專利名稱：高頻正弦波調(diào)制的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)逆變器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種逆變器，具體是高效的、高頻的、正弦波調(diào)制的、用于風(fēng)電場(chǎng)直接 向高壓輸電網(wǎng)并網(wǎng)的逆變器。
背景技術(shù)：
風(fēng)能資源是清潔的可再生能源，風(fēng)力發(fā)電是新能源中技術(shù)最成熟、最具規(guī)模開發(fā) 條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一。世界上很多國家，尤其是發(fā)達(dá)國家，已充分認(rèn)識(shí)到 風(fēng)電在調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、緩解環(huán)境污染等方面的重要性，對(duì)風(fēng)電的開發(fā)給予了高度重視。近8 年來，全世界風(fēng)電裝機(jī)容量年平均增長(zhǎng)超過30 %，成為發(fā)展最快的電力資源。開發(fā)新能源 是國家能源建設(shè)實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需要，是促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、減少環(huán)境污染、推進(jìn)技 術(shù)進(jìn)步的重要手段。風(fēng)電以其豐富的資源、良好的環(huán)境效益和逐步降低的發(fā)電成本，將成為 21世紀(jì)中國重要的可再生綠色能源。風(fēng)電場(chǎng)是指在同一場(chǎng)地上安裝幾十甚至上百臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，并聯(lián)在一起，通過 電子計(jì)算機(jī)控制共同向電網(wǎng)供電的風(fēng)能利用方式，發(fā)展風(fēng)電場(chǎng)的先決條件是當(dāng)?shù)仫L(fēng)能資源 豐富。因此，風(fēng)電場(chǎng)主要集中在東北、內(nèi)蒙古、新疆等較為空曠、風(fēng)力資源好的地方。風(fēng)電場(chǎng) 是風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展方向，是大規(guī)模開發(fā)利用風(fēng)能的主要方式。由于風(fēng)電場(chǎng)的場(chǎng)地限制條件， 這就決定了大型的風(fēng)電場(chǎng)通常在廣袤的草原或山區(qū)地帶，給風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)帶來諸多的不利 條件，而且這些地區(qū)通常是電力資源寬裕的地區(qū)，需要將風(fēng)電場(chǎng)的電能輸送到電能缺乏的 東南沿海，這就決定風(fēng)電場(chǎng)的電能需向高壓輸電網(wǎng)并網(wǎng)。風(fēng)電場(chǎng)向高壓輸電網(wǎng)并網(wǎng)，這就要 求逆變器的開關(guān)器件耐壓很高，隨著風(fēng)電場(chǎng)容量的增加，開關(guān)器件的容量已很難達(dá)到。近年來隨著風(fēng)能的開發(fā)和利用，尤其在采用變速變頻發(fā)電機(jī)組的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 中，并網(wǎng)逆變器作為發(fā)電機(jī)連接電網(wǎng)的核心裝置獲得廣泛應(yīng)用。由于采用PWM控制技術(shù)，并 網(wǎng)逆變器交流側(cè)具有可控功率因數(shù)，正弦化輸出電流波形，以及可以實(shí)現(xiàn)電能的雙向傳輸 等優(yōu)點(diǎn)。但是由于風(fēng)力發(fā)電用并網(wǎng)逆變器功率容量較大，直流母線兩端的電壓較高，因此為 降低功率器件應(yīng)力使得PWM信號(hào)開關(guān)頻率受到限制，頻率范圍通常在1 3kHz之間。開關(guān) 頻率的降低導(dǎo)致逆變器網(wǎng)側(cè)輸出電流中的諧波分量增加。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，張強(qiáng)、張崇巍、張興、謝震“風(fēng)力發(fā)電用大功率并網(wǎng) 逆變器研究”(中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007年第27卷第16期，p54-59)為降低開關(guān)頻率較低 造成的電流諧波，在并網(wǎng)逆變器中引入T型濾波器取代典型的電感濾波器。該方法在一定 程度上抑制了輸出電流中的諧波分量，改善了輸出的正弦電流波形，但是并不能改變PWM 控制方式對(duì)開關(guān)頻率的限制，也無法解決開關(guān)器件耐壓的問題，對(duì)于并網(wǎng)電流的改善，也僅 是抑制了一定量的諧波，其諧波含量仍然較大，而且由于采用了 T性濾波器，降低了逆變器 的穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提出一種隔離型的基于正弦波調(diào)制的并網(wǎng)逆變器。該逆變器通過調(diào)節(jié)正弦波形的諧振電流使其輸出電壓跟蹤電網(wǎng)電壓，開 關(guān)頻率顯著提高；開關(guān)器件在變壓器的前端，耐壓要求很小，并網(wǎng)側(cè)無需耐高壓的電力電子 器件，可滿足向高壓電網(wǎng)并網(wǎng)，且實(shí)施容易、控制簡(jiǎn)單。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括高頻逆變器、串聯(lián)諧振電路、高 頻變壓器、并網(wǎng)電容、并網(wǎng)電感，其中，高頻變壓器用于隔離和升壓；串聯(lián)諧振電路用于將逆 變器輸出的脈沖電平轉(zhuǎn)換為正弦波形；高頻逆變器控制諧振電流的幅值及方向，調(diào)節(jié)并網(wǎng) 電容的電壓跟蹤電網(wǎng)電壓的變化，通過并網(wǎng)電感向電網(wǎng)饋送與電網(wǎng)電壓同頻率、同相位的 交流電流。所述的高頻逆變器有2種工作狀態(tài)，向串聯(lián)諧振提供電能，使得諧振幅度增大，稱 之為正諧振狀態(tài)；串聯(lián)諧振向逆變器的直流母線反饋電能，諧振幅度減小，稱之為負(fù)諧振狀 態(tài)。正諧振狀態(tài)，逆變器輸出的電平始終與諧振電流方向相同，使得諧振電流的幅值增大； 負(fù)諧振狀態(tài)，逆變器輸出的電平始終與諧振電流方向相反，使得諧振電流的幅值減小。高頻 逆變器由4個(gè)反并聯(lián)快速二極管的開關(guān)器件組成，負(fù)諧振狀態(tài)時(shí)，4個(gè)開關(guān)器件全部關(guān)斷， 根據(jù)諧振電流的方向，4個(gè)二極管自動(dòng)導(dǎo)通和關(guān)斷；正諧振狀態(tài)時(shí)，控制2個(gè)開關(guān)器件導(dǎo)通， 且在一個(gè)諧振周期內(nèi)，正諧振狀態(tài)在諧振電流過零點(diǎn)時(shí)開始作用，消除一次開關(guān)損耗。在一個(gè)諧振周期內(nèi)，逆變器交替工作在正諧振狀態(tài)和負(fù)諧振狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)兩種 狀態(tài)的作用時(shí)間比例來調(diào)節(jié)諧振電流的幅值和方向，使得并網(wǎng)電容的電壓跟蹤電網(wǎng)電壓的 變化，正諧振狀態(tài)的作用比例在O 50%之間。一個(gè)諧振周期內(nèi)，諧振電流正負(fù)交替，只有 一個(gè)方向的諧振電流是并網(wǎng)電容所需要的，正諧振狀態(tài)的作用比例用來調(diào)節(jié)所需要的諧振 電流的幅值，負(fù)諧振狀態(tài)用來抑制另一個(gè)方向的諧振電流，減弱其對(duì)并網(wǎng)電容電壓的影響。逆變器的輸入直流電壓是可變化的，只需控制策略中增加輸入直流電壓的變量， 輸入直流電壓變化時(shí)，正諧振周期的相應(yīng)作用時(shí)間隨之改變即可。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果第一、采用高頻變壓器隔離，安全性 高，且變壓器體積小、響應(yīng)快；第二、通過變壓器升壓，開關(guān)器件在變壓器初級(jí)側(cè)，所需耐壓 值很小，開關(guān)器件不易損壞，提高了逆變器的使用壽命；第三、一個(gè)諧振周期內(nèi)，只需要控制 2個(gè)開關(guān)器件的導(dǎo)通，且只有其關(guān)斷時(shí)有開關(guān)損耗，逆變器整體損耗低、效率高；第四、并網(wǎng) 側(cè)無需大功率、耐高壓的電力電子器件，逆變器容易實(shí)施；第六、逆變器的輸入電壓可變化， 可實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的最大功率跟蹤。


圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例；圖2為并網(wǎng)電容電壓、諧振電流、逆變器的輸出電平三者的關(guān)系，1-并網(wǎng)電容電 壓，2-諧振電流，3-逆變器的輸出電平，I-調(diào)節(jié)正向諧振電流幅值，正諧振狀態(tài)作用比例為 40 %，負(fù)諧振狀態(tài)抑制負(fù)向諧振電流，II-調(diào)節(jié)負(fù)向諧振電流幅值，正諧振狀態(tài)作用比例為 40 %，負(fù)諧振狀態(tài)抑制正向諧振電流。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前 提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。因此，應(yīng)當(dāng)明白，所附的權(quán)利要求意欲涵蓋落入本發(fā)明的真實(shí)精神的所有這些修改和改變。如圖1所示，本實(shí)施例包括高頻逆變器20、串聯(lián)諧振電路30、高頻變壓器28、并 網(wǎng)電容34、并網(wǎng)電感36，其中，高頻變壓器28用于隔離和升壓；串聯(lián)諧振電路30用于將逆 變器20輸出的脈沖電平轉(zhuǎn)換為正弦波形；高頻逆變器20控制諧振電流的幅值及方向，調(diào)節(jié) 并網(wǎng)電容34的電壓32跟蹤電網(wǎng)電壓40的變化，通過并網(wǎng)電感36向電網(wǎng)饋送與電網(wǎng)電壓 同頻率、同相位的交流電流38。高頻逆變器20有2種工作狀態(tài)，向串聯(lián)諧振電路30提供電能，使得諧振幅度增 大，稱之為正諧振狀態(tài)；串聯(lián)諧振電路30向逆變器20的直流母線10反饋電能，諧振幅度減 小，稱之為負(fù)諧振狀態(tài)。正諧振狀態(tài)，逆變器20輸出的電平始終與諧振電流25方向相同， 使得諧振電流25的幅值增大；負(fù)諧振狀態(tài)，逆變器20輸出的電平始終與諧振電流25方向 相反，使得諧振電流25的幅值減小。負(fù)諧振狀態(tài)，開關(guān)器件全部關(guān)斷，諧振電流25為正時(shí)， 二極管14和16導(dǎo)通形成回路；諧振電流25為負(fù)時(shí)，二極管12和18導(dǎo)通形成回路；正諧振 狀態(tài)，2個(gè)開關(guān)器件導(dǎo)通，諧振電流25為正時(shí)，開關(guān)器件2和8導(dǎo)通；諧振電流為負(fù)時(shí)，開關(guān) 器件4和6導(dǎo)通。如圖2所示，在一個(gè)諧振周期內(nèi)，逆變器20交替工作在正諧振狀態(tài)和負(fù)諧振狀態(tài)， 通過調(diào)節(jié)兩種狀態(tài)的作用時(shí)間比例來調(diào)節(jié)諧振電流25的幅值和方向，使得并網(wǎng)電容34的 電壓32跟蹤電網(wǎng)電壓40的變化，正諧振狀態(tài)的作用比例在0 50%之間，且正諧振狀態(tài) 在諧振電流25的過零點(diǎn)開始作用，消除一次開關(guān)損耗。一個(gè)諧振周期內(nèi)，諧振電流正負(fù)交 替，只有一個(gè)方向的諧振電流是并網(wǎng)電容34所需要的，正諧振狀態(tài)的比例用來調(diào)節(jié)所需要 的諧振電流的幅值，負(fù)諧振狀態(tài)用來抑制另一個(gè)方向的諧振電流，減弱其對(duì)并網(wǎng)電容電壓 32的影響。逆變器20的輸入直流電壓10是可變化的，只需控制策略中增加輸入直流電壓 的變量，輸入直流電壓變化時(shí)，正諧振的相應(yīng)作用時(shí)間隨之改變。外加電容器24與高頻隔離變壓器28的漏感組成了串聯(lián)諧振電路30，如果漏感不 足以達(dá)到給定的諧振周期，可以外加電感26。電容器和電感的容量確定，串聯(lián)諧振的周期即 固定，高頻逆變器20的開關(guān)器件頻率為串聯(lián)諧振的頻率。元件列表
(2)開關(guān)器件
(4)開關(guān)器件
(6)開關(guān)器件
(8)開關(guān)器件
(10)直流電壓
(12)快速二二極管
(14)快速二二極管
(16)快速二二極管
(18)快速二二極管
(20)高頻逆變器
(24)諧振電容
(25)諧振電流
(26)諧振外加電感
(28)高頻隔離變壓器
(30)串聯(lián)諧振電路
(32)并網(wǎng)電容電壓
(34)并網(wǎng)電容
(36)并網(wǎng)電感
(38)并網(wǎng)電流
(40)電網(wǎng)電壓
權(quán)利要求
一種高效的、高頻的、正弦波調(diào)制的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)逆變器(100)，包括高頻逆變器(20)、串聯(lián)諧振電路(30)、高頻變壓器(28)、并網(wǎng)電容(34)、并網(wǎng)電感(36)，其中，高頻變壓器(28)用于隔離和升壓；串聯(lián)諧振電路(30)將高頻逆變器(20)輸出的脈沖電平轉(zhuǎn)換為正弦波形，便于變壓器(28)升壓；高頻逆變器(20)通過調(diào)節(jié)輸出的2種電平的作用比例控制諧振電流的幅值及方向，調(diào)節(jié)并網(wǎng)電容(34)的電壓(32)跟蹤電網(wǎng)電壓(40)的變化，通過并網(wǎng)電感(36)向電網(wǎng)饋送與電網(wǎng)電壓同頻率、同相位的交流電流(38)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的逆變器(100)，其特征是，高頻逆變器(20)有2種工作狀 態(tài)，向串聯(lián)諧振電路(30)提供電能，使得諧振幅度增大，稱之為正諧振狀態(tài)，串聯(lián)諧振電路 (30)向逆變器(20)的直流母線(10)反饋電能，諧振幅度減小，稱之為負(fù)諧振狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的逆變器(100)，其特征是，正諧振狀態(tài)，逆變器(20)輸出的 電平始終與諧振電流(25)方向相同，使得諧振電流(25)的幅值增大，負(fù)諧振狀態(tài)，逆變器 (20)輸出的電平始終與諧振電流(25)方向相反，使得諧振電流(25)的幅值減小。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的逆變器(100)，其特征是，負(fù)諧振狀態(tài)，開關(guān)器件全部關(guān)斷， 諧振電流(25)為正時(shí)，二極管(14)和(16)導(dǎo)通形成回路，諧振電流(25)為負(fù)時(shí)，二極管 (12)和(18)導(dǎo)通形成回路，正諧振狀態(tài)，2個(gè)開關(guān)器件導(dǎo)通，諧振電流(25)為正時(shí)，開關(guān)器 件⑵和⑶導(dǎo)通，諧振電流為負(fù)時(shí)，開關(guān)器件⑷和(6)導(dǎo)通。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的逆變器(100)，其特征是，在一個(gè)諧振周期內(nèi)，逆變器(20) 交替工作在正諧振狀態(tài)和負(fù)諧振狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)兩種狀態(tài)的作用時(shí)間比例來調(diào)節(jié)諧振電流 (25)的幅值和方向，使得并網(wǎng)電容(34)的電壓(32)跟蹤電網(wǎng)電壓(40)的變化，正諧振狀 態(tài)的作用比例在0 50%之間，且正諧振狀態(tài)在諧振電流(25)的過零點(diǎn)開始作用，消除一 次開關(guān)損耗。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的逆變器(100)，其特征是，一個(gè)諧振周期內(nèi)，諧振電流正負(fù)交 替，只有一個(gè)方向的諧振電流是并網(wǎng)電容(34)所需要的，正諧振狀態(tài)的比例用來調(diào)節(jié)所需 要的諧振電流的幅值，負(fù)諧振狀態(tài)用來抑制另一個(gè)方向的諧振電流，減弱其對(duì)并網(wǎng)電容電 壓(32)的影響。
全文摘要
一種高效的、高頻的、正弦波調(diào)制的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)逆變器(100)，包括高頻逆變器(20)、串聯(lián)諧振電路(30)、高頻變壓器(28)、并網(wǎng)電容(34)、并網(wǎng)電感(36)，其中，高頻變壓器(28)用于隔離和升壓；串聯(lián)諧振電路(30)將高頻逆變器(20)輸出的脈沖電平轉(zhuǎn)換為正弦波形，便于變壓器(28)升壓；高頻逆變器(20)通過調(diào)節(jié)輸出的2種電平的作用比例控制諧振電流的幅值及方向，調(diào)節(jié)并網(wǎng)電容(34)的電壓(32)跟蹤電網(wǎng)電壓(40)的變化，通過并網(wǎng)電感(36)向電網(wǎng)饋送與電網(wǎng)電壓同頻率、同相位的交流電流(38)。該逆變器無需耐高壓的電力電子器件，可用于大型風(fēng)電場(chǎng)向高壓輸電網(wǎng)并網(wǎng)。
文檔編號(hào)H02J3/44GK101950986SQ20101050047
公開日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2010年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月8日
發(fā)明者劉闖, 趙伊苓 申請(qǐng)人:劉闖