第三电感（L1-L3）的一端并接构成三重升压斩波电路的正输入端；第一电感（L1）的另一端、第一IGBT（M1）的集电极均与第十三二极管（D13）的正极连接；第二电感（L2）的另一端、第二IGBT（M2）的集电极均与第十四二极管（D14）的正极连接；第三电感（L3）的另一端、第三IGBT（M3）的集电极均与第十五二极管（D15）的正极连接；第十三-第十五二极管（D13-D15）的负极并接构成三重升压斩波电路的正输出端；第一-第三IGBT（M1-M3）的发射极并接构成三重升压斩波电路的负输入端；第一-第三IGBT（M1-M3）的发射极并接构成三重升压斩波电路的负输出端；第一-第三IGBT（M1-M3）的栅极共同构成三重升压斩波电路的控制端。
4.根据权利要求1所述的大功率三相三重直流斩波装置，其特征在于：所述三相PWM逆变电路包括由第四-第七IGBT（M4-M7）构成的第一逆变桥、由第八-第十一IGBT（M8-M11）构成的第二逆变桥、由第十二-第十五IGBT（M12-M15）构成的第三逆变桥；第一逆变桥的正输入端、第二逆变桥的正输入端、第三逆变桥的正输入端并接构成三相PWM逆变电路的正输入端；第一逆变桥的负输入端、第二逆变桥的负输入端、第三逆变桥的负输入端并接构成三相PWM逆变电路的负输入端；第四-第十五IGBT（M4-M15）的栅极共同构成三相PWM逆变电路的控制端。
5.根据权利要求1所述的大功率三相三重直流斩波装置，其特征在于：所述斩波控制装置包括第一斩波控制芯片（N1）、第二斩波控制芯片（N2）、双口RAM芯片（N3）、以及CPLD芯片（N4）；第一斩波控制芯片（N1）的地址总线与双口RAM芯片（N3）的右端地址总线连接；第一斩波控制芯片（N1）的数据总线与双口RAM芯片（N3）的右端数据总线连接；第二斩波控制芯片（N2）的地址总线与双口RAM芯片（N3）的左端地址总线连接；第二斩波控制芯片（N2）的数据总线与双口RAM芯片（N3）的左端数据总线连接；第一斩波控制芯片（N1）的控制总线与CPLD芯片（N4）的右端控制总线连接；第二斩波控制芯片（N2）的控制总线与CPLD芯片（N4）的左端控制总线连接；第一斩波控制芯片（N1）的输出端构成斩波控制装置的输出端。
6.根据权利要求1所述的大功率三相三重直流斩波装置，其特征在于：还包括第十六二极管（D16）、第十六IGBT（M16）、电阻（R）、第四-第五电容（C4-C5）；第十六二极管（D16）的负极与三重升压斩波电路的正输出端连接；第十六IGBT （M16）的发射极与三重升压斩波电路的负输出端连接；第十六二极管（D16）的正极与第十六IGBT（M16）的集电极连接；电阻（R）并接于第十六二极管（D16）的正、负极之间；第五电容（C5）并接于三重升压斩波电路的正、负输入端之间；第四电容（C4）并接于三重升压斩波电路的正、负输出端之间。
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