CN101013817A - 兆瓦级风力发电用全功率并网变流器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种兆瓦级风力发电用全功率并网变流器。它包括风力发电机和低压电网或升压变压器，它还包括至少两个基本变流器功率单元，各基本变流器功率单元并联组成功率变流器主电路，其中基本变流器功率单元包括通过直流母线连接的发电机侧三相PWM全控变流器和PWM网侧并网变流器，功率变流器主电路的输出端连接低压电网或升压变压器，功率变流器主电路的输入端连接风力发电机。本发明能够适用于兆瓦级尤其是1.5MW、2MW、2.5MW、3MW及其以上功率等级的风力发电***。

Description

兆瓦级风力发电用全功率并网变流器

(一)技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，特别涉及一种风力发电变流器。

(二)背景技术

风能作为一种清洁、无污染的可再生能源越来越受到人们的关注，风力发电将成为21世纪最大规模开发的新能源之一。目前的风力发电机单机容量不断增大，变速恒频、变桨矩型风力机逐渐占据了主导地位。齿轮箱是在目前MW级风力发电机组中过载和过早损坏率较高的部件，从上世纪末开始，以德国Enercon为首的风电机组制造商，推出了一系列无齿轮箱直驱式风力发电***。这种机组采用多级风力发电机与叶轮直接耦合连接进行驱动的方式，免去齿轮箱这一传统部件，具备低噪声、提高机组寿命、减小机组体积、降低运行维护成本、较低的噪音、低风速时高效率等多种优点，在今后风力机发展中有很大的发展空间。可以预计，省去齿轮箱的直驱式风力发电***将成为未来风力发电技术发展的主要方向。

直驱式风力发电机组的并网变流器功率等级与发电机组相当，发电机发出的电能全部均需通过变流器变换为频率、电压恒定的交流电馈入电网，并通过对电机侧变流器电流的控制而控制电磁转距，使之实现最大功率输出。与电机直接并网的风力发电***相比，变流器在发电机组与电网之间的使用，实现了发电机组与电网间的隔离，转速与电网频率之间的耦合问题将得以解决，也在一定程度上避免了因电网波动对发电机组稳定运行所带来的不利影响。

欧美国家在风电技术上处于领先地位，很多进入风机市场的公司，诸如ABB，Vestas等都推出了2MW-5MW的相关产品。目前在大功率尤其是兆瓦级以上的场合，风机***主要分为三类：①笼型感应电机恒速恒频风力发电***；②交流励磁双馈电机变速恒频风力发电***；③永磁直驱电机变速恒频风力发电***。

在双馈电机***中，由于功率变流器位于转子侧，仅处理转差功率，功率变流器额功率为其发电机容量的三分之一左右，并且也属于低压变流器，因此变流器的成本、体积大大降低。由于双馈电机***的特点，客观上需要低压并且能够四象限运行的功率变流器。传统的交-直-交两电平变流器以其优越的性能，在目前不同风电厂家的变流器产品中得到普遍采用，如图1所示。在这方面作的最为成功是西班牙的Gamesa公司和丹麦的Vestas公司。

在永磁直驱变速恒频风力发电***中，永磁电机通过全容量的功率变流器与电网相连，实现变速恒频发电。它所需要的是一个全功率变流器。西班牙的MADE公司和德国的SEG公司采用如图2所示的主电路结构，即能量经由不可控AC-DC变流器到达直流侧，由于风速的变化，导致了直流侧电压的波动，采用升压变流器将电压固定到DC-AC变流器的直流母线侧，然后通过DC-AC变流器逆变为符合电网频率的交流电后并网。这种电路结构的成本很低，但是它不具备四象限运行的能力，因而在运行中受到很大的限制。而具备四象限运行能力的双PWW控制的功率变流器则在德国的风机巨头Enercon公司得到了很好的应用(如图3所示)。这也是一种技术最为成熟，运行最为可靠，适应范围最为广泛的技术方案，因此在四象限的运行中被广泛采用。

此外，瑞士的ABB公司采用三电平的主电路结构来解决大功率尤其是兆瓦级以上的风电***(如图4所示)。由于采用了永磁中压发电机，其产生的电压是4KV等级，所以采用三电平的背靠背式方案为最佳选择。虽然三电平变流器可以产生很低的电流电压谐波畸变率，并且需要很小的滤波装置，但是采用的IGCT开关器件的增加以及分立电容间的中性点电压漂移限制了这种主电路结构的应用。此外最近有文献报道中性点漂移可以采用控制的方式得到解决，但是由于我国的风机厂商的技术参数大多是690VAC，这更加限制多电平结构在我国的应用。

传统的电流型交直交变流器采用自然换流晶闸管作为开关器件，其直流侧电感比较昂贵，由于其低频性能比较差，因而风力发电中很少应用。Rockwell公司的PowerFlex7000是采用SGCT的电流型变流器(如图5所示)，适用于中压风机，而风力发电机为690VAC，因此电压等级不适用，如果应用在双馈电机中，电压匹配需要调整，此外PowerFlex7000在低速和零速附近的性能需要改进。

由于控制方法和硬件设计等各种因素，电压型变流器应用比较广泛。截止2003底，中国所有装机的风力发电机机组都是690VAC的低压机组，没有中高压机组，变速机组中所采用的变流器绝大部分为两电平电压型交直交变流器(如图3所示)。电压型交直交变流器，具有结构简单、谐波含量少、功率因数可调等优异的特点，可以明显的改善输出电能质量，并且该结构通过直流母线侧电容完全实现了网侧和电机侧的分离，也是目前变速恒频风力发电的一个代表方向。

就目前来说，国内在兆瓦级风力发电用功率变流器的研究和制造方面总体上处于起步阶段，尤其是2MW及以上功率风力发电用功率变流器更是一片空白。由于兆瓦级变速恒频风电电控设备尤其是功率变流器长期依赖国外进口，制约着我国风电产业化进程。研制具有自主知识产权的大功率风电功率变流器，不但大大降低风电设备的成本，而且可以提高我国在世界风电行业的竞争力，为我国风电技术出口，提升在世界风电市场上的地位奠定基础。

(三)发明内容：

本发明目的是提供一种新型的用于兆瓦级以上功率等级的风力发电用的功率变流器主电路。

本发明目的是这样实现的：它包括风力发电机和低压电网或升压变压器，它还包括至少两个基本变流器功率单元，各基本变流器功率单元并联组成功率变流器主电路，其中基本变流器功率单元包括通过直流母线连接的发电机侧三相PWM全控变流器和PWM网侧并网变流器，功率变流器主电路的输出端连接低压电网或升压变压器，功率变流器主电路的输入端连接风力发电机。

本发明还有这样一些结构特征：

1、所述的基本变流器功率单元还包括三相电感和三相电容、三相并网电感和三相滤波电容，风力发电机通过电缆连接到三相星型连接的电容，然后连接三相电感，三相电感连接发电机侧三相PWM全控变流器，发电机侧三相PWM全控变流器并联一组平波电容后与PWM网侧并网变流器相连，PWM网侧并网变流器连接三相并网电感的输入端，其输出端经过与三相星型连接的滤波电容并联；

2、所述的发电机侧三相PWM全控变流器是全控三相桥，由六个开关器件构成三相桥臂并联而成，功率开关器件采用IGBT；

3、所述的PWM网侧并网变流器由三相全控桥构成，由六个开关器件构成三相桥臂并联组成，功率开关器件为IGBT。

为达到变流器更高的功率等级的目的，本发明采用模块化的主电路结构并联，即由两个结构完全相同的发电机侧三相PWM全控变流器和PWM网侧并网变流器，通过直流母线连接构成的大容量全功率的交直交电压型双向变流器如图3所示，并以此作为一个基本变流器功率单元，然后采用模块化的方式将两个或两个以上的基本变流器功率单元并联起来，实现更高的变流器功率等级。

本发明的优点：

●发电机侧全控变流器可以使得风力发电机组在很大风速范围内按最佳效率运行，即使在较低风速下，全控变流器的升压控制也能够保证***满足并网条件；

●发电机侧全控变流器可以对发电机输出电流进行控制，在最小电流的情况下得到最大的电磁转矩，并降低了发电机的铜耗和铁耗；

●发电机侧全控变流器可提供几乎为正弦的电流，减少了发电机定子侧的谐波，使发电机内部的转矩控制得以改善，从而进一步减轻了传动***应力；

●网侧并网变流器在保证了并网电流品质的基础上，实现了***功率因数可调。

●模块化的基本变流器功率单元并联结构可以在同等开关电压电流应力的开关器件的基础上，实现更高的风力发电用变流器的功率等级，并且可以更为方便的实现产品的系列化。

本发明的兆瓦级以上功率等级的风力发电用功率变流器主电路，其特征是包括一台兆瓦级以上功率等级的风力发电机、两个或者两个以上的基本变流器功率单元和低压电网或者升压变压器。风力发电机发出的交流电通过电缆连接到有两个或两个以上的基本变流器功率单元并联后构成的电路，而该电路的输出则直接并网到并网变压器或者低压电网。

基本变流器功率单元的主要特征是包括三相电感和三相电容、发电机侧PWM全控变流器、网侧并网变流器以及三相并网电感和三相滤波电容。由风力发电机发出的三相交流电通过电缆连接到三相星型连接的电容，然后连接到三相电感的输入端，从三相电感的输出端直接连接到发电机侧的全控PWM变流器，该变流器是全控三相桥，是由六个开关器件构成的三相桥臂并联而成，功率开关器件采用的是IGBT。发电机侧的全控变流器的直流输出在并联一组平波电容后与网侧并网变流器相连，网侧变流器在结构上与发电机侧变流器的电路结构相同，即由三相全控桥构成，功率开关器件同样也是IGBT。网侧并网变流器的三相交流输出直接连接到三相并网电感的输入端，其输出端经过与三相星型连接的滤波电容并联后完成输出。

工作时，风力机带动风力发电机发出三相频率及幅值都变化交流电，经过发电机侧滤波电容滤波后进入发电机侧平波电感。平波电感既可以对三相电起到平波的作用，又可以与发电机侧全控变流器一起构成升压变流器，这样就可以使得风力发电机组在很大风速范围内按最佳效率运行，即使在较低风速下，全控变流器的升压控制也能保证直流母线电压的稳定，从保证***满足并网条件。由平波电感输出来的交流电经过发电机侧全控制变流器的整流和直流侧滤波电容的滤波后，作为网侧并网变流器的直流母线直接馈电到网侧变流器。经过PWM控制的网侧变流器输出恒频恒幅的三相交流电，经由三相并网电感平波再由三相并网滤波电容滤波后，即可得到恒频恒幅与电网同相的三相准正弦交流电，满足并网条件，可直接并入690VAC低压电网或者经过升压变压器升压后并入电网。其中三相并网电感除了具有平波作用外，还有调节并网电流的相位的作用，使之能够满***流电并网条件。此外开关器件IGBT中寄生续流二极管，它除了具有续流作用外，还是无功功率的通道，也被称作反馈二极管。

本发明兆瓦级风力发电用全功率并网变流器主电路结构不仅适用于永磁直驱式风力发电***，而且还适用于双馈式风力发电***。本发明不但可以使得风力发电机组在很大风速范围内按最佳效率运行，即使在较低风速下，全控变流器的升压控制也能够保证***满足并网条件；而且还可以对发电机输出电流进行控制，在最小电流的情况下得到最大的电磁转矩，并降低了发电机的铜耗和铁耗；此外，模块化的基本变流器功率单元并联结构可以在同等开关电压、电流应力的开关器件的基础上，实现更高的风力发电变流器的功率等级，并且可以更为方便的实现产品的系列化。

(四)附图说明：

图1是双馈电机变流器结构示意图；

图2是采用不可控制整流的永磁直驱变流器结构示意图；

图3是背靠背式永磁直驱变流器结构示意图；

图4是三电平背靠背式永磁直驱变流器结构示意图；

图5是电流源型变流器结构示意图；

图6是本发明的并网变流器结构示意图；

图7是变流器基本变流器功率单元结构示意图；

图8是本发明的并网变流器结构原理图。

(五)具体实施方式

下面结合图6-8和具体实施例对本发明作更详细的描述：

结合图6，本发明的主电路结构主要包括：风力发电机Gen、至少两个基本变流器功率单元并联形成的变流器、690VAC低压电网或升压变压器。基本变流器功率单元包括发电机侧三相电容C_1f、三相电感L_1n、发电机侧全控变流器(VT₁₁～VT₁₆)含续流二极管(D₁₁～D₁₆)、直流侧滤波电容C₁、网侧并网变流器(VT₂₁～VT₂₆)含续流二极管(D₂₁～D₂₆)、三相并网电感L_2n、三相滤波电容C_2f。

实施例：

1.首先构建基本变流器功率单元。结合图7将三个滤波电容C_1f按照星型方式连接后并联到三相平波电感L_1n的一端，然后将平波电感L_1n的另一端连接到发电机侧变流器的V₁₁～V₁₃处。发电机侧变流器具体的实现方式是将六只开关器件(VT₁₁～VT₁₆)含续流二极管(D₁₁～D₁₆)(本发明采用IGBT但不限于IGBT)两个两个一组，分别是VT₁₁和VT₁₄、VT₁₃和VT₁₆、VT₁₅和VT₁₂，然后每组中的两个器件首尾相连形成三组桥臂，其连接点分别是V₁₁、V₁₂、V₁₃三组桥臂相互并联即形成三相全控变流器主电路，发电机侧全控变流器的直流输出端在并联滤波电容C₁后，直接馈线到网侧并网变流器的直流母线侧，为并网变流器提供逆变用的直流电流。为了增强滤波电容的滤波效果和使用寿命，滤波电容可以采用当个电容三串两并的滤波电容组结构。网侧并网变流器构成的具体实施方式与发电机侧全控变流器的实施方式类似，即将六只开关器件(VT₂₁～VT₂₆)含续流二极管(D₂₁～D₂₆)两个两个一组，分别是VT₂₁和VT₂₄、VT₂₃和VT₂₆、VT₂₅和VT₂₂，然后每组中的两个器件首尾相连，继而形成三组桥臂，其连接点分别是V₂₁、V₂₂、V₂₃。网侧并网变流器的三相交流输出直接连接到三相并网电感L_2n，然后经过与三相滤波电容C_2f并联后连到电网。这就是基本变流器功率单元的实施方式。

2.然后结合图8将两个或者两个以上基本变流器功率单元(基本变流器功率单元1～基本变流器功率单元n)并联起来，形成全功率变流器主电路。然后结合图6、图7风力发电机直接连接到全功率变流器主电路的A₁、B₁、C₁三点，而全功率变流器主电路的输出A₂、B₂、C₂三点直接接到690VAC低压电网或者升压变压器。

Claims (5)

1、一种兆瓦级风力发电用全功率并网变流器，它包括风力发电机和低压电网或升压变压器，其特征在于它还包括至少两个基本变流器功率单元，各基本变流器功率单元并联组成功率变流器主电路，其中基本变流器功率单元包括通过直流母线连接的发电机侧三相PWM全控变流器和PWM网侧并网变流器，功率变流器主电路的输出端连接低压电网或升压变压器，功率变流器主电路的输入端连接风力发电机。

2、根据权利要求1所述的兆瓦级风力发电用全功率并网变流器，其特征在于所述的基本变流器功率单元还包括三相电感和三相电容、三相并网电感和三相滤波电容，风力发电机通过电缆连接到三相星型连接的三相电容，然后连接三相电感，三相电感连接发电机侧三相PWM全控变流器，发电机侧三相PWM全控变流器并联一组平波电容后与PWM网侧并网变流器相连，PWM网侧并网变流器连接三相并网电感的输入端，其输出端经过与三相星型连接的滤波电容并联。

3、根据权利要求1或2所述的兆瓦级风力发电用全功率并网变流器，其特征在于所述的发电机侧三相PWM全控变流器是全控三相桥，由六个开关器件构成三相桥臂并联而成，功率开关器件采用IGBT。

4、根据权利要求1或2所述的兆瓦级风力发电用全功率并网变流器，其特征在于所述的PWM网侧并网变流器由三相全控桥构成，由六个开关器件构成三相桥臂并联组成，功率开关器件为IGBT。

5、根据权利要求3所述的兆瓦级风力发电用全功率并网变流器，其特征在于所述的PWM网侧并网变流器由三相全控桥构成，由六个开关器件构成三相桥臂并联组成，功率开关器件为IGBT。

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