專利名稱：采用多相發(fā)電機和多電平變換器的兆瓦級變速風電機組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風電領(lǐng)域，尤指一種采用多相發(fā)電機和多電平變換器 的兆瓦級變速風電機組。
背景技術(shù)：
風電是目前最具有商業(yè)開發(fā)潛力的清潔能源，也是我國重點發(fā)展 的可再生能源之一。當前風力發(fā)電的主流技術(shù)方案是變速風機技術(shù)， 而為了實現(xiàn)風機的變速運行以及風電機組的并網(wǎng)，電力電子變換器是 其中必不可少的核心控制器。在各種變速風機的實現(xiàn)方案中，安裝在 發(fā)電機定子側(cè)的全功率風電變換器是實現(xiàn)風機變速恒頻控制的重要方 案之一，這種方案與發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)變換器方案相比更易于實現(xiàn)，作為 風電機組關(guān)鍵設(shè)備在電網(wǎng)故障狀態(tài)下要滿足較高的電壓穿越能力，因 此是目前大功率風電變換器的研究中比較重要和熱點的技術(shù)。由于定 子側(cè)變換器方案必須處理全部的發(fā)電機功率，這造成定子側(cè)風電變換 器在設(shè)計和制造上的很多的困難以及較高的成本。特別是目前國際上
風電機組的單機功率已經(jīng)達到5麗，而且在進一步發(fā)展5MW以上的功率 等級，因此對于風電變換器的設(shè)計和制造提出了更高的要求，而現(xiàn)有 的單發(fā)電機和單變換器的技術(shù)方案已經(jīng)不能適應(yīng)這種技術(shù)要求。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種采用多相 發(fā)電機和多電平變換器的兆瓦級變速風電機組。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用多相發(fā)電機和多電平變換器的兆瓦 級變速風電機組，包括多組同軸發(fā)電機和多個電力電子變換器系統(tǒng)， 風機的主軸與多組發(fā)電機軸相連，每一發(fā)電機定子側(cè)連接獨立的變換 器系統(tǒng)，并將每一變換器系統(tǒng)之間并聯(lián)和/或串聯(lián)，將發(fā)電機定子并入 電網(wǎng)，向電網(wǎng)輸送電力，完成風能-機械能-電能的轉(zhuǎn)換。
4進一步，所述發(fā)電機為多相同步發(fā)電機。
進一步，所述變換器系統(tǒng)包括不控整流橋、斬波器和并網(wǎng)逆變器。
進一步，所迷并網(wǎng)逆變器為兩重化PWM逆變器，用于將直流側(cè)能 量變換成滿足電網(wǎng)連接要求的形式傳遞給電網(wǎng)，在保持直流側(cè)電壓恒 定的同時， -使交流側(cè)相電流4妻近于正弦，相電流與相電壓同相，功率 因凝:接近于1,以減少輸送到電網(wǎng)的諧波和無功含量。
進一步，所述變換器系統(tǒng)主電路，包括發(fā)電機側(cè)濾波器、六相不 控整流器、整流輸出電容器組、三重升壓BOOST變換器、制動單元、 逆變側(cè)濾波電容器、雙重并網(wǎng)逆變器、逆變輸出平衡電抗器、濾波器 和升壓變壓器。
進一步，所述變換器系統(tǒng)控制電路包括電源及復(fù)位電路、AD基準 電路、D/A輸出電路、P麗輸出驅(qū)動和IGBT故障檢測電路和模擬量輸 入調(diào)理電路。
進一步，所述電源及復(fù)位電3各通過TPS70351芯片^T出3. 3V和1. 8V 兩種電壓，同時可以輸出復(fù)位信號。
進一步，所述AD基準電路通過2812芯片自帶的AD采樣基準電3各， 所述D/A輸出電路采用并口 16位DA芯片AD574,所述;f莫擬量llr入調(diào)理 電路由差分放大器INA114和運放IM2137構(gòu)成。
本發(fā)明的風電機組采用多相發(fā)電機和多電平變換器實現(xiàn)大功率變 速風電機組的技術(shù)，這種技術(shù)的主要特點是采用多組同軸發(fā)電^L來代 替單一發(fā)電機，每臺分立的發(fā)電機定子側(cè)采用各自獨立的電力電子變 換器或者采用多重化技術(shù)實現(xiàn)變換器的并聯(lián)(或串聯(lián))組合。這種技 術(shù)的主要優(yōu)點(1)單臺發(fā)電機的功率等級相對降低，整個風機的功 率被多臺發(fā)電機分擔；(2)發(fā)電機可采用容易制造和低成本的鼠籠式 感應(yīng)電機，設(shè)計和制造周期短；如果采用永磁同步電機，功率等級較 小，則電機的設(shè)計和制造難度也相對降低；(3)定子側(cè)電力電子變換 器的容量降低，并且可輕易實現(xiàn)變換器的并聯(lián)或串聯(lián)多重化；(4)如 果單臺發(fā)電機或變換器出現(xiàn)故障，則整個系統(tǒng)可以減功率繼續(xù)運行或 者啟用冗余電機或者變換器。盡管在單發(fā)電機風電系統(tǒng)中，電力電子 變換器也可釆用多個相同結(jié)構(gòu)的變換器并聯(lián)實現(xiàn)，但是這需要對每臺 變換器進行隔離；而多相發(fā)電機組方案本身提供了多組相互獨立的電
5源，不需要額外的隔離。(5)由于多機組系統(tǒng)中通過增加和減少單臺 發(fā)電機的個數(shù)即可適應(yīng)各種功率等級的風機的需求，因此對于發(fā)電機 和變換器的制造商而言，不需要提供太多功率等級，這有利于實現(xiàn)發(fā) 電機和變換器的最優(yōu)設(shè)計。(6)這種技術(shù)能夠充分適應(yīng)我國大功率風 電機組要求國產(chǎn)化的市場期望和我國現(xiàn)有的技術(shù)能力，通過采用國內(nèi) 成熟的較小功率機組的組合來構(gòu)造大功率風電機組。


圖1為本發(fā)明不控整流接BOOST加IGBT逆變?nèi)β首儞Q器系統(tǒng)原 理圖2為本發(fā)明兆瓦級變速風電機組的電路圖3為實施例中風電機組電路原理圖4多鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機組變速風電系統(tǒng)原理示意圖5多永磁同步發(fā)電機組變速風電系統(tǒng)原理示意圖6變換器并聯(lián)的發(fā)電機組；
圖7發(fā)電機側(cè)變換器串聯(lián)的發(fā)電機組；
圖8變換器系統(tǒng)控制系統(tǒng)硬件框圖。
具體實施例方式
本發(fā)明以多相發(fā)電機風電變換系統(tǒng)的核心是通過采用多臺發(fā)電機 與變換器的多重化技術(shù)實現(xiàn)大功率風機的變速運行和并網(wǎng)，是高功率 等級變速風電機組的新的技術(shù)。
實施例1:
如圖4、 5、 6所示，本發(fā)明風電機組將多組發(fā)電機同軸相連，每 一臺發(fā)電機的定子側(cè)連接有變換器，每一變換器在電網(wǎng)側(cè)進行并聯(lián)后 通過升壓變壓器連接到電網(wǎng)。其中，發(fā)電機可采用容易制造和低成本的 鼠籠式感應(yīng)電機，設(shè)計和制造周期短?；蛘卟捎糜馈菲澩诫姴艓祝β?等級較小，則電機的設(shè)計和制造難度也相對降低。
如圖1和2所示，本發(fā)明風電機組包括風機、多相發(fā)電機和多電 平變換器，其中，變換器的主電路包括發(fā)電機側(cè)濾波器、六相不控整 流器、整流輸出電容器組、三重升壓BOOST變換器、制動單元、逆變逆變器、逆變輸出平衡電抗器、濾波器和升
壓變壓器。不控二極管整流橋后加入一個DC/DC Boost升壓環(huán)節(jié)，得 到圖1所示的直流側(cè)電壓穩(wěn)定的P麗電壓源型逆變器型拓樸結(jié)構(gòu)。通 過增加這個環(huán)節(jié)，可以解決風力較小發(fā)電機輸出電壓低時保證直流母 線電壓的穩(wěn)定從而使P畫逆變器保持良好的運行特性。它通過Boost 升壓環(huán)節(jié)將逆變器直流母線電壓提高并穩(wěn)定在合適的范圍，使逆變器 的調(diào)制深度范圍好，提高運行效率，減小損耗。同時，Boost電路還可 以對永磁同步發(fā)電機輸出側(cè)進行功率因數(shù)校正。由于不控整流橋的非 線性特性，整流橋輸入側(cè)電流特性畸變很嚴重，諧波含量比較大，會 使發(fā)電機功率因數(shù)降低，發(fā)電機轉(zhuǎn)矩發(fā)生振蕩?？梢酝ㄟ^功率因數(shù)校 正技術(shù)(PFC)，改變開關(guān)器件的占空比，使發(fā)電機輸出電流保持正弦并 保持與輸出電壓同步。主電路中的直-交變換部分采用兩重化P麗逆 變器，用于將直流側(cè)能量變換成滿足電網(wǎng)連接要求的形式傳遞給電網(wǎng)， 在保持直流側(cè)電壓恒定的同時，使交流側(cè)相電流接近于正弦，相電流 與相電壓同相，功率因數(shù)接近于l，以減少輸送到電網(wǎng)的諧波和無功含 量。該逆變器采用兩重化的目的一是實現(xiàn)電路的并聯(lián)均流，提高功率 等級，二是減小交流輸出電流中的諧波含量，滿足電網(wǎng)對諧波的要求。
如圖3所示，大功率風電變換器系統(tǒng)由不控整流橋、斬波器、并 網(wǎng)逆變器構(gòu)成。整流器側(cè)電源三相380V,逆變器側(cè)電源三相690V，閉 合配電拒l、 2和3,閉合主斷路器，三相380V電壓接到不控整流橋的 輸入端，三相690V電壓接到并網(wǎng)逆變器的輸出端，然后控制箱啟動工 作，給三重斬波器和兩重逆變器發(fā)工作脈沖；用操作器給定斬波器的 工作電流，觀測三重斬波器電流、中間直流電壓、交流電流等波形是 否正常。結(jié)果用操作器給定整流狀態(tài)交流電流峰值為450A (半載)、 900A(滿載)時，中間直流電壓、交流電流的波形隨著功率增加，電 流波形質(zhì)量越來越好。操作器給定整流狀態(tài)交流電流峰值為900A時， 總功率達到1499kW。根據(jù)信號比較得結(jié)果其中
通道1 — 1/2中間直流電壓V。0 (100V/div)。
通道2 —690V側(cè)B相電網(wǎng)電壓(200V/div)。
通道3—并網(wǎng)逆變器1電感電流(500A/div)。
通道4一并網(wǎng)逆變器2電感電流(500A/div)。
7如圖8所示，本發(fā)明發(fā)電機組的核心控制由主控制系統(tǒng)和P麗變 流控制系統(tǒng)共同實現(xiàn)，其中主控系統(tǒng)的作用是實現(xiàn)整機的控制，包括 風速測量、功率計算、P麗變流系統(tǒng)的指令給定、變速變槳控制、所有 接觸器的控制等，變流控制系統(tǒng)的作用是根據(jù)主控板提供的給定信號， 分別向變流系統(tǒng)中的電機側(cè)逆變器、制動單元和并網(wǎng)逆變器發(fā)出相應(yīng) 控制脈沖，使發(fā)電機的能量通過整流、和逆變后送入電網(wǎng)，在保持中 間直流電壓恒定的同時，使逆變器輸出電流達到電網(wǎng)連接要求。
控制系統(tǒng)硬件DSP外圍電路由以下幾部分成
(1) 電源及復(fù)位電路,此功能由TPS70351芯片實現(xiàn)，該芯片可以輸 出3. 3V和1. 8V兩種電壓，滿足DSP供電的需要。同時可以輸出復(fù)位信 號，并可以4妻手動位按4丑。
(2) AD基準電路,TMS320F2812芯片內(nèi)部自帶AD采樣的基準電3各， 可以滿足AD采集的需要，利用電壓源和運放芯片產(chǎn)生IV和2V的信號 提供給DSP，提高AD采集的精度。由于TMS320F2812芯片只能接受0— 3V的電壓信號，而信號調(diào)理板給DSP控制板的信號為雙極性信號，所以 需要把信號抬高1. 5V后再送給DSP。恰好可以利用DSP輸出的IV和 2V信號給一運放芯片，把雙極性的模擬量輸入調(diào)整到0-3V之間。
(3) D/A輸出電路，采用并口 16位DA芯片AD574。
(4) P麗輸出驅(qū)動和IGBT故障檢測電路。
(5) 模擬量輸入調(diào)理電路，由差分放大器INA114和運放INA2137 組成。
實施例2:
如圖4、 5、 7所示，本發(fā)明風電機組將多組發(fā)電機同軸相連，每 一臺發(fā)電機的定子側(cè)連接有獨立的變換器，每一變換器之間采用串聯(lián) 以提高直流母線電壓，而電網(wǎng)側(cè)變換器(逆變器)只用一個，并最終 將發(fā)電機定子側(cè)并入電網(wǎng)向電網(wǎng)輸送電力。發(fā)電機也可采用容易制造 和低成本的鼠籠式感應(yīng)電機，設(shè)計和制造周期短?；蛘卟捎糜朗澩?電機，功率等級較小，則電機的設(shè)計和制造難度也相對降低。其它部 分與實施例1中相同。
盡管上文對本發(fā)明的具體實施方式
通過實例進行了詳細的描述和說明，但應(yīng)該指明的是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對上述實施方式進行 各種改變和修改，但這些都不脫離本發(fā)明的精神和權(quán)利要求所記載的 范圍。
權(quán)利要求
1.一種采用多相發(fā)電機和多電平變換器的兆瓦級變速風電機組，包括多組同軸發(fā)電機和多個電力電子變換器系統(tǒng)，風機的主軸與多組發(fā)電機軸相連，其特征在于，每一發(fā)電機定子側(cè)連接獨立的變換器系統(tǒng)，并將每一變換器系統(tǒng)之間并聯(lián)和/或串聯(lián)并入電網(wǎng)，向電網(wǎng)輸送電力，完成風能-機械能-電能的轉(zhuǎn)換。
2. 如權(quán)利要求1所述的采用多相發(fā)電機和多電平變換器的兆瓦級變速風 電機組，其特征在于，所述發(fā)電機為多相發(fā)電機，如鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機或者永f茲同步發(fā)電機。
3. 如權(quán)利要求1所述的采用多相發(fā)電機和多電平變換器的兆瓦級變速風 電機組，其特征在于，所述變換器系統(tǒng)包括不控整流橋、斬波器和并 網(wǎng)逆變器。
4. 如權(quán)利要求1所述的采用多相發(fā)電機和多電平變換器的兆瓦級變速風 電機組，其特征在于，所述每一發(fā)電機向與其對應(yīng)的變換器系統(tǒng)供電。
5. 如權(quán)利要求3所述的采用多相發(fā)電機和多電平變換器的兆瓦級變速風 電機組，其特征在于，所述并網(wǎng)逆變器為兩重化P麗逆變器，用于將 直流側(cè)能量變換成滿足電網(wǎng)連接要求的形式傳遞給電網(wǎng)，在保持直流 側(cè)電壓恒定的同時， -使交流側(cè)相電流-接近于正弦，相電流與相電壓同 相，功率因數(shù)接近于l，以減少輸送到電網(wǎng)的諧波和無功含量。
6. 如權(quán)利要求1所述的采用多相發(fā)電機和多電平變換器的兆瓦級變速風 電機組，其特征在于，所述變換器系統(tǒng)主電路，包括發(fā)電機側(cè)濾波器、 六相不控整流器、整流輸出電容器組、三重升壓BOOST變換器、制動 單元、逆變側(cè)濾波電容器、雙重并網(wǎng)逆變器、逆變輸出平衡電抗器、 濾波器和升壓變壓器。
7. 如權(quán)利要求1所述的采用多相發(fā)電機和多電平變換器的兆瓦級變速風 電機組，其特征在于，所述變換器系統(tǒng)控制電路包括電源及復(fù)位電路、 AD基準電路、D/A輸出電路、P麗輸出驅(qū)動和IGBT故障檢測電路和模 擬量輸入調(diào)理電^^。
8. 如權(quán)利要求6所述的采用多相發(fā)電機和多電平變換器的兆瓦級變速風 電機組，其特征在于，所述電源及復(fù)位電路通過TPS70351芯片輸出(3. 3V和1. 8V兩種電壓，同時可以輸出復(fù)位信號。
9.如權(quán)利要求6所述的采用多相發(fā)電機和多電平變換器的兆瓦級變速風 電機組，其特征在于，所述AD基準電路通過2812芯片自帶的AD采 樣基準電路，所述D/A輸出電路采用并口 16位DA芯片AD574，所述 模擬量輸入調(diào)理電路由差分放大器INA114和運放INA2137構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明采用多相發(fā)電機和多電平變換器的兆瓦級變速風電機組，包括多組同軸發(fā)電機和多個電力電子變換器系統(tǒng)，風機的主軸與多組發(fā)電機軸相連，每一發(fā)電機定子側(cè)連接獨立的變換器系統(tǒng)，并將每一變換器系統(tǒng)之間并聯(lián)和/或串聯(lián)并入電網(wǎng)，向電網(wǎng)輸送電力，完成風能-機械能-電能的轉(zhuǎn)換。這種技術(shù)的主要特點是采用多組同軸發(fā)電機來代替單一發(fā)電機，每臺分立的發(fā)電機定子側(cè)采用各自獨立的電力電子變換器或者采用多重化技術(shù)實現(xiàn)變換器的并聯(lián)或串聯(lián)組合來實現(xiàn)兆瓦級變速風電機組。
文檔編號H02J3/38GK101635466SQ20091009187
公開日2010年1月27日 申請日期2009年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月28日
發(fā)明者劉文斌, 劉文濤, 呂寶春, 張曉華 申請人:新疆全新環(huán)保新技術(shù)科技有限公司