專利名稱：一種大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)專用三電平全功率變流器組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風(fēng)電領(lǐng)域，尤指一種大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組專用混合式三電平全功率變 流器組，主要運(yùn)用于兆瓦級變速風(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)機(jī)的變速運(yùn)行以及風(fēng)電 機(jī)組的并網(wǎng)，電力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)的技術(shù)。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。
發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種用于兆瓦級變速風(fēng)電機(jī)的
三電平全功率變流器組。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)專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)變流器通過對發(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)一步，所述三電平整流器為Vienna整流器。進(jìn)一步，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)一步，通過六相升壓變壓器，所述3L-NPC逆變器輸出與電網(wǎng)連接。進(jìn)一步，所述六相升壓變壓器由兩組互相反相的三相繞組構(gòu)成。本發(fā)明大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)專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)(1)單臺發(fā)電機(jī)的功率等級相對降低，整個(gè)風(fēng)機(jī)的功率被多臺發(fā)電機(jī)分擔(dān)；(2)定子側(cè) 電力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)通過四組 Vienna整流器來分?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；⑷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) 采用兩組二極管中點(diǎn)鉗位三電平逆變器(3L-NPC)并聯(lián)，通過變壓器的反相設(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。
圖1為混合式三電平全功率變流器組運(yùn)用于兆瓦級變速風(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)施例方式本發(fā)明的大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)專用三電平全功率變流器組，通過采用變流器的多重 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)，是高功率等級變速風(fēng)電機(jī)組的新的技術(shù)。如圖1所示，是一個(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，本發(fā)明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)采用兩組二極管中點(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，因此發(fā)電機(jī)的額定電流非常 大，造成效率問題比較突出，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)方案中通過四組Vienna整流器來分?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)還可以采用二極管不控整流橋—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，通過對發(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)必須通過電抗器來實(shí)現(xiàn)；二、電抗器與電容 器構(gòu)成LC濾波器，它用于濾除開關(guān)頻率的電流諧波。我們推薦方案中，兩組3L-NPC并聯(lián)來 分?jǐn)倎碜园l(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)對注入電網(wǎng)的無功功率的控制。
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，這些電壓等級無法直接與10kV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)一是為了兩組 并聯(lián)的3L-NPC之間不產(chǎn)生并聯(lián)環(huán)流；二是通過反相設(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)之間均通過斷路器來連接。整個(gè) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仍然是back-to-back結(jié)構(gòu)，中間具有一個(gè)直流電容儲能環(huán)節(jié)。這些與傳統(tǒng)方案都 是一樣的。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實(shí)現(xiàn)對風(fēng)能 的變換。我們已經(jīng)充分驗(yàn)證了兩種方案的對比，論證了我們的方案替代傳統(tǒng)方案具有重要 的優(yōu)勢。盡管上文對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
通過實(shí)例進(jìn)行了詳細(xì)的描述和說明，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 發(fā)明的精神和權(quán)利要求所記載的范圍。
權(quán)利要求
一種大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)專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)變流器通過對發(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1所述的大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)專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1所述的大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)專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1所述的大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)專用三電平全功率變流器組，其特征在于， 通過六相升壓變壓器，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。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)專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)。本發(fā)明大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)專用三電平全功率變流器組，通過四組Vienna整流器來分?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H02J3/38GK101860231SQ20101017801
公開日2010年10月13日 申請日期2010年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月20日
發(fā)明者劉文斌, 劉文濤, 張曉華, 房魯光, 曾翔君 申請人:新疆全新環(huán)保新技術(shù)科技有限公司