專利名稱：一種兆瓦級(jí)直驅(qū)式風(fēng)電并網(wǎng)軟開關(guān)變流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種兆瓦級(jí)功率等級(jí)的風(fēng)力發(fā)電用全功率并網(wǎng)變流器，特別是兆瓦級(jí)
直驅(qū)式風(fēng)電并網(wǎng)軟開關(guān)變流器，屬于風(fēng)電新能源技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著能源問題的日趨嚴(yán)重，能源和環(huán)境問題已成為全球可持續(xù)發(fā)展所面臨的主要 問題，日益引起國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注。大力發(fā)展新能源成為了解決上述問題的根本途徑。其 中，風(fēng)力發(fā)電是目前新能源中技術(shù)比較成熟、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，具有占地少、無污染、建設(shè)周期短、裝機(jī)規(guī)模靈活等優(yōu)點(diǎn)，受到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注， 在整個(gè)世界電力市場(chǎng)上呈現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭。為了推動(dòng)并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展，國(guó)家發(fā) 改委組織制定的《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》中明確要求，2020年全國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到 3000萬千瓦。眾所周知，并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要包括直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和非直驅(qū)式風(fēng) 力發(fā)電系統(tǒng)兩種形式。其中，變速恒頻交流勵(lì)磁雙饋電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和直驅(qū)多極永磁電 機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是這兩種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的典型代表，也是最有前景的風(fēng)力發(fā)電方案，目前 已經(jīng)成為兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組的首選方案，同時(shí)也是我國(guó)風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)進(jìn)軍兆瓦級(jí)風(fēng)電市場(chǎng) 的主攻方向。 非直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)輪通過增速齒輪箱接發(fā)電機(jī)，然后通過變壓器并入電 網(wǎng)。而直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中風(fēng)輪直接接發(fā)電機(jī)，然后通過變流器并入電網(wǎng)。很顯然，直驅(qū) 式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與非直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相比，省去了增速齒輪箱，這樣不但減少了風(fēng)力 發(fā)電機(jī)的體積和重量，而且減少了對(duì)齒輪箱的日常維護(hù)工作，降低了風(fēng)電系統(tǒng)的噪聲、提高 了機(jī)組壽命和低風(fēng)速時(shí)高效率等多種優(yōu)點(diǎn)，所以直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)成了現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電系 統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，而作為其并網(wǎng)核心部件的并網(wǎng)變流器性能的好壞對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行起 著至關(guān)重要的作用，因此直驅(qū)式并網(wǎng)變流器的研究成為了風(fēng)電科技領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)變流器的功率等級(jí)與發(fā)電機(jī)組相當(dāng)，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電 能全部通過變流器轉(zhuǎn)換為頻率、電壓恒定的交流電饋入電網(wǎng)，并通過對(duì)電機(jī)側(cè)變流器電流 的控制而控制電磁轉(zhuǎn)矩，使之實(shí)現(xiàn)最大功率輸出。與非直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相比，變流器 在發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)之間使用，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)的隔離，轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率之間的耦合 問題獲得了很好的解決，也在一定程度上避免了因電網(wǎng)波動(dòng)對(duì)發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行所帶來的 不利影響。歐美國(guó)家在風(fēng)電技術(shù)上長(zhǎng)期處于領(lǐng)先地位，很多風(fēng)電設(shè)備制造商，如Enercon、 ABB、Siemens等都推出了 2麗 5麗的相關(guān)產(chǎn)品。其中德國(guó)風(fēng)電設(shè)備巨頭Enercon公司采 用如圖l所示的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這是一種技術(shù)最為成熟、運(yùn)行最為可靠，適應(yīng)范圍廣泛的 技術(shù)方案。但其控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，沒有考慮功率開關(guān)器件的開關(guān)損耗問題，而在麗級(jí)領(lǐng) 域，功率開關(guān)器件的開關(guān)損耗問題是一個(gè)不容忽視的問題，隨著功率等級(jí)的越來越大，其危 害越來越嚴(yán)重甚至能導(dǎo)致器件的燒毀。為了減少功率器件的開關(guān)損耗，ABB公司采用三電 平的主電路結(jié)構(gòu)應(yīng)用在兆瓦級(jí)以上的風(fēng)電系統(tǒng)中，該系統(tǒng)能大大降低每個(gè)開關(guān)器件的開關(guān) 損耗，產(chǎn)生很低的電流電壓諧波畸變率，需要的濾波裝置容量小。但是與兩電平的主電路結(jié)
3構(gòu)相比功率開關(guān)器件的用量增加了一倍，大大的增大了成本。 目前，國(guó)內(nèi)在兆級(jí)風(fēng)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，特別是在2麗及以上功率等級(jí)變流器方面還完全處于空白階段，嚴(yán)重制約了我國(guó)風(fēng)電 設(shè)備制造業(yè)國(guó)產(chǎn)化的順利進(jìn)行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種兆瓦級(jí)直驅(qū)式風(fēng)電并網(wǎng)軟開關(guān)變流器，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，降
低風(fēng)電設(shè)備的成本，解決背景技術(shù)中存在的上述問題。 本發(fā)明的技術(shù)方案是 兆瓦級(jí)直驅(qū)式風(fēng)電并網(wǎng)軟開關(guān)變流器，它包含電機(jī)側(cè)三相濾波電容單元、整流單 元、升壓斬波單元、軟開關(guān)單元、逆變單元、網(wǎng)側(cè)三相濾波電容單元，各單元之間依次匹配連 接，其特別之處是所述的整流單元由至少一個(gè)三相不控二極管整流單元構(gòu)成或多個(gè)三相 不控二極管整流單元并聯(lián)連接構(gòu)成；所述的升壓斬波單元由至少一個(gè)升壓斬波單元構(gòu)成或 多個(gè)升壓斬波單元并聯(lián)連接構(gòu)成；所述逆變單元由至少一個(gè)逆變單元構(gòu)成或多個(gè)逆變單元 并聯(lián)連接構(gòu)成。 本發(fā)明采用軟開關(guān)技術(shù)來控制來解決功率開關(guān)器件損耗大的問題。 本發(fā)明中主電路采用的功率開關(guān)器件可以為IGCT，但不限于IGCT。 本發(fā)明工作時(shí)，由于風(fēng)速處出于不斷的變化中，風(fēng)力機(jī)帶動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出三相
頻率及幅值都變化的交流電，經(jīng)過發(fā)電機(jī)側(cè)的三相濾波電容單元后進(jìn)入整流單元。整流單
元將三相幅值頻率均變化的的交流電整流成多脈波的幅值變化的直流電。直流電經(jīng)升壓斬
波單元后變?yōu)榉捣€(wěn)定的直流母線電壓，然后再諧振單元的調(diào)理下饋入逆變單元。逆變單
元在控制系統(tǒng)的控制下把直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榕c電網(wǎng)電壓同頻同相交流電，經(jīng)并網(wǎng)變壓器并入電
網(wǎng)。因?yàn)樯龎簲夭▎卧拇嬖?，即使在較低的風(fēng)速下，也能保證直流母線電壓的穩(wěn)定。
本發(fā)明的有益效果電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，大大降低了變流器的成本；引入了軟開關(guān)技
術(shù)，大大降低了功率器件的開關(guān)損耗；電路中的整流單元、升壓斬波單元、逆變單元都采用
的模塊化電路，該結(jié)構(gòu)在同等開關(guān)電壓電流應(yīng)力的開關(guān)器件的基礎(chǔ)上，能實(shí)現(xiàn)更高的功率
等級(jí)，并且可以更方便的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的系列化。 本發(fā)明產(chǎn)品電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不但大大降低了風(fēng)電設(shè)備的成本，而且可以提高我國(guó) 在世界風(fēng)電設(shè)備制造領(lǐng)域的地位和影響力，為我國(guó)風(fēng)電設(shè)備的出口，提升在世界風(fēng)電市場(chǎng) 上的地位奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。


圖1是背景技術(shù)中背靠背式永磁直驅(qū)式變流器示意圖。
圖2是本發(fā)明示意圖。 圖中風(fēng)力機(jī)1、發(fā)電機(jī)2、并網(wǎng)變壓器3、電網(wǎng)4。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖，通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。 參照附圖2，在實(shí)施例中，本發(fā)明位于兆瓦級(jí)的風(fēng)力機(jī)1、發(fā)電機(jī)2、與并網(wǎng)變壓器
43、電網(wǎng)4之間，兆瓦級(jí)直驅(qū)式風(fēng)電并網(wǎng)軟開關(guān)變流器包括發(fā)電機(jī)側(cè)三相濾波電容器(^，整 流器單元、升壓斬波單元、軟開關(guān)單元、逆變單元、網(wǎng)側(cè)三相電容濾波器C『風(fēng)力機(jī)1、發(fā)電 機(jī)2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單 元，升壓斬波單元連接軟開關(guān)單元，軟開關(guān)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并網(wǎng)變壓器3，并網(wǎng)變壓器連接工頻電網(wǎng)4。
整流單元是由三相不可控二極管整流器構(gòu)成，其包括六個(gè)二極管(D工 D6)。升壓 斬波單元由濾波電感L、功率開關(guān)器件V、二極管D、電容C組成。軟開關(guān)單元是由功率開關(guān) 管(Va、 Vb)，分壓電容(Ca、 Cb)，續(xù)流二極管(Da， Db)，電感Lr組成。逆變單元由功率開關(guān)器 件" V6)，續(xù)流二極管(D31 D36)，濾波電容(C31 C36)構(gòu)成。
具體實(shí)施方式
主要分為 兩步 ①構(gòu)建各個(gè)單元環(huán)節(jié)，包括整流單元、升壓斬波單元、軟開關(guān)P麗單元和逆變單 元。 首先構(gòu)建整流單元；先將六個(gè)二極管((D工 D6)兩兩一組，分別是D工和D2、 D3和 D4、 D5和De，然后將每組中的兩個(gè)器件首尾相連組成一相橋臂，最后將三相橋臂并聯(lián)組成三 相整流單元。如果有多個(gè)整流單元，把多個(gè)橋臂的兩端并聯(lián)即可。 其次構(gòu)建升壓斬波單元；將電感L和二極管D串聯(lián)，然后在其節(jié)點(diǎn)處并聯(lián)一功率開 關(guān)器件V，最后在L-D支路的末端并聯(lián)一電容器。若升壓斬波單元是由多個(gè)升壓斬波器構(gòu) 成，只需將每個(gè)升壓斬波器并聯(lián)即可。 緊接著構(gòu)建軟開關(guān)單元；將功率開關(guān)器件Va和分壓電容c;、Cb串聯(lián)，然后將功率開 關(guān)器件Vb和電感Lr串聯(lián)后，并聯(lián)在功率開關(guān)器件Va和分壓電容Ca、 Cb的連接點(diǎn)處，最后續(xù) 流二極管Da、 Db分別并在功率開關(guān)器件Va、 Vb兩端。 最后構(gòu)建逆變單元；將六只功率開關(guān)器件 V6)兩兩一組，分別是K和V2， V3 和V4， V5和Ve，然后將每組中的兩個(gè)器件首尾相連組成一相橋臂，進(jìn)而將三相橋臂并聯(lián)組成 三相逆變單元，最后二極管(D31 D36)和濾波電容(C31 C36)并聯(lián)在每個(gè)功率開關(guān)器件上。
②將風(fēng)力發(fā)電機(jī)經(jīng)過發(fā)電機(jī)側(cè)三相濾波電容器Cfl連接到整流器單元，然后將整 流單元、升壓斬波單元、軟開關(guān)諧振單元和逆變單元順序連接，最后將逆變單元通過網(wǎng)側(cè)三 相濾波電容器Cf2，連接到并網(wǎng)變壓器后并入電網(wǎng)。
權(quán)利要求
一種兆瓦級(jí)直驅(qū)式風(fēng)電并網(wǎng)軟開關(guān)變流器，它包含電機(jī)側(cè)三相濾波電容單元、整流單元、升壓斬波單元、軟開關(guān)單元、逆變單元、網(wǎng)側(cè)三相濾波電容單元，各單元之間依次匹配連接，其特征在于所述的整流單元由至少一個(gè)三相不控二極管整流單元構(gòu)成或多個(gè)三相不控二極管整流單元并聯(lián)連接構(gòu)成；所述的升壓斬波單元由至少一個(gè)升壓斬波單元構(gòu)成或多個(gè)升壓斬波單元并聯(lián)連接構(gòu)成；所述逆變單元由至少一個(gè)逆變單元構(gòu)成或多個(gè)逆變單元并聯(lián)連接構(gòu)成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述之兆瓦級(jí)直驅(qū)式風(fēng)電并網(wǎng)軟開關(guān)變流器，其特征在于整流單元 為先將六個(gè)二極管((D1 D6)兩兩一組，然后將每組中的兩個(gè)器件首尾相連組成一相橋 臂，最后將三相橋臂并聯(lián)組成三相整流單元。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述之兆瓦級(jí)直驅(qū)式風(fēng)電并網(wǎng)軟開關(guān)變流器，其特征在于組成中有 多個(gè)整流單元，把多個(gè)橋臂的兩端并聯(lián)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述之兆瓦級(jí)直驅(qū)式風(fēng)電并網(wǎng)軟開關(guān)變流器，其特征在于升壓斬波 單元為將電感(L)和二極管(D)串聯(lián)，然后在其節(jié)點(diǎn)處并聯(lián)一功率開關(guān)器件(V)，最后在 支路的末端并聯(lián)一電容器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述之兆瓦級(jí)直驅(qū)式風(fēng)電并網(wǎng)軟開關(guān)變流器，其特征在于升壓斬波 單元是由多個(gè)升壓斬波器構(gòu)成，將每個(gè)升壓斬波器并聯(lián)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述之兆瓦級(jí)直驅(qū)式風(fēng)電并網(wǎng)軟開關(guān)變流器，其特征在于軟開關(guān)單 元為將功率開關(guān)器件(Va)和分壓電容(Ca、 Cb)串聯(lián)，然后將功率開關(guān)器件(Vb)和電感 (Lr)串聯(lián)后，并聯(lián)在功率開關(guān)器件(Va)和分壓電容(Ca、Cb)的連接點(diǎn)處，最后續(xù)流二極管 (Da、Db)分別并在功率開關(guān)器件(Va、Vb)兩端。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述之兆瓦級(jí)直驅(qū)式風(fēng)電并網(wǎng)軟開關(guān)變流器，其特征在于逆變單 元位將六只功率開關(guān)器件(VI V6)兩兩一組，然后將每組中的兩個(gè)器件首尾相連組成 一相橋臂，進(jìn)而將三相橋臂并聯(lián)組成三相逆變單元，最后二極管(D31 D36)和濾波電容 (C31 C36)并聯(lián)在每個(gè)功率開關(guān)器件上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種兆瓦級(jí)功率等級(jí)的風(fēng)力發(fā)電用全功率并網(wǎng)變流器，特別是兆瓦級(jí)直驅(qū)式風(fēng)電并網(wǎng)軟開關(guān)變流器，屬于風(fēng)電新能源技術(shù)領(lǐng)域。技術(shù)方案是它包含電機(jī)側(cè)三相濾波電容單元、整流單元、升壓斬波單元、軟開關(guān)單元、逆變單元、網(wǎng)側(cè)三相濾波電容單元，各單元之間匹配連接，其特別之處是所述的整流單元由至少一個(gè)三相不控二極管整流單元構(gòu)成或多個(gè)三相不控二極管整流單元并聯(lián)連接構(gòu)成；所述的升壓斬波單元由至少一個(gè)升壓斬波單元構(gòu)成或多個(gè)升壓斬波單元并聯(lián)連接構(gòu)成；所述逆變單元由至少一個(gè)逆變單元構(gòu)成或多個(gè)逆變單元并聯(lián)連接構(gòu)成。本發(fā)明的有益效果電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，大大降低了變流器的成本；引入了軟開關(guān)技術(shù)，大大降低了功率器件的開關(guān)損耗；電路中的整流單元、升壓斬波單元、逆變單元都采用的模塊化電路，該結(jié)構(gòu)在同等開關(guān)電壓電流應(yīng)力的開關(guān)器件的基礎(chǔ)上，能實(shí)現(xiàn)更高的功率等級(jí)，并且可以更方便的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的系列化。
文檔編號(hào)H02M5/458GK101795082SQ201010301248
公開日2010年8月4日 申請(qǐng)日期2010年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月5日
發(fā)明者劉廣東, 趙雙喜 申請(qǐng)人:保定天威集團(tuán)有限公司