專(zhuān)利名稱(chēng)：一種大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)專(zhuān)用三電平全功率變流器組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及風(fēng)電領(lǐng)域，尤指ー種大功率風(fēng)カ發(fā)電機(jī)組專(zhuān)用混合式三電平全功率變流器組，主要運(yùn)用于兆瓦級(jí)變速風(fēng)電機(jī)組。
背景技術(shù)：
風(fēng)電是目前最具有商業(yè)開(kāi)發(fā)潛力的清潔能源，也是我國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的可再生能源之一。當(dāng)前風(fēng)カ發(fā)電的主流技術(shù)方案是變速風(fēng)機(jī)技術(shù)，而為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的變速運(yùn)行以及風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)，電カ電子變流器是其中必不可少的核心控制器。在各種變速風(fēng)機(jī)的實(shí)現(xiàn)方案中，安裝在發(fā)電機(jī)定子側(cè)的全功率風(fēng)電變流器是實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)變速恒頻控制的重要方案之一， 這種方案與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器方案相比更易于實(shí)現(xiàn)，作為風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵設(shè)備在電網(wǎng)故障狀態(tài)下要滿(mǎn)足較高的電壓穿越能力，因此是目前大功率風(fēng)電變流器的研究中比較重要和熱點(diǎn)的技木。由于定子側(cè)變流器方案必須處理全部的發(fā)電機(jī)功率，這造成定子側(cè)風(fēng)電變流器在設(shè)計(jì)和制造上的很多的困難以及較高的成本。特別是目前國(guó)際上風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)功率已經(jīng)達(dá)到5MW，而且在進(jìn)ー步發(fā)展5MW以上的功率等級(jí)，因此對(duì)于風(fēng)電變流器的設(shè)計(jì)和制造提出了更高的要求，而現(xiàn)有的單發(fā)電機(jī)和單變流器的技術(shù)方案已經(jīng)不能適應(yīng)這種技術(shù)要求。

實(shí)用新型內(nèi)容針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本實(shí)用新型的目的在于提供一種用于兆瓦級(jí)變速風(fēng)電機(jī)的三電平全功率變流器組。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的大功率風(fēng)カ發(fā)電機(jī)專(zhuān)用三電平全功率變流器組，包括發(fā)電機(jī)側(cè)變流器和電網(wǎng)側(cè)變流器，發(fā)電機(jī)側(cè)變流器通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)相電流的控制，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的變速控制，電網(wǎng)側(cè)變流器用于發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)控制，其中發(fā)電機(jī)側(cè)變流器為四組三電平整流器，電網(wǎng)側(cè)變流器為兩組三電平逆變器，四組三電平整流器分別與發(fā)電機(jī)的四組隔離的三相繞組連接，發(fā)電機(jī)的兩組相位差180度的三相繞組連接的兩組三電平整流器之間并聯(lián)，并聯(lián)后的整流器組串聯(lián)并與兩組并聯(lián)的三電平逆變器連接，最后接入電網(wǎng)。進(jìn)ー步，所述三電平整流器為Vienna整流器。進(jìn)ー步，所述三電平逆變器輸出與電網(wǎng)之間連接有LC濾波器。進(jìn)ー步，通過(guò)六相升壓變壓器，所述3L-NPC逆變器輸出與電網(wǎng)連接。進(jìn)ー步，所述六相升壓變壓器由兩組互相反相的三相繞組構(gòu)成。本實(shí)用新型大功率風(fēng)カ發(fā)電機(jī)專(zhuān)用三電平全功率變流器組，這種技術(shù)的主要特點(diǎn)是每臺(tái)分立的發(fā)電機(jī)定子側(cè)采用各自獨(dú)立的混合式三電平全功率變流器。這種技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)(I)單臺(tái)發(fā)電機(jī)的功率等級(jí)相對(duì)降低，整個(gè)風(fēng)機(jī)的功率被多臺(tái)發(fā)電機(jī)分擔(dān)；(2)定子側(cè)電カ電子變流器的容量降低，并且可輕易實(shí)現(xiàn)變流器的并聯(lián)或串聯(lián)多重化；(3)通過(guò)四組Vienna整流器來(lái)分?jǐn)偣β?，由于Vienna整流器是三電平變流器，其諧波和損耗性能要優(yōu)于兩電平變流器，另外，每組Vienna整流器只需要三只IGBT模塊，而傳統(tǒng)兩電平變流器則需要6只IGBT變流器，因此其可靠性也較高；(4)并聯(lián)的兩組Vienna整流器由于其三相繞組之間相位相差180度，故可以抵消Vienna整流器并聯(lián)后的直流電容中點(diǎn)電壓脈動(dòng)。電網(wǎng)側(cè)采用兩組ニ極管中點(diǎn)鉗位三電平逆變器(3L-NPC)并聯(lián)，通過(guò)變壓器的反相設(shè)計(jì)使得并聯(lián)的兩組變流器抵消了中點(diǎn)電位的脈動(dòng)；(5)這種技術(shù)能夠充分適應(yīng)我國(guó)大功率風(fēng)電機(jī)組要求國(guó)產(chǎn)化的市場(chǎng)期望和我國(guó)現(xiàn)有的技術(shù)能力。

圖I為混合式三電平全功率變流器組運(yùn)用于兆瓦級(jí)變速風(fēng)電機(jī)組原理圖；圖2為Vienna整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；圖3為3L-NPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型的大功率風(fēng)カ發(fā)電機(jī)專(zhuān)用三電平全功率變流器組，通過(guò)采用變流器的多重化技術(shù)實(shí)現(xiàn)大功率風(fēng)機(jī)的變速運(yùn)行和并網(wǎng)，是高功率等級(jí)變速風(fēng)電機(jī)組的新的技木。如圖I所示，是ー個(gè)采用多相永磁同步發(fā)電機(jī)構(gòu)成的直驅(qū)系統(tǒng)，其中發(fā)電機(jī)提供四組隔離的三相繞組，本實(shí)用新型的變流器組包括四組Vienna整流器和兩組三電平逆變器，這四組三相繞組分別連接四組Vienna整流器，Vienna整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，四組Vienna整流器的直流側(cè)混合連接，即I和II，III和IV分別并聯(lián)，而并聯(lián)后的變流器組整體串聯(lián)。并聯(lián)的兩組Vienna整流器由于其三相繞組之間相位相差180度，故可以抵消Vienna整流器并聯(lián)后的直流電容中點(diǎn)電壓脈動(dòng)。電網(wǎng)側(cè)采用兩組ニ極管中點(diǎn)鉗位三電平逆變器(3L-NPC)并聯(lián)，三電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，通過(guò)變壓器的反相設(shè)計(jì)使得并聯(lián)的兩組變流器抵消了中點(diǎn)電位的脈動(dòng)。在大功率的直驅(qū)系統(tǒng)中，由于采用690V的電壓等級(jí)，因此發(fā)電機(jī)的額定電流非常大，造成效率問(wèn)題比較突出，而為了分?jǐn)偘l(fā)電機(jī)的功率，需要多組傳統(tǒng)兩電平變流器并聯(lián)。本文提出的技術(shù)方案中通過(guò)四組Vienna整流器來(lái)分?jǐn)偣β?，由于Vienna整流器是三電平變流器，其諧波和損耗性能要優(yōu)于兩電平變流器。另外，每組Vienna整流器只需要三只IGBT模塊，而傳統(tǒng)兩電平變流器則需要6只IGBT變流器，因此其可靠性也較高。同步發(fā)電機(jī)還可以采用ニ極管不控整流橋+Boost升壓電路，但是在大功率的條件下，這種方案的電流諧波非常突出，會(huì)引起發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，對(duì)發(fā)電機(jī)的性能具有重要影響。因此現(xiàn)在多數(shù)采用PWM整流器，最為常用的就是兩電平PWM整流器。我們提出的Vienna整流器主要用于替代兩電平PWM整流器。在控制方法上，Vienna整流器是發(fā)電機(jī)側(cè)變流器，通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)相電流的控制，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的變速控制。三電平逆變器(3L-NPC)用于發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)控制。3L-NPC輸出與電網(wǎng)之間連接的LC濾波器有雙重作用一、電抗器是兩個(gè)電壓源之間并聯(lián)必需的元件，3L-NPC是電壓源式逆變器，它與電網(wǎng)之間并聯(lián)必須通過(guò)電抗器來(lái)實(shí)現(xiàn)；ニ、電抗器與電容器構(gòu)成LC濾波器，它用于濾除開(kāi)關(guān)頻率的電流諧波。我們推薦方案中，兩組3L-NPC并聯(lián)來(lái)分?jǐn)倎?lái)自發(fā)電機(jī)的功率，3L-NPC是三電平變流器，其諧波性能比較優(yōu)越，而且由于發(fā)電機(jī)側(cè)通過(guò)整流器串聯(lián)提高了直流母線電壓(2000V)，因此兩組3L-NPC并聯(lián)提供的容量等效于四組低壓逆變器(直流母線電壓1000V)并聯(lián)的容量。在控制上，3L-NPC逆變器負(fù)責(zé)維持直流母線電壓的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)有功功率向電網(wǎng)的傳輸，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)注入電網(wǎng)的無(wú)功功率的控制。[0017]升壓變壓器用于將逆變器輸出與10_35kV電網(wǎng)連接。傳統(tǒng)逆變器輸出電壓為690V，本文推薦的方案逆變器輸出電壓為2X690V，這些電壓等級(jí)無(wú)法直接與IOkV電網(wǎng)連接，因此升壓變壓器是必不可少的部件。但是，我們提出的方案，升壓變壓器非傳統(tǒng)三相變壓器，而是六相變壓器，它由兩組互相反相的三相繞組構(gòu)成。其目的有兩個(gè)ー是為了兩組并聯(lián)的3L-NPC之間不產(chǎn)生并聯(lián)環(huán)流；ニ是通過(guò)反相設(shè)計(jì)抵消3L-NPC電容中點(diǎn)的電壓脈動(dòng)。發(fā)電機(jī)側(cè)整流器和電網(wǎng)側(cè)逆變器與發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之間均通過(guò)斷路器來(lái)連接。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仍然是back-to-back結(jié)構(gòu)，中間具有ー個(gè)直流電容儲(chǔ)能環(huán)節(jié)。這些與傳統(tǒng)方案都是ー樣的。但是在具體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，傳統(tǒng)方案采用三相發(fā)電機(jī)和兩電平變流器并聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)能變換，而我們提出的方案是采用多相發(fā)電機(jī)和三電平變流器混合連接來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)能的變換。我們已經(jīng)充分驗(yàn)證了兩種方案的對(duì)比，論證了我們的方案替代傳統(tǒng)方案具有重要的優(yōu)勢(shì)。盡管上文對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
通過(guò)實(shí)例進(jìn)行了詳細(xì)的描述和說(shuō)明，但應(yīng)該指明的是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)上述實(shí)施方式進(jìn)行各種改變和修改，但這些都不脫離本實(shí)用新型的精神和權(quán)利要求所記載的范圍。
權(quán)利要求1.一種大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)專(zhuān)用三電平全功率變流器組，包括發(fā)電機(jī)側(cè)變流器和電網(wǎng)側(cè)變流器，發(fā)電機(jī)側(cè)變流器通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)相電流的控制，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的變速控制，電網(wǎng)側(cè)變流器用于發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)控制，其特征在于，所述發(fā)電機(jī)側(cè)變流器為四組三電平整流器，所述電網(wǎng)側(cè)變流器為兩組三電平逆變器，四組三電平整流器分別與發(fā)電機(jī)的四組隔離的三相繞組連接，發(fā)電機(jī)的兩組相位差180度的三相繞組連接的兩組三電平整流器之間并聯(lián)，并聯(lián)后的整流器組串聯(lián)并與兩組并聯(lián)的三電平逆變器連接，最后接入電網(wǎng)。
2.如權(quán)利要求I所述的大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)專(zhuān)用三電平全功率變流器組，其特征在于，所述三電平整流器為Vienna整流器。
3.如權(quán)利要求I所述的大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)專(zhuān)用三電平全功率變流器組，其特征在于，所述三電平逆變器輸出與電網(wǎng)之間連接有LC濾波器。
4.如權(quán)利要求I所述的大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)專(zhuān)用三電平全功率變流器組，其特征在于，通過(guò)六相升壓變壓器，所述三電平逆變器輸出與電網(wǎng)連接。
5.如權(quán)利要求4所述的大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)專(zhuān)用三電平全功率變流器組，其特征在于，所述六相升壓變壓器由兩組互相反相的三相繞組構(gòu)成。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)專(zhuān)用三電平全功率變流器組，包括四組三電平整流器，電網(wǎng)側(cè)變流器為兩組三電平逆變器，四組三電平整流器分別與發(fā)電機(jī)的四組隔離的三相繞組連接，發(fā)電機(jī)的兩組相位差180度的三相繞組連接的兩組三電平整流器之間并聯(lián)，并聯(lián)后的整流器組串聯(lián)并與兩組并聯(lián)的三電平逆變器連接，最后接入電網(wǎng)。本實(shí)用新型大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)專(zhuān)用三電平全功率變流器組，通過(guò)四組Vienna整流器來(lái)分?jǐn)偣β?，由于Vienna整流器是三電平變流器，其諧波和損耗性能要優(yōu)于兩電平變流器，另外，每組Vienna整流器只需要三只IGBT模塊，而傳統(tǒng)兩電平變流器則需要6只IGBT變流器，因此其可靠性也較高。電網(wǎng)側(cè)采用兩組三電平逆變器并聯(lián)，通過(guò)變壓器的反相設(shè)計(jì)使得并聯(lián)的兩組變流器抵消了中點(diǎn)電位的脈動(dòng)。
文檔編號(hào)H02J3/38GK202395465SQ20112053191
公開(kāi)日2012年8月22日 申請(qǐng)日期2011年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月19日
發(fā)明者劉文斌, 劉文濤, 張曉華, 李玉梅 申請(qǐng)人:新疆全新良時(shí)科技有限公司