專利名稱：一種風(fēng)力發(fā)電直接并網(wǎng)電力變換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于能源技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種風(fēng)力發(fā)電直接并網(wǎng)電力變換裝置。
(二)
背景技術(shù)：
20世紀(jì)70年代的石油危機(jī)和隨之而來(lái)的環(huán)境問(wèn)題迫使人們思考可再生能源的利用問(wèn)題。 由于風(fēng)能是一種不產(chǎn)生任何污染物的可再生的自然資源，目前風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已相對(duì)較為成熟， 因此風(fēng)能在眾多可再生能源中最具大規(guī)模發(fā)電前景，也是21世紀(jì)人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的 主要新動(dòng)力源。
風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在我國(guó)經(jīng)過(guò)幾代的發(fā)展，現(xiàn)已全面進(jìn)入直驅(qū)的時(shí)代，當(dāng)前的主流機(jī)型大都 為1.5MW，并正在向2MW、 3MW發(fā)展。
由于直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中的電力電子變流器的功率與發(fā)電機(jī)的容量是相等的，因此隨 著風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的不斷擴(kuò)大，變流器的容量也越來(lái)越大，當(dāng)前直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的 變流器普遍采用的是交流690V或交流620V的輸出經(jīng)變壓器升壓為10KV或35KV并網(wǎng)，導(dǎo)致 變流器輸出電流非常大，實(shí)現(xiàn)難度較大，尤其是當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)功率繼續(xù)加大的情況下， 現(xiàn)有技術(shù)方案的技術(shù)難度越來(lái)越大。
同時(shí)現(xiàn)有直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中的電力電子變流器大都采用兩電平或三電平逆變電路， 其輸出諧波較大，并網(wǎng)前大都要進(jìn)行諧波濾波，增加了系統(tǒng)成本和損耗。
現(xiàn)有直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中的電力電子變流器技術(shù)方案由于逆變輸出為低壓交流，需經(jīng) 過(guò)升壓變壓器變換成為高壓并網(wǎng)，增加了一級(jí)變換環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的成本和損耗也都要增加。
(三)
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目是提供一種新型的用于風(fēng)力發(fā)電直接并網(wǎng)的電力變換裝置。 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的它包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)、與風(fēng)力發(fā)電機(jī)相連的3個(gè)功率單元組 以及與3個(gè)功率單元組相連的輸出電抗器，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的每一組獨(dú)立三相輸出分別連接一個(gè) 功率單元的輸入端，N個(gè)功率單元構(gòu)成一個(gè)功率單元組，組內(nèi)各個(gè)功率單元輸出側(cè)依次串聯(lián) 形成一相輸出，3個(gè)功率單元組的輸出星形連接形成三相交流輸出，每相輸出串聯(lián)一個(gè)輸出 電抗器后直接并網(wǎng)。
本發(fā)明還有這樣的一些結(jié)構(gòu)特征
1、所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)是帶有3N組三相輸出的交流發(fā)電機(jī)，各組輸出交流之間可以采用 移相或者同相輸出方式，采用移相方式配合本發(fā)明的功率單元實(shí)現(xiàn)方案一可以降低對(duì)電 機(jī)的諧波干擾，提高發(fā)電機(jī)運(yùn)行的可靠性；2、 所述的功率單元的第一種實(shí)現(xiàn)方案中，功率單元由整流單元、升壓斬波單元和逆變單 元組成；所述的整流單元由三相橋式二極管不控整流電路組成；所述的升壓斬波單元由 至少一個(gè)升壓斬波器構(gòu)成，多個(gè)升壓斬波器并聯(lián)連接，每個(gè)升壓斬波器包括前端穩(wěn)壓電 容器、儲(chǔ)能電感、全控開關(guān)器件、二極管和輸出端母線電容器，儲(chǔ)能電感和二極管串聯(lián) 連接，儲(chǔ)能電感和二極管串聯(lián)節(jié)點(diǎn)處并聯(lián)全控開關(guān)器件，儲(chǔ)能電感和二極管支路的首尾 兩端分別并聯(lián)穩(wěn)壓電容器和輸出端母線電容器；
3、 所述的功率單元的第二種實(shí)現(xiàn)方案中，功率單元由三相輸入電抗器、三相橋式全控整 流單元、濾波電容器和逆變單元組成，三相輸入電抗器連接三相橋式全控整流單元，三 相橋式全控整流單元兩端并聯(lián)濾波電容器，濾波電容器兩端并聯(lián)逆變單元；
4、 所述的三相橋式全控整流單元由三相橋臂并聯(lián)而成，每個(gè)橋臂由兩個(gè)全控開關(guān)器件串 聯(lián)，每個(gè)開關(guān)器件并聯(lián)反向續(xù)流二極管，開關(guān)器件采用IGBT或IGCT;
5、 所述的逆變單元由單相全橋可控逆變電路構(gòu)成，單相全橋可控逆變電路由由兩組橋臂 并聯(lián)而成，每個(gè)橋臂由兩個(gè)全控開關(guān)器件串聯(lián)而成，串聯(lián)的中間點(diǎn)作為每個(gè)功率單元的 輸出。
本發(fā)明是一種全新的技術(shù)思路，它摒棄了現(xiàn)有技術(shù)方案的全功率低壓變換最后升壓的技 術(shù)思路，在發(fā)電機(jī)側(cè)引出多組交流輸出，每組輸出分別進(jìn)行AC/DC/AC變換后再在最后的逆 變環(huán)節(jié)串聯(lián)，從而使每一個(gè)功率單元的功率大大降低，非常適用于大功率變換的場(chǎng)合，同時(shí) 由于各功率單元的逆變部分直接串聯(lián)輸出高壓，可以無(wú)需經(jīng)過(guò)升壓變壓器而直接并網(wǎng)，由于
采用了直接變換輸出高壓的技術(shù)，系統(tǒng)的效率得到提高。
本發(fā)明采用多個(gè)功率單元分別變換最終再串聯(lián)的技術(shù)方案，每一個(gè)功率單元的輸出電壓 較低、功率較小，降低了對(duì)功率器件耐壓和電流的要求，可以采用當(dāng)前市場(chǎng)上最常用的1200V 或1700V， 600A以下的功率器件，降低了系統(tǒng)成本，提高了系統(tǒng)的可靠性。
對(duì)發(fā)電機(jī)輸出各組三相交流信號(hào)的相位進(jìn)行適當(dāng)?shù)囊葡啵倥浜媳景l(fā)明中功率單元 第一種實(shí)現(xiàn)方案，可以使變換裝置對(duì)發(fā)電機(jī)的諧波干擾非常小，提高發(fā)電機(jī)的運(yùn)行效率和運(yùn) 行可靠性。
對(duì)各個(gè)功率單元中的逆變單元的工作狀態(tài)進(jìn)行適當(dāng)控制可以使各功率單元的輸出PWM 波形的相位有一定的相位差，從而形成多電平輸出的方式，與兩電平或三電平的PWM輸出 相比，本方法可以在同樣開關(guān)頻率的情況下使輸出諧波大大降低，無(wú)需輸出濾波環(huán)節(jié)就可以 滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)電網(wǎng)諧波的嚴(yán)格要求，減少了系統(tǒng)的成本和損耗，同時(shí)由于采用多個(gè)功率 單元移相PWM的方式，每個(gè)功率單元的逆變橋部分的功率器件的開關(guān)頻率只有整機(jī)開關(guān)頻 率的1/N，減小了器件的開關(guān)損耗。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)直接逆變上網(wǎng)，與現(xiàn)有技術(shù)相比省掉了輸出升壓變壓器，減少了系統(tǒng)的 成本和損耗。
變換裝置的三相輸出與電網(wǎng)間串接三個(gè)電抗器，控制變換裝置的輸出電壓與電網(wǎng)電壓的 電壓差就可以實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)電能的功率因數(shù)從容性到阻性到感性的連續(xù)可調(diào)，可以根據(jù)電網(wǎng)的功 率因數(shù)情況調(diào)節(jié)本變換裝置輸出的功率因數(shù)，保證電網(wǎng)的電能質(zhì)量。
本發(fā)明功率單元的兩種實(shí)現(xiàn)方案均可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出電壓變化時(shí)，功率單元
的直流母線電壓基本保持不變，從而保證了風(fēng)力發(fā)電裝置在較大的風(fēng)速變化范圍內(nèi)均能有高 質(zhì)量的并網(wǎng)電能輸出。
(四)
圖1是本發(fā)明所述的風(fēng)力發(fā)電直接并網(wǎng)電力變換裝置原理圖。 圖2是本發(fā)明所述的功率單元第一種實(shí)現(xiàn)方案原理圖。 圖3是本發(fā)明所述的功率單元第二種實(shí)現(xiàn)方案原理圖。
(五)
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合圖1 _ 3和具體實(shí)施對(duì)本發(fā)明作更詳細(xì)的描述
結(jié)合圖l,本發(fā)明的主電路結(jié)構(gòu)包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)Gen、與風(fēng)力發(fā)電機(jī)相連的3個(gè)功率單 元組以及與3個(gè)功率單元組相連的輸出電抗器(L1 L3)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的每一組獨(dú)立三相輸出 分別連接一個(gè)功率單元的輸入端，N個(gè)功率單元(An Ai、 Bn Bi或Cn Ci)構(gòu)成一個(gè)功率 單元組，組內(nèi)各個(gè)功率單元輸出側(cè)依次串聯(lián)形成一相輸出，3個(gè)功率單元組的輸出星形連接 形成三相交流輸出，每相輸出串聯(lián)一個(gè)輸出電抗器后直接并網(wǎng)。
實(shí)施例1:
結(jié)合圖2，功率單元的第一種實(shí)施方案，功率單元包括整流單元、升壓斬波單元和逆變 單元。
功率單元中的整流單元具體的實(shí)現(xiàn)方式是將六只二極管(D1 D6)分成兩兩一組，分別 是Dl和D4、 D3和D6、 D5和D2，然后將每組中的兩個(gè)二極管首尾相連構(gòu)成三組橋臂，三相 輸入分別依次連接在三組橋臂的中間點(diǎn)A1、 Bl、 Cl，形成三相橋式不控整流單元。整流單元 輸出側(cè)連接升壓斬波單元。
升壓斬波單元由至少一個(gè)升壓斬波器并聯(lián)連接，每個(gè)升壓斬波器包括前端穩(wěn)壓電容器 Cll、儲(chǔ)能電感L1、帶續(xù)流二極管Dll的全控開關(guān)器件Tll、 二極管D7和輸出端母線電容 器C12,儲(chǔ)能電感Ll和二極管D7串聯(lián)連接，儲(chǔ)能電感Ll和二極管串聯(lián)D7節(jié)點(diǎn)處并聯(lián)全控 開關(guān)器件Tll，儲(chǔ)能電感L1和二極管D7支路的首尾兩端分別并聯(lián)前端穩(wěn)壓電容器C11和輸 出端母線電容器C12。升壓斬波器中的輸出端母線電容器C12兩端并聯(lián)逆變單元。當(dāng)變換裝置功率比較大時(shí)，可以采用多個(gè)升壓斬波器并聯(lián)的方案，各個(gè)并聯(lián)的升壓斬波器的結(jié)構(gòu)完全 相同，并聯(lián)時(shí)只需將各斬波器兩端電容的對(duì)應(yīng)點(diǎn)直接相連即正極與正極相連，負(fù)極與負(fù)極相 連。根據(jù)功率單元的功率以及直流母線電壓的幅值不同，前端穩(wěn)壓電容器Cll和輸出端母線 電容器C12可以采用多個(gè)電容器串并聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
逆變單元由四個(gè)功率開關(guān)器件(T21 T24)以及與每個(gè)功率開關(guān)器件反并聯(lián)的續(xù)流二極 管(D21 D24)組成，四個(gè)功率開關(guān)器件兩兩一組，分別是T21和T24、 T23和T22,將每 組中的兩個(gè)開關(guān)器件首尾相連形成一個(gè)橋臂，橋臂的中間點(diǎn)Ull、 U12作為功率單元的輸出從 而構(gòu)成單相全橋逆變電路。每個(gè)功率單元組的各個(gè)功率單元串聯(lián)時(shí)，各功率單元的輸出點(diǎn)Ull 與本組上一個(gè)功率單元的輸出點(diǎn)U12相連，最下面的一個(gè)功率單元的輸出點(diǎn)U12與其它兩組 的最下面的功率單元的輸出點(diǎn)U12連接在一起作為三相交流輸出的中性點(diǎn)，最上面的一個(gè)功 率單元的輸出點(diǎn)Ull與輸出電抗器的一端相連，輸出電抗器的另一端接電網(wǎng)的一相。
實(shí)施例2:
結(jié)合圖3，功率單元的第二種實(shí)施方案，功率單元包括三相輸入電抗器、三相橋式全控 整流單元、濾波電容器和逆變單元。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)的一組三相輸出經(jīng)過(guò)三相電抗器LA、 LB和LC連接到三相橋式全控整流單 元中的三個(gè)橋臂的中間點(diǎn)A2、 B2和C2。三相橋式全控整流單元由三個(gè)橋臂并聯(lián)而成，每個(gè) 橋臂由兩個(gè)功率開關(guān)器件(分別是T31和T34、 T33和T36、 T35和T32)首尾相連構(gòu)成，每 個(gè)功率開關(guān)器件反并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管(分別為D31 D36)。整流單元輸出的脈動(dòng)直流電壓 經(jīng)與整流單元并聯(lián)連接的濾波電容器C31濾波后成為直流電，單相全橋逆變電路并聯(lián)在電容 器C31的兩端。單相全橋逆變電路由四個(gè)功率開關(guān)器件(T21 T24)以及與每個(gè)功率開關(guān)器 件反并聯(lián)的續(xù)流二極管(D21 D24)組成，四個(gè)功率開關(guān)器件兩兩一組，分別是T21和T24、 T23和T22，將每組中的兩個(gè)開關(guān)器件首尾相連形成一個(gè)橋臂，橋臂的中間點(diǎn)U21、 U22作為 功率單元的輸出。
實(shí)施例2與實(shí)施例1的主要區(qū)別在于，實(shí)施例1采用二極管不控整流加升壓斬波的方式 實(shí)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出交流電壓幅值變化的情況下保持功率單元的直流母線電壓幅值基本不 變，該方案實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本較低，但是需要結(jié)合風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出移相技術(shù)達(dá)到對(duì)風(fēng)力發(fā)電 機(jī)的諧波影響小的目的。實(shí)施例2則直接釆用可控整流的方式，通過(guò)控制六個(gè)功率開關(guān)器件 的工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定直流母線電壓以及提高輸入功率因數(shù)和降低輸入諧波的目的，該方案對(duì) 發(fā)電機(jī)無(wú)移相要求，但控制復(fù)雜，成本較高。
權(quán)利要求
1、一種風(fēng)力發(fā)電直接并網(wǎng)電力變換裝置，它包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其特征是它還包括與風(fēng)力發(fā)電機(jī)相連的3個(gè)功率單元組以及與3個(gè)功率單元組相連的輸出電抗器，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的每一組獨(dú)立三相輸出分別連接一個(gè)功率單元的輸入端，N個(gè)功率單元構(gòu)成一個(gè)功率單元組，組內(nèi)各個(gè)功率單元輸出側(cè)依次串聯(lián)形成一相輸出，3個(gè)功率單元組的輸出星形連接形成三相交流輸出，每相輸出串聯(lián)一個(gè)輸出電抗器后直接并網(wǎng)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的風(fēng)力發(fā)電直接并網(wǎng)電力變換裝置，其特征在于所述的功率單 元的第一種實(shí)現(xiàn)方案，功率單元由整流單元、升壓斬波單元和逆變單元組成，風(fēng)力發(fā) 電機(jī)每組獨(dú)立三相輸出連接整流單元，整流單元連接升壓斬波單元，升壓斬波單元連 接逆變單元，整流單元由三相橋式二極管不控整流電路組成，升壓斬波單元由至少一 個(gè)升壓斬波器構(gòu)成，多個(gè)升壓斬波器并聯(lián)連接，每個(gè)升壓斬波器包括前端穩(wěn)壓電容器、 儲(chǔ)能電感、全控開關(guān)器件、二極管和輸出端母線電容器，儲(chǔ)能電感和二極管串聯(lián)連接， 儲(chǔ)能電感和二極管串聯(lián)節(jié)點(diǎn)處并聯(lián)全控開關(guān)器件，儲(chǔ)能電感和二極管支路的首尾兩端 分別并聯(lián)穩(wěn)壓電容器和輸出端母線電容器；逆變單元由一個(gè)單相全橋可控逆變電路構(gòu) 成，單相全橋可控逆變電路由兩組橋臂并聯(lián)而成，每個(gè)橋臂由兩個(gè)全控開關(guān)器件串聯(lián) 而成，串聯(lián)的中間點(diǎn)作為每個(gè)功率單元的輸出。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電直接并網(wǎng)電力變換裝置，其特征在于所述的功率單 元的第二種實(shí)現(xiàn)方案，功率單元由三相輸入電抗器、三相橋式全控整流單元、濾波電 容器和逆變單元組成，三相輸入電抗器連接三相橋式全控整流單元，三相橋式全控整 流單元兩端并聯(lián)濾波電容器，濾波電容器兩端并聯(lián)逆變單元，其中三相橋式全控整流 單元由三相橋臂并聯(lián)而成，每個(gè)橋臂由兩個(gè)全控開關(guān)器件串聯(lián)，每個(gè)開關(guān)器件并聯(lián)反 向續(xù)流二極管，開關(guān)器件采用IGBT或IGCT;逆變單元由單相全橋可控逆變電路構(gòu)成，單相全橋可控逆變電路由由兩組橋臂并聯(lián)而成，每個(gè)橋臂由兩個(gè)全控開關(guān)器件串聯(lián)而 成，串聯(lián)的中間點(diǎn)作為每個(gè)功率單元的輸出。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種風(fēng)力發(fā)電直接并網(wǎng)電力變換裝置，它包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)、與風(fēng)力發(fā)電機(jī)相連的3個(gè)功率單元組以及與3個(gè)功率單元組相連的輸出電抗器，風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有多組三相輸出，每組輸出連接一個(gè)功率單元，功率單元采用交直交變換方式，多個(gè)功率單元串聯(lián)形成一相，三相輸出經(jīng)輸出電抗器直接并網(wǎng)。本發(fā)明特別適用于大功率尤其是1.5MW以上的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，具有成本低、可靠性高、輸出諧波小、輸出功率因數(shù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02M5/458GK101291071SQ20081011095
公開日2008年10月22日 申請(qǐng)日期2008年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月18日
發(fā)明者皓 張 申請(qǐng)人:皓 張