CN101291071A - 一种风力发电直接并网电力变换装置 - Google Patents

一种风力发电直接并网电力变换装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风力发电直接并网电力变换装置，它包括风力发电机、与风力发电机相连的3个功率单元组以及与3个功率单元组相连的输出电抗器，风力发电机具有多组三相输出，每组输出连接一个功率单元，功率单元采用交直交变换方式，多个功率单元串联形成一相，三相输出经输出电抗器直接并网。本发明特别适用于大功率尤其是1.5MW以上的风力发电***，具有成本低、可靠性高、输出谐波小、输出功率因数可调等优点。

Description

一种风力发电直接并网电力变换装置
(一)技术领域
本发明属于能源技术领域，具体涉及一种风力发电直接并网电力变换装置。
(二)背景技术
20世纪70年代的石油危机和随之而来的环境问题迫使人们思考可再生能源的利用问题。由于风能是一种不产生任何污染物的可再生的自然资源，目前风力发电技术已相对较为成熟，因此风能在众多可再生能源中最具大规模发电前景，也是21世纪人类社会经济可持续发展的主要新动力源。
风力发电技术在我国经过几代的发展，现已全面进入直驱的时代，当前的主流机型大都为1.5MW，并正在向2MW、3MW发展。
由于直驱式风力发电技术中的电力电子变流器的功率与发电机的容量是相等的，因此随着风力发电机单机容量的不断扩大，变流器的容量也越来越大，当前直驱式风力发电设备的变流器普遍采用的是交流690V或交流620V的输出经变压器升压为10KV或35KV并网，导致变流器输出电流非常大，实现难度较大，尤其是当风力发电机单机功率继续加大的情况下，现有技术方案的技术难度越来越大。
同时现有直驱式风力发电技术中的电力电子变流器大都采用两电平或三电平逆变电路，其输出谐波较大，并网前大都要进行谐波滤波，增加了***成本和损耗。
现有直驱式风力发电技术中的电力电子变流器技术方案由于逆变输出为低压交流，需经过升压变压器变换成为高压并网，增加了一级变换环节，***的成本和损耗也都要增加。
(三)发明内容
本发明的目是提供一种新型的用于风力发电直接并网的电力变换装置。
本发明的目的是这样实现的：它包括风力发电机、与风力发电机相连的3个功率单元组以及与3个功率单元组相连的输出电抗器，风力发电机的每一组独立三相输出分别连接一个功率单元的输入端，N个功率单元构成一个功率单元组，组内各个功率单元输出侧依次串联形成一相输出，3个功率单元组的输出星形连接形成三相交流输出，每相输出串联一个输出电抗器后直接并网。
本发明还有这样的一些结构特征：
1、所述的风力发电机是带有3N组三相输出的交流发电机，各组输出交流之间可以采用移相或者同相输出方式，采用移相方式配合本发明的功率单元实现方案一可以降低对电机的谐波干扰，提高发电机运行的可靠性；
2、所述的功率单元的第一种实现方案中，功率单元由整流单元、升压斩波单元和逆变单元组成；所述的整流单元由三相桥式二极管不控整流电路组成；所述的升压斩波单元由至少一个升压斩波器构成，多个升压斩波器并联连接，每个升压斩波器包括前端稳压电容器、储能电感、全控开关器件、二极管和输出端母线电容器，储能电感和二极管串联连接，储能电感和二极管串联节点处并联全控开关器件，储能电感和二极管支路的首尾两端分别并联稳压电容器和输出端母线电容器；
3、所述的功率单元的第二种实现方案中，功率单元由三相输入电抗器、三相桥式全控整流单元、滤波电容器和逆变单元组成，三相输入电抗器连接三相桥式全控整流单元，三相桥式全控整流单元两端并联滤波电容器，滤波电容器两端并联逆变单元；
4、所述的三相桥式全控整流单元由三相桥臂并联而成，每个桥臂由两个全控开关器件串联，每个开关器件并联反向续流二极管，开关器件采用IGBT或IGCT；
5、所述的逆变单元由单相全桥可控逆变电路构成，单相全桥可控逆变电路由由两组桥臂并联而成，每个桥臂由两个全控开关器件串联而成，串联的中间点作为每个功率单元的输出。
本发明是一种全新的技术思路，它摒弃了现有技术方案的全功率低压变换最后升压的技术思路，在发电机侧引出多组交流输出，每组输出分别进行AC/DC/AC变换后再在最后的逆变环节串联，从而使每一个功率单元的功率大大降低，非常适用于大功率变换的场合，同时由于各功率单元的逆变部分直接串联输出高压，可以无需经过升压变压器而直接并网，由于采用了直接变换输出高压的技术，***的效率得到提高。
本发明采用多个功率单元分别变换最终再串联的技术方案，每一个功率单元的输出电压较低、功率较小，降低了对功率器件耐压和电流的要求，可以采用当前市场上最常用的1200V或1700V，600A以下的功率器件，降低了***成本，提高了***的可靠性。
对发电机输出各组三相交流信号的相位进行适当的移相，再配合本发明中功率单元第一种实现方案，可以使变换装置对发电机的谐波干扰非常小，提高发电机的运行效率和运行可靠性。
对各个功率单元中的逆变单元的工作状态进行适当控制可以使各功率单元的输出PWM波形的相位有一定的相位差，从而形成多电平输出的方式，与两电平或三电平的PWM输出相比，本方法可以在同样开关频率的情况下使输出谐波大大降低，无需输出滤波环节就可以满足国家标准中对电网谐波的严格要求，减少了***的成本和损耗，同时由于采用多个功率单元移相PWM的方式，每个功率单元的逆变桥部分的功率器件的开关频率只有整机开关频率的1/N，减小了器件的开关损耗。
本发明可以实现直接逆变上网，与现有技术相比省掉了输出升压变压器，减少了***的成本和损耗。
变换装置的三相输出与电网间串接三个电抗器，控制变换装置的输出电压与电网电压的电压差就可以实现上网电能的功率因数从容性到阻性到感性的连续可调，可以根据电网的功率因数情况调节本变换装置输出的功率因数，保证电网的电能质量。
本发明功率单元的两种实现方案均可以实现当风力发电机的输出电压变化时，功率单元的直流母线电压基本保持不变，从而保证了风力发电装置在较大的风速变化范围内均能有高质量的并网电能输出。
(四)附图说明
图1是本发明所述的风力发电直接并网电力变换装置原理图。
图2是本发明所述的功率单元第一种实现方案原理图。
图3是本发明所述的功率单元第二种实现方案原理图。
(五)具体实施方式
下面结合图1-3和具体实施对本发明作更详细的描述：
结合图1，本发明的主电路结构包括：风力发电机Gen、与风力发电机相连的3个功率单元组以及与3个功率单元组相连的输出电抗器(L1～L3)。风力发电机的每一组独立三相输出分别连接一个功率单元的输入端，N个功率单元(AN～A1、BN～B1或CN～C1)构成一个功率单元组，组内各个功率单元输出侧依次串联形成一相输出，3个功率单元组的输出星形连接形成三相交流输出，每相输出串联一个输出电抗器后直接并网。
实施例1：
结合图2，功率单元的第一种实施方案，功率单元包括整流单元、升压斩波单元和逆变单元。
功率单元中的整流单元具体的实现方式是将六只二极管(D1～D6)分成两两一组，分别是D1和D4、D3和D6、D5和D2，然后将每组中的两个二极管首尾相连构成三组桥臂，三相输入分别依次连接在三组桥臂的中间点A1、B1、C1，形成三相桥式不控整流单元。整流单元输出侧连接升压斩波单元。
升压斩波单元由至少一个升压斩波器并联连接，每个升压斩波器包括前端稳压电容器C11、储能电感L1、带续流二极管D11的全控开关器件T11、二极管D7和输出端母线电容器C12，储能电感L1和二极管D7串联连接，储能电感L1和二极管串联D7节点处并联全控开关器件T11，储能电感L1和二极管D7支路的首尾两端分别并联前端稳压电容器C11和输出端母线电容器C12。升压斩波器中的输出端母线电容器C12两端并联逆变单元。当变换装置功率比较大时，可以采用多个升压斩波器并联的方案，各个并联的升压斩波器的结构完全相同，并联时只需将各斩波器两端电容的对应点直接相连即正极与正极相连，负极与负极相连。根据功率单元的功率以及直流母线电压的幅值不同，前端稳压电容器C11和输出端母线电容器C12可以采用多个电容器串并联来实现。
逆变单元由四个功率开关器件(T21～T24)以及与每个功率开关器件反并联的续流二极管(D21～D24)组成，四个功率开关器件两两一组，分别是T21和T24、T23和T22，将每组中的两个开关器件首尾相连形成一个桥臂，桥臂的中间点U11、U12作为功率单元的输出从而构成单相全桥逆变电路。每个功率单元组的各个功率单元串联时，各功率单元的输出点U11与本组上一个功率单元的输出点U12相连，最下面的一个功率单元的输出点U12与其它两组的最下面的功率单元的输出点U12连接在一起作为三相交流输出的中性点，最上面的一个功率单元的输出点U11与输出电抗器的一端相连，输出电抗器的另一端接电网的一相。
实施例2：
结合图3，功率单元的第二种实施方案，功率单元包括三相输入电抗器、三相桥式全控整流单元、滤波电容器和逆变单元。
风力发电机的一组三相输出经过三相电抗器LA、LB和LC连接到三相桥式全控整流单元中的三个桥臂的中间点A2、B2和C2。三相桥式全控整流单元由三个桥臂并联而成，每个桥臂由两个功率开关器件(分别是T31和T34、T33和T36、T35和T32)首尾相连构成，每个功率开关器件反并联一个续流二极管(分别为D31～D36)。整流单元输出的脉动直流电压经与整流单元并联连接的滤波电容器C31滤波后成为直流电，单相全桥逆变电路并联在电容器C31的两端。单相全桥逆变电路由四个功率开关器件(T21～T24)以及与每个功率开关器件反并联的续流二极管(D21～D24)组成，四个功率开关器件两两一组，分别是T21和T24、T23和T22，将每组中的两个开关器件首尾相连形成一个桥臂，桥臂的中间点U21、U22作为功率单元的输出。
实施例2与实施例1的主要区别在于，实施例1采用二极管不控整流加升压斩波的方式实现当风力发电机输出交流电压幅值变化的情况下保持功率单元的直流母线电压幅值基本不变，该方案实现简单，成本较低，但是需要结合风力发电机的输出移相技术达到对风力发电机的谐波影响小的目的。实施例2则直接采用可控整流的方式，通过控制六个功率开关器件的工作状态实现稳定直流母线电压以及提高输入功率因数和降低输入谐波的目的，该方案对发电机无移相要求，但控制复杂，成本较高。

Claims (3)

1、一种风力发电直接并网电力变换装置，它包括风力发电机，其特征是它还包括与风力发电机相连的3个功率单元组以及与3个功率单元组相连的输出电抗器，风力发电机的每一组独立三相输出分别连接一个功率单元的输入端，N个功率单元构成一个功率单元组，组内各个功率单元输出侧依次串联形成一相输出，3个功率单元组的输出星形连接形成三相交流输出，每相输出串联一个输出电抗器后直接并网。
2、根据权利要求1所述的风力发电直接并网电力变换装置，其特征在于：所述的功率单元的第一种实现方案，功率单元由整流单元、升压斩波单元和逆变单元组成，风力发电机每组独立三相输出连接整流单元，整流单元连接升压斩波单元，升压斩波单元连接逆变单元，整流单元由三相桥式二极管不控整流电路组成，升压斩波单元由至少一个升压斩波器构成，多个升压斩波器并联连接，每个升压斩波器包括前端稳压电容器、储能电感、全控开关器件、二极管和输出端母线电容器，储能电感和二极管串联连接，储能电感和二极管串联节点处并联全控开关器件，储能电感和二极管支路的首尾两端分别并联稳压电容器和输出端母线电容器；逆变单元由一个单相全桥可控逆变电路构成，单相全桥可控逆变电路由两组桥臂并联而成，每个桥臂由两个全控开关器件串联而成，串联的中间点作为每个功率单元的输出。
3、根据权利要求1所述的风力发电直接并网电力变换装置，其特征在于：所述的功率单元的第二种实现方案，功率单元由三相输入电抗器、三相桥式全控整流单元、滤波电容器和逆变单元组成，三相输入电抗器连接三相桥式全控整流单元，三相桥式全控整流单元两端并联滤波电容器，滤波电容器两端并联逆变单元，其中三相桥式全控整流单元由三相桥臂并联而成，每个桥臂由两个全控开关器件串联，每个开关器件并联反向续流二极管，开关器件采用IGBT或IGCT；逆变单元由单相全桥可控逆变电路构成，单相全桥可控逆变电路由由两组桥臂并联而成，每个桥臂由两个全控开关器件串联而成，串联的中间点作为每个功率单元的输出。
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