CN103929047A - 风电变流器用pebb模块化结构、并联结构及外形结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于风电变流器的智能PEBB模块化结构，包括三个IGBT模块、三个驱动电路、每组三个均流电感的三组均流电感组、三个电流传感器、直流电压传感器、直流支撑电容、直流侧电感、辅助电源和底层控制板。在模块化的基础上赋予底层智能控制，在提高变流器功率等级、简化维护过程的同时还使其具有在线智能诊断功能，以便于工作人员及时掌握并联模块的工作状况。还公开了多个智能PEBB模块化结构相互并联的结构，适用不同功率需求的双馈变流器和全功率变流器。同时，公开了智能PEBB模块化结构的外形结构，使得减少模块体积，节约成本，增加实用性。

Description

风电变流器用PEBB模块化结构、并联结构及外形结构

技术领域

本发明涉及风电领域，尤其涉及一种应用于风电变流器的标准化的智能PEBB(power electronic building block，电力电子积木)模块化结构。

背景技术

现今，国内的风电变流器研究大多建立在分立的电子器件基础之上，如功率开关元件、控制电路、保护电路、传感电路等，这些装置都是按用户的不同用途和要求进行特殊设计的，采用的是非标准器件，具有很多不足和缺点，例如，分立的电子器件往往研制周期长、成本高、使用不灵活，在一定程度上大大限制了电力电子的发展。

若风电变流器应用分立器件，一旦发生故障，将很难辨识出故障元件，并且在拆装上很困难，增加了维护时间，造成风能资源的浪费。目前PEBB技术已经被广泛的应用于很多领域，如电池储能、散热器、电动车电机驱动系统、有源电力滤波器、分布式电力电子电源系统、光伏逆变器等。但是，现有的风电变流器PEBB均不含有智能故障诊断功能，在变流器发生故障时不能够快速有效的获取故障信息并确定故障位置。因此，将PEBB技术应用于风电变流器，使得在模块化的基础上加上在线智能诊断功能，是本申请人致力于研究的方向。

发明内容

本发明针对现有兆瓦级风力发电机，提出一种应用于风电变流器的智能PEBB模块化结构、多个模块的并联结构以及外形结构，将IGBT(绝缘栅双极型晶体管)模块、驱动电路、控制系统、传感器等集中在一起，构成一个独立的系统，在模块化的基础上赋予底层智能控制，在提高变流器功率等级、简化维护过程的同时还使其具有在线智能诊断功能，以便于工作人员及时掌握并联模块的工作状况。并且，通过PEBB模块并联适用不同功率需求的双馈变流器和全功率变流器。同时，有效的外形结构使得减少模块体积，节约成本，增加实用性。

实现上述目的的技术方案是：

一种应用于风电变流器的智能PEBB模块化结构，通过外部的主控制器外接上位机，所述智能PEBB模块化结构包括三个IGBT模块、三个驱动电路、每组三个均流电感的三组均流电感组、三个电流传感器、直流电压传感器、直流支撑电容、直流侧电感、辅助电源和底层控制板，其中：

每个IGBT模块对应一个驱动电路、一组均流电感组和一个电流传感器；

每个IGBT模块的交流端通过对应均流电感组中的三个均流电感连接在一起，形成单相交流输出端；

每个IGBT模块的直流端连接所述直流支撑电容的两端和所述辅助电源的输入端；所述辅助电源的输出端接所述底层控制板；

每个IGBT模块通过对应驱动电路连接所述底层控制板；

所述直流侧电感与所述直流支撑电容并联；

所述直流电压传感器与所述直流支撑电容并联，采样直流电压传给所述底层控制板；

所述三个电流传感器分别串接在三相交流输出端上，采样三相电流传给所述底层控制板；

所述底层控制板包括FPGA(现场可编程门阵列)，该FPGA对所述直流电压和三相电流预处理后通过所述主控制器传给所述上位机，并通过所述主控制器接收上位机的指令，生成PWM信号给各个驱动电路。

上述的应用于风电变流器的智能PEBB模块化结构中，所述驱动电路采集IGBT参数传给所述底层控制板，经所述FPGA预处理后通过所述主控制器传给所述上位机。

上述的应用于风电变流器的智能PEBB模块化结构中，所述IGBT参数包括IGBT的电压、电流、温度信号。

上述的应用于风电变流器的智能PEBB模块化结构中，所述底层控制板通过高速串行通信接口与所述主控制器相接。

上述的应用于风电变流器的智能PEBB模块化结构中，每个IGBT模块包括三个并联的IGBT半桥电路。

本发明之二的多个智能PEBB模块化结构相互并联的结构，所述智能PEBB模块化结构包括功率接口和高速串行通信接口，多个所述智能PEBB模块化结构各自的功率接口分别相接，各自的高速串行通信接口与所述主控制器连接。

本发明之三的智能PEBB模块化结构的外形结构，包括箱体以及设置在箱体左右两侧的滑道，

所述箱体的顶面、底面和右侧面均设置为冷却装置；

所述三个IGBT模块分别紧贴三个冷却装置的内壁设置，所述三个驱动电路分别紧贴各自对应的IGBT模块设置；

所述底层控制板紧贴所述箱体左侧面的内壁设置；

所述辅助电源紧贴所述箱体左侧面的外壁设置。

上述的智能PEBB模块化结构的外形结构中，所述三组均流电感组、三个电流传感器、直流电压传感器、直流支撑电容和直流侧电感分别设置在所述箱体的内部。

本发明通过将IGBT模块、驱动系统、控制系统、冷却装置等集中在一起，构成一个独立的系统模块，具有下列特点：

①通过使用PEBB并联组合成风电变流器的整流逆变部分，避免了大量的重复设计工作，并且标准化的集成模块以较高的自动化程度批量制造将大大缩短制造周期，这就提高了产品成品率，并在一定程度上提高了风电变流器的可靠性。

②本模块化设计可使变流器成本在一定程度上降低，因为集成模块的设计虽然需要花费较多的人力和较长的设计周期，但是集成模块一旦被设计出来，就可以千百次的被重复应用，分摊到每个装置和系统的设计成本就会很低。

③本设计采用紧凑的互连和封装，将使电路中的寄生电感等不利于电路工作的寄生参数显著减小，从而降低电路的开关应力和噪声，使电路的可靠性大大提高。同时，在设计中有意采用最短回路设计来限制高频开关产生的信号干扰。

④PEBB模块化设计使变流器结构变得更加紧凑，通过通讯接口实现了“即插即用”的功能，使其在工程上更加便于安装与拆卸，提高了变流器的功率等级和可维护性。

⑤采用FPGA作为底层控制的核心控制板，可靠性更高；并且赋予在线智能故障诊断功能，及时了解每个模块的运行状况，便于在模块故障时及时掌握故障模块的位置以便快速更换，避免了风场风能资源的浪费。

附图说明

图1是本发明之一的智能PEBB模块化结构的结构图；

图2是本发明中在线故障诊断方式流程图；

图3是本发明之二的多个智能PEBB模块化结构的并联结构图；

图4是本发明之三的智能PEBB模块化结构的外形结构图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

针对变流器的拓扑结构，本发明选取采用四象限双PWM拓扑结构作为风力发电系统的变流器结构，可以有效避免变流器整流逆变的重复设计，并且更有利于PEBB模块的应用。

请参阅图1，本发明之一的应用于风电变流器的智能PEBB模块化结构，包括三个IGBT模块1、三个驱动电路2、每组三个均流电感的三组均流电感组3、三个电流传感器X1～X3、直流电压传感器LV、直流支撑电容C、直流侧电感L、辅助电源4和底层控制板5，将这些重要零部件集成在一起，组成一个功能相对比较完整和独立的模块，其中：

每个IGBT模块1对应一个驱动电路2、一组均流电感组3和一个电流传感器X1或X2或X3；每个IGBT模块1包括三个并联的IGBT半桥电路，IGBT半桥驱动电路采用共驱动方式，以保证电路信号的一致性。

每个IGBT模块1的交流端通过对应均流电感组3中的三个均流电感连接在一起，形成一个单相交流输出端；每个IGBT模块1的直流端连接直流支撑电容C的两端以及辅助电源4的输入端；辅助电源4的输出端接底层控制板5，用于给底层控制板5供电；

每个IGBT模块1通过各自对应的驱动电路2连接底层控制板5；

直流侧电感L与直流支撑电容C并联；

直流电压传感器LV与直流支撑电容C并联，采样直流电压Udc传给底层控制板5；

三个电流传感器X1～X3分别串接在三相交流输出端上，采样三相电流iA、iB、iC传给底层控制板5；

底层控制板5包括FPGA和A/D采样，FPGA对直流电压Udc和三相电流iA、iB、iC预处理后通过主控制器传给上位机，上位机信息进行处理后发出指令，FPGA通过主控制器接收上位机的指令，生成PWM信号给各个驱动电路2，从而驱动各个IGBT模块1。整个过程都采用高速串行通信接口来完成信号的传输，以保证信号的一致性，保证了模块内的均流效果。

另外，驱动电路2具有采样功能，采集IGBT参数传给所底层控制板5，经FPGA预处理后通过主控制器传给上位机。如若信号异常，上位机经过分析是否需要停止变流器工作并将指令传回主控制器，保证变流器不被损坏。与此同时主控制器将问题模块的具体位置信号传送到上位机，便于工作人员对固定损坏模块的拆除和安装，节省了工作人员对故障位置的检测时间。如图2为在线故障诊断方式的简易图，IGBT参数(IGBT的电压、电流、温度信号)经过A/D采样传到驱动电路，上位机获取这些信号后，结合离线采样数据库和当前数据参量进行对比，从而对IGBT进行在线故障预测，及时掌握其工作状态。

请参阅图3，本发明之二的多个智能PEBB模块化结构相互并联的结构，其中：智能PEBB模块化结构包括功率接口和高速串行通信接口，保证控制信号一致，避免环流造成变流器的损坏。多个智能PEBB模块化结构各自的功率接口分别相接，各自的高速串行通信接口与主控制器连接。针对现有兆瓦级风力发电机，不同的PEBB模块并联可以组成不同功率需求的双馈变流器和全功率变流器。

请参阅图4，本发明之三的智能PEBB模块化结构的外形结构，包括箱体10以及设置在箱体左右两侧的滑道20，外部分别有两种端口以实现单个模块之间的并联连接。由于本设计中的PEBB有一定重量，在箱体左右两侧设计滑道20，以便于模块的拆装。

箱体10的顶面101、底面102和右侧面103均设置为冷却装置，冷却装置采用市面常见且易于采购的各种面板式冷却装置；

三个IGBT模块1分别紧贴三个冷却装置的内壁设置，三个驱动电路2分别紧贴各自对应的IGBT模块1设置，从而充分发挥冷却功能；

底层控制板5紧贴箱体10左侧面104的内壁设置；辅助电源4紧贴箱体10左侧面104的外壁设置。其他的诸如：三组均流电感组3、三个电流传感器X1～X3、直流电压传感器LV、直流支撑电容C和直流侧电感L等分别设置在箱体10的内部。从而在一定程度上减少模块体积，节约成本，增加实用性。

综上，本发明通过将IGBT模块、驱动系统、控制系统、冷却装置等集中在一起，构成一个独立的系统模块，并将智能故障诊断功能赋予模块内，不仅提高了现有风机的维护时间，还优化了现有模块不能及时掌握故障模块准确位置的缺点。同时，将智能PEBB模块应用于风电变流器，简化了风电变流器的设计和制造并降低了成本；简化了风电变流器繁琐不便的维护工作，节省了大量的维护时间；在线预测模块工作状况，能提前做好维护准备，减少了风机停修时间，从而提高了风场发电量的利用率，具有重要的使用价值与现实意义。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims (8)

1.一种应用于风电变流器的智能PEBB模块化结构，通过外部的主控制器外接上位机，其特征在于，所述智能PEBB模块化结构包括三个IGBT模块、三个驱动电路、每组三个均流电感的三组均流电感组、三个电流传感器、直流电压传感器、直流支撑电容、直流侧电感、辅助电源和底层控制板，其中：

每个IGBT模块对应一个驱动电路、一组均流电感组和一个电流传感器；

每个IGBT模块的交流端通过对应均流电感组中的三个均流电感连接在一起，形成单相交流输出端；

每个IGBT模块的直流端连接所述直流支撑电容的两端和所述辅助电源的输入端；所述辅助电源的输出端接所述底层控制板；

每个IGBT模块通过对应驱动电路连接所述底层控制板；

所述直流侧电感与所述直流支撑电容并联；

所述直流电压传感器与所述直流支撑电容并联，采样直流电压传给所述底层控制板；

所述三个电流传感器分别串接在三相交流输出端上，采样三相电流传给所述底层控制板；

所述底层控制板包括FPGA，该FPGA对所述直流电压和三相电流预处理后通过所述主控制器传给所述上位机，并通过所述主控制器接收上位机的指令，生成PWM信号给各个驱动电路。

2.根据权利要求1所述的应用于风电变流器的智能PEBB模块化结构，其特征在于，所述驱动电路采集IGBT参数传给所述底层控制板，经所述FPGA预处理后通过所述主控制器传给所述上位机。

3.根据权利要求2所述的应用于风电变流器的智能PEBB模块化结构，其特征在于，所述IGBT参数包括IGBT的电压、电流、温度信号。

4.根据权利要求1或2所述的应用于风电变流器的智能PEBB模块化结构，其特征在于，所述底层控制板通过高速串行通信接口与所述主控制器相接。

5.根据权利要求1所述的应用于风电变流器的智能PEBB模块化结构，其特征在于，每个IGBT模块包括三个并联的IGBT半桥电路。

6.一种多个如权里要求1所述智能PEBB模块化结构相互并联的结构，其特征在于，所述智能PEBB模块化结构包括功率接口和高速串行通信接口，多个所述智能PEBB模块化结构各自的功率接口分别相接，各自的高速串行通信接口与所述主控制器连接。

7.一种如权里要求1所述智能PEBB模块化结构的外形结构，其特征在于，包括箱体以及设置在箱体左右两侧的滑道，

所述箱体的顶面、底面和右侧面均设置为冷却装置；

所述三个IGBT模块分别紧贴三个冷却装置的内壁设置，所述三个驱动电路分别紧贴各自对应的IGBT模块设置；

所述底层控制板紧贴所述箱体左侧面的内壁设置；

所述辅助电源紧贴所述箱体左侧面的外壁设置。

8.根据权利要求7所述的智能PEBB模块化结构的外形结构，其特征在于，所述三组均流电感组、三个电流传感器、直流电压传感器、直流支撑电容和直流侧电感分别设置在所述箱体的内部。