專利名稱：采用多相發(fā)電機(jī)和多電平變換器的兆瓦級變速風(fēng)電機(jī)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，尤指一種采用多相發(fā)電機(jī)和多電平變換器的兆瓦級變速風(fēng)電機(jī)組。
背景技術(shù)：
風(fēng)電是目前最具有商業(yè)開發(fā)潛力的清潔能源，也是我國重點(diǎn)發(fā)展的可再生能源之一。當(dāng)前風(fēng)力發(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)^L的變速運(yùn)行以及風(fēng)電^L組的并網(wǎng)，電力電子變換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)電變換器是實(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)變換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)下要滿足較高的電壓穿越能力，因此是目前大功率風(fēng)電變換器的研究中比較重要和熱點(diǎn)的技術(shù)。由于定子側(cè)變換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)電變換器在設(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)一步發(fā)展5MW以上的功率等級，因此對于風(fēng)電變換器的設(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)和單變換器的技術(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
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本實(shí)用新型的目的在于提供一種采用多相發(fā)電機(jī)和多電平變換器的兆瓦級變速風(fēng)電機(jī)組。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用多相發(fā)電機(jī)和多電平變換器的兆瓦級變速風(fēng)電機(jī)組，包括多組同軸發(fā)電機(jī)和多個(gè)電力電子變換器系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)的主軸與多組發(fā)電機(jī)軸相連，每一發(fā)電才幾定子側(cè)連接獨(dú)立的變換器系統(tǒng)，并將每一變換器系統(tǒng)之間并聯(lián)和/或串聯(lián)，將發(fā)電機(jī)定子并入電網(wǎng)，向電網(wǎng)輸送電力，完成風(fēng)能-機(jī)械能-電能的轉(zhuǎn)換。進(jìn)一步，所述發(fā)電機(jī)為多相同步發(fā)電機(jī)。
進(jìn)一步，所述變換器系統(tǒng)包括不控整流橋、斬波器和并網(wǎng)逆變器。進(jìn)一步，所述并網(wǎng)逆變器為兩重化P麗逆變器，用于將直流側(cè)能量變換成滿足電網(wǎng)連接要求的形式傳遞給電網(wǎng)，在保持直流側(cè)電壓恒定的同時(shí)，使交流側(cè)相電流接近于正弦，相電流與相電壓同相，功率因數(shù)接近于1，以減少輸送到電網(wǎng)的諧波和無功含量。
進(jìn)一步，所述變換器系統(tǒng)主電路，包括發(fā)電機(jī)側(cè)濾波器、六相不
控整流器、整流輸出電容器組、三重升壓BOOST變換器、制動(dòng)單元、逆變側(cè)濾波電容器、雙重并網(wǎng)逆變器、逆變輸出平衡電抗器、濾波器和升壓變壓器。
進(jìn)一步，所述變換器系統(tǒng)控制電路包括電源及復(fù)位電路、AD基準(zhǔn)電路、D/A輸出電路、P麗輸出驅(qū)動(dòng)和IGBT故障檢測電路和模擬量輸入調(diào)理電路。
進(jìn)一步，所述電源及復(fù)位電路通過TPS70351芯片輸出3. 3V和1. 8V
兩種電壓，同時(shí)可以輸出復(fù)位信號。
進(jìn)一步，所述AD基準(zhǔn)電路通過2812芯片自帶的AD采樣基準(zhǔn)電路，所述D/A輸出電路采用并口 16位DA芯片AD574，所述模擬量輸入調(diào)理電路由差分放大器INA114和運(yùn)放INA2137構(gòu)成。
本實(shí)用新型的風(fēng)電機(jī)組采用多相發(fā)電機(jī)和多電平變換器實(shí)現(xiàn)大功率變速風(fēng)電機(jī)組的技術(shù)，這種技術(shù)的主要特點(diǎn)是采用多組同軸發(fā)電機(jī)來代替單 一發(fā)電機(jī)，每臺(tái)分立的發(fā)電機(jī)定子側(cè)采用各自獨(dú)立的電力電
子變換器或者采用多重化技術(shù)實(shí)現(xiàn)變換器的并聯(lián)(或串聯(lián))組合。這種技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)(1)單臺(tái)發(fā)電機(jī)的功率等級相對降低，整個(gè)風(fēng)機(jī)的功率被多臺(tái)發(fā)電機(jī)分擔(dān)；(2)發(fā)電機(jī)可采用容易制造和低成本的鼠籠式感應(yīng)電機(jī)，設(shè)計(jì)和制造周期短；如果采用永磁同步電機(jī)，功率等級較小，則電機(jī)的設(shè)計(jì)和制造難度也相對降低；(3)定子側(cè)電力電子變換器的容量降低，并且可輕易實(shí)現(xiàn)變換器的并聯(lián)或串聯(lián)多重化；(4)如果單臺(tái)發(fā)電機(jī)或變換器出現(xiàn)故障，則整個(gè)系統(tǒng)可以減功率繼續(xù)運(yùn)行或者啟用冗余電機(jī)或者變換器。盡管在單發(fā)電機(jī)風(fēng)電系統(tǒng)中，電力電子變換器也可采用多個(gè)相同結(jié)構(gòu)的變換器并聯(lián)實(shí)現(xiàn)，但是這需要對每臺(tái)變換器進(jìn)行隔離；而多相發(fā)電機(jī)組方案本身提供了多組相互獨(dú)立的電源，不需要額外的隔離。(5)由于多機(jī)組系統(tǒng)中通過增加和減少單臺(tái)發(fā)電機(jī)的個(gè)數(shù)即可適應(yīng)各種功率等級的風(fēng)機(jī)的需求，因此對于發(fā)電機(jī)和變換器的制造商而言，不需要提供太多功率等級，這有利于實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)和變換器的最優(yōu)設(shè)計(jì)。(6)這種技術(shù)能夠充分適應(yīng)我國大功率風(fēng)電機(jī)組要求國產(chǎn)化的市場期望和我國現(xiàn)有的技術(shù)能力，通過采用國內(nèi)成熟的較小功率機(jī)組的組合來構(gòu)造大功率風(fēng)電機(jī)組。
圖1為本實(shí)用新型不控整流接B00ST加IGBT逆變?nèi)β首儞Q器系統(tǒng)原理圖2為本實(shí)用新型兆瓦級變速風(fēng)電機(jī)組的電路圖3為實(shí)施例中風(fēng)電機(jī)組電路原理圖4多鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機(jī)組變速風(fēng)電系統(tǒng)原理示意圖5多永磁同步發(fā)電機(jī)組變速風(fēng)電系統(tǒng)原理示意圖6變換器并聯(lián)的發(fā)電機(jī)組；
圖7發(fā)電機(jī)側(cè)變換器串聯(lián)的發(fā)電機(jī)組；
圖8變換器系統(tǒng)控制系統(tǒng)硬件框圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型以多相發(fā)電機(jī)風(fēng)電變換系統(tǒng)的核心是通過采用多臺(tái)發(fā)電機(jī)與變換器的多重化技術(shù)實(shí)現(xiàn)大功率風(fēng)機(jī)的變速運(yùn)行和并網(wǎng)，是高功率等級變速風(fēng)電機(jī)組的新的技術(shù)。
實(shí)施例1:
如圖4、 5、 6所示，本實(shí)用新型風(fēng)電機(jī)組將多組發(fā)電機(jī)同軸相連，每一臺(tái)發(fā)電機(jī)的定子側(cè)連接有變換器，每一變換器在電網(wǎng)側(cè)進(jìn)行并聯(lián)后通過升壓變壓器連接到電網(wǎng)。其中，發(fā)電機(jī)可采用容易制造和低成本的鼠籠式感應(yīng)電機(jī)，設(shè)計(jì)和制造周期短?；蛘卟捎糜?磁同步電機(jī)，功率等級較小，則電機(jī)的設(shè)計(jì)和制造難度也相對降低。
如圖1和2所示，本實(shí)用新型風(fēng)電機(jī)組包括風(fēng)機(jī)、多相發(fā)電機(jī)和多電平變換器，其中，變換器的主電路包括發(fā)電機(jī)側(cè)濾波器、六相不控整流器、整流輸出電容器組、三重升壓BOOST變換器、制動(dòng)單元、逆變側(cè)濾波電容器、雙重并網(wǎng)逆變器、逆變輸出平^"電抗器、濾波器
和升壓變壓器。不控二極管整流橋后加入一個(gè)DC/DC Boost升壓環(huán)節(jié)，得到圖1所示的直流側(cè)電壓穩(wěn)定的PWM電壓源型逆變器型拓樸結(jié)構(gòu)。通過增加這個(gè)環(huán)節(jié)，可以解決風(fēng)力較小發(fā)電機(jī)輸出電壓低時(shí)保證直流母線電壓的穩(wěn)定從而使PWM逆變器保持良好的運(yùn)行特性。它通過Boost升壓環(huán)節(jié)將逆變器直流母線電壓提高并穩(wěn)定在合適的范圍，使逆變器的調(diào)制深度范圍好，提高運(yùn)行效率，減小損耗。同時(shí)，Boost電路還可以對永磁同步發(fā)電機(jī)輸出側(cè)進(jìn)行功率因數(shù)校正。由于不控整流橋的非線性特性，整流橋輸入側(cè)電流特性畸變很嚴(yán)重，諧波含量比較大，會(huì)使發(fā)電機(jī)功率因數(shù)降低，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩發(fā)生振蕩。可以通過功率因數(shù)校正技術(shù)(PFC),改變開關(guān)器件的占空比，使發(fā)電機(jī)輸出電流保持正弦并保持與輸出電壓同步。主電路中的直-交變換部分采用兩重化P麗逆變器，用于將直流側(cè)能量變換成滿足電網(wǎng)連接要求的形式傳遞給電網(wǎng)，在保持直流側(cè)電壓恒定的同時(shí)，使交流側(cè)相電流4妾近于正弦，相電流與相電壓同相，功率因數(shù)接近于l，以減少輸送到電網(wǎng)的諧波和無功含量。該逆變器采用兩重化的目的一是實(shí)現(xiàn)電路的并聯(lián)均流，提高功率等級，二是減小交流輸出電流中的諧波含量，滿足電網(wǎng)對諧波的要求。
如圖3所示，大功率風(fēng)電變換器系統(tǒng)由不控整流橋、斬波器、并網(wǎng)逆變器構(gòu)成。整流器側(cè)電源三相380V,逆變器側(cè)電源三相690V,閉合配電柜l、 2和3，閉合主斷路器，三相380V電壓接到不控整流橋的輸入端，三相690V電壓接到并網(wǎng)逆變器的輸出端，然后控制箱啟動(dòng)工作，給三重?cái)夭ㄆ骱蛢芍啬孀兤靼l(fā)工作脈沖；用"^喿作器給定斬波器的工作電流，觀測三重?cái)夭ㄆ麟娏鳌⒅虚g直流電壓、交流電流等波形是否正常。結(jié)果用操作器給定整流狀態(tài)交流電流峰值為450A (半載)、900A(滿載)時(shí)，中間直流電壓、交流電流的波形隨著功率增加，電流波形質(zhì)量越來越好。操作器給定整流狀態(tài)交流電流峰值為900A時(shí)，總功率達(dá)到1499kW。根據(jù)信號比較得結(jié)果其中
通道l一1/2中間直流電壓VDo (100V/div)。
通道2 —690V側(cè)B相電網(wǎng)電壓(200V/div)。
通道3—并網(wǎng)逆變器1電感電流(500A/div)。
通道4一并網(wǎng)逆變器2電感電流(500A/div)。如圖8所示，本實(shí)用新型發(fā)電機(jī)組的核心控制由主控制系統(tǒng)和PWM 變流控制系統(tǒng)共同實(shí)現(xiàn)，其中主控系統(tǒng)的作用是實(shí)現(xiàn)整機(jī)的控制，包 括風(fēng)速測量、功率計(jì)算、PWM變流系統(tǒng)的指令給定、變速變槳控制、所 有接觸器的控制等，變流控制系統(tǒng)的作用是根據(jù)主控板提供的給定信 號，分別向變流系統(tǒng)中的電機(jī)側(cè)逆變器、制動(dòng)單元和并網(wǎng)逆變器發(fā)出 相應(yīng)控制脈沖，使發(fā)電機(jī)的能量通過整流、和逆變后送入電網(wǎng)，在保 持中間直流電壓恒定的同時(shí)，使逆變器輸出電流達(dá)到電網(wǎng)連接要求。
控制系統(tǒng)硬件DSP外圍電i 各由以下幾部分成
(1) 電源及復(fù)位電路，此功能由TPS70351芯片實(shí)現(xiàn)，該芯片可以輸 出3. 3V和1.8V兩種電壓，滿足DSP供電的需要。同時(shí)可以輸出復(fù)位信 號，并可以接手動(dòng)位按鈕。
(2) AD基準(zhǔn)電路，TMS320F2812芯片內(nèi)部自帶AD采樣的基準(zhǔn)電路， 可以滿足AD采集的需要，利用電壓源和運(yùn)放芯片產(chǎn)生IV和2V的信號 提供給DSP，提高AD采集的精度。由于TMS320F2812芯片只能接受0— 3V的電壓信號，而信號調(diào)理板給DSP控制板的信號為雙極性信號，所以 需要把信號抬高1. 5V后再送給DSP。恰好可以利用DSP輸出的IV和 2V信號給一運(yùn)放芯片，把雙極性的模擬量輸入調(diào)整到0-3V之間。
(3) D/A輸出電3各，采用并口 16位DA芯片AD574。
(4) P麗輸出驅(qū)動(dòng)和IGBT故障檢測電路。
(5) 模擬量輸入調(diào)理電路，由差分方欠大器INA114和運(yùn)方文INA2137 組成。
實(shí)施例2:
如圖4、 5、 7所示，本實(shí)用新型風(fēng)電機(jī)組將多組發(fā)電機(jī)同軸相連， 每一臺(tái)發(fā)電機(jī)的定子側(cè)連接有獨(dú)立的變換器，每一變換器之間采用串 聯(lián)以提高直流母線電壓，而電網(wǎng)側(cè)變換器(逆變器)只用一個(gè)，并最 終將發(fā)電機(jī)定子側(cè)并入電網(wǎng)向電網(wǎng)輸送電力。發(fā)電才幾也可采用容易制 造和低成本的鼠籠式感應(yīng)電機(jī)，設(shè)計(jì)和制造周期短。或者采用永磁同 步電機(jī)，功率等級較小，則電機(jī)的設(shè)計(jì)和制造難度也相對降低。其它 部分與實(shí)施例1中相同。述和說明，但應(yīng)該指明的是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對上述實(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1.一種采用多相發(fā)電機(jī)和多電平變換器的兆瓦級變速風(fēng)電機(jī)組，包括多組同軸發(fā)電機(jī)和多個(gè)電力電子變換器系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)的主軸與多組發(fā)電機(jī)軸相連，其特征在于，每一發(fā)電機(jī)定子側(cè)連接獨(dú)立的變換器系統(tǒng)，并將每一變換器系統(tǒng)之間并聯(lián)和/或串聯(lián)并入電網(wǎng)，向電網(wǎng)輸送電力，完成風(fēng)能-機(jī)械能-電能的轉(zhuǎn)換。
2. 如權(quán)利要求1所述的采用多相發(fā)電機(jī)和多電平變換器的兆瓦級變速風(fēng) 電機(jī)組，其特征在于，所述發(fā)電機(jī)為多相發(fā)電機(jī)，如鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機(jī)或者7JC磁同步發(fā)電機(jī)。
3. 如權(quán)利要求1所述的采用多相發(fā)電機(jī)和多電平變換器的兆瓦級變速風(fēng) 電機(jī)組，其特征在于，所述變換器系統(tǒng)包括不控整流橋、斬波器和并 網(wǎng)逆變器。
4. 如權(quán)利要求3所述的采用多相發(fā)電機(jī)和多電平變換器的兆瓦級變速風(fēng) 電機(jī)組，其特征在于，所述并網(wǎng)逆變器為兩重化P麗逆變器，用于將 直流側(cè)能量變換成滿足電網(wǎng)連接要求的形式傳遞給電網(wǎng)，在保持直流 側(cè)電壓恒定的同時(shí)，使交流側(cè)相電流接近于正弦，相電流與相電壓同 相，功率因數(shù)接近于l,以減少輸送到電網(wǎng)的諧波和無功含量。
5. 如權(quán)利要求1所述的采用多相發(fā)電機(jī)和多電平變換器的兆瓦級變速風(fēng) 電機(jī)組，其特征在于，所述變換器系統(tǒng)主電路，包括發(fā)電機(jī)側(cè)濾波器、 六相不控整流器、整流輸出電容器組、三重升壓BOOST變換器、制動(dòng) 單元、逆變側(cè)濾波電容器、雙重并網(wǎng)逆變器、逆變輸出平衡電抗器、 濾波器和升壓變壓器。
6. 如權(quán)利要求1所述的采用多相發(fā)電機(jī)和多電平變換器的兆瓦級變速風(fēng) 電機(jī)組，其特征在于，所述變換器系統(tǒng)控制電路包括電源及復(fù)位電路、 AD基準(zhǔn)電路、D/A輸出電路、PWM輸出驅(qū)動(dòng)和IGBT故障檢測電路和模 擬量輸入調(diào)理電路。
7. 如權(quán)利要求6所述的采用多相發(fā)電機(jī)和多電平變換器的兆瓦級變速風(fēng) 電機(jī)組，其特征在于，所述電源及復(fù)位電路通過TPS70351芯片輸出 3. 3V和1. 8V兩種電壓，同時(shí)可以輸出復(fù)位信號。
8. 如權(quán)利要求6所述的釆用多相發(fā)電機(jī)和多電平變換器的兆瓦級變速風(fēng)電機(jī)組，其特征在于，所述AD基準(zhǔn)電路通過2812芯片自帶的AD采 樣基準(zhǔn)電路，所述D/A輸出電路采用并口 16位DA芯片AD574,所述 模擬量輸入調(diào)理電路由差分放大器INA114和運(yùn)放INA2137構(gòu)成。
專利摘要本實(shí)用新型采用多相發(fā)電機(jī)和多電平變換器的兆瓦級變速風(fēng)電機(jī)組，包括多組同軸發(fā)電機(jī)和多個(gè)電力電子變換器系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)的主軸與多組發(fā)電機(jī)軸相連，每一發(fā)電機(jī)定子側(cè)連接獨(dú)立的變換器系統(tǒng)，并將每一變換器系統(tǒng)之間并聯(lián)和/或串聯(lián)并入電網(wǎng)，向電網(wǎng)輸送電力，完成風(fēng)能-機(jī)械能-電能的轉(zhuǎn)換。這種技術(shù)的主要特點(diǎn)是采用多組同軸發(fā)電機(jī)來代替單一發(fā)電機(jī)，每臺(tái)分立的發(fā)電機(jī)定子側(cè)采用各自獨(dú)立的電力電子變換器或者采用多重化技術(shù)實(shí)現(xiàn)變換器的并聯(lián)或串聯(lián)組合來實(shí)現(xiàn)兆瓦級變速風(fēng)電機(jī)組。
文檔編號H02K17/16GK201388064SQ20092015133
公開日2010年1月20日 申請日期2009年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月16日
發(fā)明者劉文斌, 劉文濤, 呂寶春, 張曉華 申請人:新疆全新環(huán)保新技術(shù)科技有限公司