CN104533725B - 风力发电系统 - Google Patents

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Abstract

本申请关于一种风力发电系统，电连接于风力发电机及隔离变压器之间，包含：多个第一变换电路，每一第一变换电路的第一机侧端口与风力发电机电连接，每一第一变换电路的第一网侧端口与隔离变压器的多个次级绕组中对应的次级绕组电连接，每一第一变换电路进行电能转换；第二变换电路，第二变换电路的第二网侧端口与对应的次级绕组电连接，且第二变换电路包含多个第二机侧端口，每一第二机侧端口与对应的第一变换电路的第一机侧端口串联连接，并经由第一变换电路与风力发电机电连接，第二变换电路选择性地运作，并于运作时进行电能转换。本申请除了具有多个第一变换电路外，还具有第二变换电路，由此降低多个第一变换电路所承受的电压应力。

Description

风力发电系统
技术领域
本申请关于一种风力发电系统，尤指一种控制简单，且可减少生产成本的风力发电系统。
背景技术
当前，能源危机日益严重，导致新能源(如风能、太阳能等)技术发展日益受到研发人员的关注和重视。与此同时，在再生能源的发电系统中，电机输出的交流电往往与交流电网的频率和幅值不一致，此时，通常需要借助于变换电路，以将电机输出的交流电转换为与交流电网的频率和相位一致的交流电，再经由隔离变压器而将交流电输出至交流电网，借此实现并网发电。
以中压风力发电系统为例，适用于中压，例如1KV～10KV的传统的风力发电系统主要包括下列几种变换器的电路架构，第一种为功率单元级联式电路架构，第二种为使用例如1.7KV耐压等级的功率器件串联组成的多电平(三电平以上)电路架构，第三种则为直接采用高耐压等级(例如3.3KV、4.5KV或6KV等)的功率器件的多电平(两电平以上)电路架构。
然而第一种风力发电系统由于需由多个，例如六个以上的变换电路以级联方式连接，而因多个变换电路具有多个独立的直流母线，故电连接于交流电网及风力发电系统之间的隔离变压器的次级侧便需具有多个次级绕组，例如六个以上，以与多个变换电路电连接，如此一来，势必使得使用第一种风力发电系统的工厂或设备等的整体成本提高。至于第二种风力发电系统，其虽然可使用耐压等级相对较低的功率器件(开关元件)来构成，但对应地也需使用较多的功率器件，借此形成三电平以上的电路架构，如此一来，第二种风力发电系统不但具有功率器件的控制较为复杂的问题，也因使用较多的功率器件而具有较高的生产成本。至于第三种风力发电系统虽然可为两电平电路架构并可使用相对较少的功率器件，然而第三种风力发电系统却需使用耐压等级较高的功率器件，而耐压等级较高的功率器件价格比较昂贵，如此一来，造成第三种风力发电系统的生产成本提高。
因此，如何发展一种可改善上述熟知技术缺陷的风力发电系统，实为相关技术领域人员目前所迫切需要解决的问题。
发明内容
本申请的目的之一在于提供一种风力发电系统，其不但具有多个第一变换电路，还具有第二变换电路，且第二变换电路的多个第二机侧端口中的任一第二机侧端口与对应的第一变换电路的第一机侧端口串联电连接，而第二变换电路的第二网侧端口与隔离变压器的多个次级绕组中对应的次级绕组电连接，第二变换电路可选择性地运作来分担多个第一变换电路的电能转换工作，通过此降低多个第一变换电路所承受的电压应力，以解决熟知发电系统具有生产成本较高以及功率器件的控制较为复杂的缺陷。
本申请的目的之一在于提供一种风力发电系统，该风力发电系统的第二变换电路可依据风力发电机的三相绕组中的任一相绕组的相电压及与其相连的第一变换电路的第一机侧端口所输出的输出电压的最大值之间的比较结果而执行撬棍模式运作或非撬棍模式运作，以通过撬棍模式运作减少风力发电系统的电能损耗，并通过非撬棍模式运作使第二变换电路分担多个第一变换电路的电能转换工作。
本申请的目的之一在于提供一种风力发电系统，该风力发电系统的多个第一变换电路的多个第一机侧变换器及第二变换电路的第二机侧变换器可采用正弦脉波宽度调制而进行载波移相控制，进而减少多个第一变换电路的第一机侧端口及第二变换电路的多个第二机侧端口的瞬间电压变化量及电流谐波。
本申请提供一种风力发电系统，是电连接于风力发电机以及隔离变压器之间，风力发电系统包含：多个第一变换电路，每一第一变换电路的第一机侧端口与风力发电机电连接，每一第一变换电路的第一网侧端口与隔离变压器的多个次级绕组中对应的次级绕组电连接，每一第一变换电路进行电能转换；以及第二变换电路，第二变换电路的第二网侧端口与多个次级绕组中对应的次级绕组电连接，且第二变换电路还包含多个第二机侧端口，每一第二机侧端口与对应的第一变换电路的第一机侧端口串联连接，并经由第一变换电路与风力发电机电连接，第二变换电路选择性地运作，并于运作时进行电能转换，以分担多个第一变换电路的电能转换工作。
本申请的风力发电系统除了具有多个第一变换电路外，还具有第二变换电路，且第二变换电路的第二机侧端口与每一第一变换电路的第一机侧端口串联电连接，而第二变换电路的一第二网侧端口与多个次级绕组中对应的次级绕组电连接，由此不但可使隔离变压器的次级绕组的个数减少，且因第二变换电路可选择性地运作来分担多个第一变换电路的电能转换工作，由此降低多个第一变换电路所承受的电压应力，故风力发电系统可选用耐压程度较低的功率器件即可实现对中压风力发电机的控制。
附图说明
图1为本申请第一实施例的风力发电系统的电路结构示意图。
图2为本申请第二实施例的风力发电系统的电路结构示意图。
图3为本申请第三实施例的风力发电系统的电路结构示意图。
图4为本申请第四实施例的风力发电系统的电路结构示意图。
图5为本申请第五实施例的风力发电系统的电路结构示意图。
图6为图1所示的风力发电系统的部分结构示意图。
图7为图6所示的风力发电系统的简化模型示意图。
图8为图1所示的风力发电系统在第一载波移相模式下进行SPWM载波移相控制时，风力发电系统的A相电路的调制波形图。
图9为图1所示的风力发电系统在第二载波移相模式下进行SPWM载波移相控制时，风力发电系统的A相电路的调制波形图。
图10为在第一载波移相模式下进行SPWM载波移相控制时，为两电平的电路架构的第一变换电路或第二变换电路的三相电流及电流频谱分析的波形图。
图11为在第一载波移相模式下没有进行SPWM载波移相控制时，为两电平的电路架构的第一变换电路或第二变换电路的三相电流及电流频谱分析的波形图。
图12为在第二载波移相模式下进行SPWM载波移相控制时，为两电平的电路架构的第一变换电路或第二变换电路的三相电流及电流频谱分析的波形图。
图13为在第二载波移相模式下没有进行SPWM载波移相控制时，为两电平的电路架构的第一变换电路或第二变换电路的三相电流及电流频谱分析的波形图。
其中，附图标记说明如下：
1：风力发电系统
10、20、50：第一变换电路
100：第一机侧端口
101：第一网侧端口
102、202：第一机侧变换器
103、203：第一网侧变换器
104：第一直流母线储存单元
105：斩波电路
11、21、31、41：第二变换电路
110：第二机侧端口
111：第二网侧端口
112、212、312：第二机侧变换器
113、213、313：第二网侧变换器
114：第二直流母线储存单元
8：风力发电机
80：电能传输端
T：隔离变压器
Np：次级绕组
Vdc1：第一直流电压
Vdc2：第二直流电压
V_Fa、V_Fb、V_Fc：相电压
V_Ha、V_Hb、V_Hc：输出电压
V_conv_a、V_conv_b、V_conv_c：输出电压
V_Gen_a、V_Gen_b、V_Gen_c：相电压
tri1、tri2、tri3：载波
S_a：调制波
ia、ib、ic：三相电流
Vab：线电压
具体实施方式
体现本申请特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本申请能够在不同的态样上具有各种的变化，其皆不脱离本申请的范围，且其中的说明及图示在本质上仅当作说明用，而非架构于限制本申请。
请参阅图1，其为本申请第一实施例的风力发电系统的电路结构示意图。如图1所示，本实施例的风力发电系统电连接于一风力发电机及一隔离变压器T之间，其中隔离变压器T的初级侧可与一交流电网电连接，本实施例的风力发电系统1可将风力发电机8所产生的交流电能转换后经由隔离变压器T传送至交流电网，当然亦可将经由隔离变压器T所接收到的交流电网的交流电能转换后传送至风力发电机8，因此，风力发电系统1实际上可以单向或是双向的方式转换及传递能量。
于上述实施例中，风力发电机8及交流电网的电压等级可为但不限于中压等级，例如1KV～10KV。
风力发电系统1主要包含多个第一变换电路10及一第二变换电路11，其中每一第一变换电路10的一第一机侧端口100与风力发电机8的电能传输端80电连接，每一第一变换电路10的第一网侧端口101与隔离变压器T的次级侧的多个次级绕组Np中对应的次级绕组Np电连接，每一第一变换电路10可将风力发电机8所产生的交流电能转换，并经由隔离变压器T传送至交流电网。当然，于其它实施例中，每一第一变换电路10也可经由隔离变压器T接收交流电网所产生的交流电能，并将交流电网产生的交流电能转换后输出至风力发电机8。
第二变换电路11的多个第二机侧端口110中的任一第二机侧端口110与对应的第一变换电路10的第一机侧端口100串联电连接，并经由第一变换电路10而与风力发电机8的电能传输端80的其中一相绕组电连接，第二变换电路11的一第二网侧端口111与多个次级绕组Np中对应的次级绕组Np电连接，第二变换电路11选择性地进行运作，并于运作时将风力发电机8所产生的交流电能转换，并经由隔离变压器T传送至交流电网。当然，于其它实施例中，第二变换电路11也可经由隔离变压器T接收交流电网所产生的交流电能，并将交流电网产生的交流电能转换后输出至风力发电机8。当第二变换电路11运作时，可分担多个第一变换电路10的电能转换工作，使多个第一变换电路10所承受的电压应力降低。
于上述实施例中，风力发电机8可为但不限于为一3N相的风力发电机，其中N为自然数，例如图1所示，风力发电机8为3相风力发电机，故风力发电机8的电能传输端80实际上可为三相绕组(未图示)，每一相绕组各自具有一相电压，而每一第一变换电路10的第一机侧端口100实际上电连接于风力发电机8的三相绕组中的其中一相绕组。另外，第一变换电路10的个数可为三的倍数，例如图1所示，第一变换电路为3个。隔离变压器T的次级绕组Np的个数则对应于第一变换电路10的个数与第二变换电路11的个数的总和，例如图1所示，对应于三个第一变换电路10及一个第二变换电路11，故次级绕组Np的个数为4个。
另外，如图1所示，每一第一变换电路10可为但不限于三相/单相转换电路，且每一第一变换电路10包含一第一机侧变换器102、一第一网侧变换器103及第一直流母线储存单元104。第一机侧变换器102具有一第一交流侧及一第一直流侧，第一交流侧与第一变换电路10的第一机侧端口100电连接，并经由第一机侧端口100而与风力发电机8电连接，第一机侧变换器102可为但不限于以脉冲宽度调制(PWM)方式运作，且第一交流侧实际上构成第一机侧端口100。第一网侧变换器103具有一第二交流侧及一第二直流侧，第二交流侧与多个次级绕组Np中对应的次级绕组Np电连接，实际上构成第一网侧端口101，第一网侧变换器103可为但不限于以脉冲宽度调制方式运作。第一直流母线储存单元104可为但不限于由至少一汇流排电容所构成，且电连接于第一机侧变换器102的第一直流侧和第一网侧变换器103的第二直流侧，用以储存一第一直流电压Vdc1。第一变换电路10通过第一机侧变换器102、第一网侧变换器103及第一直流母线储存单元104而构成交流/直流/交流电路架构。
又于一些实施例中，如图1所示，第一变换电路10可为两电平的电路架构，且第一机侧变换器102具有两个桥臂，故第一机侧变换器102实际上可为单相全桥两电平的电路架构，而两个桥臂构成H桥，每一桥臂具有彼此串联连接的两个开关元件，其中开关元件可为但不限于由绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor；IGBT)所构成。第一网侧变换器103则为三相全桥两电平的电路架构，而第一网侧变换器103具有三个桥臂(A相桥臂、B相桥臂及C相桥臂)，每一桥臂具有彼此串联连接的两个开关元件。另外，第一机侧变换器102还可具有一斩波电路(Chopper)105，与第一机侧变换器102的两个桥臂并联连接，该斩波电路105是由至少一开关元件及至少一电阻串联连接所构成，斩波电路105用以抑制第一变换电路10中的电压和电流，以构成保护机制。
第二变换电路11可为但不限于三相/三相转换电路，且第二变换电路11包含一第二机侧变换器112、一第二网侧变换器113及一第二直流母线储存单元114，其中第二机侧变换器112具有一第三交流侧及一第三直流侧，该第三交流侧与第二变换电路11的多个第二机侧端口110电连接，并经由第二机侧端口110而与每一第一变换电路10的第一机侧端口100串联电连接，且与风力发电机8的电能传输端80电连接，第二机侧变换器112可以脉冲宽度调制方式运作。第二网侧变换器113具有一第四交流侧及一第四直流侧，该第四交流侧系与多个次级绕组Np中对应的次级绕组Np电连接，实际上构成第二网侧端口111，第二网侧变换器113可以脉冲宽度调制方式运作。第二直流母线储存单元114电连接于第二机侧变换器112的第三直流侧和第二网侧变换器113的第四直流侧，用以储存一第二直流电压Vdc2。第二变换电路11通过第二机侧变换器112、第二网侧变换器113及第二直流母线储存单元114而构成交流/直流/交流电路架构。
于上述实施例中，第二变换电路11可为两电平的电路架构，第二机侧变换器112及第二网侧变换器113分别具有三个桥臂，例如第二机侧变换器112及第二网侧变换器113可为三相全桥两电平的电路架构，每一桥臂具有彼此串联连接的两个开关元件，且第二机侧变换器112的每一桥臂的交流侧端口形成多个第二机侧端口110中对应的第二机侧端口110。当然，第二机侧变换器112同样可具有斩波电路，而第二机侧变换器112的斩波电路的电路结构及特性类似于第一机侧变换器102的斩波电路105，故在此不再赘述。
当然，第一变换电路及第二变换电路的电路架构并不局限于如图1所示，以下将以图2-5来示范性说明第一变换电路及第二变换电路的其它可能实施方式，而由于图2-5所示的第一变换电路及第二变换电路的工作原理皆相仿，故仅以相同符号的元件代表结构与功能相仿，不再赘述元件特征及运行方式。请参阅图2，其为本申请第二实施例的风力发电系统的电路结构示意图。由图2所示可知，相较于图1所示的第一变换电路10，本实施例的风力发电系统1的第一变换电路20改为三电平的电路架构，而第一变换电路20的第一机侧变换器202改为单相全桥三电平的电路架构，而第一网侧变换器203改为三相三电平的电路架构。
另外，相较于图1所示的第二变换电路11，本实施例的第二变换电路21同样改为三电平的电路架构，而第二变换电路21的第二机侧变换器212及第二网侧变换器213改为三相三电平的电路架构。
请参阅图3，其为本申请第三实施例的风力发电系统的电路结构示意图。由图3所示可知，相较于图1所示的第二变换电路21为交流/直流/交流电路架构，本实施例的第二变换电路31改为双级矩阵变换电路，故属于交流/交流电路架构，因此第二变换电路31实际上仅具有第二机侧变换器312及第二网侧变换器313，而不具有类似于图1所示的第二直流母线储存单元114。
请参阅图4，其为本申请第四实施例的风力发电系统的电路结构示意图。由图4所示可知，相较于图3所示的第二变换电路31，本实施例的第二变换电路41虽然同样为交流/交流电路架构，但第二变换电路41的电路态样改为常规矩阵变换电路。
请参阅图5，其为本申请第五实施例的风力发电系统的电路结构示意图。由图5所示可知，相较于图4所示的第一变换电路10为交流/直流/交流电路架构，本实施例的第一变换电路50改为三相/单相矩阵变换电路，即为交流/交流电路架构。
以下将以图1所示的风力发电系统1的电路架构来示范性说明本申请可达到的功效。请参阅图6及图7并配合图1，其中图6为图1所示的风力发电系统的部分结构示意图，图7为图6所示的风力发电系统的简化模型示意图。于图6及图7中，相电压V_Fa、相电压V_Fb及相电压V_Fc分别为第二变换电路11于A相的第二机侧端口110、B相的第二机侧端口110及C相的第二机侧端口110所输出的相电压，输出电压V_Ha为与风力发电机8的三相绕组中的A相绕组电连接的第一变换电路10的第一机侧变换器102于第一交流侧所输出的输出电压，输出电压V_Hb为与风力发电机8的三相绕组中的B相绕组电连接的第一变换电路10的第一机侧变换器102于第一交流侧所输出的输出电压，输出电压V_Hc为与风力发电机8的三相绕组中的C相绕组电连接的第一变换电路10的第一机侧变换器102于第一交流侧所输出的输出电压，相电压V_Gen_a、V_Gen_b、V_Gen_c分别为风力发电机8于三相绕组中的A相绕组、B相绕组及C相绕组的相电压，输出电压V_conv_a为与风力发电机8的三相绕组中的A相绕组电连接的第一变换电路10于第一机侧端口100所输出的输出电压，输出电压V_conv_b为与风力发电机8的三相绕组中的B相绕组电连接的第一变换电路10于第一机侧端口100所输出的输出电压，输出电压V_conv_c为与风力发电机8的三相绕组中的C相绕组电连接的第一变换电路10于第一机侧端口100所输出的输出电压。
其中三个第一变换电路10实际上分别输出的输出电压V_Ha、V_Hb及V_Hc为：
V_Ha＝Vdc1*S_Ha；
V_Hb＝Vdc1*S_Hb；
V_Hc＝Vdc1*S_Hc；
其中S_Ha、S_Hb、S_Hc分别为与A相绕组电连接的第一机侧变换器102的桥臂上的开关元件的占空比、与B相绕组电连接的第一机侧变换器102的桥臂上的开关元件的占空比及与C相绕组电连接的第一机侧变换器102的桥臂上的开关元件的占空比，Vdc1为第一变换电路10的第一直流母线储存单元104的第一直流电压(当图1的第一变换电路10改为如图5所示的矩阵变换电路时，第一直流电压Vdc1则对应改为虚拟直流电压)。又第二变换电路11于A相、B相及C相所输出的相电压V_Fa、相电压V_Fb及相电压V_Fc分别为：
V_Fa＝Vdc2/2*S_Fa
V_Fb＝Vdc2/2*S_Fb
V_Fc＝Vdc2/2*S_Fc
其中S_Fa、S_Fb、S_Fc分别为第二变换电路11的第二机侧变换器112的三个桥臂上的开关元件的占空比，Vdc2为第二变换电路11的第二直流母线储存单元114的第二直流电压(当图1的第二变换电路11改为如图3或图4所示的为矩阵变换电路时，第二直流电压Vdc2则对应改为虚拟直流电压)。
由于第二变换电路11的每一第二机侧端口110与对应的第一变换电路10的第一机侧端口100串联电连接，即第一变换电路10的第一机侧端口100所输出的输出电压与第二变换电路11的对应的第二机侧端口110所输出的输出电压串联运行，故相电压V_Fa和输出电压V_Ha之和等于第一变换电路10于A相的输出电压V_conv_a，同理相电压V_Fb与输出电压V_Hb之和等于第一变换电路10于B相的输出电压V_conv_b，相电压V_Fc和输出电压V_Hc之和等于第一变换电路10于C相的输出电压V_conv_c。因此当Vdc1＝Vdc2，且S_Hx＝S_Fx(其中，x＝a,b,c)，则多个第一变换电路10分别于第一机侧端口100所输出的输出电压V_conv_a、V_conv_b及V_conv_c为：
V_conv_a＝V_Ha+V_Fa＝Vdc1*S_Ha+Vdc2/2*S_Fa＝3/2*Vdc1*S_Ha；
V_conv_b＝V_Hb+V_Fb＝Vdc1*S_Hb+Vdc2/2*S_Fb＝3/2*Vdc1*S_Hb；
V_conv_c＝V_Hc+V_Fc＝Vdc1*S_Hc+Vdc2/2*S_Fc＝3/2*Vdc1*S_Hc；
故由上述公式可推出，当Vdc1＝2000V且在最大占空比时，每一第一变换电路10所输出的线电压可达到最大的输出线电压为：
因此本申请的风力发电系统1实际上可实现对3.3kV风力发电机8的控制。
由上可知，本申请的风力发电系统1除了具有多个第一变换电路外，还具有第二变换电路，其中第二变换电路的每一第二机侧端口110与对应的第一变换电路10的第一机侧端口100串联电连接，而第二变换电路11的一第二网侧端口111与多个次级绕组Np中对应的次级绕组Np电连接，而通过上述的电路架构，隔离变压器T的次级绕组Np的个数便可减少，例如图1所示，隔离变压器T的次级绕组Np仅需要四个，故使用本申请的风力发电系统1的工厂或设备等的整体成本可降低。此外，本申请风力发电系统1可通过第二变换电路来分担多个第一变换电路的电能转换工作，由此降低多个第一变换电路所承受的电压应力，故风力发电系统1可选用例如耐压程度低的功率器件(开关元件)(例如1.7KV)即可实现对中压的风力发电机8的控制。又本申请的风力发电系统1在功率器件的数目控制在相对较少的情况下，可无须使用耐压程度较高，例如3.3kV、4.5kV或6kV等的功率器件，是以可大幅减少风力发电系统1的生产成本。
另外，于一些实施例中，图2至5所示的第二变换电路还可依据风力发电机8的三相绕组中的任一相绕组的相电压及与其相连的第一变换电路的第一机侧端口100所输出的输出电压的最大值之间的比较结果而执行一撬棍(crowbar)模式运作或一非撬棍模式运作，以下将以图1所示的风力发电系统1来示范性说明。于图1所示的风力发电系统1中，当风力发电机8的三相绕组中的任一相绕组的相电压小于或等于与其相连的第一变换电路10的第一机侧端口100所输出的输出电压的最大值时，第二变换电路11便执行撬棍(crowbar)模式运作，此时第二变换电路11停止运作(例如使第二变换电路11内的所有开关元件停止进行导通/或截止的切换运作)而第二机侧端口110形成短路，故当第二变换电路11执行撬棍模式运作时，风力发电系统1实际上仅多个第一变换电路10运作而进行风力发电机8及交流电网之间的电能转换，而通过撬棍模式运作，风力发电系统1可因第二变换电路11停止运作而减少电能的损耗。反之，当风力发电机8的三相绕组中的任一相绕组的相电压大于与其相连的第一变换电路10的第一机侧端口100所输出的输出电压的最大值时，第二变换电路11便执行非撬棍模式运作，此时第二变换电路11运作(例如第二变换电路11内的所有开关元件进行导通/或截止的切换运作)而进行电能转换，以分担多个第一变换电路10的电能转换工作，其中第二变换电路11于第二机侧端口110所输出的相电压实质上可为但不限于为对应的第一变换电路11于第一机侧端口100所输出的输出电压的二分之一。
另外，本申请的风力发电系统1更为但不限于具有一控制电路(未图示)，其可控制第二变换电路11执行撬棍模式运作或非撬棍模式运作。
为了减少多个第一变换电路的第一机侧端口100及第二变换电路的多个第二机侧端口110的瞬间电压变化量(dv/dt)及电压谐波，于一些实施例中，图1-4所示的多个第一变换电路的多个第一机侧变换器及第二变换电路的第二机侧变换器还可采用正弦脉波宽度调制(Sinusoidal PWM；SPWM)而进行载波移相控制，且依据第二变换电路的电路架构及运行模式，载波移相控制可设置不同的移相角度。
请参阅图8-13，其中图8为图1所示的风力发电系统在第一载波移相模式下进行SPWM载波移相控制时，风力发电系统的A相电路的调制波形图，图9为图1图所示的风力发电系统在第二载波移相模式下进行SPWM载波移相控制时，风力发电系统的A相电路的调制波形图，图10为在第一载波移相模式下进行SPWM载波移相控制时，为两电平的电路架构的第一变换电路或第二变换电路的三相电流(ia、ib、ic)及电流频谱分析的波形图，图11为在第一载波移相模式下没有进行SPWM载波移相控制时，为两电平的电路架构的第一变换电路或第二变换电路的三相电流及电流频谱分析的波形图，图12为在第二载波移相模式下进行SPWM载波移相控制时，为两电平的电路架构的第一变换电路或第二变换电路的三相电流及电流频谱分析的波形图，图13系为在第二载波移相模式下没有进行SPWM载波移相控制时，为两电平的电路架构的第一变换电路或第二变换电路的三相电流及电流频谱分析的波形图。
首先，在第一载波移相模式下，也即当第一变换电路及第二变换电路皆为交流/直流/交流电路架构时，若第二变换电路处于非撬棍模式运作，每一第一变换电路的第一机侧变换器的两个桥臂(例如为H桥)的载波及第二变换电路(例如为三相全桥)的三个桥臂中对应的桥臂的载波之间的相移角度分别为120°，亦即以图8中A相电路的调制为例，其中tri1为第一变换电路的第一机侧变换器的左桥臂的载波，tri2为第一变换电路的第一机侧变换器的右桥臂的载波，tri3为第二变换电路的第二机侧变换器的对应桥臂的载波，由图可知，每一第一变换电路的第一机侧变换器的两个桥臂的载波及第二变换电路的三个桥臂中对应的桥臂的载波之间的相移角实为120°，且调制波S_a完全相同，在此调制方式下，第一变换电路输出的线电压Vab(如图1所示)可有7电平，因此相较于图11所示在第一载波移相模式下没有进行SPWM载波移相控制，本申请的风力发电系统1如图10所示在第一载波移相模式下进行SPWM载波移相控制确实减小了多个第一变换电路的第一机侧端口100及第二变换电路的第二机侧端口110上的瞬间电压变化量及电流谐波。另外，在第一载波移相模式下，若第二变换电路处于撬棍模式运作，由于第二变换电路11停止运作，故仅多个第一变换电路的第一机侧变换器采用正弦脉波宽度调制而进行载波移相控制，且每一第一机侧变换器的两个桥臂的载波之间的相移角度为180°，而在此状况下，同样可减小多个第一变换电路的第一机侧端口100及第二变换电路的第二机侧端口110上的瞬间电压变化量及电流谐波。
在第二载波移相模式下，亦即在第一变换电路为交流/直流/交流电路架构且第二变换电路为交流/交流电路架构的条件下，第一变换电路的第一机侧变换器系采用正弦脉波宽度调制而进行载波移相控制，因此无论第二变换电路处于非撬棍模式运作或撬棍模式运作时，每一第一变换电路的第一机侧变换器的任意两个桥臂间的载波之间的相移角为180°。即如图9所示，其中tri1为第一机侧变换器的左桥臂的载波，tri2为第一机侧变换器的右桥臂的载波，且调制波S_a完全相同，在此调制方式下，第一变换电路输出的线电压Vab(如图1)可有5电平，因此相较于图13所示在第二载波移相模式下没有进行SPWM载波移相控制，本申请的风力发电系统1如图12所示在第二载波移相模式下进行SPWM载波移相控制确实减小了多个第一变换电路的第一机侧端口100及第二变换电路的第二机侧端口110上的瞬间电压变化量及电流谐波，另外通过撬棍模式运作，幅度调制比可比非撬棍模式运作提高1.5倍，从而更降低谐波分量。
综上所述，本申请提供一种风力发电系统，该风力发电系统除了具有多个第一变换电路外，还具有第二变换电路，且第二变换电路的第二机侧端口与每一第一变换电路的第一机侧端口串联电连接，而第二变换电路的第二网侧端口与多个次级绕组中对应的次级绕组电连接，由此不但可使隔离变压器的次级绕组的个数减少，且因第二变换电路可选择性地运作来分担多个第一变换电路的电能转换工作，由此降低多个第一变换电路所承受的电压应力，故风力发电系统可选用耐压程度较低的功率器件即可实现对中压风力发电机的控制，此外，本申请的风力发电系统在功率器件的数目控制在相对较少的情况下可无须使用耐压程度较高的功率器件，更大幅减少风力发电系统的生产成本。再者，由于本申请的第二变换电路可依据风力发电机的三相绕组中的任一相绕组的相电压与及与其相连的第一变换电路的第一机侧端口所输出的输出电压的最大值之间的比较结果而执行撬棍模式运作或非撬棍模式运作，故可通过撬棍模式运作减少风力发电系统的电能损耗，并通过非撬棍模式运作使第二变换电路分担多个第一变换电路的电能转换工作。更甚者，本申请的风力发电系统的多个第一变换电路的多个第一机侧变换器及第二变换电路的第二机侧变换器可采用正弦脉波宽度调制而进行载波移相控制，进而减少多个第一变换电路的第一机侧端口及第二变换电路的第二机侧端口的瞬间电压变化量及电流谐波。
本申请可由熟知此技术的人士任施匠思而为诸般修饰，然皆不会脱离本申请权利要求的保护范围。

Claims (20)

1.一种风力发电系统，电连接于一风力发电机以及一隔离变压器之间，其特征在于，该风力发电系统包含：
多个第一变换电路，每一该第一变换电路的一第一机侧端口与该风力发电机电连接，每一该第一变换电路的一第一网侧端口与该隔离变压器的多个次级绕组中对应的该次级绕组电连接，每一该第一变换电路用于进行双向电能转换；以及
一第二变换电路，该第二变换电路的一第二网侧端口与该多个次级绕组中对应的该次级绕组电连接，且该第二变换电路还包含多个第二机侧端口，每一该第二机侧端口与对应的该第一变换电路的该第一机侧端口串联连接，并经由该第一变换电路与该风力发电机电连接，该第二变换电路选择性地执行一撬棍模式运作或执行一非撬棍模式运作，并于该非撬棍模式运作时进行双向电能转换，以分担该多个第一变换电路的电能转换工作。
2.如权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，该风力发电机的电压等级为1KV～10KV。
3.如权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，每一该第一变换电路的该第一机侧端口与该风力发电机的三相绕组中对应的一相绕组电连接。
4.如权利要求3所述的风力发电系统，其特征在于，当该风力发电机的该三相绕组中的任一相绕组的相电压大于与其相连的该第一机侧端口所输出的一输出电压的最大值时，该第二变换电路执行一非撬棍模式运作，而于该非撬棍模式中，该第二变换电路运作而进行电能转换。
5.如权利要求4所述的风力发电系统，其特征在于，当该风力发电机的该三相绕组中的任一相绕组的相电压小于或等于与其相连的该第一机侧端口所输出的该输出电压的最大值时，该第二变换电路执行一撬棍模式运作，而于该撬棍模式中，该第二变换电路的每一该第二机侧端口形成短路。
6.如权利要求5所述的风力发电系统，其特征在于，该第一变换电路为三相/单相转换电路，且为交流/直流/交流的电路架构。
7.如权利要求6所述的风力发电系统，其特征在于，该第二变换电路为三相/三相转换电路，且为交流/直流/交流的电路架构。
8.如权利要求7所述的风力发电系统，其特征在于，每一该第一变换电路包含一第一机侧变换器，且该第一机侧变换器包含两个桥臂。
9.如权利要求8所述的风力发电系统，其特征在于，该第二变换电路包含一第二机侧变换器，该第二机侧变换器包含三个桥臂。
10.如权利要求9所述的风力发电系统，其特征在于，该多个第一变换电路的该第一机侧变换器及该第二变换电路的该第二机侧变换器采用正弦脉波宽度调制而进行载波移相控制，且当该第二变换电路处于该非撬棍模式运作时，每一该第一机侧变换器的两个该桥臂的载波及该第二变换电路的三个该桥臂中对应的该桥臂的载波之间的相移角度分别为120°。
11.如权利要求9所述的风力发电系统，其特征在于，其中该多个第一变换电路的该第一机侧变换器采用正弦脉波宽度调制而进行载波移相控制，且当该第二变换电路处于该撬棍模式运作时，每一该第一机侧变换器的两个该桥臂的载波之间的相移角度为180°。
12.如权利要求5所述的风力发电系统，其特征在于，该第一变换电路及该第二变换电路为两电平的电路架构。
13.如权利要求5所述的风力发电系统，其特征在于，该第一变换电路及该第二变换电路为为三电平的电路架构。
14.如权利要求6所述的风力发电系统，其特征在于，该第二变换电路为三相/三相转换电路，且为交流/交流的电路架构。
15.如权利要求14所述的风力发电系统，其特征在于，其中每一该第一变换电路包含一第一机侧变换器，且该第一机侧变换器包含两个桥臂，而每一该该第一机侧变换器采用正弦脉波宽度调制而进行载波移相控制，每一该第一机侧变换器的两个该桥臂的载波之间的相移角度为180°。
16.如权利要求14所述的风力发电系统，其特征在于，该第二变换电路为双级矩阵变换电路。
17.如权利要求14所述的风力发电系统，其特征在于，该第二变换电路为常规矩阵变换电路。
18.如权利要求5所述的风力发电系统，其特征在于，该第一变换电路为三相/单相转换电路，且为交流/交流的电路架构。
19.如权利要求18所述的风力发电系统，其特征在于，该第一变换电路为三相/单相矩阵变换电路。
20.如权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，该多个第一变换电路为三个，且该隔离变压器的该次级绕组的个数对应于该第一变换电路的个数与该第二变换电路的个数的总和而为四个。
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