專(zhuān)利名稱(chēng)：一種高電壓冗余的風(fēng)力發(fā)電機(jī)變流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種連接電網(wǎng)的雙向電力電子變流器系統(tǒng)方案，主要應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電 機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域。本發(fā)明與傳統(tǒng)變流器方案相比具有更大的電壓冗余范圍。
背景技術(shù)：
目前主流風(fēng)電市場(chǎng)采用的全饋?zhàn)兞髌魍ǔＳ啥鄠€(gè)電力電子功率模塊并聯(lián)而成，每 個(gè)模塊的功率約為IMW左右，模塊的輸出電壓為690V。每個(gè)模塊的基本硬件拓?fù)淙?br>
圖1所 示，主要由網(wǎng)絡(luò)橋(1)、電機(jī)橋(3)、直流環(huán)節(jié)⑵和泄荷電路⑷組成。網(wǎng)絡(luò)橋與電機(jī)橋均 由三相供6個(gè)電力電子模塊(IGBT+Diode)組成。為了保證690V的輸出電壓，通常直流母 線電壓會(huì)選擇1100V左右?？紤]變流器運(yùn)行中的電壓波動(dòng)以及器件運(yùn)行壽命等因素，通常 主流變流器會(huì)選用耐壓值在1700V的IGBT以及Diode。業(yè)界主要的全饋風(fēng)機(jī)變流器大多采 用以上的變流器方案。為了保證風(fēng)電場(chǎng)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，世界各國(guó)的都對(duì)風(fēng)機(jī)的低電壓穿越能力提出了 特定要求，具體主要包括風(fēng)機(jī)在短時(shí)間低電壓故障下繼續(xù)保持聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行；風(fēng)機(jī)在短時(shí)間低電壓故障下能夠輸出一定無(wú)功電流以支持電網(wǎng)運(yùn)行；風(fēng)機(jī)對(duì)在低電壓故障恢復(fù)后的反沖電壓具有穿越以及支持能力(可選)。如圖2所述，變流器會(huì)有一系列的動(dòng)作以保證風(fēng)機(jī)的低電壓穿越能力。變流器在 檢測(cè)到低電壓故障后，會(huì)進(jìn)入低電壓穿越狀態(tài)。進(jìn)入低電壓穿越狀態(tài)之后，變流器補(bǔ)償負(fù)序 電流，并且輸出電網(wǎng)要求的無(wú)功電流。受到變流器電流容量的限制，控制器將限制變流器的 有功電流輸出以保證電網(wǎng)要求的無(wú)功電流。由于輸出電壓以及輸出有功電流的降低，變流 器的輸出功率快速下降，在電機(jī)側(cè)功率輸入不變的情況，直流電壓將迅速上升而導(dǎo)致變流 器停機(jī)甚至損毀。因此，低電壓穿越過(guò)程中，在網(wǎng)絡(luò)橋動(dòng)作的同時(shí)，變流器電機(jī)橋?qū)⒑惋L(fēng)機(jī) 主控制器共同動(dòng)作以降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)的能量輸入。然而由于風(fēng)機(jī)的機(jī)械速度限制，變流器 電機(jī)側(cè)的輸入功率下降的速度低于變流器網(wǎng)絡(luò)側(cè)輸出功率的速度，因此會(huì)造成暫態(tài)的直流 電壓尖峰，當(dāng)直流電壓超過(guò)一定范圍時(shí)，變流器的泄荷電路(4)將打開(kāi)將多余的能量導(dǎo)入 并消耗在泄荷電阻上，并將直流電壓限制在安全范圍內(nèi)。泄荷電路由一個(gè)或多個(gè)泄荷電阻以及一個(gè)或多個(gè)開(kāi)關(guān)器件組成，泄荷電阻和開(kāi)關(guān) 期間的暫態(tài)能量必須滿(mǎn)足暫態(tài)的泄荷能量要求，具體要求的能量范圍與風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制特 性以及電網(wǎng)要求有關(guān)。泄荷電路雖然能夠滿(mǎn)足變流器低電壓穿越的要求，然而泄荷電路本 身給系統(tǒng)帶來(lái)了成本以及可靠性問(wèn)題，另外電網(wǎng)故障中風(fēng)機(jī)的多余能量需要以熱量的形式 消耗在泄荷電阻上，因此泄荷電路通常體積較大，影響了變流器的整體體積以及在低電壓 故障穿越過(guò)程中的效率。由于風(fēng)電的不穩(wěn)定性，世界各國(guó)對(duì)于風(fēng)機(jī)上網(wǎng)的要求越來(lái)越高，中國(guó)在《風(fēng)電接入 電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》中明確給出了低電壓穿越要求。歐洲各國(guó)的電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于低電壓穿越的要 求更為嚴(yán)格，德國(guó)的Eon、英國(guó)的National Grid以及丹麥的電力機(jī)構(gòu)都分別在各自的電網(wǎng)
3標(biāo)準(zhǔn)中明確給出了低電壓穿越的要求，并且具體要求正在逐年提高。英國(guó)和丹麥的電網(wǎng)要 求不僅對(duì)于低電壓穿越的幅值以及無(wú)功輸出有了明確要求，并且對(duì)低電壓故障恢復(fù)后的能 夠承受的反沖電壓也有了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，在丹麥大學(xué)給出的歐洲電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)分析報(bào)告[1]中總結(jié) 了歐洲反沖電壓的標(biāo)準(zhǔn)，在最壞情況下電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求風(fēng)機(jī)能夠承受+20%的穿越反沖電壓， 英國(guó)National Grid在最近的電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)修改工作會(huì)議報(bào)告[2]也明確表明會(huì)在其電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn) 中列入暫態(tài)穿越反沖電壓具體要求以及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。在反沖電壓超過(guò)一定范圍時(shí)，電網(wǎng)電壓 就有可能通過(guò)二極管推高直流端電壓導(dǎo)致變流器器件損毀。在這個(gè)瞬間，直流端電壓由電 網(wǎng)反沖幅度決定，泄荷電路對(duì)直流端電壓起不到有效的限制作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，由于低 電壓穿越失敗而損壞的大多數(shù)變流器是因?yàn)榉礇_電壓擊穿電力電子器件而造成。因此風(fēng)電 變流器在20%過(guò)電壓甚至更高的電壓下的支撐能力將成為未來(lái)風(fēng)機(jī)的必要要求。然而根據(jù)上述的目前風(fēng)電變流器的傳統(tǒng)方案，當(dāng)直流母線電壓在1100V時(shí)，考 慮死區(qū)時(shí)間、最小開(kāi)關(guān)時(shí)間、器件壓降等一些列因素，傳統(tǒng)方案變流器的最大支撐電壓為
廠 ^max1.154.0.96二 1100·“·1.154.0.96 ,Vrms max = 745V，而+20%的過(guò)電壓能
力則要求變流器能夠支撐690 ·1. 2 = 828V的能力。當(dāng)然變流器可以通過(guò)提高直流母線電 壓以獲得更高的輸出電壓，由于受到器件耐壓值的限制，變流器的壽命和故障率都會(huì)受到 一定程度的影響。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高電壓冗余的風(fēng)電變流器解決方案，使得變流器在具備要求低電壓穿越 能力以及+20%甚至更高的反沖電壓支撐能力的同時(shí)可以省去泄荷電路。同時(shí)，本發(fā)明可以 提供額外的無(wú)功補(bǔ)償能力。為達(dá)到上述目的，發(fā)明的構(gòu)思是為了達(dá)到比目前傳統(tǒng)變流器高冗余的電壓，采用2500V耐壓的IGBT或者采用兩個(gè) 1200V的IGBT的串聯(lián)方案。變流器在正常工作狀態(tài)時(shí)選擇固定的直流母線電壓。在本發(fā)明 的低電壓穿越解決方案中，系統(tǒng)允許直流母線電壓暫時(shí)上升一定范圍，利用電容在兩個(gè)電 壓之間的儲(chǔ)能能力來(lái)達(dá)到暫時(shí)吸收由于低電壓故障而無(wú)法送入電網(wǎng)的多余的風(fēng)機(jī)能量的 作用，因此本發(fā)明不需要使用額外的泄荷電路。在電網(wǎng)故障恢復(fù)后，直流母線電壓會(huì)緩慢下 降，儲(chǔ)存在電容中的能量將重新輸出到電網(wǎng)中。由于選擇了耐壓更高的電力電子器件以及低電壓穿越中更高的直流母線電壓，本 發(fā)明能夠提供更高的反沖電壓支撐能力。出于各種實(shí)際情況的限制，風(fēng)機(jī)的多數(shù)時(shí)間并不 工作在額定輸出狀態(tài)，這些時(shí)間內(nèi)變流器剩余的電流輸出能力可以為電網(wǎng)提供無(wú)功支撐能 力，由于選用的電力電子器件額外的耐壓能力，本發(fā)明具備更大的無(wú)功輸出能力，可以在變 流器運(yùn)行的同時(shí)根據(jù)電網(wǎng)的需求提供補(bǔ)償無(wú)功功率的補(bǔ)償。盡管選用高耐壓器件或者串聯(lián)器件會(huì)部分提高變流器成本，然而本發(fā)明節(jié)省了泄 荷電路的成本，并且其無(wú)功補(bǔ)償能力可以降低整個(gè)風(fēng)場(chǎng)在無(wú)功補(bǔ)償中投入的成本，從系統(tǒng) 角度補(bǔ)償了由于采用高耐壓器件的新增成本。根據(jù)上述的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明的技術(shù)方案如下
本發(fā)明由多個(gè)功率模塊并聯(lián)而成，功率模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，模塊在傳統(tǒng) 變流器的基礎(chǔ)上省去了泄荷電路G)，原本的1700V耐壓的電力電子器件由2500V高電壓 器件或者兩個(gè)耐壓為1200V器件串聯(lián)代替。在普通工作狀態(tài)下，變流器的直流母線電壓設(shè) 定為1250V，略高于傳統(tǒng)變流器方案。在低電壓穿越發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將直流母線電壓參考值 提高到1700V，假設(shè)直流母線電容為IOOmF,因此，在直流母線從1250V提高到1700V的過(guò)程 中，變流器提供的額外儲(chǔ)能能力為
權(quán)利要求
1.高電壓冗余風(fēng)電變流器，其特征在于更高耐壓的器件解決方案以提高整個(gè)變流器的電壓冗余范圍； 在低電壓故障穿越中采用了變電壓電容儲(chǔ)能的方案，省去了泄荷電路； 低電壓穿越中升高的直流母線電壓，使變流器能夠在低電壓穿越恢復(fù)時(shí)提供更高的反 沖電壓支撐能力；在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中，變流器按照電網(wǎng)要求提供多余的無(wú)功功率，降低整個(gè)電網(wǎng)的無(wú)功 補(bǔ)償成本。
2.按照權(quán)利要求1所述的更高耐壓的器件解決方案，其特征在于，以單個(gè)2500V耐壓的 IGBT或者兩個(gè)1200V耐壓的IGBT的串聯(lián)方案取代傳統(tǒng)風(fēng)電變流器1700V耐壓的IGBT器件方案。
3.按照權(quán)利要求1所述的低電壓穿越解決方案，其特征在于，在低電壓故障穿越中，直 流電壓暫時(shí)上升以提供多余的儲(chǔ)能能力，從而省去了泄荷電路，具體表現(xiàn)為在普通工作狀 態(tài)下，變流器的直流母線電壓設(shè)定為1250V，而在低電壓穿越發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將直流母線電 壓參考值提高到1700V，低電壓穿越過(guò)程中的發(fā)電機(jī)有功輸入與電網(wǎng)輸出的能量差由電容 在兩個(gè)電壓間的儲(chǔ)能能力承擔(dān)。
4.按照權(quán)利要求1所述的低電壓穿越解決方案，其特征在于，有功電流計(jì)算模塊根據(jù) 低電壓判定信號(hào)輸出有功命令信號(hào)Iq_cmd。在低電壓狀態(tài)發(fā)生前，有功命令信號(hào)Iq_cmd僅 為直流電壓控制模塊輸出Iq_dc，當(dāng)?shù)碗妷籂顟B(tài)發(fā)生后，有功命令信號(hào)Iq_cmd為Iq_dc和發(fā) 電機(jī)前饋有功電流Iq_ff之和。
5.按照權(quán)利要求1所述的低電壓穿越解決方案，其特征在于，直流電壓控制器的比例 積分參數(shù)會(huì)根據(jù)低電壓判定信號(hào)調(diào)整，在低電壓狀態(tài)發(fā)生后，直流的比例積分參數(shù)會(huì)大幅 度減小，以減緩直流電壓變動(dòng)速度。
6.按照權(quán)利要求1所述的低電壓反沖支撐能力，其特征在于，直流電壓會(huì)在低電壓穿 越過(guò)程中升高并且在低電壓狀態(tài)結(jié)束后保持一段時(shí)間，以提供整個(gè)過(guò)程中的電網(wǎng)電網(wǎng)支撐 能力。
7.按照權(quán)利要求1所述的穩(wěn)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償，變流器與風(fēng)機(jī)主控制器(5)通訊得到無(wú) 功功率要求Var_Cmd，并通過(guò)計(jì)算得到無(wú)功電流要求Id_cmd。為了保證穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中有功功率的輸出，無(wú)功電流限制模塊將電流參考值Id_ref限制在-Iq_ref2以下。
全文摘要
一種新型的高電壓冗余變流器，應(yīng)用于風(fēng)電領(lǐng)域。因?yàn)椴捎昧烁吣蛪悍秶碾娏﹄娮悠骷?，本發(fā)明具有與傳統(tǒng)變流器相比更高電壓冗余范圍。本發(fā)明采用了可變電壓電容儲(chǔ)能的低電壓穿越解決方案，利用直流電壓的變動(dòng)范圍儲(chǔ)能，省去了傳統(tǒng)變流器的泄荷電路，降低了變流器系統(tǒng)的體積。同時(shí)，本發(fā)明的交流電壓輸出能力改善了變流器在低電壓故障恢復(fù)反沖電壓的穿越成功率并且降低了由于反沖電壓所帶來(lái)變流器故障率，可以滿(mǎn)足目前世界各國(guó)中最嚴(yán)格的低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)。本發(fā)明提高了變流器在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的無(wú)功功率輸出能力，與省去的泄荷電路共同補(bǔ)償了變流器系統(tǒng)采用更高耐壓冗余范圍的電力電子器件所帶來(lái)的新增成本。
文檔編號(hào)H02J3/28GK102064559SQ20101054519
公開(kāi)日2011年5月18日 申請(qǐng)日期2010年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月15日
發(fā)明者烏云翔, 岳凡 申請(qǐng)人:烏云翔, 岳凡