WO2021232927A1 - 反拖系统和风力发电机组 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种反拖系统和风力发电机组，其中反拖系统包含变流器，变流器包括第一全桥、第二全桥、直流母线；第一全桥与第二全桥通过直流母线背靠背连接；第一全桥的交流端口与外部交流电源断开；第一全桥的交流端口与第二全桥的交流端口电连接；直流母线用于和一外部直流电源电连接；第二全桥的交流端口作为反拖系统的输出端。本发明的反拖系统具有较强的带载能力，能够提供稳定的输出性能。

Description

反拖系统和风力发电机组
本申请要求申请日为2020/5/20的中国专利申请2020104328415的优先权。本申请引用上述中国专利申请的全文。
技术领域
本发明属于变流器技术领域，尤其涉及一种反拖系统和风力发电机组。
背景技术
一种传统的背靠背式双向变流器如图1所示。该双向变流器由全桥A和全桥B、直流母线DC Link组成，全桥A和全桥B背靠背设置，全桥A和全桥B有着相同的元器件。全桥A的输入端与电网Grid电连接，全桥B的三相输出端U、V、W与三相电机电连接。当该双向变流器执行反拖功能时，例如在三相电机需要运行在低速超大转矩条件下时，该双向变流器的逆变器电流超过其输出能力，但整流侧电流远小于其输出能力。此时，逆变器电流与整流侧电流不匹配，带载能力较弱，通常需要增加额外的设备来执行反拖功能，增加了成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中的变流器的带载能力较弱的缺陷，提供一种反拖系统和风力发电机组。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
本发明提供一种反拖系统，反拖系统包含变流器，变流器包括第一全桥、第二全桥、直流母线；
第一全桥与第二全桥通过直流母线背靠背电连接；第一全桥的交流端口与外部交流电源断开；
第一全桥的交流端口与第二全桥的交流端口电连接；
直流母线用于和一外部直流电源电连接；
第二全桥的交流端口作为反拖系统的输出端。
较佳地，反拖系统还包括外部接线端子，直流母线通过外部接线端子与外部直流电源电连接。
较佳地，变流器还包括电容，电容与第一全桥并联。
较佳地，反拖系统还包括第一开关模块；
第一全桥的交流端口通过第一开关模块与第二全桥的交流端口电连接。
较佳地，反拖系统还包括第二开关模块；第一全桥的交流端口通过第二开关模块与外部交流电源断开。
较佳地，变流器为双向变流器。
较佳地，第一全桥包括多个第一双向开关单元；第二全桥包括多个第二双向开关单元；第一双向开关单元和第二双向开关单元的额定电流不相同。
较佳地，第一开关模块包括第一开关、第二开关、第三开关；第二开关模块包括第四开关、第五开关、第六开关；
第一全桥包括第一相交流端、第二相交流端、第三相交流端；
第二全桥包括第一相交流端、第二相交流端、第三相交流端；
外部交流电源包括第一相端、第二相端、第三相端；
第一全桥的第一相交流端通过第一开关与第一相端断开，第一全桥的第二相交流端通过第二开关与第二相端断开，第一全桥的第三相交流端通过第三开关与第三相端断开；
第一全桥的第一相交流端通过第四开关与第二全桥的第一相交流端电连接，第一全桥的第二相交流端通过第五开关与第二全桥的第二相交流端电连接，第一全桥的第三相交流端通过第六开关与第二全桥的第三相交流端电连接。
较佳地，反拖系统还包括第一侧控制器、第二侧控制器、控制器接口单 元、第一全桥接口单元、第二全桥接口单元；
控制器接口单元分别与第一侧控制器、第二侧控制器、第一全桥接口单元、第二全桥接口单元电连接；
第一全桥接口单元与第一全桥电连接，第二全桥接口单元与第二全桥电连接；
第二开关模块断开时，第二侧控制器通过第一全桥接口单元控制第一全桥，并通过第二全桥接口单元控制第二全桥。
较佳地，外部交流电源包括电网，反拖系统的输出端用于连接电机。
本发明还提供一种风力发电机组，包含本发明的反拖系统。
较佳地，该反拖系统的变流器为风力发电机组的变流器，且设置于风力发电机组的机舱内。
较佳地，该反拖系统的变流器为风力发电机组的变流器，且设置于风力发电机组的塔筒内。
本发明提出的包含变流器的反拖系统具有较强的带载能力，能够提供稳定的输出性能，特别是在风力发电领域中，通过提高风力发电机组的变流器执行反拖功能时的带载能力，减少了额外设备的使用，降低了施工成本。
附图说明
图1为现有技术的背靠背式双向变流器的结构示意图。
图2为本发明的实施例1的反拖系统的结构示意图。
图3为本发明的实施例2的反拖系统的结构示意图。
图4为本发明的实施例3的反拖系统的结构示意图。
图5为本发明的实施例3的反拖系统的一种等效电路的示意图。
图6为本发明的实施例4的反拖系统的结构示意图。
图7为本发明的实施例5的风力发电机组的结构示意图。
图8为本发明的实施例6的风力发电机组的结构示意图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
本实施例提供一种反拖系统，该反拖系统包含变流器。参照图2，该变流器包括第一全桥101、第二全桥102、直流母线DC Link。第一全桥101与第二全桥102通过直流母线背靠背电连接，即第一全桥101的直流端口与第二全桥102的直流端口电连接。第一全桥101的交流端口与外部交流电源2断开；第一全桥101的交流端口与第二全桥102的交流端口电连接；直流母线DC Link用于和一外部直流电源Vin电连接；第二全桥102的交流端口作为反拖系统的输出端P2。
当第一全桥101的交流端口与外部交流电源2电连接，第一全桥101的交流端口与第二全桥102的交流端口断开，以及第二全桥102的交流端口与电机电连接时，该变流器可实现外部交流电源2与电机之间的能量传递。当第一全桥101的交流端口与外部交流电源2断开，且第一全桥101的交流端口与第二全桥102的交流端口电连接时，该变流器可作为逆变器，形成对折反拖结构，第二全桥的交流端口的输出电流则会扩大为原来的2倍，进而带载能力也得到加强。
在一种可选的实施方式中，外部交流电源为电网Grid，反拖系统的输出端用于连接电机。
实施例2
在实施例1的基础上，本实施例提供一种反拖系统。参照图3，在该反拖系统的变流器中，第一全桥和第二全桥均为三相全桥。在其他可选的实施方式中，第一全桥和第二全桥均为单相全桥、多相全桥、多电平全桥等。
该反拖系统的变流器通过第二开关模块103与外部交流电源断开。第二 开关模块103包括第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3。
第一全桥101包括第一相交流端、第二相交流端、第三相交流端；第二全桥102包括第一相交流端、第二相交流端、第三相交流端。第一全桥的第一相交流端、第二相交流端、第三相交流端与第二全桥的第一相交流端、第二相交流端、第三相交流端分别对应电连接。
第一全桥101包括第一桥臂、第三桥臂、第四桥臂；第二全桥102包括第二桥臂、第五桥臂、第六桥臂；第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂、第五桥臂、第六桥臂均与第一桥臂并联。
优选地，该变流器为双向变流器，其中，第一桥臂包括第一双向开关单元T1、第二双向开关单元T2，第一双向开关单元T1与第二双向开关单元T2同向串联；第二桥臂包括第三双向开关单元T3、第四双向开关单元T4，第三双向开关单元T3与第四双向开关单元T4同向串联。第三桥臂包括第五双向开关单元T5、第六双向开关单元T6，第五双向开关单元T5与第六双向开关单元T6同向串联；第四桥臂包括第七双向开关单元T7、第八双向开关单元T8，第七双向开关单元T7与第八双向开关单元T8同向串联；第五桥臂包括第九双向开关单元T9、第十双向开关单元T10，第九双向开关单元T9与第十双向开关单元T10同向串联；第六桥臂包括第十一双向开关单元T11、第十二双向开关单元T12，第十一双向开关单元T11与第十二双向开关单元T12同向串联。
作为一种可选的实施方式，第一双向开关单元T1、第二双向开关单元T2、第三双向开关单元T3、第四双向开关单元T4、第五双向开关单元T5、第六双向开关单元T6、第七双向开关单元T7、第八双向开关单元T8、第九双向开关单元T9、第十双向开关单元T10、第十一双向开关单元T11、第十二双向开关单元T12均为IGBT。在其他可选的实施方式中，双向开关单元包括SiC(碳化硅)、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金氧半场效晶体管)。
作为一种可选的实施方式，第一全桥包含的双向开关单元的额定电流与第二全桥包含的双向开关单元的额定电流不同。此时，第一全桥与第二全桥的承载能力不同。
反拖系统还包括外部接线端子P3、P4，直流母线DC Link通过外部接线端子P3、P4与外部直流电源Vin电连接。该外部接线端子P3、P4可以是变流器自带的端子，也可以是另外安装至变流器的直流母线的端子。
实施例3
在实施例2的基础上，本实施例提供一种反拖系统。参照图4，该反拖系统还包括第一开关模块104。第一全桥的交流端口通过第一开关模块与第二全桥的交流端口电连接。
作为一种可选的实施方式，该反拖系统还包括第二开关模块103；第一全桥的交流端口通过第二开关模块103与外部交流电源断开。
第二开关模块103包括第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3；第一开关模块104包括第四开关K4、第五开关K5、第六开关K6。
反拖系统的输出端包括第一相输出端U、第二相输出端V、第三相输出端W。外部交流电源包括第一相端、第二相端、第三相端。第一连接端通过第一开关K1与第一相端断开，第二连接端通过第二开关K2与第二相端断开，第三连接端通过第三开关K3与第三相端断开；第一连接端还通过第四开关K4与第一相输出端U连接，第二连接端通过第五开关K5与第二相输出端V连接，第三连接端通过第六开关K6与第三相输出端W连接；第四连接端与第一相输出端U连接，第五连接端与第二相输出端V连接，第六连接端与第三相输出端W连接；第一连接端为第一双向开关单元T1与第二双向开关单元T2的连接端，第二连接端为第五双向开关单元T5与第六双向开关单元T6的连接端，第三连接端为第七双向开关单元T7与第八双向开关单元T8的连接端，第四连接端为第三双向开关单元与第四双向开关单元的连接端，第五连接端为第九双向开关单元T9与第十双向开关单元T10 的连接端，第六连接端为第十一双向开关单元T11与第十二双向开关单元T12的连接端。也即，第一连接端为第一全桥的第一相交流端，第二连接端为第一全桥的第二相交流端，第三连接端为第一全桥的第三相交流端；第四连接端为第二全桥的第一相交流端，第五连接端为第二全桥的第二相交流端，第六连接端为第二全桥的第三相交流端。
作为一种可选的实施方式，反拖系统的变流器为双向变流器。第二开关模块103闭合时，第一开关模块104断开。此时，第一全桥101和第二全桥102的主要功能是实现整流与逆变，直流母线则通过电容器进行稳压。以第一全桥101接入电网Grid为例，当第二全桥102所接电机做为电动装置，第一全桥101的主要功能是实现可控整流，直流母线上的电容器通过充电，将电压稳定于期望值；而第二全桥102的主要功能是实现逆变，将电能转换为电机所需要的电能形式。反之，如果第二全桥102所接电机做为发电装置，则可以采取第二全桥102进行可控整流，第一全桥101进行逆变的方式，将电能由发电装置流回电网。所以，第二开关模块103闭合时，且第一开关模块104断开时，此时，该变流器可以实现电能的双向流通，可以运用于交流发电系统以及交流电机调速系统中。
在本实施例所提供的反拖系统中，第二开关模块103断开，第一开关模块104闭合。此时，第一全桥101与外部交流电源断开，第一全桥101的第一相交流端、第二相交流端、第三相交流端与第二全桥102的第一相交流端、第二相交流端、第三相交流端分别对应短接，从而实现“对折”并联。对折后的等效电路如图5所示，第一相输出端U、第二相输出端V、第三相输出端W接入三相电机M。外部直流电源Vin接入后提供稳定的输入电压和能量。反拖系统的输出电流能够扩大为变流器对折前的2倍，输出转矩能力也相应的扩大，进而带载能力也得到加强。需要说明的是，该实施例以三相变流器及三相电机进行举例说明，但本发明并不限定变流器及对应的电机的相数。
在另一种可选的实施方式中，可将外部交流电源经整流后作为外部直流 电源，提供给反拖系统。例如，电网或其他交流供电设备可通过一整流器电连接至反拖系统的直流母线。
实施例4
在实施例1的基础上，本实施例提供一种反拖系统。参照图6，该反拖系统还包括第一侧控制器105、第二侧控制器106、控制器接口单元107、第一全桥接口单元108、第二全桥接口单元109。
控制器接口单元107分别与第一侧控制器105、第二侧控制器106、第一全桥接口单元108、第二全桥接口单元109电连接；第一全桥接口单元108与第一全桥101电连接，第二全桥接口单元109与第二全桥102电连接。
具体实施时，第一侧控制器105、第二侧控制器106采用CPU实现。控制器接口单元107采用控制器接口芯片实现。第一全桥接口单元108、第二全桥接口单元109采用全桥接口芯片实现。
第二开关模块103闭合时，第一侧控制器105通过第一全桥接口单元108控制第一全桥101，第二侧控制器106通过第二全桥接口单元109控制第二全桥102。第二开关模块103断开时，第二侧控制器106通过第一全桥接口单元108控制第一全桥101，并通过第二全桥接口单元109控制第二全桥102。
当变流器作为反拖系统的逆变器使用时，该变流器的输出端连接电机，第二开关模块103断开，第二侧控制器106通过第一全桥接口单元108控制第一全桥101，并通过第二全桥接口单元109控制第二全桥102。也即，由控制器接口单元107将所有的第一全桥101的信号转接至第二侧控制器106(即电机侧控制CPU)内，这样电机侧控制CPU可同时驱动第一全桥101和第二全桥102，开关频率相同，开关时序同步。通过脉冲宽度调制技术(Pulse Width Modulation)产生脉冲序列驱动各个双向开关单元(如IGBT)，使之产生相应的交流输出。
实施例5
本实施例提供一种风力发电机组。参照图7，该风力发电机组包括塔筒303、叶轮301、机舱302以及实施例1-4中任意一个实施例的反拖系统。反拖系统的变流器为风力发电机组的变流器，且设置于所述风力发电机组的机舱内。
作为一种具体的实施方式，当本实施例的风力发电机组的变流器应用于盘车控制时，也即运行在低速超大转矩的状态下，此时，可以通过利用风力发电机组本身的变流器，使该变流器处于对折反拖结构，以形成本发明所提出的反拖系统，提高了带载能力。进一步地，因运行在低速大转矩的状态下，电网可通过一小容量整流器向反拖系统供电，大幅降低了设备成本。
而现有技术中，为了提高带载能力，在盘车控制中往往需要另外增加额外的变流设备。而变流设备体积、质量较大，安装不便。特别地，当风力发电机组的变流器设置于风力发电机组的机舱的内部时，由于塔筒很高，增加额外的变流设备需要吊装操作，操作非常不方便。而本实施例的风力发电机组，通过本发明的反拖系统可以方便地增加带载能力，减少了额外的成本。
实施例6
本实施例提供一种风力发电机组。参照图8，该风力发电机组包括塔筒303、叶轮301、机舱302以及实施例1-4中任意一个实施例的反拖系统。
作为一种可选的实施方式，所述变流器为所述风力发电机组的变流器，且设置于所述风力发电机组的塔筒内，便于安装、操作和维护。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改。因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (13)

  1. 一种反拖系统，其特征在于，所述反拖系统包含变流器，所述变流器包括第一全桥、第二全桥、直流母线；
    所述第一全桥与所述第二全桥通过所述直流母线背靠背电连接；所述第一全桥的交流端口与外部交流电源断开；
    所述第一全桥的交流端口与所述第二全桥的交流端口电连接；
    所述直流母线用于和一外部直流电源电连接；
    所述第二全桥的交流端口作为所述反拖系统的输出端。
  2. 如权利要求1所述的反拖系统，其特征在于，所述反拖系统还包括外部接线端子，所述直流母线通过所述外部接线端子与所述外部直流电源电连接。
  3. 如权利要求1-2中至少一项所述的反拖系统，其特征在于，所述变流器还包括电容，所述电容与所述第一全桥并联。
  4. 如权利要求1-3中至少一项所述的反拖系统，其特征在于，所述反拖系统还包括第一开关模块；
    所述第一全桥的交流端口通过所述第一开关模块与所述第二全桥的交流端口电连接。
  5. 如权利要求4所述的反拖系统，其特征在于，所述反拖系统还包括第二开关模块；所述第一全桥的交流端口通过所述第二开关模块与所述外部交流电源断开。
  6. 如权利要求1-5中至少一项所述的反拖系统，其特征在于，所述变流器为双向变流器。
  7. 如权利要求5-6中至少一项所述的反拖系统，其特征在于，所述第一全桥包括多个第一双向开关单元；所述第二全桥包括多个第二双向开关单元；所述第一双向开关单元和所述第二双向开关单元的额定电流不相同。
  8. 如权利要求5-7中至少一项所述的反拖系统，其特征在于，所述第一开关模块包括第一开关、第二开关、第三开关；所述第二开关模块包括第四开关、第五开关、第六开关；
    所述第一全桥包括第一相交流端、第二相交流端、第三相交流端；
    所述第二全桥包括第一相交流端、第二相交流端、第三相交流端；
    所述外部交流电源包括第一相端、第二相端、第三相端；
    所述第一全桥的第一相交流端通过所述第一开关与所述第一相端断开，所述第一全桥的第二相交流端通过所述第二开关与所述第二相端断开，所述第一全桥的第三相交流端通过所述第三开关与所述第三相端断开；
    所述第一全桥的第一相交流端通过所述第四开关与所述第二全桥的第一相交流端电连接，所述第一全桥的第二相交流端通过所述第五开关与所述第二全桥的第二相交流端电连接，所述第一全桥的第三相交流端通过所述第六开关与所述第二全桥的第三相交流端电连接。
  9. 如权利要求5-8中至少一项所述的反拖系统，其特征在于，所述反拖系统还包括第一侧控制器、第二侧控制器、控制器接口单元、第一全桥接口单元、第二全桥接口单元；
    所述控制器接口单元分别与所述第一侧控制器、所述第二侧控制器、所述第一全桥接口单元、所述第二全桥接口单元电连接；
    所述第一全桥接口单元与所述第一全桥电连接，所述第二全桥接口单元与所述第二全桥电连接；
    所述第二开关模块断开时，所述第二侧控制器通过所述第一全桥接口单元控制所述第一全桥，并通过所述第二全桥接口单元控制所述第二全桥。
  10. 如权利要求1-9中至少一项所述的反拖系统，其特征在于，所述外部交流电源包括电网，所述反拖系统的所述输出端用于连接电机。
  11. 一种风力发电机组，其特征在于，包含如权利要求1-10中至少一项所述的反拖系统。
  12. 如权利要求11所述的风力发电机组，其特征在于，所述变流器为所述风力发电机组的变流器，且设置于所述风力发电机组的机舱内。
  13. 如权利要求11-12中至少一项所述的风力发电机组，其特征在于，所述变流器为所述风力发电机组的变流器，且设置于所述风力发电机组的塔筒内。
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