CN202405797U - 电励磁同步发电机用全功率风电变流器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种电励磁同步发电机用全功率风电变流器，属于风力发电技术领域，包括电机侧变流器、网侧变流器和两个直流侧滤波电容C1、C2，电机侧变流器的交流输入端与电励磁同步发电机电连接，电机侧变流器的直流输出端通过直流侧滤波电容与网侧变流器的直流母线侧电连接，网侧变流器的交流侧接至电网，还包括直流斩波电路，直流斩波电路并接于网侧变流器直流母线，电机侧变流器为两象限三电平Vienna整流器，网侧变流器为采用可控开关的功率器件构成的二极管中点箝位式拓扑结构的电压型三电平变流器，直流侧滤波电容C1和C2串联后与电机侧变流器的直流侧并联。有益效果是有效降低输出电压畸变率，损耗降低，输出波形质量好，节约成本，维护方便。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种电励磁同步发电机用全功率风电变流器，属于风力发电技术领域。
背景技术
在全球能源问题日益突出的今天，风能作为一种可再生、无污染而且储量巨大的能源受到人类的高度重视，各国政府更是将这种相对于火力发电最具有竞争力的风力发电作为促进电力结构多样化及环境与生态改善的重要途径。 目前，风电机组大致可分为双馈式风电机组和全功率风电机组，全功率风电机组是将风能转变成电能的一种重要形式，其简单、高效、易于实现低电压穿越的特性在风电领域深受青睐，成为了风力发电不错的解决方案。
全功率风电机组通过发电机将风力机获取的风能转化为电能，发电机定子输出经全功率变流器将时变的交流电能变成幅值与频率恒定的交流电能。在大功率应用场合，全功率风力发电机组采用的是低速永磁同步发电机，随着永磁体原材料价格飞速增长，造成发电机成本猛增，提高了风电机组成本。为了避免永磁体价格波动带来的影响，同时保留同步风电机组的优良特性，采用电励磁同步发电机成为科研单位和整机厂家新的选择。电励磁同步发电机可提供高效优质电能转换，便于实现无功功率调节，提高系统稳定性，然而针对这一新型机组方案，所需配套使用的全功率变流器的研究在国内尚处于科研起步阶段，无相应产品。
此外，现在主流的风电机组多为660V或690V的低压系统，对于大功率的并网变流器，由于受到功率器件电流等级的限制，一般采用变流器并联或者功率器件并联的方式提高变流器的容量，从而使得风电机组的全功率变流器的设计和控制变得复杂。与此同时，国内外主流的风电机组单机容量已经大于2MW，现有5MW全功率变流器多采用背靠背的双三电平四象限运行的变流器方案，但是背靠背的双三电平结构的变流器，对于无需能量双向流动的全功率风力发电系统，不免显得资源浪费。随着风电机组单机容量的增长与风电机组成本的降低，势必对全功率变流器提出了新的挑战，现有全功率变流器的技术方案已经不能适应新的要求。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本实用新型提供一种电励磁同步发电机用全功率风电变流器，能够有效降低输出电压畸变率，损耗降低。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种电励磁同步发电机用全功率风电变流器，包括电机侧变流器、网侧变流器和两个直流侧滤波电容C1、C2，电机侧变流器的交流输入端与电励磁同步发电机电连接，电机侧变流器的直流输出端通过直流侧滤波电容与网侧变流器的直流母线侧电连接，网侧变流器的交流侧接至电网，还包括直流斩波电路，直流斩波电路并接于网侧变流器直流母线，电机侧变流器为两象限三电平Vienna整流器，网侧变流器为采用可控开关的功率器件构成的二极管中点箝位式拓扑结构的电压型三电平变流器，直流侧滤波电容C1和C2串联后与电机侧变流器的直流侧并联。
两象限三电平Vienna整流器包含3相结构相同的桥臂，每相桥臂包含六只功率二极管和1只可控开关的功率器件，在A相桥臂中，可控开关的功率器件Sa1与串联的功率二极管Da2、Da3及串联的功率二极管Da5、Da6组成并联拓扑结构，并联形成的拓扑结构两端分别与两个功率二极管Da1、Da4串联构成Vienna整流器的单相桥臂拓扑结构。
二极管中点箝位式拓扑结构的电压型三电平变流器包含3相结构相同的桥臂，每相桥臂有四只可控开关的功率器件，两只箝位二极管和四只续流二极管，在u相桥臂中，四只可控开关的功率器件S1a、S2a、S3a、S4a分别与四只续流二极管D3a、D4a、D5a、D6a反并联连接，功率二极管D1a、D2a串联，并与串联的两只可控开关的功率器件S2a、S3a并联，并联形成的拓扑结构两端分别与两只功率器件S1a、S4a串联构成二极管中点箝位式拓扑结构的电压型三电平变流器的单相桥臂拓扑结构。
直流斩波电路包括可控开关的功率器件S、续流二极管VD、储能元件电感L和储能元件电容C，可控开关的功率器件S的集电极与直流母线的正母线相连，功率器件S的发射极分别与储能元件电感L的一端和续流二极管VD的阴极连接，电感L的另一端与储能元件电容C的一端连接，电容C的另一端与续流二极管VD的阳极连接后与直流母线负母线相连。
本实用新型的有益效果是：两象限三电平Vienna整流器与传统两电平整流器相比，为三电平结构，有效降低输出电压畸变率，减轻对功率器件和电机绝缘的影响，还可以损耗降低；二极管中点箝位式电压型三电平变流器的开关频率低，输出波形质量好，直流母线利用率高，减小了系统损耗；采用直流斩波电路进行直流励磁，可实现电能的高效率变换，同时省略了传统晶闸管整流装置，节约了成本，大大降低了控制的复杂性；电机侧变流器与网侧变流器背靠背的拓扑结构利于功率系统结构化设计，方便维护，增强系统可靠性。
附图说明
图1为本实用新型发电系统图；
图2为两象限三电平Vienna整流器；
图3为二极管中点箝位式电压型三电平变流器拓扑结构图；
图4为直流斩波电路图。
图中：1、电励磁同步发电机，2、电机侧变流器，3、网侧变流器，4、电网。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型作进一步说明。
如图1、图2、图3和图4所示，一种电励磁同步发电机用全功率风电变流器，包括电机侧变流器、网侧变流器和两个直流侧滤波电容C1、C2，电机侧变流器的交流输入端（A、B、C）与电励磁同步发电机相连，电机侧变流器的直流输出端通过直流侧滤波电容与网侧变流器的直流母线侧电连接，网侧变流器的交流侧（u、v、w）接至电网。电机侧变流器实现对电励磁同步发电机的变速控制，网侧变流器实现并网控制，直流斩波电路并接于网侧变流器直流母线，提供电励磁同步发电机可调直流励磁，电机侧变流器为两象限三电平Vienna整流器，网侧变流器为采用可控开关的功率器件构成的二极管中点箝位式拓扑结构的电压型三电平变流器，直流侧滤波电容C1和C2串联后与电机侧变流器的直流侧并联。
两象限三电平Vienna整流器包括功率二极管Da1～Da6、Db1～Db6、Dc1～Dc6和可控开关的功率器件Sa1、Sb1、Sc1，有3相结构相同的桥臂，每相桥臂包含6只功率二极管和1只可控开关的功率器件，以A相桥臂为例，可控开关的功率器件Sa1与串联的功率二极管Da2、Da3及串联的功率二极管Da5、Da6组成并联拓扑结构，并联形成的拓扑结构两端分别与两个功率二极管Da1、Da4串联构成Vienna整流器的A相桥臂拓扑结构，串联的功率二极管Da2，Da3、Db2，Db3和Dc2，Dc3的中点分别接于电励磁同步发电机的A、B、C三相上，串联的功率二极管Da5，Da6、Db5，Db6和Dc5，Dc6的中点均与两直流侧滤波电容C1、C2中点电位电连接，两象限三电平Vienna整流器为三电平整流器，采用的功率器件数量仅为Sa1、Sb1、Sc1三只，当功率器件开通时，连接于直流母线的二极管可以阻断直通电流，提高了整流器的可靠性。
二极管中点箝位式拓扑结构的电压型三电平变流器包括箝位二极管D1a～D2a，D1b～D2b，D1c～D2c、可控开关的功率器件S1a～S4a, S1b～S4b, S1c～S4c和续流二极管D3a～D6a,D3b～D6b,D3c～D6c，有3相结构相同的桥臂，每相桥臂有四只可控开关的功率器件，两只箝位二极管和四只续流二极管，以u相桥臂为例，四只可控开关的功率器件S1a、S2a、S3a、S4a分别与四只续流二极管D3a、D4a、D5a、D6a反并联连接，功率二极管D1a、D2a串联，并与串联的两只可控开关的功率器件S2a、S3a并联，并联形成的拓扑结构两端分别与两只功率器件S1a、S4a串联构成二极管中点箝位式拓扑结构的电压型三电平变流器的单相桥臂拓扑结构，串联的可控开关的功率器件S2a，S3a、S2b，S3b和S2c，S3c的中点分别接于电网的u、v、w三相上，串联的D1a，D2a、D1b，D2b和D1c，D2c的中点均与两直流侧滤波电容C1、C2中点电位电连接，续流二极管和功率器件反并联，箝位二极管的作用是在功率器件导通时提供电流通道而又防止电容短路。控制上，网侧变流器实质上是整流器工作于逆变状态，网侧变流器将直流母线电压和电网电压作为其控制对象，主要控制直流母线电压稳定，同时将直流母线上的直流电能转化为与电网电压幅值、频率和相位一致的交流电能，在实现有功功率控制的同时，兼顾调节电网所需的无功功率。
直流斩波电路包括可控开关的功率器件S、续流二极管VD、储能元件电感L和储能元件电容C，可控开关的功率器件S的集电极与直流母线的正母线相连，功率器件S的发射极分别与储能元件电感L的一端和续流二极管VD的阴极连接，电感L的另一端与储能元件电容C的一端连接，电容C的另一端与续流二极管VD的阳极连接后与直流母线负母线相连，为了实现直流电压变化和适应不同负载情况，所以加入电感L和续流二极管VD，形成直流通道，起滤波作用。通过对一个周期内功率器件S的通断控制，实现对输出电压的控制。
本实用新型电机侧变流器为两象限三电平Vienna整流器，网侧变流器为二极管中点箝位式拓扑结构的电压型三电平变流器，使用功率器件少、直流母线电压利用率高，系统损耗小，可靠性高，可有效适应更高电压等级，满足风电机组大功率、高电压的发展趋势；能有效实现电励磁同步发电机变速恒频控制，提供绿色优质电能，提高系统可靠性和稳定性。
Claims (4)
1. 一种电励磁同步发电机用全功率风电变流器，包括电机侧变流器、网侧变流器和两个直流侧滤波电容C1、C2，电机侧变流器的交流输入端与电励磁同步发电机电连接，电机侧变流器的直流输出端通过直流侧滤波电容与网侧变流器的直流母线侧电连接，网侧变流器的交流侧接至电网，其特征在于，还包括直流斩波电路，直流斩波电路并接于网侧变流器直流母线，电机侧变流器为两象限三电平Vienna整流器，网侧变流器为采用可控开关的功率器件构成的二极管中点箝位式拓扑结构的电压型三电平变流器，直流侧滤波电容C1和C2串联后与电机侧变流器的直流侧并联。
2. 根据权利要求1所述的一种电励磁同步发电机用全功率风电变流器，其特征在于，所述两象限三电平Vienna整流器包含3相结构相同的桥臂，每相桥臂包含六只功率二极管和1只可控开关的功率器件，在A相桥臂中，可控开关的功率器件Sa1与串联的功率二极管Da2、Da3及串联的功率二极管Da5、Da6组成并联拓扑结构，并联形成的拓扑结构两端分别与两个功率二极管Da1、Da4串联构成Vienna整流器的单相桥臂拓扑结构。
3. 根据权利要求1所述的一种电励磁同步发电机用全功率风电变流器，其特征在于，所述二极管中点箝位式拓扑结构的电压型三电平变流器包含3相结构相同的桥臂，每相桥臂有四只可控开关的功率器件，两只箝位二极管和四只续流二极管，在u相桥臂中，四只可控开关的功率器件S1a、S2a、S3a、S4a分别与四只续流二极管D3a、D4a、D5a、D6a反并联连接，功率二极管D1a、D2a串联，并与串联的两只可控开关的功率器件S2a、S3a并联，并联形成的拓扑结构两端分别与两只功率器件S1a、S4a串联构成二极管中点箝位式拓扑结构的电压型三电平变流器的单相桥臂拓扑结构。
4. 根据权利要求1所述的一种电励磁同步发电机用全功率风电变流器，其特征在于，所述直流斩波电路包括可控开关的功率器件S、续流二极管VD、储能元件电感L和储能元件电容C，可控开关的功率器件S的集电极与直流母线的正母线相连，功率器件S的发射极分别与储能元件电感L的一端和续流二极管VD的阴极连接，电感L的另一端与储能元件电容C的一端连接，电容C的另一端与续流二极管VD的阳极连接后与直流母线负母线相连。
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