CN101795082B - 一种兆瓦级直驱式风电并网软开关变流器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种兆瓦级功率等级的风力发电用全功率并网变流器，特别是兆瓦级直驱式风电并网软开关变流器，属于风电新能源技术领域。技术方案是它包含电机侧三相滤波电容单元、整流单元、升压斩波单元、软开关单元、逆变单元、网侧三相滤波电容单元，各单元之间匹配连接，其特别之处是所述的整流单元由至少一个三相不控二极管整流单元构成或多个三相不控二极管整流单元并联连接构成；所述的升压斩波单元由至少一个升压斩波单元构成或多个升压斩波单元并联连接构成；所述逆变单元由至少一个逆变单元构成或多个逆变单元并联连接构成。本发明的有益效果：电路结构简单，大大降低了变流器的成本；引入了软开关技术，大大降低了功率器件的开关损耗；电路中的整流单元、升压斩波单元、逆变单元都采用的模块化电路，该结构在同等开关电压电流应力的开关器件的基础上，能实现更高的功率等级，并且可以更方便的实现产品的系列化。

Description

一种兆瓦级直驱式风电并网软开关变流器
所属技术领域：
本发明涉及一种兆瓦级功率等级的风力发电用全功率并网变流器，特别是兆瓦级直驱式风电并网软开关变流器，属于风电新能源技术领域。
背景技术：
随着能源问题的日趋严重，能源和环境问题已成为全球可持续发展所面临的主要问题，日益引起国际社会的广泛关注。大力发展新能源成为了解决上述问题的根本途径。其中，风力发电是目前新能源中技术比较成熟、最具规模开发条件和商业化发展前景的发电方式，具有占地少、无污染、建设周期短、装机规模灵活等优点，受到世界各国的广泛关注，在整个世界电力市场上呈现出强劲的发展势头。为了推动并网型风力发电的发展，国家***组织制定的《可再生能源中长期发展规划》中明确要求，2020年全国风电装机容量达到3000万千瓦。众所周知，并网型风力发电***主要包括直驱式风力发电***和非直驱式风力发电***两种形式。其中，变速恒频交流励磁双馈电机风力发电***和直驱多极永磁电机风力发电***是这两种风力发电***的典型代表，也是最有前景的风力发电方案，目前已经成为兆瓦级风电机组的首选方案，同时也是我国风电设备制造业进军兆瓦级风电市场的主攻方向。
非直驱式风力发电***的风轮通过增速齿轮箱接发电机，然后通过变压器并入电网。而直驱式风力发电***中风轮直接接发电机，然后通过变流器并入电网。很显然，直驱式风力发电***与非直驱式风力发电***相比，省去了增速齿轮箱，这样不但减少了风力发电机的体积和重量，而且减少了对齿轮箱的日常维护工作，降低了风电***的噪声、提高了机组寿命和低风速时高效率等多种优点，所以直驱式风力发电***成了现代风力发电***的发展趋势，而作为其并网核心部件的并网变流器性能的好坏对整个***的正常运行起着至关重要的作用，因此直驱式并网变流器的研究成为了风电科技领域的研究热点。
直驱式风力发电机组的并网变流器的功率等级与发电机组相当，发电机发出的电能全部通过变流器转换为频率、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矩，使之实现最大功率输出。与非直驱式风力发电***相比，变流器在发电机组与电网之间使用，实现了发电机组与电网的隔离，转速与电网频率之间的耦合问题获得了很好的解决，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长期处于领先地位，很多风电设备制造商，如Enercon、ABB、Siemens等都推出了2MW～5MW的相关产品。其中德国风电设备巨头Enercon公司采用如图1所示的主电路拓扑结构。这是一种技术最为成熟、运行最为可靠，适应范围广泛的技术方案。但其控制***较为复杂，没有考虑功率开关器件的开关损耗问题，而在MW级领域，功率开关器件的开关损耗问题是一个不容忽视的问题，随着功率等级的越来越大，其危害越来越严重甚至能导致器件的烧毁。为了减少功率器件的开关损耗，ABB公司采用三电平的主电路结构应用在兆瓦级以上的风电***中，该***能大大降低每个开关器件的开关损耗，产生很低的电流电压谐波畸变率，需要的滤波装置容量小。但是与两电平的主电路结构相比功率开关器件的用量增加了一倍，大大的增大了成本。
目前，国内在兆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，特别是在2MW及以上功率等级变流器方面还完全处于空白阶段，严重制约了我国风电设备制造业国产化的顺利进行。
发明内容：
本发明目的是提供一种兆瓦级直驱式风电并网软开关变流器，电路结构简单，降低风电设备的成本，解决背景技术中存在的上述问题。
本发明的技术方案是：
兆瓦级直驱式风电并网软开关变流器，它包含电机侧三相滤波电容单元、整流单元、升压斩波单元、软开关单元、逆变单元、网侧三相滤波电容单元，各单元之间依次匹配连接，其特别之处是：所述的整流单元由至少一个三相不控二极管整流单元构成或多个三相不控二极管整流单元并联连接构成；所述的升压斩波单元由至少一个升压斩波单元构成或多个升压斩波单元并联连接构成；所述逆变单元由至少一个逆变单元构成或多个逆变单元并联连接构成。
本发明采用软开关技术来控制来解决功率开关器件损耗大的问题。
本发明中主电路采用的功率开关器件可以为IGCT，但不限于IGCT。
本发明工作时，由于风速处出于不断的变化中，风力机带动风力发电机输出三相频率及幅值都变化的交流电，经过发电机侧的三相滤波电容单元后进入整流单元。整流单元将三相幅值频率均变化的的交流电整流成多脉波的幅值变化的直流电。直流电经升压斩波单元后变为幅值稳定的直流母线电压，然后再谐振单元的调理下馈入逆变单元。逆变单元在控制***的控制下把直流电转变为与电网电压同频同相交流电，经并网变压器并入电网。因为升压斩波单元的存在，即使在较低的风速下，也能保证直流母线电压的稳定。
本发明的有益效果：电路结构简单，大大降低了变流器的成本；引入了软开关技术，大大降低了功率器件的开关损耗；电路中的整流单元、升压斩波单元、逆变单元都采用的模块化电路，该结构在同等开关电压电流应力的开关器件的基础上，能实现更高的功率等级，并且可以更方便的实现产品的系列化。
本发明产品电路结构简单，不但大大降低了风电设备的成本，而且可以提高我国在世界风电设备制造领域的地位和影响力，为我国风电设备的出口，提升在世界风电市场上的地位奠定了坚实的基础。
附图说明：
图1是背景技术中背靠背式永磁直驱式变流器示意图。
图2是本发明示意图。
图中：风力机1、发电机2、并网变压器3、电网4。
具体实施方式：
以下结合附图，通过实施例对本发明作进一步说明。
参照附图2，在实施例中，本发明位于兆瓦级的风力机1、发电机2、与并网变压器3、电网4之间，兆瓦级直驱式风电并网软开关变流器包括：发电机侧三相滤波电容器Cf1，整流器单元、升压斩波单元、软开关单元、逆变单元、网侧三相电容滤波器Cf2。风力机1、发电机2连接三相滤波电容器，三相滤波电容器连接整流器单元，整流器单元连接升压斩波单元，升压斩波单元连接软开关单元，软开关单元连接逆变器单元，逆变器单元连接三相滤波电容器，三相滤波电容器连接并网变压器3，并网变压器连接工频电网4。
整流单元是由三相不可控二极管整流器构成，其包括六个二极管(D1～D6)。升压斩波单元由滤波电感L、功率开关器件V、二极管D、电容C组成。软开关单元是由功率开关管(Va、Vb)，分压电容(Ca、Cb)，续流二极管(Da，Db)，电感Lr组成。逆变单元由功率开关器件(V1～V6)，续流二极管(D31～D36)，滤波电容(C31～C36)构成。具体实施方式主要分为两步：
①构建各个单元环节，包括整流单元、升压斩波单元、软开关PWM单元和逆变单元。
首先构建整流单元；先将六个二极管((D1～D6)两两一组，分别是D1和D2、D3和D4、D5和D6，然后将每组中的两个器件首尾相连组成一相桥臂，最后将三相桥臂并联组成三相整流单元。如果有多个整流单元，把多个桥臂的两端并联即可。
其次构建升压斩波单元；将电感L和二极管D串联，然后在其节点处并联一功率开关器件V，最后在L-D支路的末端并联一电容器。若升压斩波单元是由多个升压斩波器构成，只需将每个升压斩波器并联即可。
紧接着构建软开关单元；将功率开关器件Va和分压电容Ca、Cb串联，然后将功率开关器件Vb和电感Lr串联后，并联在功率开关器件Va和分压电容Ca、Cb的连接点处，最后续流二极管Da、Db分别并在功率开关器件Va、Vb两端。
最后构建逆变单元；将六只功率开关器件(V1～V6)两两一组，分别是V1和V2，V3和V4，V5和V6，然后将每组中的两个器件首尾相连组成一相桥臂，进而将三相桥臂并联组成三相逆变单元，最后二极管(D31～D36)和滤波电容(C31～C36)并联在每个功率开关器件上。
②将风力发电机经过发电机侧三相滤波电容器Cf1连接到整流器单元，然后将整流单元、升压斩波单元、软开关谐振单元和逆变单元顺序连接，最后将逆变单元通过网侧三相滤波电容器Cf2，连接到并网变压器后并入电网。

Claims (1)

1. 一种兆瓦级直驱式风电并网软开关变流器，它包含电机侧三相滤波电容单元、整流单元、升压斩波单元、软开关单元、逆变单元、网侧三相滤波电容单元，各单元之间依次匹配连接，其特征在于所述的整流单元由至少一个三相不控二极管整流单元构成或多个三相不控二极管整流单元并联连接构成；所述的升压斩波单元由至少一个升压斩波单元构成或多个升压斩波单元并联连接构成；所述逆变单元由至少一个逆变单元构成或多个逆变单元并联连接构成；软开关单元为：将功率开关器件Va和分压电容Ca、Cb串联，然后将功率开关器件Vb和电感Lr串联后，并联在功率开关器件Va和分压电容Ca、Cb的连接点处，最后续流二极管Da、Db分别并在功率开关器件Va、Vb两端。
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