CN102931685A - 用于风力发电***的变流装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于风力发电***的变流装置。所述变流装置包括：滤波器，连接到所述风力发电***的风力发电机；第一变流器，连接到所述滤波器；第二变流器，连接到电网侧的变压器；串联连接在连接第一变流器和第二变流器的正直流母线和负直流母线之间的第一电容器和第二电容器，其中，作为所述正直流母线和负直流母线的中性点的连接第一电容器和第二电容器的节点接地。

Description

用于风力发电***的变流装置

技术领域

本发明涉及风力发电***的变流装置，更具体地讲，涉及一种能够降低风力发电机组的变流器共模电压的变流装置。

背景技术

目前兆瓦级双馈风力发电***和直驱风力发电***中一般采用如图1和图2所示的背靠背的双PWM变流器作为电能变换器，这种变换器采用电力电子开关器件。

在图1和图2所示的风力发电***中，滤波器10(例如，du/dt滤波器)用于降低发电机侧共模及差模电压，发电机侧的变流器20具有向双馈发电机(DFIG)或永磁发电机(PMSG)提供交流励磁的功能，串联连接在直流母线之间的均压电阻30a和30b具有对支撑电容器40的两端执行均压的作用，支撑电容器40用于稳定直流母线电压及提供开关瞬态电流；电网侧的变流器50，具有整流功能并且能够控制直流母线电压稳定。

但是，具有上述结构的风力发电***中，由于高频开关过程将导致电机端电压存在零序分量，即，共模电压。

在如图1和2所示的现有的风力发电***中，变流器直流母线中性点(即，O点)相对地的电压(即，电网侧的共模电压)为：

$V_{\mathrm{ON}2}=\frac{V_{\mathrm{PN}2}+V_{\mathrm{NN}2}}{2}=V_{{\mathrm{CM}}_{\mathrm{grid}}}---\left(1\right)$

其中，V_ON2为直流母线中性点O相对于地点N₂的电压，V_pN2和V_NN2分别为直流母线正(即，P点)/直流母线负(即，N点)相对于地点N₂的电压，V_CMgrid为变流器的电网侧的共模电压。

发电机中性点电压(即，电机侧的共模电压)为：

$V_{N1O}=\frac{V_{N1P}+V_{N1N}}{2}=V_{{\mathrm{CM}}_{\mathrm{gen}}}---\left(2\right)$

其中，V_N1O为发电机中性点N₁相对于直流母线中性点O的电压，，V_N1P和V_N1N分别为发电机中性点N1相对于直流母线正(即，P点)/直流母线负(即，N点)的电压，V_CMgen为变流器电机侧的共模电压。

由上述等式(1)和(2)，可以确定发电机中性点对地总的共模电压为：

$V_{N1N2}=V_{N1O}+V_{\mathrm{ON}2}=V_{{\mathrm{CM}}_{\mathrm{grid}}}+V_{{\mathrm{CM}}_{\mathrm{grid}}}+V_{{\mathrm{CM}}_{\mathrm{gen}}}=V_{\mathrm{CM}}---\left(3\right)$

其中，V_N1N2为发电机中性点N₁相对于地点N₂的电压。

因此，发电机的A点相对于地点N₂的电压则为：

V_AN2＝V_AN1+V_N1N2＝V_AN1+V_CM                                     (4)

其中，V_AN2为电机的相电压V_AN1与V_N1N2之和。电机相电压峰值在较高水平，电机绕组的绝缘中更容易出现起晕等现象，寿命缩短。

假设直流母线电压为1200V，则直流母线中性点O相对变压器中性点N2的电压波形如图3所示，电机侧的整流器的交流相对直流母线中性点O的电压波形如图4所示，电机侧的变流器的交流侧相电压峰值(即，VAN2)如图5所示，此电压峰值可达1200V，发电机将运行在峰值较高的电压水平。

即，在具有上述结构的现有的风力发电***中，较高的共模电压将使电机承受的电应力大为增加，从而使电机绕组绝缘失效的几率大为增加。对于双馈发电机，高的共模电压会通过定子与转子之间的耦合电容产生轴电压和轴承电流，造成轴承损坏，降低电机的使用寿命。此外，高频共模电压还会通过寄生电容产生高频对地漏电流，导致产生电磁干扰(EMI)，影响***其它电气设备的正常工作。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了通过将变流器的直流母线中性点接地来降低发电机侧的共模电压的用于风力发电***的变流装置。

根据本发明的示例性实施例的一种用于风力发电***的变流装置包括：滤波器，连接到所述风力发电***的风力发电机；第一变流器，连接到所述滤波器；第二变流器，连接到电网侧的变压器；串联连接在连接第一变流器和第二变流器的正直流母线和负直流母线之间的第一电容器和第二电容器，

其中，作为所述正直流母线和负直流母线的中性点的连接第一电容器和第二电容器的节点接地。

另外，所述滤波器包括阻容吸收电路和串联电感器。

另外，所述滤波器的阻容吸收电路的中性点接地。

另外，所述电网侧的变压器的中性点接地。

另外，所述风力发电***为双馈风力发电***或直驱风力发电***。

根据如上所述的根据本发明的用于风力发电***的变流器***，由于变流器的直流母线中性点接地，所以能够抑制发电机侧的共模电压，同时减小发电机轴承电流，提高了风力发电机的寿命。

附图说明

通过下面结合附图对实施例进行的描述，本发明的这些和/或其他方面和优点将会变得清楚和更易于理解，其中：

图1为示出根据现有技术的用于双馈风力发电***的变流装置的示图；

图2为示出根据现有技术的用于直驱风力发电***的变流装置的示图；

图3至图5分别为示出根据现有技术的直流母线中线点的电压、发电机侧的整流器的交流侧的电压以及发电机侧的整流器交流侧的相电压的示图；

图6为示出根据本发明的实施例的用于双馈风力发电***的变流装置的示图；

图7为示出根据本发明的实施例的用于直驱风力发电***的变流装置的示图；

图8为示出应用根据本发明的实施例的变流装置时的发电机的相电压波形的示图；

图9为示出直流母线的中性点接地条件下实际测量的发电机的相电压波形的示出；

图10为示出根据本发明的另一实施例的用于双馈风力发电***的变流装置的示图；

图11为示出根据本发明的另一实施例的用于直驱风力发电***的变流装置的示图。

具体实施方式

现在对本发明实施例进行详细的描述，其示例表示在附图中，其中，相同的标号始终表示相同部件。下面通过参照附图对实施例进行描述以解释本发明。

图6和图7分别示出根据本发明的实施例的用于双馈风力发电***和直驱风力发电***的变流装置。

如图6和7所示，所述用于风力发电***的变流装置包括：滤波器110，连接到所述风力发电***的风力发电机；发电机侧的变流器120(以下称作“第一变流器”)，连接到所述滤波器110；电网侧的变流器140(以下称作“第二变流器”)，连接到电网侧的变压器；第一电容器130a，具有连接到连接第一变流器120和第二变流器140的正直流母线的第一端和连接到地的第二端；第二电容器130b，具有连接到第一电容器130a的第二端的第一端和连接到连接第一变流器120和第二变流器140的负直流母线的第二端。

这里，连接第一电容器和第二电容器的节点(对应于第一电容器的第二端和第二电容器的第一端)是所述正直流母线和负直流母线的中性点，即，第一电容器和第二电容器优选为相同的电容器。

上述的滤波器110、第一变流器120和第二变流器140与图1和图2所示的滤波器以及发电机侧的变流器和电网侧的发电机侧的所执行的功能相似，因此将省略对其的进一步描述。

这里，如图6和图7所示，所述滤波器110优选地采用du/dt滤波器，并由串联电感器和阻容吸收电路组成。例如，如图6和7所示，每一相可包括并联的电感器和阻容吸收电路，而阻容吸收电路包括串联的电阻器和电容器。

在图6和图7所示的变流装置中，V_ON2＝0，即，

所以可以得到：

$V_{N1N2}=V_{N1O}=\frac{V_{N1P}+V_{N1N}}{2}=V_{{\mathrm{CM}}_{\mathrm{gen}}}$

与如图1和图2所示的采用现有的变流装置的风力发电***相比，发电机中性点相对于地的电压中少了电网侧的变流器的共模电压，因此，电机中性点相对于地的电压减小，发电机相对于地的电压减小，同时发电机的轴承电流也将相应减小。

图8为示出应用根据本发明的实施例的变流装置时的发电机的相电压波形的示图。如图8所示，当直流母线电压为±600V时，发电机(取自发电机侧的整流器(未示出)交流侧)相对于地的电压为±600V。与现有的技术方案相比，相电压的峰值降低了50％，而由于直流母线的电位固定，电网侧的逆变器的任何开关动作将不会对发电机侧的共模电压形成影响，考虑到通常情况下电网侧的逆变器更高的开关频率，这意味着通过轴承的高频电流至少将降低50％。

图9为示出直流母线的中性点接地条件下实际测量的发电机的相电压波形的示出。在图9中，由于受长电缆影响此波形比仿真波形电压略高。

图10和图11分别示出根据本发明的另一实施例的用于双馈和直驱风力发电***的变流装置。

如图10、11所示，除了将du/dt滤波器110的阻容吸收电路的中性点连接至直流母线中性点O之外，图10和图11所示的变流装置与图6和图7所示的变流装置相同，因此将省略对重复部分的描述。

在如图10和11所示的变流装置中，由于du/dt滤波器110的阻容吸收电路的中性点连接至直流母线中性点O，所以能更好的发挥du/dt滤波器对高频共模电压的衰减，一般峰值电压可以控制在直流电压的1.2倍以下。

根据如上所述的根据本发明的用于风力发电***的变流器***，由于变流器的直流母线中性点接地，所以能够抑制发电机侧的共模电压，同时减小发电机轴承电流，提高了风力发电机的寿命。

虽然已表示和描述了本发明的一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改。

Claims (5)

1.一种用于风力发电***的变流装置，包括：

滤波器，连接到所述风力发电***的风力发电机；

第一变流器，连接到所述滤波器；

第二变流器，连接到电网侧的变压器；

串联连接在连接第一变流器和第二变流器的正直流母线和负直流母线之间的第一电容器和第二电容器，

其中，作为所述正直流母线和负直流母线的中性点的连接第一电容器和第二电容器的节点接地。

2.根据权利要求1所述的变流装置，其特征在于，所述滤波器为包括阻容吸收电路和串联电感器。

3.根据权利要求2所述的变流装置，其特征在于，所述滤波器的阻容吸收电路的中性点接地。

4.根据权利要求1所述的变流装置，其特征在于，所述的电网侧的变压器的中性点接地。

5.根据权利要求1所述的变流装置，其特征在于，所述风力发电***为双馈风力发电***或直驱风力发电***。

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