CN102142692A - 一种适用于变速风力发电的全功率变流器 - Google Patents
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Abstract
一种适用于变速风力发电的全功率变流器，用来实现风力发电机的变频变压输出到恒频恒压的转换，由电机侧的多脉波自耦调压整流器①和电网侧的阻抗源逆变器②两个部分组成。自耦调压整流器用于将发电机输出的交流电压转换为直流电压，而阻抗源逆变器则负责将电压变化的直流电转成为恒频恒压的交流电，实现并网发电。与现有的全功率变流器相比，本发明所提出的全功率变流器，具有结构简单、可靠性高等突出优点，非常适合于今后海上风力发电等要求少维护甚至免维护的场合使用，具有较好的应用和推广前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种风力发电技术领域的全功率变流器，用来实现发电机的变频变压输出到恒频恒压的转换。
技术背景
风能作为一种绿色的可再生能源，近些年来得到了广泛的开发和利用，尤其是风力发电技术，更是成为国内外当前研究的热点和焦点。根据全球风能协会的统计，2009年全球新增装机容量3820.8万千瓦，同比增长47.3％，连续多年超过30％。我国风电的发展速度更是首屈一指，仅09年新增装机容量1380.33万千瓦，累计装机容量2580.53万千瓦，较上一年增加了115％。
目前，主流的风力发电机组以双馈风力发电机组和永磁直驱风力发电机组为主。其中，永磁直驱全功率变换型机组以其变速运行范围广、风能利用效率高、低电压穿越能力强、对电力***的负面影响小等优点，成为当前发展的主力机型。现有的全功率变换器主要有二极管不控整流+升压斩波+电压源型逆变器(VSI)和背靠背电压源型PWM整流器两种。前者存在发电机的输出电流谐波含量大、功率因数低、机组的转矩脉动大等缺点，多用于中小功率场合。而后者虽然发电机的输出功率因数较高，但数量较多的功率开关器件不仅增加了成本，也降低了***的可靠性。因此，研究和开发新型的功率变换器是我国风电发电面临的一个紧迫课题。Johan Ribrant等在文献《Survey of Failures in WindPower Systems with Focus on Swedish Wind Power Plants during 1997-2005》中客观的分析了当前风电市场上风电机组各个部件的可靠性，结果显示因变流装置等电气设备故障造成的停机时间高达32.5％。可见，提高变流装置的可靠性，是改善风力发电机组的可靠性、减小维护成本的关键。另一方面，我国风电领域的功率变流器仍主要依赖进口，变流器的国产化程度低。因此，研究和发展拥有完全自主知识产权的新型风力发电全功率变换器，是我国风电产业今后发展的主要任务之一。
发明内容：
本发明旨在为全功率变换型风力发电机组提供一种新型的、简单可靠的全功率变换拓扑。
本发明所述的全功率变流器如附图1所示，由电机侧的多脉波自耦调压整流器(附图1①)和电网侧的阻抗源逆变器(附图1②)组成。其特征在于：
1)发电机的输出功率经自耦调压整流器(ATRU)整流后送入直流母线，再由阻抗源逆变器实现并网发电；
2)发电机的三相输出接ATRU的输入滤波电感Lsa、Lsb和Lsc，滤波电感的另一端分别与自耦变压器的a、b、c三端相连。经变压器产生两组三相电压分别超前与滞后于输入15°的三相电压，并经两组二极管不控整流桥后由两个耦合电抗器并联到直流母线；
3)ATRU的输出直流母线经二极管和逆变器阻抗网络L1、L2、C1、C2与三相桥相连，三相桥的输出再经过滤波电感直接并入电网。
与现有的全功率变流器相比，本发明所提出的新型全功率变流器具有如下几个优点：
1)ATRU无功率开关管，结构简单、可靠性高，可有效改善现有变流器故障率高的问题；
2)不同于常规二极管不控整流，ATRU的输入电流呈多个阶梯状(12脉波ATRU为12阶梯)，经滤波电感平滑后可基本保证发电机的输出电流为正弦波，发电机输出电流中的低频谐波含量低，能够有效的降低发电机的转矩脉动和损耗，提高机组的可靠性和发电机的能量转换效率；
3)阻抗源逆变器本身具备升降压的能力，能够与发电机变速运行时ATRU整流后母线电压变化相匹配。阻抗网络的引入使得逆变器可以工作于直通状态，无桥臂直通隐患，抗电磁干扰能力和可靠性得到了大幅提升。
综合上述分析可知，本发明所提出的全功率变流器，具有结构简单、可靠性高等突出优点，非常适合于今后海上风力发电等要求少维护甚至免维护的场合使用，具有较好的应用和推广前景。
附图说明
附图1是本发明的总体结构框图。
附图2是发电机的输出电压和电流波形。
附图3是发电机的输出电压和电流FFT分析结果。
附图4是逆变器输出电压电流波形。
附图1-附图4中的符号定义如表1所示
表1附图符号说明
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术实施方案进行说明：
附图1所示的是本发明提出的一种适用于变速风力发电的全功率变流器的整体结构框图，由发电机侧的ATRU(附图1①)和网侧阻抗源逆变器②组成。ATRU用于将发电机输出的交流电压转换为直流电压，而阻抗源逆变器则负责将电压变化的直流电转成为恒压恒频的交流电，实现并网发电。它们的结构关系如下：
发电机的三相输出接ATRU的输入滤波电感Lsa、Lsb和Lsc，滤波电感的另一端分别与自耦变压器的a、b、c三个端子相连。变压器的a′、b′、c′和a″、b″、c″输出两组三相电压分别超前与滞后于输入电压15°的三相电压。两组电压分别经过三相不控整流桥后由平衡电抗器Lp1、Lp2并接到直流母线电压Cbus两端。该母线电压又作为后级阻抗源逆变器的输入，通过二极管与阻抗网络L1、L2、C1、逆变器的三相桥(由开关管S1、S4、S3、S6、S5、S2构成)相连，三相桥的三个桥臂中点作为逆变器的输出，经滤波电感与电网相连。
为说明本发明的正确性和可行性，以一台永磁直驱风力发电机组为例进行了仿真验证，表2和表3中给出了本实施例中的相关参数。
表2风力机及永磁同步发电机参数
表3ATRU及阻抗源逆变器主要参数
在额定风速下，对变流器的输入输出性能进行了考核。附图2给出了额定风速下发电机的输出电压电流波形(即ATRU的输入电压电流波形)。可以看出，发电机的输出电流具备了很好的正弦度。不过，发电机受容量限制其输出电压出现一定程度的畸变，呈现出阶梯状。附图3给出了发电机的输出电压电流傅里叶(FFT)分析结果，可以看出，两者只含有少量的11、13次谐波。FFT分析结果显示发电机的输出电流THD仅为4.36％，电压THD为10.13％，表明了发电机具有较好的输出电能品质。附图4给出了阻抗源逆变器在额定功率下的并网电流波形，可以看出，其并网效果完全可以媲美传统电压型逆变器。
Claims (1)
1.一种适用于变速风力发电的全功率变流器，由发电机侧的自耦调压整流器和网侧阻抗源逆变器组成。其特征在于：发电机的三相输出接自耦调压整流器的输入滤波电感Lsa、Lsb和Lsc，滤波电感的另一端分别与自耦变压器的a、b、c三个端子相连。变压器的a′、b′、c′和a″、b″、c″输出两组三相电压分别超前与滞后于输入电压15°的三相电压。两组电压分别经过三相不控整流桥后由平衡电抗器Lp1、Lp2并接到直流母线电压Cbus两端。该母线电压又作为后级阻抗源逆变器的输入，通过二极管与阻抗网络L1、L2、C1、C2和逆变器的三相桥(由开关管S1、S4、S3、S6、S5、S2构成)相连，三相桥的三个桥臂中点作为逆变器的输出，经滤波电感与电网相连。
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