專利名稱：一種兆瓦級永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電變流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種風(fēng)力發(fā)電變流設(shè)備，特別是一種兆瓦級永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電 變流器，主要用于利用可再生能源一風(fēng)能的風(fēng)力發(fā)電。
背景技術(shù)：
風(fēng)能作為一種潔凈的可再生能源，隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)逐步成熟，其運行成本將會 低于水電和火電，發(fā)展前景非常廣闊。發(fā)電機組是風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換核心，目前， 采用的發(fā)電機組主要有雙饋異步發(fā)電機組和永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機組。雙饋異步發(fā)電機采 用定子和轉(zhuǎn)子雙繞組，以及滑環(huán)、變速齒輪箱，其定子繞組直接連接到電網(wǎng)上，轉(zhuǎn)子繞組電 流由滑環(huán)引入，通過一部分功率的交-直_交變換器與電網(wǎng)連接，轉(zhuǎn)子變換器通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子 電流的頻率、相位及功率來調(diào)節(jié)定子側(cè)輸出功率，使之與風(fēng)輪輸出功率相匹配，在風(fēng)輪和電 機之間通過變速齒輪箱進行增速。由于齒輪箱易過載，且損壞率較高，致使雙饋異步發(fā)電機 組的可靠性和穩(wěn)定性較差。永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機組不用齒輪箱，采用多極永磁同步電機 與葉輪連接進行驅(qū)動，然后通過全功率的變頻裝置并網(wǎng)，利于提高風(fēng)力發(fā)電機組的可靠性 和系統(tǒng)效率。1.5兆瓦級以上的永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機組產(chǎn)生的變頻變壓電能，通過交_直-交 并網(wǎng)變流器進行變換后送入電網(wǎng)。公開號為Cm01051793的中國專利申請《兆瓦級直驅(qū)式 風(fēng)電并網(wǎng)變流器》公開了一種兆瓦級直驅(qū)式風(fēng)電并網(wǎng)變流器，它包括發(fā)電機側(cè)三相濾波電 容器、整流器單元、升壓斬波器單元、逆變器單元、網(wǎng)側(cè)三相濾波電容器和變壓器，風(fēng)力發(fā)電 機連接三相濾波電容器，三相濾波電容器連接整流器單元，整流器單元連接升壓斬波器單 元，升壓斬波器單元連接逆變器單元，逆變器單元連接三相濾波電容器，三相濾波電容器連 接變壓器，變壓器連接工頻電網(wǎng)。該并網(wǎng)變流器利于降低風(fēng)電設(shè)備的成本，具有功率因數(shù) 可調(diào)、更高功率等級等優(yōu)點。但是，存在下列不足1、結(jié)構(gòu)不夠緊湊，元器件未經(jīng)整合，風(fēng)力 發(fā)電機組需配置專門的配電室，設(shè)計單獨的冷卻柜體，加大了發(fā)電機組的制造成本和占用 空間；2、系統(tǒng)的安全性較差，缺少平臺機側(cè)進線與網(wǎng)側(cè)出線的斷路器保護，以及監(jiān)測設(shè)施有 限，當(dāng)出現(xiàn)異常時，會沖擊電網(wǎng)，發(fā)生故障；3、支持的通訊協(xié)議/接口有限，變流器的通訊安 全保障不夠；4、維修拆卸困難。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型所要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種結(jié)構(gòu)合 理緊湊、安全性好的兆瓦級永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電變流器。本實用新型解決上述問題所采用的技術(shù)方案是該兆瓦級永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電變 流器，其結(jié)構(gòu)特點是包括整流單元、逆變單元、控制系統(tǒng)、輔助單元和柜體；所述的整流單元包括整流功率電路和整流驅(qū)動控制電路，逆變單元包括逆變功率 電路和逆變驅(qū)動控制電路，所述的整流功率電路和逆變功率電路通過直流母線連接，整流 驅(qū)動控制電路與逆變驅(qū)動控制電路之間通過光纖通訊連接，所述的控制系統(tǒng)與整流驅(qū)動控制電路之間、控制系統(tǒng)與逆變驅(qū)動控制電路之間均通過通訊總線連接，所述的整流單元和 逆變單元采用對稱結(jié)構(gòu)配置，整流功率電路和逆變功率電路均由三組六只絕緣柵雙極型晶 體管組成，整流單元位于永磁同步發(fā)電機側(cè)，逆變單元位于電網(wǎng)側(cè)；整流單元將來自永磁同 步發(fā)電機的5 200Hz的三相交流電進行脈沖寬度調(diào)制整流，完成交流/直流穩(wěn)壓及升壓 變換，形成1000 1200V直流電壓，逆變單元將直流電壓經(jīng)過脈沖寬度調(diào)制逆變成50Hz三 相交流電；所述的輔助單元包括輔助保護電路、預(yù)充電電路、輔助控制電路、逆變單元側(cè)主接 觸器和濾波電路，所述的輔助保護電路含整流單元側(cè)斷路保護器、逆變單元側(cè)斷路保護器 和浪涌保護器，預(yù)充電電路含直流母線預(yù)充電電路接觸器、直流母線預(yù)充電電阻和直流母 線預(yù)充電整流橋，濾波電路含直流母線濾波電容、正弦濾波器電容和正弦濾波器電抗；所述的永磁同步發(fā)電機和整流單元之間裝有整流單元側(cè)斷路保護器和浪涌保護 器，逆變單元和電網(wǎng)之間依次裝有浪涌保護器、濾波電路、逆變單元側(cè)主接觸器、直流母線 預(yù)充電電路接觸器和逆變單元側(cè)斷路保護器，所述的輔助控制電路控制整流單元側(cè)斷路保 護器、逆變單元側(cè)斷路保護器、預(yù)充電電路和逆變單元側(cè)主接觸器。本實用新型兆瓦級永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電變流器，所述的通訊總線為Ethernet、 DeviceNet、ProfileBus、Canbus、ModBus總線中的一種，所述的控制系統(tǒng)與整流驅(qū)動控制電 路之間、控制系統(tǒng)與逆變驅(qū)動控制電路之間配置對網(wǎng)絡(luò)通訊冗余的硬接線。本實用新型兆瓦級永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電變流器，所述的整流單元側(cè)和逆變單元側(cè) 均設(shè)置檢測電壓信號的同步變壓器。本實用新型兆瓦級永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電變流器，所述的整流單元、逆變單元、控制 系統(tǒng)、輔助單元集成安裝在柜體內(nèi)，其中位于柜體內(nèi)的整流單元的整流功率電路和逆變單 元的逆變功率電路的每一相均系獨立安裝，且在整流功率電路和逆變功率電路的每一相底 部分別配裝滑輪，所述的柜體安裝在永磁同步發(fā)電機的塔筒底部或塔頂?shù)臋C艙內(nèi)。本實用新型兆瓦級永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電變流器，所述的整流單元和逆變單元均配 置水冷裝置和/或風(fēng)冷裝置。本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點1、本實用新型兆瓦級永磁直驅(qū)式風(fēng)力 發(fā)電變流器結(jié)構(gòu)合理，整流單元和逆變單元的對稱結(jié)構(gòu)配置，可以逆向轉(zhuǎn)動發(fā)電機設(shè)備，在 電網(wǎng)供電的情況下，將發(fā)電機作為電動機進行電動啟動，實現(xiàn)發(fā)電機設(shè)備帶速啟動或運行， 對調(diào)試和運行帶來極大的便利性；設(shè)置的整流單元側(cè)斷路保護器和逆變單元側(cè)斷路保護 器，當(dāng)出現(xiàn)異常時，整流單元側(cè)斷路保護器、逆變單元側(cè)斷路保護器會自動斷開電路，達到 對變流器的保護和減小對電網(wǎng)的沖擊；整個變流器在進線側(cè)和網(wǎng)側(cè)都設(shè)計了浪涌保護器， 進行浪涌保護，提高系統(tǒng)的安全性；設(shè)計獨立的進線電抗和電容構(gòu)成的濾波電路，有效地去 除一些諧波，且在一定程度上穩(wěn)定電壓，提高進線與出線電源質(zhì)量。2、變流器的通訊接口多 樣,包括ProfileBus總線、Can總線、ModBus總線、Ethernet、DeviceNet等接口，能滿足與 不同控制設(shè)備的對接；硬接線通訊對通訊接口的冗余，使得變流器的通訊變得更加安全可 靠。3、整體機械結(jié)構(gòu)緊湊，成套柜體集成安裝在塔筒底部或塔頂?shù)臋C艙內(nèi)，無需專門為一臺 風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)計專門的配電室；整流單元的整流功率電路和逆變單元的逆變功率電路均 獨立安裝，且在功率電路的底部配裝滑輪，方便維修拆卸；整流單元和逆變單元均配置水冷 裝置和/或風(fēng)冷裝置，適應(yīng)我國不同地區(qū)和不同環(huán)境的應(yīng)用，同時又節(jié)約了空間和成本。
圖1為本實用新型實施例兆瓦級永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電變流器電路結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實用新型實施例兆瓦級永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電變流器電路原理圖。
具體實施方式
下面通過實施例對本實用新型作進一步描述。實施例直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電采用變流器為全功率變流器，變流器只單向傳遞功率，從發(fā)電機PMSG至電網(wǎng)GRID，為有源絕緣柵雙極型晶體管IGBT整流+絕緣柵雙極型晶體管IGBT逆變。 參見圖1，該兆瓦級永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電變流器，包括整流單元GENSC、逆變單元AFE、控制 系統(tǒng)WTC、輔助單元和柜體。整流單元GENSC包括整流功率電路IGBT-Z和整流驅(qū)動控制電路GENSCWDCS ；逆 變單元AFE包括逆變功率電路IGBT-N和逆變驅(qū)動控制電路AFE WDCS。整流單元GENSC 和逆變單元AFE采用對稱結(jié)構(gòu)配置，整流單元GENSC和逆變單元AFE背靠背放置；整流單 元GENSC放在發(fā)電機PMSG側(cè)，其整流功率電路IGBT-Z由三組共六只絕緣柵雙極型晶體 管IGBT組成；逆變單元AFE放置在電網(wǎng)GRID側(cè)，同整流功率電路IGBT-Z —樣其逆變功率 電路IGBT-N亦由三組共六個絕緣柵雙極型晶體管IGBT組成。整流單元GENSC和逆變單 元AFE的對稱結(jié)構(gòu)，在電網(wǎng)供電的情況下，將發(fā)電機作為電動機進行電動啟動，實現(xiàn)發(fā)電機 設(shè)備帶速啟動或運行。整流功率電路IGBT-Z和逆變功率電路IGBT-N通過直流母線連接； 整流驅(qū)動控制電路GENSC WDCS與逆變驅(qū)動控制電路AFE WDCS之間通過光纖通訊GQTX連 接；控制系統(tǒng)WTC與整流驅(qū)動控制電路GENSC WDCS之間、控制系統(tǒng)WTC與逆變驅(qū)動控制電 路AFE WDCS之間均通過通訊總線TXZX連接。實施例采用的通訊總線TXZX為Ethernet、 DeviceNet, ProfileBus, Canbus, ModBus 總線中的一種，整流驅(qū)動控制電路 GENSC WDCS 禾口 逆變驅(qū)動控制電路AFEWDCS上均設(shè)置對應(yīng)于通訊總線Ethernet、DeviceNet, ProfileBus, Canbus, ModBus的通訊接口，用于與控制系統(tǒng)WTC連接的通訊總線選擇?？刂葡到y(tǒng)WTC與 整流驅(qū)動控制電路GENSC WDCS之間、控制系統(tǒng)WTC與逆變驅(qū)動控制電路AFEWDCS之間配置 對網(wǎng)絡(luò)通訊冗余的硬接線YJX。在通訊總線TXZX失效的緊急情況下，通過硬接線YJX冗余 控制通訊，確保變流器的通訊安全可靠，實現(xiàn)對變流器的停機保護控制。輔助單元包括輔助保護電路、預(yù)充電電路、輔助控制電路、逆變單元側(cè)主接觸器 TLRM、濾波電路和同步變壓器。輔助保護電路含整流單元側(cè)斷路保護器GENSC_I、逆變單元 側(cè)斷路保護器AFE_I和浪涌保護器LEMP_D ；為了把竄入主回路的瞬時過電壓限制在系統(tǒng)所 能承受的電壓范圍內(nèi)，分別在發(fā)電機PMSG側(cè)和電網(wǎng)GRID側(cè)設(shè)置多組浪涌保護器LEMP_D。 預(yù)充電電路含直流母線預(yù)充電回路接觸器PRE_TLR、直流母線預(yù)充電電阻PRE_R和直流母 線預(yù)充電整流橋PRE_RB。濾波電路含直流母線濾波電容DC_C、正弦濾波器電容SFLT_C和 正弦濾波器電抗SFLT_L。實施例整流單元側(cè)斷路保護器GENSC_I和逆變單元側(cè)斷路保護 器AFE_I，都選擇ABB的E系列或者F系列斷路器，同時通過選擇斷路器的保護附件實現(xiàn)短 路長延時保護、短路短延時保護、過壓保護、過流保護和接地保護。永磁同步發(fā)電機PMSG和 整流單元GENSC之間裝有整流單元側(cè)斷路保護器GENSC_I和浪涌保護器LEMP_D ；逆變單元AFE和電網(wǎng)GRID之間依次裝有浪涌保護器LEMP_D、濾波電路、逆變單元側(cè)主接觸器TLRM、直流母線預(yù)充電電路接觸器PRE_TLR和逆變單元側(cè)斷路保護器AFE_I。輔助控制電路含對電 源供電、風(fēng)冷裝置FL或水冷裝置SL的控制、整流單元側(cè)斷路保護器GENSC_I和逆變單元側(cè) 斷路保護器AFE_I的控制、預(yù)充電電路和逆變單元側(cè)主接觸器TLRM的控制。整流單元GENSC 側(cè)設(shè)置檢測永磁同步發(fā)電機PMSG側(cè)的電壓信號的同步變壓器GENSC_ST，逆變單元AFE側(cè)設(shè) 置檢測來自電網(wǎng)GRID側(cè)的電壓、頻率與相位信號的同步變壓器AFE_ST。實施例柜體安裝在永磁同步發(fā)電機PMSG的塔筒底部或塔頂?shù)臋C艙內(nèi)，在柜體內(nèi) 集成安裝整流單元GENSC、逆變單元AFE、控制系統(tǒng)WTC、輔助單元，其中位于柜體內(nèi)的整流 單元GENSC的整流功率電路IGBT-Z和逆變單元AFE的逆變功率電路IGBT-N的每一相均系 獨立安裝，且在整流功率電路IGBT-Z和逆變功率電路IGBT-N的每一相底部分別配裝滑輪， 方便維修裝拆。整流功率電路IGBT-Z和逆變功率電路IGBT-N均配置水冷裝置SL和/或 風(fēng)冷裝置FL，可以實際按照使用條件選擇。圖1中，M為電機，L1、L2、L3為至電網(wǎng)GRID的三相，A、B、C為至發(fā)電機PMSG的三相。本實施例運行時，永磁同步發(fā)電機PMSG為整流單元GENSC的控制對象，風(fēng)力發(fā)電 過程中將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能；電網(wǎng)GRID對逆變單元AFE、控制系統(tǒng)WTC和輔助控制電路供電， 同時接收變流器將來自永磁同步發(fā)電機PMSG的與電網(wǎng)GRID頻率和相位相同的能量；位于 永磁同步發(fā)電機側(cè)的整流單元GENSC將來自永磁同步發(fā)電機的5 200Hz的三相交流電進 行脈沖寬度調(diào)制PWM整流，完成交流/直流AC/DC穩(wěn)壓及升壓變換，形成1000 1200VDC 直流電壓，位于電網(wǎng)側(cè)的逆變單元AFE將直流電壓經(jīng)過脈沖寬度調(diào)制PWM逆變成50Hz三相 交流電，通過斷路器發(fā)送至電網(wǎng)GRID。整流功率電路IGBT-Z和逆變功率電路IGBT-N，作為 整流單元GENSC和逆變單元AFE的主要工作器件，接收來自所屬單元的脈寬調(diào)制信號PWM， 完成所屬單元的能量轉(zhuǎn)換，即AC/DC、DC/AC轉(zhuǎn)換工作；整流驅(qū)動控制電路GENSC WDCS作為 整流單元GENSC的控制系統(tǒng)，控制整流單元GENSC的整流功率電路IGBT-Z的絕緣柵雙極型 晶體管IGBT工作與信號檢測，控制與控制系統(tǒng)WTC通訊，控制與逆變單元AFE的逆變驅(qū)動 控制電路AFE WDCS的通訊；逆變驅(qū)動控制電路AFE WDCS作為逆變單元AFE的控制系統(tǒng)，控 制逆變單元AFE的逆變功率電路IGBT-N的絕緣柵雙極型晶體管IGBT工作與信號檢測，控 制與控制系統(tǒng)WTC通訊，控制與整流單元GENSC的整流驅(qū)動控制電路GENSC WDCS的通訊。 整流單元GENSC的整流驅(qū)動控制電路GENSC WDCS通過光纖檢測逆變單元AFE逆變驅(qū)動控 制電路AFE WDCS的工作狀況，實現(xiàn)變流器控制策略的選擇；逆變單元AFE與整流單元GENSC 之間的光纖通訊，與控制系統(tǒng)WTC、整流驅(qū)動控制電路GENSC WDCS、逆變驅(qū)動控制電路AFE WDCS、通訊總線 Profibus 或 Canbus 或 Modbus 或 Ethernet 或 DeviceNet —起完成對變流 器的控制與通訊?？刂葡到y(tǒng)WTC控制整流單元側(cè)斷路保護器GENSC_I、逆變單元側(cè)斷路保護器AFE_ I、逆變單元側(cè)主接觸器TLRM、直流母線預(yù)充電回路接觸器PRE_TLR的工作順序，控制水冷 裝置SL和/或風(fēng)冷裝置FL的工作，控制變流器與風(fēng)機主控系統(tǒng)的通訊，控制變流器逆變單 元AFE的逆變驅(qū)動控制系統(tǒng)AFE WDCS與整流單元GENSC的整流驅(qū)動控制電路GENSC WDCS 的工作。整流單元側(cè)同步變壓器GENSC_ST，檢測永磁同步發(fā)電機PMSG側(cè)的電壓信號，通過控制永磁同步發(fā)電機PMSG的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)整流單元GENSC對永磁同步發(fā)電機PMSG的 有反饋與無反饋的矢量控制；逆變單元側(cè)同步變壓器AFE_ST，檢測來自電網(wǎng)GRID側(cè)的電 壓、頻率與相位信號，將直流母線上的電壓逆變?yōu)榕c電網(wǎng)GRID同相位、同頻率和同幅值的 電壓。直流母線預(yù)充電電路接觸器PRE_TLR，在變流器的直流母線的充電過程中閉合，在逆變單元AFE側(cè)主接觸器TLRM閉合后斷開，與直流母線預(yù)充電電阻PRE_R和直流母線預(yù)充 電整流橋PRE_RB組成預(yù)充電電路，直流母線預(yù)充電整流橋PRE_RB，在變流器的直流母線的 充電過程中工作，給直流母線預(yù)充小電流的直流電壓，避免直接閉合逆變單元AFE側(cè)主接 觸器TLRM給主回路造成的沖擊；逆變單元側(cè)主接觸器TLRM，與逆變單元側(cè)斷路保護器AFE_ I 一起控制逆變單元主回路的閉合和斷開，在變流器工作的過程中閉合，在變流器停止的過 程中斷開。整流單元側(cè)斷路保護器GENSC_I通斷與永磁同步發(fā)電機PMSG回路的連接，同時實 現(xiàn)短路長延時保護、短路短延時保護、過壓保護、過流保護、接地保護，對變流器與永磁同步 發(fā)電機PMSG進行保護；逆變單元側(cè)斷路保護器AFE_I通斷與電網(wǎng)GRID回路的連接，同時實 現(xiàn)短路長延時保護、短路短延時保護、過壓保護、過流保護、接地保護，對電網(wǎng)GRID與變流 器進行保護；安裝在永磁同步發(fā)電機PMSG與整流單元側(cè)斷路保護器GENSC_I的連接處的浪 涌保護器LEMP_D，抑制來自永磁同步發(fā)電機PMSG側(cè)浪涌電流，安裝在電網(wǎng)GRID與逆變單元 側(cè)斷路保護器AFE_I的連接處的浪涌保護器LEMP_D抑制來自電網(wǎng)GRID側(cè)浪涌電流。濾波電路的正弦濾波器電抗SFLT_L與正弦濾波器電容SFLT_C組成正弦濾波器， 將變流器設(shè)備產(chǎn)生的諧波抑制在3%的范圍內(nèi)；直流母線濾波電容DC_C，對直流母線電壓 進行穩(wěn)壓和濾波。實施例兆瓦級永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電變流器采取以下風(fēng)險防范措施a、變流器的故障操作保護、直流的過壓保護，采用變流器自身的硬件和軟件保 護；b、變流器的過壓和過流保護，采用逆變單元AFE和整流單元GENSC的硬件設(shè)置和 軟件控制，結(jié)合整流單元側(cè)斷路保護GENSC_I和逆變單元側(cè)斷路保護器AFE_I來實現(xiàn)；C、發(fā)電機PMSG的過流保護，通過啟動整流單元GENSC的轉(zhuǎn)矩控制的電流限幅器 實現(xiàn)最大電流控制，同時通過整流單元側(cè)斷路保護器GENSC_I的過流保護附件實現(xiàn)疊加保 護；d、發(fā)電機PMSG的過壓保護，通過整流單元GENSC的自動弱磁、整流單元側(cè)斷路保 護器GENSC_I的過壓保護附件及過壓保護裝置OVERVDTAGE PROT來實現(xiàn)。參見圖2，實施例兆瓦級永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電變流器的運行控制流程以下1、當(dāng)風(fēng)電系統(tǒng)電網(wǎng)GRID處于準備狀態(tài)時，控制系統(tǒng)WTC控制的啟動順序為，整流 單元GENSC準備完成后，逆變單元AFE通過預(yù)充電電路的直流母線預(yù)充電電路接觸器PRE_ TLR、直流母線預(yù)充電電阻PRE_R和直流母線預(yù)充電整流橋PRE_RB完成預(yù)充電，直流電壓達 到設(shè)定值后，逆變單元AFE輸出預(yù)充電完成信號，逆變單元側(cè)主接觸器TLRM閉合，直流母線 預(yù)充電電路接觸器PRE_TLR斷開；2、控制系統(tǒng)WTC啟動逆變單元AFE，使輸出電壓、頻率和電網(wǎng)GRID的電壓、頻率同 步，同時使逆變單元AFE與整流單元GENSC之間的直流母線電壓處于設(shè)定值；[0037]3、若逆變單元AFE與電網(wǎng)GRID的同步過程完成，電壓和頻率都在設(shè)定范圍之內(nèi)， 則逆變單元AFE輸出AFE_0K信號給整流單元GENSC，整流單元GENSC進入可啟動狀態(tài)； 4、若整流單元GENSC在運行過程中沒有收到AFE_0K信號，整流單元GENSC將處于 空閑狀態(tài)；整流單元GENSC收到逆變單元AFE送出的AFE_0K信號后，控制系統(tǒng)WTC控制整 流單元GENSC與永磁同步發(fā)電機PMSG之間的整流單元側(cè)斷路保護器GENSC_I閉合，整流單 元GENSC進入待機狀態(tài)，達到風(fēng)機切入風(fēng)速后，整流單元GENSC進入啟動狀態(tài)，永磁同步發(fā) 電機PMSG進行發(fā)電；5、當(dāng)并網(wǎng)發(fā)電時，逆變單元AFE內(nèi)置PI環(huán)調(diào)節(jié)輸出到電網(wǎng)GRID的同步電流，同時 控制到電網(wǎng)GRID的電壓；6、當(dāng)逆變單元側(cè)斷路保護器AFE_I斷開造成相位丟失，并網(wǎng)發(fā)生故障，逆變單元 AFE自動停止調(diào)節(jié)并切換到待機模式，取消AFE_0K信號，使整流單元GENSC控制直流母線電 壓維持在設(shè)定值；當(dāng)電網(wǎng)GRID脫網(wǎng)后，控制系統(tǒng)WTC進行安全保護，進入停止程序，防止引 起永磁同步發(fā)電機PMSG和其它電氣設(shè)備的損壞；7、若直流電壓降到設(shè)定最低幅值或電網(wǎng)GRID斷電時間超過控制系統(tǒng)WTC的設(shè)定 值，逆變單元AFE的逆變功率電路IGBT-N和整流單元GENSC的整流功率電路IGBT-Z都停 止工作并發(fā)出故障報告，同時將整流單元側(cè)斷路保護器GENSC_I斷開，保護變流器和電網(wǎng) GRID ；8、設(shè)置在整流單元GENSC和逆變單元AFE的浪涌保護器LEMP_D，將主回路的瞬時 過載保護在系統(tǒng)所能承受的范圍內(nèi)；若交流和/或直流電壓升越安全值，整流單元GENSC和 逆變單元AFE停止工作并發(fā)出故障報告，同時整流單元側(cè)斷路保護器GENSC_I進行過壓保 護，斷開整流單元側(cè)斷路保護器GENSC_I，控制系統(tǒng)WTC將停止含永磁同步發(fā)電機PMSG的風(fēng) 機工作。實施例控制流程中，采用逆變單元AFE和整流單元GENSC的硬件設(shè)置和軟件控 制，結(jié)合整流單元側(cè)斷路保護器GENSC_I和逆變單元側(cè)斷路保護器AFE_I來實現(xiàn)變流器的 過壓和過流保護；采取完全放開整流單元GENSC的轉(zhuǎn)矩控制的電流限幅器實現(xiàn)最大電流輸 出，同時通過整流單元側(cè)斷路保護器GENSC_I的過流保護附件實現(xiàn)疊加發(fā)電機PMSG的過 流保護；控制系統(tǒng)WTC進行的永磁同步發(fā)電機PMSG的過壓保護，通過整流單元GENSC的自 動弱磁，以及整流單元側(cè)斷路保護器GENSC_I的過壓保護附件及過壓保護裝置0VERVDTAGE PROT,來避免永磁同步發(fā)電機PMSG的過壓導(dǎo)致整流單元GENSC損壞；控制系統(tǒng)WTC通過整 流單元側(cè)同步變壓器GENSC_ST檢測永磁同步發(fā)電機PMSG側(cè)的電壓信號，改變永磁同步發(fā) 電機PMSG的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)整流單元GENSC對永磁同步發(fā)電機PMSG的有反饋與無反饋 的矢量控制；通過逆變單元側(cè)同步變壓器AFE_ST檢測來自電網(wǎng)GRID側(cè)的電壓、頻率與相位 信號，將直流母線上的電壓逆變?yōu)榕c電網(wǎng)GRID同相位、同頻率和同幅值的電壓。圖2中，MAINS為控制主回路，AUX. P. SUPPLY為輔助控制供電，SWITCH為保護斷 路器，SYNCHRO TRANSF 為同步變壓器，OPTIONAL COMMUNICATION 為通訊總線 Profibus 或 Canbus 或 Modbus 或 Ethernet 或 DeviceNet 中的一種，PRECHARGE OK SIGNAL 為預(yù)充電完 成信號，AFE READY SIGNAL為逆變單元AFE準備好信號，GENSC READY SIGNAL為整流單 元GENSC準備好信號，0VERVDTAGEPR0T為過壓保護裝置，AFE RUNNING SIGNAL為逆變單元 AFE運行信號，DC BUSC0NNECTI0N為逆變單元AFE與整流單元GENSC的直流母線連接，TOELECTRICGRID為到電網(wǎng)的控制，TO WIND TURBING為到風(fēng)機除變流器之外的控制。本實用新型兆瓦級永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電變流器已經(jīng)過河南西峽電機廠和哈爾濱哈電電機廠的測試，并在黑龍江省大慶市巴彥查干風(fēng)場、內(nèi)蒙古烏蘭察布市風(fēng)場和山東省 濰坊市昌邑風(fēng)場實際運行，整個系統(tǒng)運行平穩(wěn)，安全可靠。以上實施例對本實用新型兆瓦級永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電變流器作了較為詳細的描 述，但是這些描述并非用以限定本實用新型的保護范圍，任何熟悉該項技術(shù)的技術(shù)人員，在 不脫離本實用新型的構(gòu)思和范圍內(nèi)所作的更動與潤飾，均應(yīng)屬于本實用新型的保護范圍。
權(quán)利要求一種兆瓦級永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電變流器，其特征在于包括整流單元、逆變單元、控制系統(tǒng)、輔助單元和柜體；所述的整流單元包括整流功率電路和整流驅(qū)動控制電路，逆變單元包括逆變功率電路和逆變驅(qū)動控制電路，所述的整流功率電路和逆變功率電路通過直流母線連接，整流驅(qū)動控制電路與逆變驅(qū)動控制電路之間通過光纖通訊連接，所述的控制系統(tǒng)與整流驅(qū)動控制電路之間、控制系統(tǒng)與逆變驅(qū)動控制電路之間均通過通訊總線連接，所述的整流單元和逆變單元采用對稱結(jié)構(gòu)配置，整流功率電路和逆變功率電路均由三組六只絕緣柵雙極型晶體管組成，整流單元位于永磁同步發(fā)電機側(cè)，逆變單元位于電網(wǎng)側(cè)；所述的輔助單元包括輔助保護電路、預(yù)充電電路、輔助控制電路、逆變單元側(cè)主接觸器和濾波電路，所述的輔助保護電路含整流單元側(cè)斷路保護器、逆變單元側(cè)斷路保護器和浪涌保護器，預(yù)充電電路含直流母線預(yù)充電電路接觸器、直流母線預(yù)充電電阻和直流母線預(yù)充電整流橋，濾波電路含直流母線濾波電容、正弦濾波器電容和正弦濾波器電抗；所述的永磁同步發(fā)電機和整流單元之間裝有整流單元側(cè)斷路保護器和浪涌保護器，逆變單元和電網(wǎng)之間依次裝有浪涌保護器、濾波電路、逆變單元側(cè)主接觸器、直流母線預(yù)充電電路接觸器和逆變單元側(cè)斷路保護器，所述的輔助控制電路控制整流單元側(cè)斷路保護器、逆變單元側(cè)斷路保護器、預(yù)充電電路和逆變單元側(cè)主接觸器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兆瓦級永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電變流器，其特征在于所述的通 訊總線為Ethernet、DeviceNet、ProfileBus、Canbus、ModBus總線中的一種，所述的控制系 統(tǒng)與整流驅(qū)動控制電路之間、控制系統(tǒng)與逆變驅(qū)動控制電路之間配置對網(wǎng)絡(luò)通訊冗余的硬 接線。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的兆瓦級永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電變流器，其特征在于所述的整 流單元側(cè)和逆變單元側(cè)均設(shè)置檢測電壓信號的同步變壓器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的兆瓦級永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電變流器，其特征在于所述的整 流單元、逆變單元、控制系統(tǒng)、輔助單元集成安裝在柜體內(nèi)，其中位于柜體內(nèi)的整流單元的 整流功率電路和逆變單元的逆變功率電路的每一相均系獨立安裝，且在整流功率電路和逆 變功率電路的每一相底部分別配裝滑輪，所述的柜體安裝在永磁同步發(fā)電機的塔筒底部或 塔頂?shù)臋C艙內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的兆瓦級永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電變流器，其特征在于所述的整 流單元和逆變單元均配置水冷裝置和/或風(fēng)冷裝置。
專利摘要本實用新型公開了一種兆瓦級永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電變流器，該風(fēng)力發(fā)電變流器包括整流單元、逆變單元、控制系統(tǒng)、輔助單元和柜體；整流單元和逆變單元采用對稱結(jié)構(gòu)配置，整流單元的整流功率電路和逆變單元的逆變功率電路均由三組六只絕緣柵雙極型晶體管組成，整流單元位于永磁同步發(fā)電機側(cè)，逆變單元位于電網(wǎng)側(cè)；輔助單元包括輔助保護電路、預(yù)充電電路、輔助控制電路、逆變單元側(cè)主接觸器和濾波電路。本實用新型兆瓦級永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電變流器具有結(jié)構(gòu)合理緊湊、安全性好等優(yōu)點。
文檔編號H02M5/458GK201601609SQ20092020138
公開日2010年10月6日 申請日期2009年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月3日
發(fā)明者倪鋒, 孫浩, 徐小偉, 鄢來朋, 金皓, 錢驍寅 申請人:浙江華章科技有限公司