CN202435296U - 风力发电中单相整流升压电路 - Google Patents

风力发电中单相整流升压电路 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开一种电力电子技术领域的风力发电中单相整流升压电路，包括风电机组、变压器、整流电路和控制模块，风电机组的输出端经过变压器与整流电路相连。变压器为Scott变压器，整流电路为两级单相PWM整流器。永磁同步电机发出的三相交流电压经过Scott变压器变换为相位差90°的两相电，再经过整流电路可获得稳定的直流电压和大功率输出，其中两级单相PWM整流器的控制算法为载波幅值可调、负逻辑PWM发生的功率因数校正算法。本实用新型可以实现电机侧单位功率因数运行和灵活可靠的调压能力，在输入电压较低的情况下依然可以保证符合电网要求的电压输出，结构新颖，实用性强，控制简便，易于实现，成本较低。

Description

风力发电中单相整流升压电路
技术领域
本实用新型涉及的是一种电力电子技术领域的AC-DC变换器，具体是一种两级单相PWM整流器，即风力发电中单相整流升压电路。
背景技术
随着我国智能电网的发展，风力发电等分布式发电系统在整个能源结构中的比例逐步上升。由于风速和负载的不稳定性，以及风电变换器设计的不足等原因，风力机驱动永磁同步电机(PMSG)产生的电流往往不是标准的正弦波。这会引起PMSG转矩脉动，损耗增加，功率因数降低等问题，大大影响风电系统的效率，甚至造成设备损毁。在风速较低的时候，发电机发出的三相电压的幅值和频率均会降低，导致传统的二极管不控整流的风电变换器输出的电压无法回馈电网，风力发电系统进入待机状态，风能利用率降低。而输入端串联升压电感的三相PWM整流器不仅具有升压功能，而且可实现单位功率因数运行，在风电变换器领域具有良好的应用前景。
为了完成交流电压输入-标准电网电压输出，可以采用交-交变换器，也可以采用交-直-交两级变换器结构。其中，交-交变换器包括矩阵变换器和周波变换器，单相输入的交-交变换器的电路简单，控制容易，成本较低，但是其功能受限，调压与变频能力差，低压穿越能力差，输入功率因数低，如果不加以正确处理，工频交流电源就会出现功率因数不为1的情况，大量的谐波电流会产生多种危害，为此必须加以处置；三相输入的交-交变换器的功能齐全，性能高，但是其电路复杂，控制繁琐，成本高，低压穿越能力差。单相、三相输入的交-直-交变换器包括两级结构：前级AC-DC变换器和后级DC-AC变换器，其功能齐全，性能高，低压穿越能力强，需要采用功率因数校正器来降低网侧谐波电流。
经过对现有适合交流电压输入-标准电网电压输出的应用场合的风电变换器技术的检索发现，“永磁直驱风电系统变流器拓扑分析”(电力自动化设备，2008年第4期28卷)中描述的风电变换器采用了二极管不控整流电路，虽然电路结构简单，实用性强，但是谐波含量高，功率因数低，输出端需连接升压环节，难以满足电网电压的要求；“直驱式风电系统网侧变换器控制策略研究”(可再生能源，2010年第5期28卷)中描述的风电变换器控制策略复杂，应用难度特别大。
综上所述，交-交变换器结构简单，成本较低，但存在调压与变频能力差，低压穿越能力差，输入功率因数低的不足，需要输入功率因数校正来降低网侧谐波干扰，不能适用于交流电压输入-标准电网电压输出的应用场合；交-直-交变换器性能高，低压穿越能力强，但是控制繁琐，成本较高。随着实践应用的扩大，设计一种功能全面、高输入功率因数，控制策略简单的风电变换器已成为本领域技术人员的当务之急。
实用新型内容
本实用新型针对现有技术的上述不足，提供一种风力发电中单相整流升压电路，使其实现交流-直流变换，具有线性输入阻抗，解决低压穿越问题，输出直流电压升降可调的功能，支持四象限工作，具有结构简单，控制容易和成本低廉的优点。
本实用新型是通过以下技术方案实现的，本实用新型包括：风电机组、变压器、整流电路和控制模块。其中：所述风电机组的输出端经过变压器与整流电路的输入端相连，所述控制模块设有PWM驱动脉冲输出端，所述控制模块的PWM驱动脉冲输出端与所述整流电路相连，所述整流电路中的输入电流和输出直流电压信号被送入到控制模块中。
所述的风电机组包括风车、机械传动轴和永磁同步电机，风车通过机械传动轴与永磁同步电机相连。
所述的变压器为Scott变压器，该变压器原边有两个绕组，接成倒T形，分别称为高绕组和底绕组。其中，底绕组接入电机的B相和C相，高绕组接入电机的A相和底绕组的中心点，底绕组和高绕组的匝数比为
Figure BDA0000126124310000021
变压器副边为两个匝数相同的单相绕组，在空间结构上分别与倒T形原边绕组相对应，构成互成90°相位差的两相副边电压。
所述的整流电路的结构为两级单相PWM整流器，其输出端并联，输入端分别与Scott变压器的两个输出端相连。所述的单相PWM整流器为四个逆导开关组成的单相全控整流桥，单相全控整流桥的输入端串联升压电感，输出端并联滤波电容。整流电路的输出端输出直流电压。所述的逆导开关基极接受经过隔离驱动器隔离的PWM脉冲控制信号。
所述的控制模块为实现载波幅值可调的、负逻辑PWM发生的功率因数校正策略的控制电路，输出直流电压参考值与实际值相减，经过误差滤波放大后，电压外环产生控制量，再与标准锯齿载波相乘，得到变幅值的锯齿载波，其次再与检测的各电感电流进行比较产生原始置位脉冲，送入RS触发器(双稳触发器)，同时RS触发器的复位端接收与准锯齿载波同步的复位信号，最终分解出六路驱动脉冲，该脉冲经隔离驱动器隔离后驱动功率开关。
本实用新型通过以下方式进行工作：风车捕获风能，通过机械传动轴带动永磁同步电机旋转，输出三相交流电压，三相交流电压经Scott转换为相位差90°的两相电，该两相电经过两级单相PWM整流器整流，产生平稳的直流电压和大功率输出，后级可连接三相逆变器将直流电压转换为三相交流电回馈电网。由于输入端串联升压电感，单相PWM整流器可等效为两级并联的Boost升压电路，在风力较小，产生的电压较低的情况下依然可以保证输出电压等级满足电网的要求。两级单相PWM整流器采用载波幅值可调的功率因数校正算法，使得Scott变压器的输出侧呈现线性输出阻抗，该线性输出阻抗反射至电机输出侧，使电机侧也为单位功率因数，可保证电机平稳运行。其中控制算法所需的电感电流通过电流互感器或电流传感器测得，输出电压通过线性隔离放大器测得。
本实用新型所设计的用于风电变换的两级单相PWM整流器，可以实现灵活的、可靠的调压能力和获得线性输入阻抗，克服交-交变换器电源与负载波动相互干扰的不足，并且在输入电压较低的情况下依然可以保证符合电网要求的电压输出。本实用新型风力发电中单相整流升压电路具有设计结构新颖、通用性强、控制简便等特征。
附图说明
图1为本实用新型实施例的电路原理图；
具体实施方式
下面对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例提供一种风力发电中单相整流升压电路，包括：风电机组1、变压器2、整流电路3和控制模块4。其中：风电机组1的输出端通过变压器2与整流电路3的输入端相连，控制模块4的PWM驱动脉冲与整流电路3中相应功率器件的门级相连，整流电路3中的两路输入电流和输出直流电压信号被送入到控制模块4(本实施例中，控制模块采用控制电路实现)。
所述的风电机组1包括风车Tu1、机械传动轴MS1和永磁同步电机MG1，风车Tu1通过机械传动轴MS1与永磁同步电机MG1相连。
所述的变压器2为Scott变压器，该变压器原边有两个绕组，接成倒T形，分别称为高绕组和底绕组。其中，底绕组接入电机MG1的B相和C相，高绕组接入电机MG1的A相和底绕组的中心点，底绕组和高绕组的匝数比为
Figure BDA0000126124310000041
变压器副边为两个匝数相同的单相绕组，在空间结构上分别与倒T形原边绕组相对应，构成互成90°相位差的两相副边电压。
所述的整流电路3的结构为两级单相PWM整流器，其输出端并联，输入端分别与Scott变压器的两个输出端相连。所述的单相PWM整流器为四个逆导开关S1～S4/S5～S8组成的单相全控整流桥，单相全控整流桥的输入端串联升压电感L1/L2，输出端并联滤波电容(E1/E2)。整流电路的输出端输出直流电压。所述的逆导开关S1～S8的基极接受经过隔离驱动器隔离的PWM脉冲控制信号。
所述的逆导开关S1～S8为SiC功率MOSFET 15kV/5A/100℃，逆导开关的PWM驱动脉冲的占空比根据闭环控制结果可调，开关频率20kHz。
所述的升压电感L1和L2均为非晶体材料，采用平面结构，感值为750μH。
所述的滤波电容E1和E2均为铝电解电容2200μF/450V。
如图所示，所述的控制模块4为实现载波幅值可调、负逻辑PWM发生的功率因数校正算法的控制电路，输出直流电压参考值Uref与实际值相减Uo，经过误差滤波放大器后，电压外环产生电压控制量，再分别与标准锯齿载波Cr1和Cr2相乘，Cr1与Cr2的相移为180°，得到变幅值的锯齿载波，其次再分别与检测的整流电路3中电感电流进行iL1和iL2比较，产生原始置位脉冲，分别送入两只RS触发器(双稳触发器)，同时RS触发器的复位端接收与准锯齿载波同步的复位信号Sync1和Sync2，Sync1与Sync2的相移为180°，得到四路PWM驱动信号，再经过隔离驱动器后，分解出八路具有驱动能力的驱动脉冲，送入整流电路3中驱动相应的八只功率开关，驱动脉冲的标号与功率开关的标号一一对应。
本实施例中，输入风速为6～10m/s，输出直流电压为690V，额定输出功率为400kW。所有元器件均采用高精度。
本实用新型采用一种基于载波幅值可调的功率因数校正算法控制的两级单相PWM整流器作为风电变换器，将永磁同步电机输出的交流电变换为符合后级逆变器要求的直流电，可以实现电机侧单位功率因数运行以及灵活、可靠的调压能力，克服了电源与负载波动相互干扰的不足，并且在输入电压较低的情况下依然可以保证符合电网要求的电压输出。同时，整个电路非常简单，检测电量和被控电量少，控制器采用载波幅值可调、负逻辑PWM发生的功率因数校正算法，设计复杂度降低，已获得仿真分析和实验初步验证。而现有的不控整流加逆变、交交变换方案的共同不足是：功能受限，控制繁琐，不便于实现，调压与变频能力差，低压穿越能力差，输入功率因数低。如果不加以正确处理，电机侧电源就会出现功率因数不为1的情况，大量的谐波电流会产生多种危害，如转矩脉动、损耗增加，甚至损毁电机。
本实用新型可以实现灵活的、可靠的调压能力和获得线性输入阻抗，克服交-交变换器电源与负载波动相互干扰的不足，并且在输入电压较低的情况下依然可以保证符合电网要求的电压输出。本实用新型风力发电中单相整流升压电路具有设计结构新颖、通用性强、控制简便等特征。
尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种风力发电中单相整流升压电路，包括：风电机组、变压器、整流电路和控制模块，其特征在于：风电机组的输出端经过变压器与整流电路的输入端相连，控制模块设有PWM驱动脉冲输出端，该PWM驱动脉冲输出端与整流电路相连，整流电路中的输入电流和输出直流电压信号被送入到控制模块中；
所述变压器为Scott变压器，该变压器原边有两个绕组，接成倒T形，分别为高绕组和底绕组，底绕组接入风电机组电机的B相和C相，高绕组接入风电机组电机的A相和底绕组的中心点，底绕组和高绕组的匝数比为
Figure FDA0000126124300000011
；变压器副边为两个匝数相同的单相绕组，在空间结构上分别与倒T形原边绕组相对应，构成互成90°相位差的两相副边电压。
2.根据权利要求1所述的风力发电中单相整流升压电路，其特征是，所述的整流电路的结构为两级单相PWM整流器，其输入端分别与Scott变压器的两个输出端相连，输出端并联。
3.根据权利要求2所述的风力发电中单相整流升压电路，其特征是，所述的单相PWM整流器为四个逆导开关组成的单相全控整流桥，单相全控整流桥的输入端串联升压电感，输出端并联滤波电容，整流电路的输出端输出直流电压。
4.根据权利要求3所述的风力发电中单相整流升压电路，其特征是，所述的逆导开关的基极接受经过隔离驱动器隔离的PWM脉冲控制信号。
5.根据权利要求1-4任一项所述的风力发电中单相整流升压电路，其特征是，所述的控制模块为实现载波幅值可调的、负逻辑PWM发生的功率因数校正策略的控制电路。
6.根据权利要求1所述的风力发电中单相整流升压电路，其特征是，所述的风电机组包括风车、机械传动轴和永磁同步电机，风车通过机械传动轴与永磁同步电机相连。
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