CN201039016Y - 兆瓦级直驱式风电并网变流器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种兆瓦级直驱式风电并网变流器，它包括发电机侧三相滤波电容器、整流器单元、升压斩波器单元、逆变器单元、网侧三相滤波电容器和变压器，风力发电机连接三相滤波电容器，三相滤波电容器连接整流器单元，整流器单元连接升压斩波器单元，升压斩波器单元连接逆变器单元，逆变器单元连接三相滤波电容器，三相滤波电容器连接变压器，变压器连接工频电网。本实用新型产品不但大大降低风电设备的成本，而且可以提高我国在世界风电行业的竞争力，为我国风电技术出口，提升在世界风电市场上的地位奠定基础。

Description

兆瓦级直驱式风电并网变流器

(一)技术领域

本实用新型属于能源技术领域，具体涉及一种兆瓦级功率等级的风力发电用全功率并网变流器。

(二)背景技术

风力发电在整个世界电力市场上呈现出强劲的发展势头，为了推动并网型风力发电的发展，国家发改委组织制定的《可再生能源中长期发展规划》中明确要求，2010年全国风电装机容量达到500万千瓦，2020年全国风电装机容量达到3000万千瓦。目前的风力发电机单机容量不断增大，变速恒频、变桨矩型风力机逐渐占据了主导地位。变速恒频交流励磁双馈电机和直驱多极永磁电机被公认为最有前景的风力发电方案，成为兆瓦级风电机组的首选方案，也是我国进军兆瓦级风电市场的主攻方向。

齿轮箱是在目前MW级交流励磁双馈风力发电机组中过载和过早损坏率较高的部件，从上世纪末开始，以德国Enercon为首的风电机组制造商，推出了一系列无齿轮箱直驱式风力发电系统。这种机组采用多级风力发电机与叶轮直接耦合连接进行驱动的方式，免去齿轮箱这一传统部件，具备低噪声、提高机组寿命、减小机组体积、降低运行维护成本、较低的噪音、低风速时高效率等多种优点，在今后风力机发展中有很大的发展空间。可以预计，省去齿轮箱的直驱式风力发电系统将成为未来风力发电技术发展的主要方向。

直驱式风力发电机组的并网变流器功率等级与发电机组相当，发电机发出的电能全部通过变流器变换为频率、电压恒定的交流电馈入电网，并通过对电机侧变流器电流的控制而控制电磁转距，使之实现最大功率输出。与电机直接并网的风力发电系统相比，变流器在发电机组与电网之间的使用，实现了发电机组与电网间的隔离，转速与电网频率之间的耦合问题将得以解决，也在一定程度上避免了因电网波动对发电机组稳定运行所带来的不利影响。欧美国家在风电技术上处于领先地位，很多进入风机市场的公司，诸如Enercon、ABB等都推出了2MW-5MW的相关产品。在永磁直驱变速恒频风力发电系统中，永磁电机通过全容量的功率变流器与电网相连，实现变速恒频发电。德国的风机巨头Enercon公司采用如图1所示主电路拓扑结构。这是一种技术最为成熟，运行最为可靠，适应范围最为广泛的技术方案，而且能够四象限运行，因此在实践中得到了广泛的应用。但这种电路的控制系统较为复杂，而且成本也相对较高，因此在推广中也受到一定的限制。瑞士的ABB公司采用三电平的主电路结构来解决大功率尤其是兆瓦级以上的风电系统(如图2所示)。由于采用了永磁中压发电机，其产生的电压是4KV等级，所以采用三电平的背靠背式方案为最佳选择。虽然三电平变流器可以产生很低的电流电压谐波畸变率，并且需要很小的滤波装置，但是采用的IGCT开关器件的增加以及分立电容间的中性点电压漂移限制了这种主电路结构的应用。此外最近有文献报道中性点漂移可以采用控制的方式得到解决，但是由于我国的风机厂商的技术参数大多是690VAC(截止2006底，中国所有装机的风力发电机机组都是690VAC的低压机组)，这更加限制多电平结构在我国的应用。传统的电流型交直交变流器采用自然换流晶闸管作为开关器件，其直流侧电感比较昂贵，由于其低频性能比较差，因而风力发电中很少应用。Rockwell公司的PowerFlex7000是采用SGCT的电流型变流器(如图3所示)，适用于中压风机，而风力发电机为690VAC，因此电压等级不适用，此外PowerFlex7000在低速和零速附近的性能需要改进。

目前，国内在兆瓦级风力发电用功率变流器的研究和制造方面总体上处于起步阶段，尤其是2MW及以上功率风力发电用功率变流器更是一片空白。由于兆瓦级变速恒频风电电控设备尤其是功率变流器长期依赖国外进口，制约着我国风电产业化进程。

(三)发明内容

本实用新型的目的是提供一种新型的用于直驱式兆瓦级功率等级的风力发电用的功率变流器。

本实用新型的目的是这样实现的：它包括发电机侧三相滤波电容器、整流器单元、升压斩波器单元、逆变器单元、网侧三相滤波电容器和变压器，风力发电机连接三相滤波电容器，三相滤波电容器连接整流器单元，整流器单元连接升压斩波器单元，升压斩波器单元连接逆变器单元，逆变器单元连接三相滤波电容器，三相滤波电容器连接变压器，变压器连接工频电网。

本实用新型还有这样一些结构特征：

1、所述的整流器单元由至少一个不可控三相二极管整流器构成，多个不可控三相二极管整流器并联连接；

2、所述的升压斩波器单元由至少一个升压斩波器构成，多个升压斩波器并联连接，每个升压斩波器包括前端稳压电容器、斩波电感、可关断开关器件、二极管和输出端母线电容器，稳压电容器、斩波电感和二极管串联连接，斩波电感和二极管串联节点处并联可关断开关器件，斩波电感和二极管支路的首尾两端各并联一个电容器，输出母线的中点接地；

3、所述的逆变器单元由至少一个三相全控逆变器构成，多个三相全控逆变器并联连接，每个三相全控逆变器包括由三相桥臂组成的逆变器和并网电感，逆变器每组桥臂的连接点分别连接并网电感；

4、所述的发电机侧三相滤波电容器是由星型连接的电容构成；所述的网侧三相滤波电容器是由星型连接的电容构成，并中点接地。

根据风力发电机的功率等级以及绕线相数的匹配，整流器单元可由一个或多个不可控三相二极管整流器并联而成，升压斩波器单元可以选择不同个数的升压斩波器并联，同样逆变器单元可以选择两个或者两个以上的三相全控逆变器并联组成。本实用新型的主电路中功率开关器件均采用的是IGBT但不限于IGBT。

工作时，由于风速的变化，风力机带动风力发电机发出三相频率及幅值都变化交流电，经过发电机侧三相滤波电容器滤波后进入整流器单元。整流器单元将三相幅频均变化的交流电整流成多脉波的幅值变化的直流电。直流电经过升压斩波器单元后，将低幅值的变化的直流电升压为幅值稳定的直流母线电压，然后直接馈电到逆变器单元。因此即使在较低风速下，升压斩波器单元也能保证直流母线电压的稳定，从保证系统满足并网条件。升压斩波器首尾两端的电容器均为滤波电容器，可以滤除直流电中的高次谐波。直流母线电压经过PWM控制的逆变器单元后输出恒频恒幅的三相交流电。三相交流电经由逆变器单元中的三相并网电感平波再由网侧三相滤波电容器滤波后，即可得到恒频恒幅与电网同相的三相准正弦交流电，满足并网条件，然后经过变压器升压后并入电网。其中三相并网电感除了具有平波作用外，还有调节并网电流的相位的作用，使之能够满足交流电并网条件。此外开关器件IGBT中寄生的续流二极管，除了具有续流作用外，还是无功功率的通道，因此也被称作反馈二极管。

本实用新型的有益效果有：

1.简单的电路结构使得变流器的成本得以有效的降低。

2.并网逆变器在保证了并网电流品质的基础上，实现了系统功率因数可调。

3.模块化的单元并联结构可以在同等开关电压电流应力的开关器件的基础上，实现更高的风力发电用变流器的功率等级，并且可以更为方便的实现产品的系列化。

本实用新型产品不但大大降低风电设备的成本，而且可以提高我国在世界风电行业的竞争力，为我国风电技术出口，提升在世界风电市场上的地位奠定基础。

(四)附图说明

图1是背靠背式永磁直驱变流器；

图2是三电平背靠背式永磁直驱变流器；

图3是电流源型变流器；

图4是本实用新型的并网变流器主电路结构。

(五)具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作更详细的描述：

结合图4，本实施例包括：一台兆瓦级功率等级的风力发电机、发电机侧三相滤波电容器C_f1、整流器单元、升压斩波器单元、逆变器单元、网侧三相滤波电容器C_f2、C_f3、变压器和工频电网。整流器单元是由三相不可控二极管整流器构成，其包括六个二极管(D₁～D₆)。升压斩波器单元是由多个升压斩波器形成，每个升压斩波器都是由直流侧滤波电容C₁、电感L₁、开关管T₁、二极管D₇和直流侧支撑电容C₂和C₃构成。逆变器单元是由两个或两个以上的三相全控逆变器并联组合而成，每个逆变器又是由六个开关管(T₁₁～T₁₆、T₂～T₂₆)含续流二极管(D₁₁～D₁₆、D₂₁～D₂₆)和并网电感(L₃₁、L₃₂)构成。

1.构建各个单元环节，包括整流器单元、升压斩波器单元和逆变器单元。

首先构建整流器单元。将六个二极管(D₁～D₆)两两一组，分别是D₁和D₄、D₃和D₆、D₅和D₂，然后每组中的两个器件首尾相连形成一组桥臂，然后将三组桥臂并联。如果有多个整流器，把多个桥臂的两端并联即可。

其次构建升压斩波器单元。将电感L₁和二极管D₇串联，然后在其节点处并联一开关管T₁，最后在L₁-D₇支路的首尾两端各并联一电容器，其中电感前端的电容器为C₁，二极管D，后面的电容器是由C₂和C₃串联而成，以形成直流母线。两只电容器C₂和C₃的中点接地。若升压斩波器单元是由多个升压斩波器构成，只需将单个升压斩波器并联即可。为了增强滤波电容的滤波效果和使用寿命，滤波电容可以采用单个电容三串两并的滤波电容组结构。

最后构建逆变器单元。逆变器单元的具体实施方式是首先构成单个逆变器，然后将单个逆变器并联即可。将六只开关器件(T₁₁～T₁₆)含续流二极管(D₁₁～D₁₆)(本实用新型采用IGBT但不限于IGBT)两两一组，分别是T₁₁和T₁₄、T₁₃和T₁₆、T₁₅和T₁₂，其次将每组中的两个器件首尾相连形成三组桥臂，每组桥臂的连接点分别连接到三相并网电感L₃₁，然后将三组桥臂相互并联即形成三相全控逆变器主电路。按照同样的实施方式也可将开关器件(T₂₁～T₂₆)含续流二极管(D₂₁～D₂₆)和三相并网电感L₃₂形成另一逆变器，最后将两个逆变器并联起来形成逆变器单元。为了匹配更高功率等级的要求，只需将多个单个逆变器并联即可。

2.然后将风力发电机经过发电机侧三相滤波电容器C_f1顺序连接到整流器单元、升压斩波器单元、逆变器单元，然后经由网侧三相滤波电容器C_f2、C_f3滤波后，连接到变压器升压后并入电网。

Claims (5)

1.一种兆瓦级直驱式风电并网变流器，它包括变压器，其特征是它还包括发电机侧三相滤波电容器、整流器单元、升压斩波器单元、逆变器单元和网侧三相滤波电容器，风力发电机连接三相滤波电容器，三相滤波电容器连接整流器单元，整流器单元连接升压斩波器单元，升压斩波器单元连接逆变器单元，逆变器单元连接三相滤波电容器，三相滤波电容器连接变压器，变压器连接工频电网。

2.根据权利要求1所述的兆瓦级直驱式风电并网变流器，其特征是所述的整流器单元由至少一个不可控三相二极管整流器构成，多个不可控三相二极管整流器并联连接。

3.根据权利要求1所述的兆瓦级直驱式风电并网变流器，其特征是所述的升压斩波器单元由至少一个升压斩波器构成，多个升压斩波器并联连接，每个升压斩波器包括前端稳压电容器、斩波电感、可关断开关器件、二极管和输出端母线电容器，稳压电容器、斩波电感和二极管串联连接，斩波电感和二极管串联节点处并联可关断开关器件，斩波电感和二极管支路的首尾两端各并联一个电容器，输出母线的中点接地。

4.根据权利要求1所述的兆瓦级直驱式风电并网变流器，其特征是所述的逆变器单元由至少一个三相全控逆变器构成，多个三相全控逆变器并联连接，每个三相全控逆变器包括由三相桥臂组成的逆变器和并网电感，逆变器每组桥臂的连接点分别连接并网电感。

5.根据权利要求1所述的兆瓦级直驱式风电并网变流器，其特征是所述的发电机侧三相滤波电容器是由星型连接的电容构成；所述的网侧三相滤波电容器是由星型连接的电容构成，并中点接地。

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