CN103248070B - 一种风力发电机组能量传输系统 - Google Patents

一种风力发电机组能量传输系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风力发电机组能量传输系统，包括有顺次连接的发电机、变流器、以及网侧变压器，所述变流器包括有三相整流模块、第一子变流器和第二子变流器，本案的第一子变流器与第二子变流器之间通过共地连接形成串联式级联，每个子变流器承受的电压降为原来三相整流模块输出电压的一半，从而将电压等级降低，方便选取现有的电力电子全控器件，而且，每个子变流器通过若干个升压逆变模块并联连接组成，可起并联分流作用，降低了所需电力电子功率器件的电流等级，方便选取现有的电力电子全控器件，根据风力发电机组的容量，选择数量合适的整流模块、升压逆变模块，以达到容量设计要求，其适用于单机大容量的风力发电机组。

Description

一种风力发电机组能量传输系统
[技术领域]
本发明涉及一种风力发电机组能量传输系统，属于风电技术领域。
[背景技术]
随着经济的发展能源已经成为重要的战略资源，传统的煤、石油、天然气都为不可再生能源不具备可持续利用的能力，总有枯竭的一天，在这种背景下以风能、太阳能等为代表的新能源成为了新的选择，新能源战略也被提升到了一个新的高度，其中尤以风能的开发利用得到了前所未有的发展，风力发电机组作为将风能转化为电能的执行者也经历了突飞猛进的发展，从曾经的几十千瓦机组再到兆瓦机组，单机功率越来越高。
在风力发电机中，风能是通过叶轮和叶片吸收能量并将其转变成变化的旋转的动能，旋转的动能通过发电机变成电压和频率波动的电能，变流器将变化的电能转化成电压和频率符合电网规范的电能输送到电网。在此过程中风机主控制器对整机的变桨系统、偏航系统、润滑系统等进行控制，并根据风速的变化对整机功率进行调节。
在这样的风电机组能量传输系统中，变流器的选择和设计是实现的主要难点。随着单机容量大功率化的发展，由于电力电子功率器件电压和电流等级的限制，大功率变流器通常采用多个子变流器串联或并联的方式进行扩展升容组成。大功率变流器除自身基本设计外，还需考虑其在风电机组特殊应用场合，例如其故障下的可用性，大功率变流器的可扩展性，子变流器的模块化等。
究竟以怎样的方式才能更好地设计风电机组能量传输系统中的变流器，各研发设计者仁者见仁，智者见智，设计出了各种拓扑形式的变流器。
[发明内容]
本发明针对大容量风电机组的实际应用背景的要求，提供了一种风力发电机组能量传输系统，一方面，第一子变流器与第二子变流器之间通过共地连接形成串联式级联，每个子变流器承受的电压降为原来三相整流模块输出电压的一半，从而将电压等级降低，方便选取现有的电力电子全控器件。
另一方面，每个子变流器通过若干个升压逆变模块并联连接组成，可起并联分流作用，降低了所需电力电子功率器件的电流等级，方便选取现有的电力电子全控器件，根据风力发电机组的容量，选择数量合适的整流模块、升压逆变模块，以达到容量设计要求，其适用于单机大容量的风力发电机组。
为实现上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种风力发电机组能量传输系统，包括有顺次连接的发电机1、变流器2、以及网侧变压器3，所述变流器2包括有三相整流模块21、与三相整流模块21正极输出端连接的第一子变流器22、以及与三相整流模块21负极输出端连接的第二子变流器23，所述第一子变流器22输出端和第二子变流器23输出端分别与网侧变压器3输入端连接，所述第一子变流器22由N个升压逆变模块200组成，其中N≥1，而当N≥2时，升压逆变模块200之间为并联连接结构；所述第二子变流器23的电路结构与第一子变流器22的电路结构相同，所述第一子变流器22中升压逆变模块200高电位输入端接三相整流模块21正极输出端，第二子变流器23中的升压逆变模块200低电位输入端接三相整流模块21负极输出端，第一子变流器22中升压逆变模块200低电位输入端与第二子变流器23中升压逆变模块200高电位输入端通过共地连接形成串联式级联，所述第一子变流器22中升压逆变模块200输出端、第二子变流器23中升压逆变模块200输出端分别与网侧变压器3输入端连接。
所述三相整流模块21包括有二极管三相不控整流桥211和参数相同的直流电容组C211_1、C211_2，所述二极管三相不控整流桥211输入端接发电机1输出端，所述直流电容组C211_1和C211_2串联连接后并联在二极管三相不控整流桥211正负极输出端上，直流电容组C211_1和C211_2的连接点接地。
所述升压逆变模块200包括有顺次连接的BOOST升压电路220、制动电路230、三相逆变器240和LC滤波电路250，其中，第一子变流器22中的BOOST升压电路220高电位输入端接三相整流模块21正极输出端，第二子变流器23中的BOOST升压电路220低电位输入端接三相整流模块21负极输出端，第一子变流器22中的BOOST升压电路220低电位输入端与第二子变流器23中的BOOST升压电路220高电位输入端通过共地连接形成串联式级联，所述第一子变流器22中LC滤波电路250三相输出端与网侧变压器3一副边三相绕组输入端连接，第二子变流器23中的LC滤波电路250三相输出端与网侧变压器3另一副边三相绕组输入端连接，网侧变压器3原边三相绕组输出端与电网连接。
所述网侧变压器3采用包含了两个独立中性点n1、n2的一个Dyn型分裂式变压器或两个Dyn型变压器。
所述第一子变流器22中BOOST升压电路220由电抗器R221_1、全控器件Q222_1、二极管D223_1、直流电容组C224_1和C225_1组成，所述电抗器R221_1一端作为BOOST升压电路220高电位输入端接三相整流模块21正极输出端，电抗器R221_1另一端与全控器件Q222_1集电极、二极管D223_1正极相连接，全控器件Q222_1发射极作为BOOST升压电路220低电位输入端接地，二极管D223_1负极与直流电容组C224_1一端相连接后作为BOOST升压电路220高电位输出端与制动电路230一输入端连接，直流电容组C224_1另一端与直流电容组C225_1一端相连接，其连接点N1_0接网侧变压器3对应的中性点n1，所述直流电容组C225_1另一端作为BOOST升压电路220低电位输出端与制动电路230另一输入端相连接后接地；所述第二子变流器23中BOOST升压电路220由电抗器R221_2、全控器件Q222_2、二极管D223_2、直流电容组C224_2和C225_2组成，所述全控器件Q222_2集电极作为BOOST升压电路220高电位输入端与直流电容组C224_2一端、制动电路230一输入端相连接后接地，所述电抗器R221_2一端作为BOOST升压电路220低电位输入端与三相整流模块21负极输出端连接，电抗器R221_2另一端与全控器件Q222_2发射极、二极管D223_2负极相连接，二极管D223_2正极与直流电容组C225_2一端连接后作为BOOST升压电路220低电位输出端与制动电路230另一输入端相连接，所述直流电容组C225_2另一端与直流电容组C224_2另一端相相连接，其连接点N2_0接网侧变压器3对应的中性点n2。
所述第一子变流器22中制动电路230由全控器件Q231_1和制动电阻R232_1串联组成；第二子变流器23中制动电路230由全控器件Q231_2和制动电阻R232_2串联组成。
所述第一子变流器22中LC滤波电路250包括有电抗器组R251_1和电容器组C252_1，所述电抗器组R251_1一端与对应三相逆变器240三相输出端连接，电抗器组R251_1另一端与电容器组C252_1一端、网侧变压器3一副边三相绕组输入端连接，电容器组C252_1另一端N1_1接网侧变压器3对应的中性点n1；所述第二子变流器23中LC滤波电路250包括有电抗器组R251_2和电容器组C252_2，所述电抗器组R251_2一端与对应三相逆变器240三相输出端连接，电抗器组R251_2另一端与电容器组C252_2一端、网侧变压器3另一副边三相绕组输入端连接，电容器组C252_2另一端N2_1接网侧变压器3对应的中性点n2，网侧变压器3原边三相绕组输出端接电网。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、与现有以并联方式进行扩展升容的大功率变流器相比，本案第一子变流器与第二子变流器之间通过共地连接形成串联式级联，每个子变流器承受的电压降为原来三相整流模块输出电压的一半，从而将电压等级降低，方便选取现有的电力电子全控器件。
2、每个子变流器通过若干个升压逆变模块并联连接组成，可起并联分流作用，降低了所需电力电子功率器件的电流等级，方便选取现有的电力电子全控器件，根据风力发电机组的容量，选择数量合适的整流模块、升压逆变模块，以达到容量设计要求，其适用于单机大容量的风力发电机组。
3、本案中N＝1时的基本结构和N≥2时的扩容后结构具有等效的结构特性，其结构便于对子变流器的模块化设计，从而实现变流器的冗余设计，保证单模块故障下的风电机组的可用性、易维护性。
[附图说明]
图1是本发明的结构框图。
图2是本发明的升压逆变模块结构框图。
图3是N＝1时的本发明电路图。
图4是N＝2时的本发明电路图。
图5(a)为Dyn型分裂式变压器结构示意图。
图5(b)为两个Dyn型变压器结构示意图。
图6是本发明的等效控制模型。
[具体实施方式]
以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
Dyn变压器，其高压侧绕组为三角形接线，低压侧绕组为星型接线，N标识星型绕组的中性点。
如图1-2所示，一种风力发电机组能量传输系统，包括有顺次连接的发电机1、变流器2、以及网侧变压器3，所述变流器2包括有三相整流模块21、与三相整流模块21正极输出端连接的第一子变流器22、以及与三相整流模块21负极输出端连接的第二子变流器23，所述第一子变流器22输出端和第二子变流器23输出端分别与网侧变压器3输入端连接，所述第一子变流器22由N个升压逆变模块200组成，其中N≥1，而当N≥2时，升压逆变模块200之间为并联连接结构；所述第二子变流器23的电路结构与第一子变流器22的电路结构相同，所述第一子变流器22中升压逆变模块200高电位输入端接三相整流模块21正极输出端，第二子变流器23中的升压逆变模块200低电位输入端接三相整流模块21负极输出端，第一子变流器22中升压逆变模块200低电位输入端与第二子变流器23中升压逆变模块200高电位输入端通过共地连接形成串联式级联，所述第一子变流器22中升压逆变模块200输出端、第二子变流器23中升压逆变模块200输出端分别与网侧变压器3输入端连接。
如上所述的升压逆变模块200包括有顺次连接的BOOST升压电路220、制动电路230、三相逆变器240和LC滤波电路250。
如图3所示为N＝1时的本发明电路图，其中，所述三相整流模块21由一个二极管三相不控整流桥211和参数相同的直流电容组C211_1、C211_2组成，所述二极管三相不控整流桥211输入端接发电机1输出端，所述直流电容组C211_1和C211_2串联连接后并联在二极管三相不控整流桥211正负极输出端上，直流电容组C211_1和C211_2的连接点接地。
所述第一子变流器22中BOOST升压电路220由电抗器R221_1、全控器件Q222_1、二极管D223_1、直流电容组C224_1和C225_1组成，所述电抗器R221_1一端作为BOOST升压电路220高电位输入端接三相整流模块21正极输出端，电抗器R221_1另一端与全控器件Q222_1集电极、二极管D223_1正极相连接，全控器件Q222_1发射极作为BOOST升压电路220低电位输入端接地，二极管D223_1负极与直流电容组C224_1一端相连接后作为BOOST升压电路220高电位输出端与制动电路230一输入端连接，直流电容组C224_1另一端与直流电容组C225_1一端连接，所述直流电容组C225_1另一端作为BOOST升压电路220低电位输出端与制动电路230另一输入端相连接后接地。
所述第二子变流器23中BOOST升压电路220由电抗器R221_2、全控器件Q222_2、二极管D223_2、直流电容组C224_2和C225_2组成，所述全控器件Q222_2集电极作为BOOST升压电路220高电位输入端与直流电容组C224_2一端、制动电路230一输入端相连接后接地，所述电抗器R221_2一端作为BOOST升压电路220低电位输入端与三相整流模块21负极输出端连接，电抗器R221_2另一端与全控器件Q222_2发射极、二极管D223_2负极相连接，二极管D223_2正极与直流电容组C225_2一端连接后作为BOOST升压电路220低电位输出端与制动电路230另一输入端相连接，所述直流电容组C225_2另一端与直流电容组C224_2另一端相连接。
如上所述，第一子变流器22中BOOST升压电路220低电位输入端和第二子变流器23中BOOST升压电路220高电位输入端通过共地连接形成串联式级联，每个BOOST升压电路220承受的电压降为原来三相整流模块21输出电压的一半，从而将电压等级降低，方便选取现有的电力电子全控器件。
所述第一子变流器22中制动电路230由全控器件Q231_1和制动电阻R232_1串联组成；第二子变流器23中制动电路230由全控器件Q231_2和制动电阻R232_2串联组成。
所述第一子变流器22中LC滤波电路250由电抗器组R251_1和电容器组C252_1组成；所述第二子变流器23中LC滤波电路250由电抗器组R251_2和电容器组C252_2组成.
如图4所示为N＝2时的本发明电路图，其是在图3基础上对变流器2中的第一子变流器22和第二子变流器23进行倍增升容，每个子变流器都由两个并联连接的升压逆变模块200组成，子变流器之间通过共地连接形成串联式级联，适用于单机容量越来越大的风力发电机组，其中，所述三相整流模块21采用了两个并联连接的二极管三相不控整流桥211，可适用于更大级别发电机1的三相整流。
如上所述，根据变流器2电路结构需求，当网侧变压器3采用如图5(a)所示的一个Dyn型分裂式变压器时，其原边侧接电网，两个副边绕组的三相输入端分别与各自对应的子变流器的LC滤波电路250三相输出端接连接；网侧变压器3的中性点n1与对应的第一子变流器22中BOOST升压电路220中性点N1_0、LC滤波电路250中性点N1_1连接；网侧变压器3另一个中性点n2与对应的第二子变流器23中的BOOST升压电路220中性点N2_0、LC滤波电路250中性点N2_1连接。
而当网侧变压器3采用如图5(b)所示的两个Dyn型变压器时，两个变压器的原边并联接入电网，副边绕组的三相输入端分别与对应滤波电路三相输出端连接，中性点n1和n2分别对应与第一子变流器22、第二子变流器23电路结构中的中性点连接。
如上所述，本案的工作原理与过程如下：
如图6所示，根据本案风力发电机组能量传输系统的结构，发电机1和网侧变压器3低压侧电网都可以等效为电压源，这样，对变流器2的控制主要集中于发电机侧电流和网侧电流的控制。变流器2可控部分包括BOOST升压电路220、制动电路230和三相逆变器240，如上所述，对变流器2基本结构中的第一子变流器22和第二子变流器23采用相同的控制方式，对每个升压逆变模块200中的BOOST升压电路220、制动电路230和三相逆变器240分别采用电流环控制、电压斩波控制和电流环控制方式。
其中，BOOST升压电路220采用电流控制策略，用于调节发电机1输出功率，根据变速运行风电机组的控制原理：在达到额定功率前，对发电机电磁转矩的控制目标在于最大程度获取风能；在达到额定功率后，对发电机电磁转矩的控制目标在于稳定功率输出，如此，根据当前风电机组所需功率和当前发电机输出电压，调节BOOST升压电路220上全控器件Q222_1的开关时间。
制动电路230采用电压斩波控制策略，用于实现变流器故障下的自我保护。对BOOST升压电路220输出的直流侧电压都设定上限值，当实际电压值超过该上限值时，触发故障保护；制动电路230的全控器件以斩波形式进行导通，开关周期内的导通时间与直流侧电压大小成正比，由制动电阻释放蓄积的能量。
三相逆变器240采用电流滞环跟踪控制方式，控制目标为在稳定直流侧电压的同时，将直流侧的能量输送往交流侧电网。三相逆变器240直流侧的电压设定值根据三相逆变器240输出电压等级来确定，满足正常工作的需求。
如上所述，发电机1输出的电流通过三相整流模块21的三相整流后，分别通过第一子变流器22、第二子变流器23上的升压逆变模块200进行升压及三相逆变，最后通过网侧变压器3输送给电网中。
如上所述，本案保护的风力发电机组能量传输系统，其扩容的出发点在于基本结构和扩容后结构具有等效的结构特性，一切与本案结构相同或相近的技术方案都应示为落入本案保护范围内。

Claims (7)

1.一种风力发电机组能量传输系统，其特征在于包括有顺次连接的发电机(1)、变流器(2)、以及网侧变压器(3)，所述变流器(2)包括有三相整流模块(21)、与三相整流模块(21)正极输出端连接的第一子变流器(22)、以及与三相整流模块(21)负极输出端连接的第二子变流器(23)，所述第一子变流器(22)输出端和第二子变流器(23)输出端分别与网侧变压器(3)输入端连接，所述第一子变流器(22)由N个升压逆变模块(200)组成，其中N≥1，而当N≥2时，升压逆变模块(200)之间为并联连接结构；所述第二子变流器(23)的电路结构与第一子变流器(22)的电路结构相同，所述第一子变流器(22)中升压逆变模块(200)高电位输入端接三相整流模块(21)正极输出端，第二子变流器(23)中的升压逆变模块(200)低电位输入端接三相整流模块(21)负极输出端，第一子变流器(22)中升压逆变模块(200)低电位输入端与第二子变流器(23)中升压逆变模块(200)高电位输入端通过共地连接形成串联式级联，所述第一子变流器(22)中升压逆变模块(200)输出端、第二子变流器(23)中升压逆变模块(200)输出端分别与网侧变压器(3)输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种风力发电机组能量传输系统，其特征在于所述三相整流模块(21)包括有二极管三相不控整流桥(211)和参数相同的直流电容组C211_1、C211_2，所述二极管三相不控整流桥(211)输入端接发电机(1)输出端，所述直流电容组C211_1和C211_2串联连接后并联在二极管三相不控整流桥(211)正负极输出端上，直流电容组C211_1和C211_2的连接点接地。
3.根据权利要求1或2所述的一种风力发电机组能量传输系统，其特征在于所述升压逆变模块(200)包括有顺次连接的BOOST升压电路(220)、制动电路(230)、三相逆变器(240)和LC滤波电路(250)，其中，第一子变流器(22)中的BOOST升压电路(220)高电位输入端接三相整流模块(21)正极输出端，第二子变流器(23)中的BOOST升压电路(220)低电位输入端接三相整流模块(21)负极输出端，第一子变流器(22)中的BOOST升压电路(220)低电位输入端与第二子变流器(23)中的BOOST升压电路(220)高电位输入端通过共地连接形成串联式级联，所述第一子变流器(22)中LC滤波电路(250)三相输出端与网侧变压器(3)一副边三相绕组输入端连接，第二子变流器(23)中的LC滤波电路(250)三相输出端与网侧变压器(3)另一副边三相绕组输入端连接，网侧变压器(3)原边三相绕组输出端与电网连接。
4.根据权利要求3所述的一种风力发电机组能量传输系统，其特征在于所述网侧变压器(3)采用包含了两个独立中性点n1、n2的一个Dyn型分裂式变压器或两个Dyn型变压器。
5.根据权利要求4所述的一种风力发电机组能量传输系统，其特征在于所述第一子变流器(22)中BOOST升压电路(220)由电抗器R221_1、全控器件Q222_1、二极管D223_1、直流电容组C224_1和C225_1组成，所述电抗器R221_1一端作为BOOST升压电路(220)高电位输入端接三相整流模块(21)正极输出端，电抗器R221_1另一端与全控器件Q222_1集电极、二极管D223_1正极相连接，全控器件Q222_1发射极作为BOOST升压电路(220)低电位输入端接地，二极管D223_1负极与直流电容组C224_1一端相连接后作为BOOST升压电路(220)高电位输出端与制动电路(230)一输入端连接，直流电容组C224_1另一端与直流电容组C225_1一端相连接，其连接点N1_0接网侧变压器(3)对应的中性点n1，所述直流电容组C225_1另一端作为BOOST升压电路(220)低电位输出端与制动电路(230)另一输入端相连接后接地；所述第二子变流器(23)中BOOST升压电路(220)由电抗器R221_2、全控器件Q222_2、二极管D223_2、直流电容组C224_2和C225_2组成，所述全控器件Q222_2集电极作为BOOST升压电路(220)高电位输入端与直流电容组C224_2一端、制动电路(230)一输入端相连接后接地，所述电抗器R221_2一端作为BOOST升压电路(220)低电位输入端与三相整流模块(21)负极输出端连接，电抗器R221_2另一端与全控器件Q222_2发射极、二极管D223_2负极相连接，二极管D223_2正极与直流电容组C225_2一端连接后作为BOOST升压电路(220)低电位输出端与制动电路(230)另一输入端相连接，所述直流电容组C225_2另一端与直流电容组C224_2另一端相相连接，其连接点N2_0接网侧变压器(3)对应的中性点n2。
6.根据权利要求5所述的一种风力发电机组能量传输系统，其特征在于所述第一子变流器(22)中制动电路(230)由全控器件Q231_1和制动电阻R232_1串联组成；第二子变流器(23)中制动电路(230)由全控器件Q231_2和制动电阻R232_2串联组成。
7.根据权利要求6所述的一种风力发电机组能量传输系统，其特征在于所述第一子变流器(22)中LC滤波电路(250)包括有电抗器组R251_1和电容器组C252_1，所述电抗器组R251_1一端与对应三相逆变器(240)三相输出端连接，电抗器组R251_1另一端与电容器组C252_1一端、网侧变压器(3)一副边三相绕组输入端连接，电容器组C252_1另一端N1_1接网侧变压器(3)对应的中性点n1；所述第二子变流器(23)中LC滤波电路(250)包括有电抗器组R251_2和电容器组C252_2，所述电抗器组R251_2一端与对应三相逆变器(240)三相输出端连接，电抗器组R251_2另一端与电容器组C252_2一端、网侧变压器(3)另一副边三相绕组输入端连接，电容器组C252_2另一端N2_1接网侧变压器(3)对应的中性点n2，网侧变压器(3)原边三相绕组输出端接电网。
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