專利名稱：兆瓦級風力發(fā)電用全功率并網(wǎng)變流器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及風力發(fā)電技術領域，特別涉及一種風力發(fā)電變流器。
背景技術：
風能作為一種清潔、無污染的可再生能源越來越受到人們的關注，風力發(fā)電將成為21世紀最大規(guī)模開發(fā)的新能源之一。目前的風力發(fā)電機單機容量不斷增大，變速恒頻、變槳矩型風力機逐漸占據(jù)了主導地位。齒輪箱是在目前MW級風力發(fā)電機組中過載和過早損壞率較高的部件，從上世紀末開始，以德國Enercon為首的風電機組制造商，推出了一系列無齒輪箱直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)。這種機組采用多級風力發(fā)電機與葉輪直接耦合連接進行驅(qū)動的方式，免去齒輪箱這一傳統(tǒng)部件，具備低噪聲、提高機組壽命、減小機組體積、降低運行維護成本、較低的噪音、低風速時高效率等多種優(yōu)點，在今后風力機發(fā)展中有很大的發(fā)展空間。可以預計，省去齒輪箱的直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)將成為未來風力發(fā)電技術發(fā)展的主要方向。
直驅(qū)式風力發(fā)電機組的并網(wǎng)變流器功率等級與發(fā)電機組相當，發(fā)電機發(fā)出的電能全部均需通過變流器變換為頻率、電壓恒定的交流電饋入電網(wǎng)，并通過對電機側(cè)變流器電流的控制而控制電磁轉(zhuǎn)距，使之實現(xiàn)最大功率輸出。與電機直接并網(wǎng)的風力發(fā)電系統(tǒng)相比，變流器在發(fā)電機組與電網(wǎng)之間的使用，實現(xiàn)了發(fā)電機組與電網(wǎng)間的隔離，轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率之間的耦合問題將得以解決，也在一定程度上避免了因電網(wǎng)波動對發(fā)電機組穩(wěn)定運行所帶來的不利影響。
歐美國家在風電技術上處于領先地位，很多進入風機市場的公司，諸如ABB，Vestas等都推出了2MW-5MW的相關產(chǎn)品。目前在大功率尤其是兆瓦級以上的場合，風機系統(tǒng)主要分為三類①籠型感應電機恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)；②交流勵磁雙饋電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)；③永磁直驅(qū)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)。
在雙饋電機系統(tǒng)中，由于功率變流器位于轉(zhuǎn)子側(cè)，僅處理轉(zhuǎn)差功率，功率變流器額功率為其發(fā)電機容量的三分之一左右，并且也屬于低壓變流器，因此變流器的成本、體積大大降低。由于雙饋電機系統(tǒng)的特點，客觀上需要低壓并且能夠四象限運行的功率變流器。傳統(tǒng)的交-直-交兩電平變流器以其優(yōu)越的性能，在目前不同風電廠家的變流器產(chǎn)品中得到普遍采用，如圖1所示。在這方面作的最為成功是西班牙的Gamesa公司和丹麥的Vestas公司。
在永磁直驅(qū)變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)中，永磁電機通過全容量的功率變流器與電網(wǎng)相連，實現(xiàn)變速恒頻發(fā)電。它所需要的是一個全功率變流器。西班牙的MADE公司和德國的SEG公司采用如圖2所示的主電路結(jié)構，即能量經(jīng)由不可控AC-DC變流器到達直流側(cè)，由于風速的變化，導致了直流側(cè)電壓的波動，采用升壓變流器將電壓固定到DC-AC變流器的直流母線側(cè)，然后通過DC-AC變流器逆變?yōu)榉想娋W(wǎng)頻率的交流電后并網(wǎng)。這種電路結(jié)構的成本很低，但是它不具備四象限運行的能力，因而在運行中受到很大的限制。而具備四象限運行能力的雙PWW控制的功率變流器則在德國的風機巨頭Enercon公司得到了很好的應用(如圖3所示)。這也是一種技術最為成熟，運行最為可靠，適應范圍最為廣泛的技術方案，因此在四象限的運行中被廣泛采用。
此外，瑞士的ABB公司采用三電平的主電路結(jié)構來解決大功率尤其是兆瓦級以上的風電系統(tǒng)(如圖4所示)。由于采用了永磁中壓發(fā)電機，其產(chǎn)生的電壓是4KV等級，所以采用三電平的背靠背式方案為最佳選擇。雖然三電平變流器可以產(chǎn)生很低的電流電壓諧波畸變率，并且需要很小的濾波裝置，但是采用的IGCT開關器件的增加以及分立電容間的中性點電壓漂移限制了這種主電路結(jié)構的應用。此外最近有文獻報道中性點漂移可以采用控制的方式得到解決，但是由于我國的風機廠商的技術參數(shù)大多是690VAC，這更加限制多電平結(jié)構在我國的應用。
傳統(tǒng)的電流型交直交變流器采用自然換流晶閘管作為開關器件，其直流側(cè)電感比較昂貴，由于其低頻性能比較差，因而風力發(fā)電中很少應用。Rockwell公司的PowerFlex7000是采用SGCT的電流型變流器(如圖5所示)，適用于中壓風機，而風力發(fā)電機為690VAC，因此電壓等級不適用，如果應用在雙饋電機中，電壓匹配需要調(diào)整，此外PowerFlex7000在低速和零速附近的性能需要改進。
由于控制方法和硬件設計等各種因素，電壓型變流器應用比較廣泛。截止2003底，中國所有裝機的風力發(fā)電機機組都是690VAC的低壓機組，沒有中高壓機組，變速機組中所采用的變流器絕大部分為兩電平電壓型交直交變流器(如圖3所示)。電壓型交直交變流器，具有結(jié)構簡單、諧波含量少、功率因數(shù)可調(diào)等優(yōu)異的特點，可以明顯的改善輸出電能質(zhì)量，并且該結(jié)構通過直流母線側(cè)電容完全實現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)和電機側(cè)的分離，也是目前變速恒頻風力發(fā)電的一個代表方向。
就目前來說，國內(nèi)在兆瓦級風力發(fā)電用功率變流器的研究和制造方面總體上處于起步階段，尤其是2MW及以上功率風力發(fā)電用功率變流器更是一片空白。由于兆瓦級變速恒頻風電電控設備尤其是功率變流器長期依賴國外進口，制約著我國風電產(chǎn)業(yè)化進程。研制具有自主知識產(chǎn)權的大功率風電功率變流器，不但大大降低風電設備的成本，而且可以提高我國在世界風電行業(yè)的競爭力，為我國風電技術出口，提升在世界風電市場上的地位奠定基礎。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種新型的用于兆瓦級以上功率等級的風力發(fā)電用的功率變流器主電路。
本發(fā)明目的是這樣實現(xiàn)的它包括風力發(fā)電機和低壓電網(wǎng)或升壓變壓器，它還包括至少兩個基本變流器功率單元，各基本變流器功率單元并聯(lián)組成功率變流器主電路，其中基本變流器功率單元包括通過直流母線連接的發(fā)電機側(cè)三相PWM全控變流器和PWM網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)變流器，功率變流器主電路的輸出端連接低壓電網(wǎng)或升壓變壓器，功率變流器主電路的輸入端連接風力發(fā)電機。
本發(fā)明還有這樣一些結(jié)構特征1、所述的基本變流器功率單元還包括三相電感和三相電容、三相并網(wǎng)電感和三相濾波電容，風力發(fā)電機通過電纜連接到三相星型連接的電容，然后連接三相電感，三相電感連接發(fā)電機側(cè)三相PWM全控變流器，發(fā)電機側(cè)三相PWM全控變流器并聯(lián)一組平波電容后與PWM網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)變流器相連，PWM網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)變流器連接三相并網(wǎng)電感的輸入端，其輸出端經(jīng)過與三相星型連接的濾波電容并聯(lián)；2、所述的發(fā)電機側(cè)三相PWM全控變流器是全控三相橋，由六個開關器件構成三相橋臂并聯(lián)而成，功率開關器件采用IGBT；3、所述的PWM網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)變流器由三相全控橋構成，由六個開關器件構成三相橋臂并聯(lián)組成，功率開關器件為IGBT。
為達到變流器更高的功率等級的目的，本發(fā)明采用模塊化的主電路結(jié)構并聯(lián)，即由兩個結(jié)構完全相同的發(fā)電機側(cè)三相PWM全控變流器和PWM網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)變流器，通過直流母線連接構成的大容量全功率的交直交電壓型雙向變流器如圖3所示，并以此作為一個基本變流器功率單元，然后采用模塊化的方式將兩個或兩個以上的基本變流器功率單元并聯(lián)起來，實現(xiàn)更高的變流器功率等級。
本發(fā)明的優(yōu)點●發(fā)電機側(cè)全控變流器可以使得風力發(fā)電機組在很大風速范圍內(nèi)按最佳效率運行，即使在較低風速下，全控變流器的升壓控制也能夠保證系統(tǒng)滿足并網(wǎng)條件；●發(fā)電機側(cè)全控變流器可以對發(fā)電機輸出電流進行控制，在最小電流的情況下得到最大的電磁轉(zhuǎn)矩，并降低了發(fā)電機的銅耗和鐵耗；●發(fā)電機側(cè)全控變流器可提供幾乎為正弦的電流，減少了發(fā)電機定子側(cè)的諧波，使發(fā)電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)矩控制得以改善，從而進一步減輕了傳動系統(tǒng)應力；●網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)變流器在保證了并網(wǎng)電流品質(zhì)的基礎上，實現(xiàn)了系統(tǒng)功率因數(shù)可調(diào)。
●模塊化的基本變流器功率單元并聯(lián)結(jié)構可以在同等開關電壓電流應力的開關器件的基礎上，實現(xiàn)更高的風力發(fā)電用變流器的功率等級，并且可以更為方便的實現(xiàn)產(chǎn)品的系列化。
本發(fā)明的兆瓦級以上功率等級的風力發(fā)電用功率變流器主電路，其特征是包括一臺兆瓦級以上功率等級的風力發(fā)電機、兩個或者兩個以上的基本變流器功率單元和低壓電網(wǎng)或者升壓變壓器。風力發(fā)電機發(fā)出的交流電通過電纜連接到有兩個或兩個以上的基本變流器功率單元并聯(lián)后構成的電路，而該電路的輸出則直接并網(wǎng)到并網(wǎng)變壓器或者低壓電網(wǎng)。
基本變流器功率單元的主要特征是包括三相電感和三相電容、發(fā)電機側(cè)PWM全控變流器、網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)變流器以及三相并網(wǎng)電感和三相濾波電容。由風力發(fā)電機發(fā)出的三相交流電通過電纜連接到三相星型連接的電容，然后連接到三相電感的輸入端，從三相電感的輸出端直接連接到發(fā)電機側(cè)的全控PWM變流器，該變流器是全控三相橋，是由六個開關器件構成的三相橋臂并聯(lián)而成，功率開關器件采用的是IGBT。發(fā)電機側(cè)的全控變流器的直流輸出在并聯(lián)一組平波電容后與網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)變流器相連，網(wǎng)側(cè)變流器在結(jié)構上與發(fā)電機側(cè)變流器的電路結(jié)構相同，即由三相全控橋構成，功率開關器件同樣也是IGBT。網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)變流器的三相交流輸出直接連接到三相并網(wǎng)電感的輸入端，其輸出端經(jīng)過與三相星型連接的濾波電容并聯(lián)后完成輸出。
工作時，風力機帶動風力發(fā)電機發(fā)出三相頻率及幅值都變化交流電，經(jīng)過發(fā)電機側(cè)濾波電容濾波后進入發(fā)電機側(cè)平波電感。平波電感既可以對三相電起到平波的作用，又可以與發(fā)電機側(cè)全控變流器一起構成升壓變流器，這樣就可以使得風力發(fā)電機組在很大風速范圍內(nèi)按最佳效率運行，即使在較低風速下，全控變流器的升壓控制也能保證直流母線電壓的穩(wěn)定，從保證系統(tǒng)滿足并網(wǎng)條件。由平波電感輸出來的交流電經(jīng)過發(fā)電機側(cè)全控制變流器的整流和直流側(cè)濾波電容的濾波后，作為網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)變流器的直流母線直接饋電到網(wǎng)側(cè)變流器。經(jīng)過PWM控制的網(wǎng)側(cè)變流器輸出恒頻恒幅的三相交流電，經(jīng)由三相并網(wǎng)電感平波再由三相并網(wǎng)濾波電容濾波后，即可得到恒頻恒幅與電網(wǎng)同相的三相準正弦交流電，滿足并網(wǎng)條件，可直接并入690VAC低壓電網(wǎng)或者經(jīng)過升壓變壓器升壓后并入電網(wǎng)。其中三相并網(wǎng)電感除了具有平波作用外，還有調(diào)節(jié)并網(wǎng)電流的相位的作用，使之能夠滿足交流電并網(wǎng)條件。此外開關器件IGBT中寄生續(xù)流二極管，它除了具有續(xù)流作用外，還是無功功率的通道，也被稱作反饋二極管。
本發(fā)明兆瓦級風力發(fā)電用全功率并網(wǎng)變流器主電路結(jié)構不僅適用于永磁直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)，而且還適用于雙饋式風力發(fā)電系統(tǒng)。本發(fā)明不但可以使得風力發(fā)電機組在很大風速范圍內(nèi)按最佳效率運行，即使在較低風速下，全控變流器的升壓控制也能夠保證系統(tǒng)滿足并網(wǎng)條件；而且還可以對發(fā)電機輸出電流進行控制，在最小電流的情況下得到最大的電磁轉(zhuǎn)矩，并降低了發(fā)電機的銅耗和鐵耗；此外，模塊化的基本變流器功率單元并聯(lián)結(jié)構可以在同等開關電壓、電流應力的開關器件的基礎上，實現(xiàn)更高的風力發(fā)電變流器的功率等級，并且可以更為方便的實現(xiàn)產(chǎn)品的系列化。


圖1是雙饋電機變流器結(jié)構示意圖；圖2是采用不可控制整流的永磁直驅(qū)變流器結(jié)構示意圖；圖3是背靠背式永磁直驅(qū)變流器結(jié)構示意圖；圖4是三電平背靠背式永磁直驅(qū)變流器結(jié)構示意圖；圖5是電流源型變流器結(jié)構示意圖；圖6是本發(fā)明的并網(wǎng)變流器結(jié)構示意圖；圖7是變流器基本變流器功率單元結(jié)構示意圖；圖8是本發(fā)明的并網(wǎng)變流器結(jié)構原理圖。
具體實施方式
下面結(jié)合圖6-8和具體實施例對本發(fā)明作更詳細的描述結(jié)合圖6，本發(fā)明的主電路結(jié)構主要包括風力發(fā)電機Gen、至少兩個基本變流器功率單元并聯(lián)形成的變流器、690VAC低壓電網(wǎng)或升壓變壓器?；咀兞髌鞴β蕟卧òl(fā)電機側(cè)三相電容C1f、三相電感L1n、發(fā)電機側(cè)全控變流器(VT11～VT16)含續(xù)流二極管(D11～D16)、直流側(cè)濾波電容C1、網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)變流器(VT21～VT26)含續(xù)流二極管(D21～D26)、三相并網(wǎng)電感L2n、三相濾波電容C2f。
實施例1.首先構建基本變流器功率單元。結(jié)合圖7將三個濾波電容C1f按照星型方式連接后并聯(lián)到三相平波電感L1n的一端，然后將平波電感L1n的另一端連接到發(fā)電機側(cè)變流器的V11～V13處。發(fā)電機側(cè)變流器具體的實現(xiàn)方式是將六只開關器件(VT11～VT16)含續(xù)流二極管(D11～D16)(本發(fā)明采用IGBT但不限于IGBT)兩個兩個一組，分別是VT11和VT14、VT13和VT16、VT15和VT12，然后每組中的兩個器件首尾相連形成三組橋臂，其連接點分別是V11、V12、V13三組橋臂相互并聯(lián)即形成三相全控變流器主電路，發(fā)電機側(cè)全控變流器的直流輸出端在并聯(lián)濾波電容C1后，直接饋線到網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)變流器的直流母線側(cè)，為并網(wǎng)變流器提供逆變用的直流電流。為了增強濾波電容的濾波效果和使用壽命，濾波電容可以采用當個電容三串兩并的濾波電容組結(jié)構。網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)變流器構成的具體實施方式
與發(fā)電機側(cè)全控變流器的實施方式類似，即將六只開關器件(VT21～VT26)含續(xù)流二極管(D21～D26)兩個兩個一組，分別是VT21和VT24、VT23和VT26、VT25和VT22，然后每組中的兩個器件首尾相連，繼而形成三組橋臂，其連接點分別是V21、V22、V23。網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)變流器的三相交流輸出直接連接到三相并網(wǎng)電感L2n，然后經(jīng)過與三相濾波電容C2f并聯(lián)后連到電網(wǎng)。這就是基本變流器功率單元的實施方式。
2.然后結(jié)合圖8將兩個或者兩個以上基本變流器功率單元(基本變流器功率單元1～基本變流器功率單元n)并聯(lián)起來，形成全功率變流器主電路。然后結(jié)合圖6、圖7風力發(fā)電機直接連接到全功率變流器主電路的A1、B1、C1三點，而全功率變流器主電路的輸出A2、B2、C2三點直接接到690VAC低壓電網(wǎng)或者升壓變壓器。
權利要求
1.一種兆瓦級風力發(fā)電用全功率并網(wǎng)變流器，它包括風力發(fā)電機和低壓電網(wǎng)或升壓變壓器，其特征在于它還包括至少兩個基本變流器功率單元，各基本變流器功率單元并聯(lián)組成功率變流器主電路，其中基本變流器功率單元包括通過直流母線連接的發(fā)電機側(cè)三相PWM全控變流器和PWM網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)變流器，功率變流器主電路的輸出端連接低壓電網(wǎng)或升壓變壓器，功率變流器主電路的輸入端連接風力發(fā)電機。
2.根據(jù)權利要求1所述的兆瓦級風力發(fā)電用全功率并網(wǎng)變流器，其特征在于所述的基本變流器功率單元還包括三相電感和三相電容、三相并網(wǎng)電感和三相濾波電容，風力發(fā)電機通過電纜連接到三相星型連接的三相電容，然后連接三相電感，三相電感連接發(fā)電機側(cè)三相PWM全控變流器，發(fā)電機側(cè)三相PWM全控變流器并聯(lián)一組平波電容后與PWM網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)變流器相連，PWM網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)變流器連接三相并網(wǎng)電感的輸入端，其輸出端經(jīng)過與三相星型連接的濾波電容并聯(lián)。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的兆瓦級風力發(fā)電用全功率并網(wǎng)變流器，其特征在于所述的發(fā)電機側(cè)三相PWM全控變流器是全控三相橋，由六個開關器件構成三相橋臂并聯(lián)而成，功率開關器件采用IGBT。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的兆瓦級風力發(fā)電用全功率并網(wǎng)變流器，其特征在于所述的PWM網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)變流器由三相全控橋構成，由六個開關器件構成三相橋臂并聯(lián)組成，功率開關器件為IGBT。
5.根據(jù)權利要求3所述的兆瓦級風力發(fā)電用全功率并網(wǎng)變流器，其特征在于所述的PWM網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)變流器由三相全控橋構成，由六個開關器件構成三相橋臂并聯(lián)組成，功率開關器件為IGBT。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種兆瓦級風力發(fā)電用全功率并網(wǎng)變流器。它包括風力發(fā)電機和低壓電網(wǎng)或升壓變壓器，它還包括至少兩個基本變流器功率單元，各基本變流器功率單元并聯(lián)組成功率變流器主電路，其中基本變流器功率單元包括通過直流母線連接的發(fā)電機側(cè)三相PWM全控變流器和PWM網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)變流器，功率變流器主電路的輸出端連接低壓電網(wǎng)或升壓變壓器，功率變流器主電路的輸入端連接風力發(fā)電機。本發(fā)明能夠適用于兆瓦級尤其是1.5MW、2MW、2.5MW、3MW及其以上功率等級的風力發(fā)電系統(tǒng)。
文檔編號H02M7/5387GK101013817SQ200710071740
公開日2007年8月8日 申請日期2007年2月7日 優(yōu)先權日2007年2月7日
發(fā)明者李寅, 官二勇, 周維來, 丁兆國, 孫敬華, 白德芳, 鄧志平, 顧春明, 金慶才, 劉振龍, 龐宇剛, 劉宇光 申請人:哈爾濱九洲電氣股份有限公司