專利名稱：電勵磁同步發(fā)電機(jī)用全功率風(fēng)電變流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及ー種電勵磁同步發(fā)電機(jī)用全功率風(fēng)電變流器，屬于風(fēng)カ發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在全球能源問題日益突出的今天，風(fēng)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(fēng)カ發(fā)電作為促進(jìn)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(fēng)電機(jī)組大致可分為雙饋式風(fēng)電機(jī)組和全功率風(fēng)電機(jī)組，全功率風(fēng)電機(jī)組是將風(fēng)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(fēng)電領(lǐng)域深受青睞，成為了風(fēng)カ發(fā)電不錯的解決方案。 全功率風(fēng)電機(jī)組通過發(fā)電機(jī)將風(fēng)カ機(jī)獲取的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，發(fā)電機(jī)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。在大功率應(yīng)用場合，全功率風(fēng)カ發(fā)電機(jī)組采用的是低速永磁同步發(fā)電機(jī)，隨著永磁體原材料價格飛速增長，造成發(fā)電機(jī)成本猛增，提高了風(fēng)電機(jī)組成本。為了避免永磁體價格波動帶來的影響，同時保留同步風(fēng)電機(jī)組的優(yōu)良特性，采用電勵磁同步發(fā)電機(jī)成為科研単位和整機(jī)廠家新的選擇。電勵磁同步發(fā)電機(jī)可提供高效優(yōu)質(zhì)電能轉(zhuǎn)換，便于實現(xiàn)無功功率調(diào)節(jié)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，然而針對這一新型機(jī)組方案，所需配套使用的全功率變流器的研究在國內(nèi)尚處于科研起步階段，無相應(yīng)產(chǎn)品。此外，現(xiàn)在主流的風(fēng)電機(jī)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(fēng)電機(jī)組的全功率變流器的設(shè)計和控制變得復(fù)雜。與此同吋，國內(nèi)外主流的風(fēng)電機(jī)組單機(jī)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(yùn)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(fēng)カ發(fā)電系統(tǒng)，不免顯得資源浪費。隨著風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量的增長與風(fēng)電機(jī)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(yīng)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電勵磁同步發(fā)電機(jī)用全功率風(fēng)電變流器，能夠有效降低輸出電壓畸變率，損耗降低。為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用的技術(shù)方案是ー種電勵磁同步發(fā)電機(jī)用全功率風(fēng)電變流器，包括電機(jī)側(cè)變流器、網(wǎng)側(cè)變流器和兩個直流側(cè)濾波電容Cl、C2，電機(jī)側(cè)變流器的交流輸入端與電勵磁同步發(fā)電機(jī)電連接，電機(jī)側(cè)變流器的直流輸出端通過直流側(cè)濾波電容與網(wǎng)側(cè)變流器的直流母線側(cè)電連接，網(wǎng)側(cè)變流器的交流側(cè)接至電網(wǎng)，還包括直流斬波電路，直流斬波電路并接于網(wǎng)側(cè)變流器直流母線，電機(jī)側(cè)變流器為兩象限三電平Vienna整流器，網(wǎng)側(cè)變流器為采用可控開關(guān)的功率器件構(gòu)成的ニ極管中點箝位式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電壓型三電平變流器，直流側(cè)濾波電容Cl和C2串聯(lián)后與電機(jī)側(cè)變流器的直流側(cè)并聯(lián)。[0007]兩象限三電平Vienna整流器包含3相結(jié)構(gòu)相同的橋臂，每相橋臂包含六只功率ニ極管和I只可控開關(guān)的功率器件，在A相橋臂中，可控開關(guān)的功率器件Sal與串聯(lián)的功率ニ極管Da2、Da3及串聯(lián)的功率ニ極管Da5、Da6組成并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并聯(lián)形成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)兩端分別與兩個功率ニ極管Dal、Da4串聯(lián)構(gòu)成Vienna整流器的單相橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。ニ極管中點箝位式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電壓型三電平變流器包含3相結(jié)構(gòu)相同的橋臂，每相橋臂有四只可控開關(guān)的功率器件，兩只箝位ニ極管和四只續(xù)流ニ極管，在《相橋臂中，四只可控開關(guān)的功率器件Sla、S2a、S3a、S4a分別與四只續(xù)流ニ極管D3a、D4a、D5a、D6a反并聯(lián)連接，功率ニ極管Dla、D2a串聯(lián)，并與串聯(lián)的兩只可控開關(guān)的功率器件S2a、S3a并聯(lián)，并聯(lián)形成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)兩端分別與兩只功率器件Sla、S4a串聯(lián)構(gòu)成ニ極管中點箝位式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電壓型三電平變流器的單相橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。直流斬波電路包括可控開關(guān)的功率器件S、續(xù)流ニ極管VD、儲能元件電感L和儲能元件電容C，可控開關(guān)的功率器件S的集電極與直流母線的正母線相連，功率器件S的發(fā)射極分別與儲能元件電感L的一端和續(xù)流ニ極管VD的陰極連接，電感L的另一端與儲能元件電容C的一端連接，電容C的另一端與續(xù)流ニ極管VD的陽極連接后與直流母線負(fù)母線相連。本實用新型的有益效果是兩象限三電平Vienna整流器與傳統(tǒng)兩電平整流器相比，為三電平結(jié)構(gòu)，有效降低輸出電壓畸變率，減輕對功率器件和電機(jī)絕緣的影響，還可以損耗降低；ニ極管中點箝位式電壓型三電平變流器的開關(guān)頻率低，輸出波形質(zhì)量好，直流母線利用率高，減小了系統(tǒng)損耗；采用直流斬波電路進(jìn)行直流勵磁，可實現(xiàn)電能的高效率變換，同時省略了傳統(tǒng)晶閘管整流裝置，節(jié)約了成本，大大降低了控制的復(fù)雜性；電機(jī)側(cè)變流器與網(wǎng)側(cè)變流器背靠背的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)利于功率系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化設(shè)計，方便維護(hù)，增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性。

圖I為本實用新型發(fā)電系統(tǒng)圖；圖2為兩象限ニ電平Vienna整流器；圖3為ニ極管中點箝位式電壓型三電平變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；圖4為直流斬波電路圖。圖中1、電勵磁同步發(fā)電機(jī)，2、電機(jī)側(cè)變流器，3、網(wǎng)側(cè)變流器，4、電網(wǎng)。
具體實施方式
下面將結(jié)合附圖對本實用新型作進(jìn)ー步說明。如圖I、圖2、圖3和圖4所示，ー種電勵磁同步發(fā)電機(jī)用全功率風(fēng)電變流器，包括電機(jī)側(cè)變流器、網(wǎng)側(cè)變流器和兩個直流側(cè)濾波電容Cl、C2，電機(jī)側(cè)變流器的交流輸入端(A、BX)與電勵磁同步發(fā)電機(jī)相連，電機(jī)側(cè)變流器的直流輸出端通過直流側(cè)濾波電容與網(wǎng)側(cè)變流器的直流母線側(cè)電連接，網(wǎng)側(cè)變流器的交流側(cè)("、^ W接至電網(wǎng)。電機(jī)側(cè)變流器實現(xiàn)對電勵磁同步發(fā)電機(jī)的變速控制，網(wǎng)側(cè)變流器實現(xiàn)并網(wǎng)控制，直流斬波電路并接于網(wǎng)側(cè)變流器直流母線，提供電勵磁同步發(fā)電機(jī)可調(diào)直流勵磁，電機(jī)側(cè)變流器為兩象限三電平Vienna整流器，網(wǎng)側(cè)變流器為采用可控開關(guān)的功率器件構(gòu)成的ニ極管中點箝位式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電壓型三電平變流器，直流側(cè)濾波電容Cl和C2串聯(lián)后與電機(jī)側(cè)變流器的直流側(cè)并聯(lián)。兩象限三電平Vienna整流器包括功率ニ極管Dal Da6、Dbl Db6、Dcl Dc6和可控開關(guān)的功率器件Sal、Sbl、Scl，有3相結(jié)構(gòu)相同的橋臂，每相橋臂包含6只功率ニ極管和I只可控開關(guān)的功率器件，以A相橋臂為例，可控開關(guān)的功率器件Sal與串聯(lián)的功率ニ極管Da2、Da3及串聯(lián)的功率ニ極管Da5、Da6組成并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并聯(lián)形成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)兩端分別與兩個功率ニ極管Dal、Da4串聯(lián)構(gòu)成Vienna整流器的A相橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，串聯(lián)的功率ニ極管Da2，Da3、Db2，Db3和Dc2，Dc3的中點分別接于電勵磁同步發(fā)電機(jī)的A、B、C三相上，串聯(lián)的功率ニ極管Da5，Da6、Db5，Db6和Dc5，Dc6的中點均與兩直流側(cè)濾波電容C1、C2中點電位電連接，兩象限三電平Vienna整流器為三電平整流器，采用的功率器件數(shù)量僅為Sal、SbU Scl三只，當(dāng)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，提高了整流器的可靠性。ニ極管中點箝位式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電壓型三電平變流器包括箝位ニ極管Dla D2a，Dlb D2b，Dlc D2c、可控開關(guān)的功率器件Sla S4a, Slb S4b, Slc S4c和續(xù)流ニ極管D3a D6a, D3b D6b, D3c D6c,有3相結(jié)構(gòu)相同的橋臂,姆相橋臂有四只可控開關(guān)的功率器件，兩只箝位ニ極管和四只續(xù)流ニ極管，以U相橋臂為例，四只可控開關(guān)的功率器件Sla、S2a、S3a、S4a分別與四只續(xù)流ニ極管D3a、D4a、D5a、D6a反并聯(lián)連接，功率ニ極管Dla、D2a串聯(lián)，并與串聯(lián)的兩只可控開關(guān)的功率器件S2a、S3a并聯(lián)，并聯(lián)形成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)兩端分別與兩只功率器件Sla、S4a串聯(lián)構(gòu)成ニ極管中點箝位式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電壓型三電平變流器的單相橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，串聯(lián)的可控開關(guān)的功率器件S2a，S3a、S2b，S3b和S2c，S3c的中點分別接于電網(wǎng)的u、^ #三相上，串聯(lián)的Dla，D2a、Dlb，D2b和Dlc，D2c的中點均與兩直流側(cè)濾波電容Cl、C2中點電位電連接，續(xù)流ニ極管和功率器件反并聯(lián)，箝位ニ極管的作用是在功率器件導(dǎo)通時提供電流通道而又防止電容短路?？刂粕希W(wǎng)側(cè)變流器實質(zhì)上是整流器工作于逆變狀態(tài)，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，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)電壓幅值、頻率和相位一致的交流電能，在實現(xiàn)有功功率控制的同時，兼顧調(diào)節(jié)電網(wǎng)所需的無功功率。直流斬波電路包括可控開關(guān)的功率器件S、續(xù)流ニ極管VD、儲能元件電感L和儲能元件電容C，可控開關(guān)的功率器件S的集電極與直流母線的正母線相連，功率器件S的發(fā)射極分別與儲能元件電感L的一端和續(xù)流ニ極管VD的陰極連接，電感L的另一端與儲能元件電容C的一端連接，電容C的另一端與續(xù)流ニ極管VD的陽極連接后與直流母線負(fù)母線相連，為了實現(xiàn)直流電壓變化和適應(yīng)不同負(fù)載情況，所以加入電感L和續(xù)流ニ極管VD，形成直流通道，起濾波作用。通過對ー個周期內(nèi)功率器件S的通斷控制，實現(xiàn)對輸出電壓的控制。本實用新型電機(jī)側(cè)變流器為兩象限三電平Vienna整流器，網(wǎng)側(cè)變流器為ニ極管中點箝位式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電壓型三電平變流器，使用功率器件少、直流母線電壓利用率高，系統(tǒng)損耗小，可靠性高，可有效適應(yīng)更高電壓等級，滿足風(fēng)電機(jī)組大功率、高電壓的發(fā)展趨勢；能有效實現(xiàn)電勵磁同步發(fā)電機(jī)變速恒頻控制，提供緑色優(yōu)質(zhì)電能，提高系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性。
權(quán)利要求1.ー種電勵磁同步發(fā)電機(jī)用全功率風(fēng)電變流器，包括電機(jī)側(cè)變流器、網(wǎng)側(cè)變流器和兩個直流側(cè)濾波電容C1、C2，電機(jī)側(cè)變流器的交流輸入端與電勵磁同步發(fā)電機(jī)電連接，電機(jī)側(cè)變流器的直流輸出端通過直流側(cè)濾波電容與網(wǎng)側(cè)變流器的直流母線側(cè)電連接，網(wǎng)側(cè)變流器的交流側(cè)接至電網(wǎng)，其特征在于，還包括直流斬波電路，直流斬波電路并接于網(wǎng)側(cè)變流器直流母線，電機(jī)側(cè)變流器為兩象限三電平Vienna整流器，網(wǎng)側(cè)變流器為采用可控開關(guān)的功率器件構(gòu)成的ニ極管中點箝位式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電壓型三電平變流器，直流側(cè)濾波電容Cl和C2串聯(lián)后與電機(jī)側(cè)變流器的直流側(cè)并聯(lián)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種電勵磁同步發(fā)電機(jī)用全功率風(fēng)電變流器，其特征在干，所述兩象限三電平Vienna整流器包含3相結(jié)構(gòu)相同的橋臂，每相橋臂包含六只功率ニ極管和I只可控開關(guān)的功率器件，在A相橋臂中，可控開關(guān)的功率器件Sal與串聯(lián)的功率ニ極管Da2、Da3及串聯(lián)的功率ニ極管Da5、Da6組成并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并聯(lián)形成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)兩端分別與兩個功率ニ極管Dal、Da4串聯(lián)構(gòu)成Vienna整流器的單相橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種電勵磁同步發(fā)電機(jī)用全功率風(fēng)電變流器，其特征在干，所述ニ極管中點箝位式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電壓型三電平變流器包含3相結(jié)構(gòu)相同的橋臂，每相橋臂有四只可控開關(guān)的功率器件，兩只箝位ニ極管和四只續(xù)流ニ極管，在《相橋臂中，四只可控開關(guān)的功率器件Sla、S2a、S3a、S4a分別與四只續(xù)流ニ極管D3a、D4a、D5a、D6a反并聯(lián)連接，功率ニ極管Dla、D2a串聯(lián)，并與串聯(lián)的兩只可控開關(guān)的功率器件S2a、S3a并聯(lián)，并聯(lián)形成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)兩端分別與兩只功率器件Sla、S4a串聯(lián)構(gòu)成ニ極管中點箝位式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電壓型三電平變流器的單相橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種電勵磁同步發(fā)電機(jī)用全功率風(fēng)電變流器，其特征在干，所述直流斬波電路包括可控開關(guān)的功率器件S、續(xù)流ニ極管VD、儲能元件電感L和儲能元件電容C，可控開關(guān)的功率器件S的集電極與直流母線的正母線相連，功率器件S的發(fā)射極分別與儲能元件電感L的一端和續(xù)流ニ極管VD的陰極連接，電感L的另一端與儲能元件電容C的一端連接，電容C的另一端與續(xù)流ニ極管VD的陽極連接后與直流母線負(fù)母線相連。
專利摘要本實用新型公開一種電勵磁同步發(fā)電機(jī)用全功率風(fēng)電變流器，屬于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，包括電機(jī)側(cè)變流器、網(wǎng)側(cè)變流器和兩個直流側(cè)濾波電容C1、C2，電機(jī)側(cè)變流器的交流輸入端與電勵磁同步發(fā)電機(jī)電連接，電機(jī)側(cè)變流器的直流輸出端通過直流側(cè)濾波電容與網(wǎng)側(cè)變流器的直流母線側(cè)電連接，網(wǎng)側(cè)變流器的交流側(cè)接至電網(wǎng)，還包括直流斬波電路，直流斬波電路并接于網(wǎng)側(cè)變流器直流母線，電機(jī)側(cè)變流器為兩象限三電平Vienna整流器，網(wǎng)側(cè)變流器為采用可控開關(guān)的功率器件構(gòu)成的二極管中點箝位式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電壓型三電平變流器，直流側(cè)濾波電容C1和C2串聯(lián)后與電機(jī)側(cè)變流器的直流側(cè)并聯(lián)。有益效果是有效降低輸出電壓畸變率，損耗降低，輸出波形質(zhì)量好，節(jié)約成本，維護(hù)方便。
文檔編號H02M5/458GK202405797SQ20112048872
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, 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