專利名稱：復合式全功率風電變流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及ー種風電變流器，具體是ー種復合式全功率風電變流器，屬于全功率風カ發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景在全球能源問題日益突出的今天，風能作為ー種可再生、無污染而且儲量巨大的能源受到人類的高度重視，各國政府更是將這種相對于火力發(fā)電最具有競爭カ的風カ發(fā)電作為促進電カ結(jié)構(gòu)多樣化及環(huán)境與生態(tài)改善的重要途徑。目前，風電機組大致可分為雙饋式和全功率，全功率風電系統(tǒng)是將風能轉(zhuǎn)變成電能的ー種重要形式，其簡單、高效、易于實現(xiàn)低電壓穿越的特性在風電領(lǐng)域深受青睞，成為了主要的風カ發(fā)電解決方案。全功率風電系統(tǒng)通過發(fā)電機將風カ機獲取的風能轉(zhuǎn)化為電能，發(fā)電機定子輸出經(jīng)全功率變流器將時變的交流電能變成幅值與頻率恒定的交流電能?，F(xiàn)在主流的風電機組多為660V或690V的低壓系統(tǒng)，對于大功率的并網(wǎng)變流器，由于受到功率器件電流等級的限制，一般采用變流器并聯(lián)或者功率器件并聯(lián)的方式提高變流器的容量，從而使得風電機組的全功率變流器的設(shè)計和控制變得復雜。與此同時，國內(nèi)外主流的風電機組單機容量已經(jīng)大于2麗，現(xiàn)有5麗全功率變流器多采用背靠背的雙三電平四象限運行的變流器方案，但是背靠背的雙三電平結(jié)構(gòu)的變流器，對于無需能量雙向流動的全功率風カ發(fā)電系統(tǒng)，不免顯得浪費了資源。隨著風電機組單機容量的增長與風電機組成本的降低，勢必對全功率變流器提出了新的挑戰(zhàn)，現(xiàn)有全功率變流器的技術(shù)方案已經(jīng)不能適應新的要求。
發(fā)明內(nèi)容針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本實用新型提供ー種復合式全功率風電變流器，適合在全功率風カ發(fā)電系統(tǒng)中使用，特別是電勵磁同步發(fā)電機風カ發(fā)電系統(tǒng)、永磁直驅(qū)式風カ發(fā)電系統(tǒng)、鼠籠式異步發(fā)電機風カ發(fā)電系統(tǒng)。為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)ー種復合式全功率風電變流器，包括機側(cè)變流器、網(wǎng)側(cè)變流器和直流側(cè)濾波電容，機側(cè)變流器由兩象限三電平Vienna整流器構(gòu)成，網(wǎng)側(cè)變流器由采用可控開關(guān)的功率器件的電壓型ニ極管中點箝位式(NPC)三電平變流器構(gòu)成，Vienna整流器的交流輸入端與風カ發(fā)電機連接，其直流輸出端經(jīng)直流側(cè)濾波電容與電壓型ニ極管中點箝位式三電平變流器的直流母線側(cè)連接，電壓型ニ極管中點箝位式三電平變流器的交流側(cè)與電網(wǎng)連接。Vienna整流器包括三相橋臂，每相橋臂包括四個功率ニ極管和兩個可控開關(guān)的功率器件，兩個功率ニ極管串聯(lián)構(gòu)成箝位電路，與串聯(lián)的兩個可控開關(guān)的功率器件并聯(lián)，并聯(lián)形成的拓撲結(jié)構(gòu)兩端分別與兩個功率ニ極管串聯(lián)構(gòu)成Vienna整流器的単相橋臂拓撲結(jié)構(gòu)。電壓型ニ極管中點箝位式三電平變流器包含三相橋臂，每相橋臂包括四個可控開關(guān)的功率器件、兩個箝位ニ極管和四個續(xù)流ニ極管，續(xù)流ニ極管和功率器件反向并聯(lián)連接，兩個功率ニ極管串聯(lián)構(gòu)成箝位電路，與串聯(lián)的兩個可控開關(guān)的功率器件并聯(lián)，并聯(lián)形成的拓撲結(jié)構(gòu)兩端分別與兩個功率器件串聯(lián)構(gòu)成電壓型ニ極管中點箝位式三電平變流器的單相橋臂拓撲結(jié)構(gòu)。直流側(cè)濾波電容為兩個相同的電容串聯(lián)構(gòu)成。為實現(xiàn)機側(cè)變流器的控制目標，采取電流矢量解耦控制，獨立控制風力發(fā)電機的輸出電流的有功和無功分量；采用速度外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制，實現(xiàn)風カ發(fā)電機的轉(zhuǎn)速跟蹤最優(yōu)的轉(zhuǎn)速。網(wǎng)側(cè)變流器將直流母線電壓和電網(wǎng)電壓作為其控制對象，控制直流母線電壓穩(wěn)定，同時將直流母線上的直流電能轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)電壓和頻率一致的交流電能。本實用新型的有益效果是優(yōu)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了成本，便于系統(tǒng)維護，提高了系統(tǒng)可靠性，有效實現(xiàn)電勵磁同步發(fā)電機、永磁同步發(fā)電機和鼠籠式異步發(fā)電機的變速恒 頻控制，提供優(yōu)質(zhì)電能，提高了電網(wǎng)系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性。

圖I是復合式全功率風電變流器原理圖；圖2是Vienna整流器拓撲結(jié)構(gòu)圖；圖3是電壓型ニ極管中點箝位式三電平變流器拓撲結(jié)構(gòu)圖；圖4是電勵磁同步發(fā)電機風カ發(fā)電系統(tǒng)圖；圖5是永磁直驅(qū)式發(fā)電機風カ發(fā)電系統(tǒng)圖；圖6是鼠籠式異步發(fā)電機風力發(fā)電系統(tǒng)圖。圖中1、機側(cè)變流器，2、網(wǎng)側(cè)變流器，3、風カ發(fā)電機，3-1、電勵磁同步發(fā)電機，3-2、永磁直驅(qū)式發(fā)電機，3-3、鼠籠式異步發(fā)電機,4、電網(wǎng)，5、直流勵磁,6、Vienna整流器,7、電壓型ニ極管中點箝位式三電平變流器，Cl C2、直流側(cè)濾波電容，Dal Da4、Dbl Db4、Dcl Dc4、功率ニ極管，Sal Sa2、Sbl Sb2、Scl Sc2、可控開關(guān)的功率器件，Dla D2a、Dlb D2b、Dlc D2c、箱位ニ極管，Sla S4a、Slb S4b、Slc S4c、可控開關(guān)的功率器件，D3a D6a、D3b D6b、D3c D6c、續(xù)流ニ極管。
具體實施方式
下面將結(jié)合附圖對本實用新型做進ー步說明。如圖I所示，ー種復合式全功率風電變流器，包括機側(cè)變流器I、網(wǎng)側(cè)變流器2、風力發(fā)電機3、電網(wǎng)4和直流側(cè)濾波電容C1、C2，機側(cè)變流器I由兩象限三電平Vienna整流器6構(gòu)成，網(wǎng)側(cè)變流器2由采用可控開關(guān)的功率器件的電壓型ニ極管中點箝位式三電平變流器7構(gòu)成，Vienna整流器6的交流輸入端與風カ發(fā)電機3連接，其直流輸出端經(jīng)直流側(cè)濾波電容Cl、C2與電壓型ニ極管中點箝位式三電平變流器7的直流母線側(cè)連接，電壓型ニ極管中點箝位式三電平變流器7的交流側(cè)與電網(wǎng)4連接。Vienna整流器6包括三相橋臂，每相橋臂包括四個功率ニ極管和兩個可控開關(guān)的功率器件，兩個功率ニ極管串聯(lián)構(gòu)成箝位電路，與串聯(lián)的兩個可控開關(guān)的功率器件并聯(lián)，并聯(lián)形成的拓撲結(jié)構(gòu)兩端分別與兩個功率ニ極管串聯(lián)構(gòu)成Vienna整流器6的單相橋臂拓撲結(jié)構(gòu)。[0022]電壓型ニ極管中點箝位式三電平變流器7包含三相橋臂，每相橋臂包括四個可控開關(guān)的功率器件、兩個箝位ニ極管和四個續(xù)流ニ極管，續(xù)流ニ極管和功率器件反向并聯(lián)連接，兩個功率ニ極管串聯(lián)構(gòu)成箝位電路，與串聯(lián)的兩個可控開關(guān)的功率器件并聯(lián)，并聯(lián)形成的拓撲結(jié)構(gòu)兩端分別與兩個功率器件串聯(lián)構(gòu)成電壓型ニ極管中點箝位式三電平變流器7的單相橋臂拓撲結(jié)構(gòu)。直流側(cè)濾波電容Cl、C2為兩個相同的電容串聯(lián)構(gòu)成。如圖2所示,對于無需能量雙向流動的全功率風カ發(fā)電系統(tǒng),采用Vienna整流器6作為機側(cè)變流器I足以勝任。Vienna整流器6主要由功率ニ極管Dal Da4、Dbl Db4、Dcl Dc4，可控開關(guān)的功率器件Sal Sa2、Sbl Sb2、Scl Sc2 (含續(xù)流ニ極管，本實用新型采用IGBT但不限于IGBT)和直流側(cè)濾波電容C1、 C2組成。Vienna整流器6由于直流電壓母線中點的存在，每個功率器件所承受的電壓僅為直流母線電壓的一半，其所需要的功率器件僅為四象限運行三電平結(jié)構(gòu)的一半，此外，當功率器件開通時，連接于直流母線的ニ極管可以阻斷直通電流，從而提高了整流器的可靠性。如圖3所示，電壓型ニ極管中點箝位式三電平變流器7與電網(wǎng)4連接，實現(xiàn)風カ發(fā)電機3的并網(wǎng)控制。ニ極管中點箝位式(NPC)三電平變流器7主要包括箝位ニ極管Dla D2a、Dlb D2b、Dlc D2c，可控開關(guān)的功率器件Sla S4a、Slb S4b、Slc S4c (本實用新型采用IGBT但不限于IGBT)，續(xù)流ニ極管D3a D6a、D3b D6b、D3c D6c和直流側(cè)濾波電容Cl、C2組成。續(xù)流ニ極管D3a D6a、D3b D6b、D3c D6c和功率器件Sla S4a、Slb S4b、Slc S4c反向并聯(lián)，箱位ニ極管Dla D2a、Dlb D2b、Dlc D2c的作用是在可控開關(guān)的功率器件Sla S4a、Slb S4b、Slc S4c導通時提供電流通道同時防止電容短路。圖4是電勵磁同步發(fā)電機3-1的風カ發(fā)電系統(tǒng)圖，圖5是永磁直驅(qū)式發(fā)電機3-2的風カ發(fā)電系統(tǒng)圖，圖6是鼠籠式異步發(fā)電機3-3的風カ發(fā)電系統(tǒng)圖。對機側(cè)變流器I的控制主要為了實現(xiàn)兩個目標一是使電機定子端能夠輸出単位功率因數(shù)的電能；ニ是實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的控制，進而跟蹤最大風能。為實現(xiàn)機側(cè)變流器I的控制目標，采取電流矢量解耦控制，獨立控制風力發(fā)電機的輸出電流的有功和無功分量，實現(xiàn)無靜差控制，控制系統(tǒng)采用速度外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方式，從而控制風カ發(fā)電機的轉(zhuǎn)速跟蹤最優(yōu)的轉(zhuǎn)速。實現(xiàn)并網(wǎng)控制吋，網(wǎng)側(cè)變流器2實質(zhì)上是整流器工作于逆變狀態(tài)，網(wǎng)側(cè)變流器2將直流母線電壓和電網(wǎng)電壓作為其控制對象，主要控制直流母線電壓穩(wěn)定，同時將直流母線上的直流電能轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)電壓和頻率一致的交流電能，在實現(xiàn)有功功率控制的同時，兼顧調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓時所需要的無功功率。從而實現(xiàn)對電勵磁同步發(fā)電機3-1、永磁同步發(fā)電機3-2和鼠籠式異步發(fā)電機3-3的變速恒頻控制。
權(quán)利要求1.ー種復合式全功率風電變流器，包括機側(cè)變流器(I)、網(wǎng)側(cè)變流器(2)和直流側(cè)濾波電容(Cl、C2)，其特征在于，機側(cè)變流器(I)由兩象限三電平Vienna整流器(6)構(gòu)成，網(wǎng)側(cè)變流器(2)由采用可控開關(guān)的功率器件的電壓型ニ極管中點箝位式三電平變流器(7)構(gòu)成，Vienna整流器(6)的交流輸入端與風カ發(fā)電機(3)連接，其直流輸出端經(jīng)直流側(cè)濾波電容(Cl、C2)與電壓型ニ極管中點箝位式三電平變流器(7)的直流母線側(cè)連接，電壓型ニ極管中點箝位式三電平變流器(7)的交流側(cè)與電網(wǎng)(4)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種復合式全功率風電變流器，其特征在于，所述的Vienna整流器(6)包括三相橋臂，每相橋臂包括四個功率ニ極管和兩個可控開關(guān)的功率器件，兩個功率ニ極管串聯(lián)構(gòu)成箝位電路，與串聯(lián)的兩個可控開關(guān)的功率器件并聯(lián)，并聯(lián)形成的拓撲結(jié)構(gòu)兩端分別與兩個功率ニ極管串聯(lián)構(gòu)成Vienna整流器(6)的單相橋臂拓撲結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種復合式全功率風電變流器，其特征在于，所述的電壓型ニ極管中點箝位式三電平變流器(7)包含三相橋臂，每相橋臂包括四個可控開關(guān)的功率器件、兩個箝位ニ極管和四個續(xù)流ニ極管，續(xù)流ニ極管和功率器件反向并聯(lián)連接，兩個功率ニ極管串聯(lián)構(gòu)成箝位電路，與串聯(lián)的兩個可控開關(guān)的功率器件并聯(lián)，并聯(lián)形成的拓撲結(jié)構(gòu)兩端分別與兩個功率器件串聯(lián)構(gòu)成電壓型ニ極管中點箝位式三電平變流器(7)的単相橋臂拓撲結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種復合式全功率風電變流器，其特征在于，所述的直流側(cè)濾波電容(Cl、C2)為兩個相同的電容串聯(lián)構(gòu)成。
專利摘要本實用新型公開了一種復合式全功率風電變流器，屬于風力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，包括機側(cè)變流器、網(wǎng)側(cè)變流器和直流側(cè)濾波電容，機側(cè)變流器由兩象限三電平Vienna整流器構(gòu)成，網(wǎng)側(cè)變流器由采用可控開關(guān)的功率器件的電壓型二極管中點箝位式三電平變流器構(gòu)成，Vienna整流器的交流輸入端與風力發(fā)電機連接，其直流輸出端經(jīng)直流側(cè)濾波電容與電壓型二極管中點箝位式三電平變流器的直流母線側(cè)連接，電壓型二極管中點箝位式三電平變流器的交流側(cè)與電網(wǎng)連接。有益效果是優(yōu)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了成本，便于系統(tǒng)維護，提高了系統(tǒng)可靠性，有效實現(xiàn)電勵磁同步發(fā)電機、永磁同步發(fā)電機和鼠籠式異步發(fā)電機的變速恒頻控制，提供優(yōu)質(zhì)電能，提高了電網(wǎng)系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性。
文檔編號H02P21/00GK202405796SQ201120488720
公開日2012年8月29日 申請日期2011年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月30日
發(fā)明者劉毅, 葉宗彬, 李淵, 譚國俊 申請人:北京洲能科技發(fā)展有限公司, 徐州中礦大傳動與自動化有限公司