專利名稱：一種基于igbt的h橋串聯(lián)多電平電壓跌落發(fā)生器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及電力電子行業(yè)中基于IGBT的H橋功率單元串聯(lián)多電平電壓跌落發(fā)生器(VSG)。
背景技術：
通常情況下，當電網(wǎng)出現(xiàn)故障導致電壓較大波動時，風力發(fā)電系統(tǒng)便會自動脫網(wǎng)， 而隨著風電裝機容量的增加，這種應對電壓波動的方法對電網(wǎng)的影響已經(jīng)不能忽略。目前， 風力發(fā)電占主導地位的一些國家，如丹麥、德國等國相繼制定了新的電網(wǎng)運行準則，要求風電系統(tǒng)具有低電壓穿越能力LVRT (Low Voltage Ride-Through)，只有當電網(wǎng)電壓跌落到一定程度后才允許風力機脫網(wǎng)。我國于2009年頒布的《風電場接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定》中規(guī)定對于風電裝機容量占其電源總容量比例大于5%的省(區(qū)域)級電網(wǎng)，該電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)運行的風力發(fā)電機組應具有低電壓穿越能力。為了測試風力發(fā)電機組的低電壓穿越能力，風力發(fā)電機試驗系統(tǒng)就需要能模擬電網(wǎng)電壓跌落的裝置，即電壓跌落發(fā)生器(VSG)。國內(nèi)外現(xiàn)有(VSG)主要有阻抗形式與變壓器形式，但這兩種形式電壓跌落發(fā)生器(VSG)產(chǎn)生的電壓跌落深度和頻率波動不能靈活控制控制，并且能量損耗較大，不易進行潮流與無功的研究分析。因此理想的VSG應能設定故障類型與電壓跌落深度、時間，不僅能檢測被測系統(tǒng)的低電壓穿越能力，并且可以進行潮流與無功的研究分析。
發(fā)明內(nèi)容為解決現(xiàn)有技術的問題，本實用新型的目的是提供一種基于IGBT的H橋串聯(lián)多電平電壓跌落發(fā)生器(VSG)，該裝置不僅可輸出滿足《風電場接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定》中規(guī)定的電網(wǎng)電壓跌落波形，并且可以任意設定其它的跌落深度與時間，裝置自身損耗小，可以進行潮流與無功的研究分析；并且為整體可移動式結構。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型通過以下技術方案實現(xiàn)一種基于IGBT的H橋串聯(lián)多電平電壓跌落發(fā)生器，該裝置為能量回饋型四象限變流器，可實現(xiàn)能量的雙向流動；其輸入端與電網(wǎng)交流母線相連接，輸出端與被測系統(tǒng)相連接；該裝置輸入端由電網(wǎng)交流母線經(jīng)過饋電開關QFl供電，饋電開關QFl與饋電開關QF2實現(xiàn)互鎖，不能同時閉合；饋電開關QF2接于電網(wǎng)交流母線與裝置輸出端之間，在檢測系統(tǒng)低電壓穿越能力時，該裝置將被測系統(tǒng)的發(fā)電能量回饋到交流母線。所述的能量回饋型四象限變流器由多個低壓H橋變頻功率單元串聯(lián)疊加構成一相，三相Y連接構成。所述的H橋變頻功率單元整流側為IGBT可控器件三相可控全橋，經(jīng)整流后給濾波電容充電；輸出側由逆變的四個IGBT可控器件組成。該裝置還包括輸入電抗器、輸入斷路器、輸入移相變壓器、輸出變壓器、輸出斷路器、輸出電抗器，電網(wǎng)交流母線與能量回饋型四象限變流器之間依次接有輸入電抗器、輸入斷路器、輸入移相變壓器；能量回饋型四象限變流器與被測系統(tǒng)之間依次接有輸出變壓器、 輸出斷路器、輸出電抗器。所述的能量回饋型四象限變流器、輸出電抗器及輸入電抗器、輸入移相變壓器、輸出變壓器及輸出斷路器分別裝于四個集裝箱中，為可移動式結構。該裝置的輸出電壓由控制器輸出的調(diào)制信號決定，采用三角載波和正弦調(diào)制信號波相交獲得的PWM波形直接控制各個IGBT可以得到脈沖寬度和各脈沖間的占空比可變的呈正弦變化的輸出脈沖電壓，能獲得理想的控制效果輸出電流近似正弦，各個功率單元輸出的波形串聯(lián)疊加產(chǎn)生所需的電壓波形。根據(jù)所需的電壓跌落波形設定調(diào)制波信號，即可得到符合檢測要求的電壓跌落曲線。與現(xiàn)有技術相比，本實用新型的新穎性和創(chuàng)造性體現(xiàn)在以下幾個方面1、可以模擬各種電網(wǎng)故障，如單相對地故障、兩相對地故障、相間故障、三相故障；2、跌落深度、相位、時間可設定，這是傳統(tǒng)的阻抗形式與變壓器形式VSG無法完美實現(xiàn)的功能，阻抗形式與變壓器形式VSG的電壓跌落曲線不平滑，容易出現(xiàn)電壓與電流的尖峰，本實用新型的VSG產(chǎn)生的電壓跌落曲線平滑無拐點，電壓恢復快，最低跌落深度可達 15%，優(yōu)于國家要求的20% ；3、頻率變化可設定，可設定偏離百分比(-5% +5% )，模擬電網(wǎng)頻率閃變。4、提供了足夠的VSG容量，電壓跌落到額定電壓的20%時，風力發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的過電流約為額定電流的3倍以上，傳統(tǒng)的阻抗形式VSG容易出現(xiàn)因容量選擇不當而損壞VSG 的情況，本實用新型的VSG的容量選為被測風力發(fā)電系統(tǒng)的4倍，提供了足夠的短路容量。5、提高了系統(tǒng)的效率，傳統(tǒng)的阻抗形式VSG的能量損耗較大，不利進行潮流與無功的研究分析，本實用新型的VSG的整體效率在96%以上，利于進行潮流與無功的研究分析。6、提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)，電壓跌落到額定電壓的20%時，風力發(fā)電系統(tǒng)將失去無功調(diào)節(jié)能力，此時整個發(fā)電系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，對電網(wǎng)產(chǎn)生較大的影響，本實用新型的 VSG可以使電網(wǎng)側的功率因數(shù)穩(wěn)定在0. 95左右，在進行低電壓穿越檢測時不會對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊。7、VSG設備將風力發(fā)電機組發(fā)電能量回饋到電網(wǎng)母線，實現(xiàn)“背靠背”對拖試驗的微能耗。

圖1是本實用新型裝置與被測系統(tǒng)連接的整體系統(tǒng)圖；圖2是本實用新型裝置與被測系統(tǒng)的具體連接結構圖；圖3是波形串聯(lián)疊加原理圖；圖4是多個變頻功率單元串聯(lián)疊加示意圖；圖5是能量回饋型四象限變流器的拓撲結構圖；圖6是H橋變頻功率單元的結構圖。
具體實施方式
[0026]見圖1，被試的風力發(fā)電系統(tǒng)是雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)與光伏發(fā)電系統(tǒng)，本裝置基于 IGBT的H橋串聯(lián)多電平電壓跌落發(fā)生器VSG也可以用于永磁直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)。VSG裝置由交流母線經(jīng)過饋電開關QFl供電，QFl與QF2實現(xiàn)互鎖，不能同時閉合；在檢測系統(tǒng)低電壓穿越能力時，VSG將被測系統(tǒng)的發(fā)電能量回饋到交流母線，實現(xiàn)“背靠背”對拖試驗的微能
^^ ο見圖2，該裝置由輸入電抗器Li、輸入斷路器K1、輸入移相變壓器Tl、能量回饋型四象限變流器1、輸出變壓器T2、輸出斷路器K2、輸出電抗器L2構成，電網(wǎng)交流母線與能量回饋型四象限變流器1之間依次接有輸入電抗器Li、輸入斷路器K1、輸入移相變壓器Tl ； 能量回饋型四象限變流器1與被測系統(tǒng)之間依次接有輸出變壓器T2、輸出斷路器K2、輸出電抗器L2。所述的能量回饋型四象限變流器1、輸出電抗器L2及輸入電抗器Li、輸入移相變壓器Tl、輸出變壓器T2及輸出斷路器K2分別裝于四個集裝箱中，為可移動式結構。便于運輸、安裝。見圖4、圖5，所述的能量回饋型四象限變流器由多個低壓H橋變頻功率單元串聯(lián)疊加構成一相，三相Y連接構成。由電網(wǎng)送來的三相交流電經(jīng)過移相變壓器供給每相N個 IGBT變頻功率單元，每相上的N個功率單元輸出的PWM波相疊后，采用Y形連接，將形成線電壓為690 * V^ V的高質(zhì)量的正弦波輸出，供給被測的風力發(fā)電系統(tǒng)或光伏發(fā)電系統(tǒng)。見圖6，所述的H橋變頻功率單元整流側為IGBT可控器件三相可控全橋，經(jīng)整流后給濾波電容充電；輸出側由逆變的四個IGBT可控器件組成。見圖3，同一相的不同單元的調(diào)制波信號相同，載波信號相差一個相位，三角載波和正弦調(diào)制信號波相交獲得的PWM波形直接控制各個IGBT可以得到脈沖寬度和各脈沖間的占空比可變的呈正弦變化的輸出脈沖電壓，各個功率單元輸出的波形串聯(lián)疊加產(chǎn)生所需的電壓波形。根據(jù)所需的電壓跌落波形設定調(diào)制波信號，即可得到符合檢測要求的電壓跌落曲線。見圖5，H橋變頻功率單元輸入側設有熔斷器、整流側IGBT模塊、電容器和輸出側逆變側IGBT模塊，以及變頻單元控制和驅(qū)動電路。每個單元主接線有5個端子其中3個為輸入，即R、S、T，與電抗器相連，接受變壓器次級輸出三相交流電。另2個端子為調(diào)制后的輸出，即U、V。功率單元的整流側為可控整流方式，這種方式可使從發(fā)電機側的過能量回送到電網(wǎng)。變頻功率單元為基本的交-直-交三相整流/單相逆變電路，整流側為IGBT三相全橋， 經(jīng)整流后給濾波電容充電；輸出側由逆變的IGBT相互串接組成，與被測系統(tǒng)連接。移相變壓器的副邊繞組分為多組，二級線圈互相存在一個相位差，根據(jù)電壓等級和變頻功率單元級數(shù)，一般由幾十個脈沖系列構成多級移相疊加的整流方式?？刂破饔筛咚貲SP、工控PC、和PLC共同組成，控制器與變頻功率單元之間采用光纖通訊技術，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離。
權利要求1.一種基于IGBT的H橋串聯(lián)多電平電壓跌落發(fā)生器，其特征在于，該裝置為能量回饋型四象限變流器，可實現(xiàn)能量的雙向流動；其輸入端與電網(wǎng)交流母線相連接，輸出端與被測系統(tǒng)相連接；該裝置輸入端由電網(wǎng)交流母線經(jīng)過饋電開關QFl供電，饋電開關QFl與饋電開關QF2實現(xiàn)互鎖，不能同時閉合；饋電開關QF2接于電網(wǎng)交流母線與裝置輸出端之間，在檢測系統(tǒng)低電壓穿越能力時，該裝置將被測系統(tǒng)的發(fā)電能量回饋到交流母線。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于IGBT的H橋串聯(lián)多電平電壓跌落發(fā)生器，其特征在于，所述的能量回饋型四象限變流器由多個低壓H橋變頻功率單元串聯(lián)疊加構成一相，三相Y連接構成。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的一種基于IGBT的H橋串聯(lián)多電平電壓跌落發(fā)生器，其特征在于，所述的H橋變頻功率單元整流側為IGBT可控器件三相可控全橋，經(jīng)整流后給濾波電容充電；輸出側由逆變的四個IGBT可控器件組成。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的一種基于IGBT的H橋串聯(lián)多電平電壓跌落發(fā)生器，其特征在于，該裝置還包括輸入電抗器、輸入斷路器、輸入移相變壓器、輸出變壓器、輸出斷路器、輸出電抗器，電網(wǎng)交流母線與能量回饋型四象限變流器之間依次接有輸入電抗器、輸入斷路器、輸入移相變壓器；能量回饋型四象限變流器與被測系統(tǒng)之間依次接有輸出變壓器、 輸出斷路器、輸出電抗器。
5.根據(jù)權利要求4所述的一種基于IGBT的H橋串聯(lián)多電平電壓跌落發(fā)生器，其特征在于，所述的能量回饋型四象限變流器、輸出電抗器及輸入電抗器、輸入移相變壓器、輸出變壓器及輸出斷路器分別裝于四個集裝箱中，為可移動式結構。
專利摘要本實用新型涉及一種基于IGBT的H橋串聯(lián)多電平電壓跌落發(fā)生器，該裝置為能量回饋型四象限變流器，可實現(xiàn)能量的雙向流動；其輸入端與電網(wǎng)相連接，輸出端與被測系統(tǒng)相連接；所述的能量回饋型四象限變流器由多個低壓H橋變頻功率單元串聯(lián)疊加構成一相，三相Y連接，與被測的風力發(fā)電系統(tǒng)或光伏發(fā)電系統(tǒng)連接。所述的H橋變頻功率單元整流側為IGBT可控器件三相可控全橋，經(jīng)整流后給濾波電容充電；輸出側由逆變的四個IGBT可控器件組成。本裝置不僅可輸出滿足《風電場接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定》中規(guī)定的電網(wǎng)電壓跌落波形，并且可以任意設定其它的跌落深度與時間，裝置自身損耗小，可以進行潮流與無功的研究分析。
文檔編號H02M5/458GK202034907SQ20112006822
公開日2011年11月9日 申請日期2011年3月15日 優(yōu)先權日2011年3月15日
發(fā)明者于淼, 何銀萍, 孫福祥, 張盛開, 徐穎, 王晗, 王 鋒 申請人:榮信電力電子股份有限公司