專利名稱：兆瓦級風力發(fā)電用三電平中壓變流器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及風力發(fā)電技術領域，具體涉及一種風力發(fā)電變流器。(二) 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)，并通過對電機側變流器電流的控制 而控制電磁轉距，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。在雙饋電機系統(tǒng)中，由于功率變流器位于轉子側，僅處理轉差功率，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 交一直一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所示的主電路結構，即能量經由不可控AC-DC變流器到達直流側，由于風速的變化，導致了直流側電壓的波動，采用升壓變流器將電壓固定到DC-AC變流器的直流母線側，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，但是因為690VAC的輸入輸出電壓，使得直流側的母線電壓大多使
用在1100V左右，而使用的開關器件都是1700V，這就使變流器系統(tǒng)的安全性和可靠性減少 很多。目前，國內在兆瓦級風力發(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，制約著我國風電產業(yè)化進程。研制具有自主知 識產權的2MW以上功率等級的風電功率變流器，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。根據(jù)以往的經驗，功率等級超過2MW使用中壓變流器最為經濟。Rockwell公司的PowerFlex7000是采用SGCT的電流型變流器(如圖4所示)，它屬于中 壓變流器，但是其在低速和零速附近的性能需要改進，而且采用SGCT這種開關器件的成本 也很高。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。電壓型交直交 變流器，具有結構簡單、諧波含量少、功率因數(shù)可調等優(yōu)異的特點，可以明顯的改善輸出電 能質量，并且該結構通過直流母線側電容完全實現(xiàn)了網(wǎng)側和電機側的分離，也是目前變速恒 頻風力發(fā)電的一個代表方向。因此采用電壓型的中壓變流器成為了一種最佳選擇。為此，本 實用新型公開了一種用于兆瓦級尤其是2MW以上功率等級的風力發(fā)電用三電平中壓變流器 的主電路。
發(fā)明內容本實用新型的目的在于提供一種用于兆瓦級以上功率等級的風力發(fā)電用的功率變流器。 本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的它是由兩個結構完全相同的三電平中壓變流器通過直 流母線以背靠背形式連接組成，三電平中壓變流器包括三相電感、三相電容、發(fā)電機側三電 平變流器、直流側濾波電容、網(wǎng)側三電平變流器以及三相并網(wǎng)電感和三相濾波電容，發(fā)電機 側三電平變流器和網(wǎng)側三電平變流器通過直流母線以背靠背形式連接；風力發(fā)電機連接三相 電容后并聯(lián)到三相電感的一端，三相電感的另一端連接發(fā)電機側三電平變流器，發(fā)電機側三 電平變流器的直流輸出端通過直流側濾波電容連接網(wǎng)側三電平變流器的直流母線側，網(wǎng)側三 電平變流器的三相交流輸出端連接三相并網(wǎng)電感，與三相濾波電容并聯(lián)后連到升壓變壓器， 升壓變壓器連接電網(wǎng)。本實用新型還有這樣一些結構特征1、 所述的發(fā)電機側三電平變流器是標準的三電平變流器結構；2、 所述的網(wǎng)側三電平變流器是標準的三電平變流器結構；3、 所述的三電平中壓變流器包括相互并聯(lián)的三組橋臂和三組箝位二極管，每一橋臂包括 四個開關管，每兩個開關管首尾相連，三組箝位二極管首尾相連，其中點與橋臂的交點相連 并連接直流側濾波電容的中點；
4、所述的直流測濾波電容是由兩個同樣的電容串聯(lián)組成。為達到變流器更高的功率等級的目的，本實用新型采用三電平中壓變流器的結構，即由 兩個結構完全相同的三電平中壓變流器，通過直流母線以背靠背形式組成的大容量全功率的 交直交電壓型雙向變流器，實現(xiàn)更高的變流器功率等級。本實用新型的優(yōu)點有* 發(fā)電機側全控變流器可以使得風力發(fā)電機組在很大風速范圍內按最佳效率運行，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 的電磁轉矩，并降低了發(fā)電機的銅耗和鐵耗；* 發(fā)電機側全控變流器可提供幾乎為正弦的電流，減少了發(fā)電機定子側的諧波，使發(fā)電 機內部的轉矩控制得以改善，從而進一步減輕了傳動系統(tǒng)應力； 網(wǎng)側并網(wǎng)變流器在保證了并網(wǎng)電流品質的基礎上，實現(xiàn)了系統(tǒng)功率因數(shù)可調。*采用三電平的中壓變流器結構，使變流器系統(tǒng)的開關器件應力降低為原開關應力的一半，更加方便了開關器件的選型。 本實用新型的特征是包括一臺兆瓦級以上功率等級的風力發(fā)電機、三相電感和三相電容、 發(fā)電機側三電平變流器、直流側濾波電容、網(wǎng)側三電平變流器以及三相并網(wǎng)電感和三相濾波 電容和升壓變壓器。發(fā)電機側三電平變流器和網(wǎng)側三電平變流器的特征是由兩個結構完全相 同的三電平中壓變流器，通過直流母線以背靠背形式組成的大容量全功率的交直交電壓型雙 向變流器。三電平變流器的主電路的基本拓撲結構如圖5所示。如圖可見，每一橋臂有四個開關管， 其中直接連到正負直流母線上的兩個開關管稱之為主開關管，中間的兩個開關管稱之為輔助 開關管。在直流測，直流電容是由兩個一樣的電容串聯(lián)組成，這樣就可以提供一個中性點 (Neutral Point),連接到中性點上的兩個二極管，稱之為箝位二極管(ClampingDiodes),它 可以把變流器的的電壓箝位到中性點電位，因此該變流器也稱為中性點箝位變流器(Neutral Point Clamped, NPC)。在每一瞬間,,變流器都必須有兩個開關管導通。以a相為例，可能的開關管組合分別是Sw, 和S^， S32,和S",， S",和S^，其余任何的組合都是不允許的。這三種情況對應的電壓，分 別是+ Vd/2、 0和-、/2。其中，當S32,或者S^導通時，橋臂中點電壓被強制箝位為0。這 三種狀態(tài)分別用P (Positive)、 N (Negtive)、 O來表示，在換相過程中直接由P到N是不允 許的，因為這需要四個開關管同時動作。另外，上面的四個開關管還具有一種邏輯上的互鎖 關系，S卩S^和S^的觸發(fā)脈沖相反，S^和S^的觸發(fā)脈沖也相反，所以控制系統(tǒng)只要能
夠輸出^,1和832,的觸發(fā)信號，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，經過發(fā)電機側濾波 電容濾波后進入發(fā)電機側平波電感。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過發(fā)電機側三電平變流器的整流和 直流側濾波電容的濾波后，作為網(wǎng)側三電平變流器的直流母線直接饋電到網(wǎng)側三電平變流器。 經過PWM控制的網(wǎng)側三電平變流器輸出恒頻恒幅的三相交流電，經由三相并網(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，經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。本實用新型兆瓦級風力發(fā)電用三電平中壓變流器主電路結構，不僅適用于永磁直驅式風 力發(fā)電系統(tǒng)，而且還適用于中壓雙饋式風力發(fā)電系統(tǒng)。(五)
圖1是雙饋電機變流器結構示意圖；圖2是采用不可控制整流的永磁直驅變流器結構示意圖；圖3是背靠背式永磁直驅變流器結構示意圖；圖4是電流源型變流器結構示意圖；圖5是本實用新型的并網(wǎng)變流器主電路結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施例對本實用新型作更詳細的描述-結合圖5，本實施例兆瓦級風力發(fā)電用三電平中壓變流器主要包括風力發(fā)電機Geii、 發(fā)電機側三相電容、三相電感丄， 、發(fā)電機側三電平變流器(Sall Sa41 、 Sbl, SM1 、 Sel, Sc4l)含續(xù)流二極管和箝位二極管(Da11、 D^、 Db11、 Db21、 Dell、 De21)、直流側濾波電容c,和q、網(wǎng)側三電平變流器(Sal2 Sa42、 Sbl2 SM2、 Sel2 Se42)含續(xù)流二極管和箝位二極管(Dal2、 D^、 Dbl2、 Db22、 De,2、 De22)、三相并網(wǎng)電感丄2 、三相濾波電容C2,和690VAC升壓變壓器。風力發(fā)電機Gen連接到三個按照星型方式連接的濾波電容Cv后并聯(lián)到三相平波電感^的一端，然后將平波電感丄1 的另一端連接到發(fā)電機側三電平變流器的^ 乂3處。發(fā)電機側 三電平變流器具體的實現(xiàn)方式是將12只開關器件S^ S^、 Sbll SM1、 S。n Se4,(含續(xù) 流二極管，本實用新型采用IGBT但不限于IGBT)和箝位二極管(Dall、 、 Dbl， 、 Db21 、 Dd,、 De21)四個一組，分別是S^ S^、 Sbll SM1、 Sell Se41，然后每組中的每兩個器 件首尾相連形成一組橋臂。Sa2^BSa31、 S^和S^、 S^和S^,的連接點分別是Vu、 V12、 V13。 箝位二極管的連接方式(以a相為例)Dall、 D^首尾相連，然后連接到S^和S^、 S^和 S^的交點處。b、 c兩相的連接方式與a相相同。這樣將三組箝位二極管臂連好后，將其各自的中點相互連接到一起后接到直流側濾波電容c,和q的中點。然后將三組橋臂相互并聯(lián)即形成三相三電平變流器主電路。發(fā)電機側三電平變流器的直流輸出端在并聯(lián)濾波電容C,和C2 后，直接饋線到網(wǎng)側三電平變流器的直流母線側，為網(wǎng)側三電平變流器提供逆變用的直流電 源。為了增強濾波電容的濾波效果和使用壽命，濾波電容可以采用單個電容三串兩并的濾波 電容組結構。網(wǎng)側三電平變流器構成的具體實施方式
與發(fā)電機側全控變流器的實施方式相同， 不再贅述。網(wǎng)側三電平變流器的三相交流輸出直接連接到三相并網(wǎng)電感￡2 ,然后經過與三相 濾波電容Cv并聯(lián)后連到升壓變壓器后并入電網(wǎng)。
權利要求1、一種兆瓦級風力發(fā)電用三電平中壓變流器，其特征是它是由兩個結構完全相同的三電平中壓變流器通過直流母線以背靠背形式連接組成，三電平中壓變流器包括三相電感、三相電容、發(fā)電機側三電平變流器、直流側濾波電容、網(wǎng)側三電平變流器以及三相并網(wǎng)電感和三相濾波電容，發(fā)電機側三電平變流器和網(wǎng)側三電平變流器通過直流母線以背靠背形式連接；風力發(fā)電機連接三相電容后并聯(lián)到三相電感的一端，三相電感的另一端連接發(fā)電機側三電平變流器，發(fā)電機側三電平變流器的直流輸出端通過直流側濾波電容連接網(wǎng)側三電平變流器的直流母線側，網(wǎng)側三電平變流器的三相交流輸出端連接三相并網(wǎng)電感，與三相濾波電容并聯(lián)后連到升壓變壓器，升壓變壓器連接電網(wǎng)。
2、 根據(jù)權利要求l所述的兆瓦級風力發(fā)電用三電平中壓變流器，其特征是所述的發(fā)電機 側三電平變流器是標準的三電平變流器結構。
3、 根據(jù)權利要求1所述的兆瓦級風力發(fā)電用三電平中壓變流器，其特征是所述的網(wǎng)側三 電平變流器是標準的三電平變流器結構。
4、 根據(jù)權利要求2或3所述的兆瓦級風力發(fā)電用三電平中壓變流器，其特征是所述的三 電平中壓變流器包括相互并聯(lián)的三組橋臂和三組箝位二極管，每一橋臂包括四個開關管，每 兩個開關管首尾相連，三組箝位二極管首尾相連，其中點與橋臂的交點相連并連接直流側濾 波電容的中點。
5、 根據(jù)權利要求1所述的兆瓦級風力發(fā)電用三電平中壓變流器，其特征是所述的直流測 濾波電容是由兩個同樣的電容串聯(lián)組成。
專利摘要本實用新型公開了一種兆瓦級風力發(fā)電用三電平中壓變流器。它包括三相電感、三相電容、發(fā)電機側三電平變流器、直流側濾波電容、網(wǎng)側三電平變流器以及三相并網(wǎng)電感和三相濾波電容，發(fā)電機側三電平變流器和網(wǎng)側三電平變流器通過直流母線以背靠背形式連接。風力發(fā)電機連接三相電容后并聯(lián)到三相電感的一端，三相電感的另一端連接發(fā)電機側三電平變流器，發(fā)電機側三電平變流器的直流輸出端通過直流側濾波電容連接網(wǎng)側三電平變流器的直流母線側，網(wǎng)側三電平變流器的三相交流輸出端連接三相并網(wǎng)電感，與三相濾波電容并聯(lián)后連到升壓變壓器后并入電網(wǎng)。本實用新型不僅適用于永磁直驅式風力發(fā)電系統(tǒng)，而且還適用于中壓雙饋式風力發(fā)電系統(tǒng)。
文檔編號H02M7/219GK201025674SQ200720115528
公開日2008年2月20日 申請日期2007年2月7日 優(yōu)先權日2007年2月7日
發(fā)明者丁兆國, 周維來, 孫敬華, 官二勇, 哲 張, 張春雨, 寅 李, 白德芳, 鄧志平, 鄭文英, 金慶才, 顧春明 申請人:哈爾濱九洲電氣股份有限公司