專利名稱：直驅風力發(fā)電交/直變換電路及控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及直驅式風力發(fā)電系統(tǒng)交/直電能的變換電路，采用一定的控制方法， 可以簡化系統(tǒng)電路，降低風電系統(tǒng)的裝置體積和成本，實現(xiàn)直驅風力發(fā)電系統(tǒng)交/直電能 的變換，滿足并網(wǎng)逆變器對直流環(huán)節(jié)的電壓要求。
背景技術：
目前，直驅式風力發(fā)電系統(tǒng)交/直電能的變換電路部分廣泛采用的是多極永磁 同步發(fā)電機產生的變壓變頻交流電由二極管構成的三相橋式不控整流電路進行整流，所輸 出的脈動變幅直流電壓通過大電容濾波獲得比較平穩(wěn)的變幅直流電，再通過直流變換電路 獲得比較平穩(wěn)的直流電壓，以供給逆變部分進行逆變，向電網(wǎng)輸送電能。為了抑制啟動沖擊 電流對發(fā)電機的影響，降低電容充電電流的脈沖幅值，減少發(fā)電機電流諧波，提高發(fā)電機功 率因數(shù)，在濾波電容前均設置具有限流和濾波雙重用途的電抗器。由于風速變化，直驅式風電系統(tǒng)多極永磁同步發(fā)電機發(fā)出的交流電頻率變化范圍 較大，整流橋輸出直流側的濾波環(huán)節(jié)參數(shù)一般以最低風速情況確定，因此，濾波電容和濾波 電抗器的數(shù)值較大，裝置的體積和成本較高。并網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)中，為了方便控制，解除風力發(fā)電部分和并網(wǎng)交流電能輸出 之間的耦合，逆變器需要直流環(huán)節(jié)的電壓穩(wěn)定。為此，需要在整流濾波和逆變之間設置直流 /直流變換環(huán)節(jié)。目前，該直流/直流變換環(huán)節(jié)均由升壓斬波電路實現(xiàn)，功率的增加通過選 擇大容量電路元件或者用多個升壓變換電路并聯(lián)實現(xiàn)。在升壓斬波電路中，輸入、輸出分別設置有電感和電容，其電感參數(shù)主要取決于斬 波電路所傳遞的功率和斬波器工作頻率，與輸入電能的脈動頻率無關，電容參數(shù)主要取決 于輸出電壓允許的脈動幅值、輸出功率和最高電壓數(shù)值。

發(fā)明內容
為了克服現(xiàn)有濾波電路參數(shù)依賴直流輸入電壓脈動頻率的缺陷，降低風力發(fā)電系 統(tǒng)裝置的體積和成本，本發(fā)明提供一種交/直電能變換電路，并采用一定的控制方法，可以 去除濾波電路的電感和電容，直流/直流變換部分的輸入電感和輸出濾波電容可根據(jù)變換 電路輸入電流允許的脈動程度及輸出電壓允許的脈動程度決定，與開關管工作頻率有關， 與輸入直流電壓的幅值及脈動程度無關。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是永磁同步發(fā)電機的三相輸出端與三 相橋式不控整流電路的三相輸入端分別相聯(lián)，輸出端與直/直變換電路輸入端的電感元件 相接，直/直變換電路輸出端接濾波電容，直/直變換電路采用升壓斬波(Boost)電路?？?制時，由不控整流橋輸入的變壓脈動直流電加到升壓斬波電路輸入端，變換器根據(jù)逆變部 分直流電壓需要的數(shù)值，采用PWM的方法控制開關管的占空比，保證在輸入端直流電壓變 化的情況下輸出直流電壓的恒定。穩(wěn)態(tài)情況下，升壓斬波電路輸出電壓恒定，輸入電流基本 恒定，永磁同步發(fā)電機近似輸出方波電流。動態(tài)情況下，系統(tǒng)以升壓斬波器輸出電壓恒定為目標，實施動態(tài)調整。本發(fā)明的有益效果是通過控制升壓斬波器開關元件的占空比，以外界風速受控 電流源的形式控制從整流環(huán)節(jié)吸取并傳輸?shù)侥孀儌鹊碾娔?，從而簡化直驅風電系統(tǒng)交/直 變換環(huán)節(jié)電路，省去濾波電容和濾波電感，降低系統(tǒng)體積和成本，減少發(fā)電機諧波，提高直 驅風力發(fā)電系統(tǒng)效率。


下面結合附圖對本發(fā)明做進一步說明。附圖為本發(fā)明的電路原理圖。圖中，PMSM為多極永磁同步發(fā)電機，D1 D6為三相不控整流器的整流二極管，L為 升壓斬波電路輸入電感，VT為其開關管，可以是場效應管或者是GTR、IGBT、GT0等元件，D7 是升壓斬波電路輸出二極管，C為輸出濾波電容。具體實施方法附圖中，多極永磁同步發(fā)電機在風力機帶動下產生變壓變頻交流電，該三相交流 電經過三相不控橋整流成幅值變化的脈動直流電。變壓脈動直流電不經過濾波直接加到直 /直變換器的輸入端，變換器的控制器根據(jù)輸出直流電壓要求及當前輸入直流電壓的數(shù)值， 控制開關管的占空比，實施升壓變換控制，輸出規(guī)定的恒定直流電壓。根據(jù)風力發(fā)電系統(tǒng)的 控制要求，并網(wǎng)逆變器所饋進電網(wǎng)的電能與風速的大小有關，則在特定風速情況下，變換器 輸出的電流保持恒定。根據(jù)升壓斬波(Boost)電路輸入輸出關系，變換器輸出電流恒定，其 輸入電流亦為近似為恒值，則對不控整流橋而言，直/直變換器成為一個受風速控制的恒 流源負載，發(fā)電機輸出的交流電流為120°的近似方波電流，而非原來采用電容濾波時的脈 沖電流(或者在電感、電容濾波情況下的具有兩個圓頂?shù)慕品讲娏鳎瑘A頂?shù)募馔怀潭?與電感的大小有關，電容一定時，電感越小，圓頂越尖銳)。當風速變化時，作為整流橋恒流 源負載的電流也跟隨變化，則在動態(tài)情況下，發(fā)電機輸出的交流方波電流將發(fā)生幅度變化。附圖中，三相不控橋整流二極管D1 D6可根據(jù)其最大工作電壓、最大工作電 流確定其額定參數(shù)。額定電壓確定為二極管承受的最大反向電壓幅值的2 3倍。如 在該整流電路中二極管所流過的電流有效值為ID，則二極管額定電流Ie的計算公式為
權利要求
1.直驅風力發(fā)電交/直變換電路及控制方法，多極永磁同步發(fā)電機、三相橋式不控整 流電路、升壓型直/直變換電路順序連接，其特征是多極永磁同步發(fā)電機的三相輸出與三 相橋式不控整流電路三相輸入端分別相聯(lián)，整流電路輸出端與直/直升壓變換(Boost)電 路輸入端相聯(lián)，升壓變換電路輸出電能供給后接的逆變器負載。
2.根據(jù)權利要求1所述的直驅風力發(fā)電交/直變換電路及控制方法，其特征是基于 輸出電壓恒定要求情況下通過PWM控制方法，可以省去交流/直流整流電路后的濾波電路 (包括濾波電感和濾波電容，其參數(shù)與輸入直流電壓脈動頻率及傳輸?shù)墓β视嘘P)，后接直 流/直流變換電路根據(jù)要求對輸入電壓進行升壓，滿足輸出端所接逆變器對直流電壓恒穩(wěn) 與數(shù)值要求。
3.根據(jù)權利要求1所述的直驅風力發(fā)電交/直變換電路控制方法，其特征是控制時， 變換器根據(jù)輸出端直流電壓的需要，采用PWM方法控制開關管的占空比，保證在輸入直流 電壓變化情況下輸出直流電壓恒定。穩(wěn)態(tài)時，升壓斬波電路輸出電壓恒定，輸入電流基本恒 定，相對不控整流橋，直/直變換器成為一個受風速控制的恒流源負載，發(fā)電機輸出120° 近似方波電流(采用電容濾波時為雙脈沖電流，采用電感、電容濾波時為具有兩個圓頂?shù)?近似方波電流，圓頂?shù)募馔怀潭扰c濾波參數(shù)有關)。動態(tài)情況下，系統(tǒng)以變換器輸出直流電 壓恒定為目標，實施動態(tài)調整，發(fā)電機輸出的交流方波電流將發(fā)生幅度變化。
4.根據(jù)權利要求1所述的直驅風力發(fā)電交/直變換電路控制方法，其特征是直/直變 換器輸入電感L根據(jù)輸入電流允許電流脈動量和風電系統(tǒng)傳遞的最大功率來確定，與變換U U U U器輸入直流電壓幅值及脈動程度無關。電感L計算式為L = J^- Jpl = J^- Jp，式中Uin、U。為變換器輸入、輸出電壓值，Idl^K Ts分別為電感流過的電流平均值、電流紋波 系數(shù)、變換器PWM控制周期。
5.根據(jù)權利要求1所述的直驅風力發(fā)電交/直變換電路控制方法，其特征是直/直 變換器開關管VT參數(shù)根據(jù)它在PWM工作過程中所通過的最大電流幅值及處于斷開情況下 所承受的最大反向電壓確定，留有適當余量。
6.根據(jù)權利要求1所述的直驅風力發(fā)電交/直變換電路控制方法，其特征是直/直 變換器升壓二極D7參數(shù)根據(jù)它在電路中所承受的電壓和所流過的最大電流確定，計算時需 要留有1.5 2倍的余量。
7.根據(jù)權利要求1所述的直驅風力發(fā)電交/直變換電路控制方法，其特征是直/直變5T換器輸出濾波電容C根據(jù)輸出允許的直流電壓脈動數(shù)值和變換器所接負載確定。C = i， 式中，T、R。分別為輸出直流電壓最低脈動周期、變換器輸出所接等效負載電阻。
全文摘要
本發(fā)明為“直驅風力發(fā)電交/直變換電路及控制方法”，它涉及直驅風電系統(tǒng)交/直電能變換電路。當前直驅風電系統(tǒng)整流后的濾波參數(shù)依賴輸入電壓脈動頻率，濾波器體積大，成本高，輸入諧波含量大，裝置功率因數(shù)低。本發(fā)明發(fā)電機輸出交流電經橋式不控整流輸出變壓脈動直流電，后接直/直升壓變換電路，根據(jù)逆變輸入直流電壓設定值，采用PWM方法控制開關管占空比，保證輸出電壓恒定。穩(wěn)態(tài)時變換電路輸出電壓恒定，輸入電流基本恒定，發(fā)電機輸出近似方波電流。動態(tài)時系統(tǒng)以變換器輸出恒定電壓為目標，實施調整。用途通過控制變換電路占空比，省去直流環(huán)節(jié)濾波器，簡化直驅風電交/直變換電路，降低系統(tǒng)體積和成本，減少發(fā)電機諧波，提高系統(tǒng)效率。
文檔編號H02M7/155GK102130465SQ20101000493
公開日2011年7月20日 申請日期2010年1月20日 優(yōu)先權日2010年1月20日
發(fā)明者陳榮 申請人:陳榮