CN103997195A - 多绕组风力发电机的变流器的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例提供一种多绕组风力发电机的变流器的实验装置，其包括被测试的变流器、环流变压器以及移相变压器，变流器为被动整流型变流器，变流器包括与风力发电机的多个绕组相对应的多个绕组输入端，环流变压器的一端连接在被测试变流器的网侧输出端，环流变压器的另一端与电网和移相变压器的一次侧连接，移相变压器二次侧包括与绕组输入端对应的多组二次侧绕组，相邻的二次侧绕组输出的电压的相位相差一个预定的相位角。本实施例的变流器的实验装置，通过移相变压器使相邻的各二次侧绕组输出的电压的相位彼此相差一个预定的相位，能够减少整流后的电流的高次谐波的含量，降低对电网的影响。

Description

多绕组风力发电机的变流器的实验装置

技术领域

本发明涉及一种变流器的实验装置，尤其涉及一种多绕组风力发电机的变流器的实验装置。

背景技术

目前，变速恒频已经成为兆瓦级以上风力发电机组的主流技术。利用变流器来实现变速恒频的技术方案是最为成熟的，也是应用范围最为广泛和最具发展前景的技术。变流技术的应用不仅有利于机组提高效率，同时对机组的并网和对电网的安全稳定运行起到了良好效果，因此，变流器在风力发电机组中起到至关重要的作用。

为了对变流器性能进行测试，需要对变流器进行各种实验，其主要的方式是利用电网提供电能，在变流器的电网侧的网侧输出端与电网之间串接一个环流变压器，并且将环流变压器的输出端引出到变流器的绕组输入端，作为模拟风力发电机的绕组，向变流器输入电流，从而形成环流回路，该环流回路长时间通过额定负载电流，从而对变流器进行各种实验。

对于多绕组的风力发电机组，变流器1包括与风力发电机的多个绕组相对应的多个绕组输入端11，变流器内部的机侧电路一般采用被动整流的方式，各个绕组输入端直接与变流器内部的二极管整流桥12对应连接。如图1所示，其为现有技术的多绕组风力发电机的变流器的实验装置的结构示意图，图1仅示出了双绕组的情形，两个绕组输入端11经由电机侧断路器13连接在内部的六桥臂的二极管整流桥12上，在变流器的网侧输出端14上，连接有环流变压器2，环流变压器2的输出端与电网连接，同时也将输出端的线路一分为二，引出至变流器1的绕组输入端11，然后再分别连接在二极管整流桥12的六个桥臂上。图1所示的变流器的其他主要部件还包括：主断路器15，斩波制动16、逆变器17、电压测量端18、电流测量端19、机舱连接端20、风力发电机主控***连接端21。

发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在如下问题：变流器电机侧的整流为被动整流的多脉波整流方式，其对电网侧将造成谐波增大的影响，并且使功率因数偏低。以图1所示的双绕组的风力发电机的二极管整流桥来说，整流后的电流中包含了5次和7次谐波的成分很高，输入到电网后，将会造成电网侧的5次和7次谐波的增大，对电网侧造成严重的影响。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种多绕组风力发电机的变流器的实验装置以减少整流后的谐波成分，降低对电网侧的影响。

本发明的实施例提供一种多绕组风力发电机的变流器的实验装置，其包括被测试的变流器、环流变压器以及移相变压器，所述变流器为被动整流型变流器，所述变流器包括与风力发电机的多个绕组相对应的多个绕组输入端，所述环流变压器的一端连接在所述被测试变流器的网侧输出端，所述环流变压器的另一端与电网和所述移相变压器的一次侧连接，所述移相变压器二次侧包括与所述绕组输入端对应的多组二次侧绕组，相邻的二次侧绕组输出的电压的相位相差一个预定的相位角。

本实施例的变流器的实验装置，通过移相变压器使相邻的各二次侧绕组输出的电压的相位彼此相差一个预定的相位，这样，各组二次侧绕组的输出的电压输入到变流器中的二级管整流桥后，由于存在相位差，经过二极管整流后的电流的部分高次谐波将会相互抵消，减少部分高次谐波的含量，对电网的影响会降低。

其中，所述变流器可以为双绕组风力发电机的变流器，所述移相变压器的二次侧包括两组二次侧绕组，所述两组二次侧绕组输出的电压的相位相差30度。

对于双绕组的风力发电机的变流器，通过将两组二次侧绕组输出的电压的相位错开30度，相当于对从绕组输入端输入的电流进行了12脉波整流，整流后的电流波形相对于6脉波整流而言，更加平滑，并且5次与7次谐波含量大幅度降低。

其中，所述移相变压器的一次侧绕组可以采用星形连接或者三角形连接，在两组二次侧绕组中，一组二次侧绕组采用星形连接，另一组二次侧绕组采用三角形连接。

该连接方式以简单的结构实现了二次侧两组绕组的相位相差30度，从而降低整流后的电流的5次与7次谐波含量。

其中，所述变流器可以为三绕组风力发电机的变流器，所述移相变压器的二次侧包括三组二次侧绕组，相邻的二次侧绕组输出电压的相位相差20度。

对于三绕组风力发电机的变流器，通过移相变压器将二次侧绕组输出电压的相位错开20度，能够显著减少5、7、13、15、17次谐波。

其中，所述变流器可以为四绕组风力发电机的变流器，所述移相变压器的二次侧包括四组二次侧绕组，相邻的二次侧绕组输出电压的相位相差15度。

对于四绕组风力发电机的变流器，通过移相变压器将二次侧绕组输出电压的相位错开15度，能够显著减少5、7、13、15、17次谐波。

附图说明

图1为现有技术的多绕组风力发电机的变流器的实验装置的结构示意图。

图2为本发明实施例一的多绕组风力发电机的变流器的实验装置的结构示意图。

图3为本发明实施例二的移相变压器的结构示意图。

图4为本发明实施例二的移相变压器的各相电压的相量图。

图5为6脉波整流后电流信号的时域仿真图。

图6为6脉波整流后的电流信号的频谱仿真图。

图7为12脉波整流后的电流信号的时域仿真图。

图8为12脉波整流后的电流信号的频域仿真图。

图9为本发明实施例二的网侧实测电流的时域图。

图10为本发明实施例二的网侧实测电流的频域图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例的多绕组风力发电机的变流器的实验装置进行详细说明。

实施例一

如图2所示，其为本发明实施例一的多绕组风力发电机的变流器的实验装置的结构示意图，包括被测试的变流器1、环流变压器2以及移相变压器3，变流器为被动整流型变流器，变流器1包括与风力发电机的多个绕组相对应的多个绕组输入端11，环流变压器2的一端连接在被测试变流器的电网侧输出端14上，环流变压器2的另一端与电网和移相变压器3的一次侧连接，移相变压器3的二次侧包括与绕组输入端对应的多组二次侧绕组，相邻的二次侧绕组输出的电压的相位相差一个预定的相位角。在被动整流型变流器中，机侧电路具有二极管整流桥12，二极管整流桥12的桥臂数量与风力发电机的绕组数量的三倍相同，在绕组输入端11与二极管整流桥12之间设置有电机侧断路器13。图2仅示例性的示出了双绕组风力发电机的变流器情形，对于更多绕组的风力发电机的变流器，移相变压器3的输出端以及变流器的绕组输入端将相应增多，内部的二级管整流桥12的桥臂数量也相应增多。此外，为了简化说明，图2仅对与本发明实施例的改进点直接相关的部分标注了标号。

本实施例的变流器的实验装置，通过将从移相变压器3输出端分支出来的多组与绕组个数对应的多组二次侧绕组的电压进行移相处理，使相邻的各二次侧绕组输出的电压的相位彼此相差一个预定的相位，这样，各组二次侧绕组的输出的电压输入到变流器中的二级管整流桥12后，由于存在相位差，经过二极管整流后的电流的部分高次谐波将会相互抵消，减少部分高次谐波的含量，对电网的影响会降低。

对于移相变压器3的具体设计，可以通过配置移相变压器3的一次侧和二次侧的绕组来实现多组二次侧绕组的电压之间产生指定的相位差。

实施例二

在风力发电机组中较多采用的是双绕组、三绕组和四绕组的发电机，而最常用的是双绕组风力发电机，因此，在本实施例中，将以双绕组的风力发电机的变流器的实验装置为例，来进一步介绍本发明的技术方案。

如图2所示，在现有技术的双绕组风力发电机的被动整流变流器中，二极管整流桥12进行的是6脉波整流，其整流后的电流中产生的5次与7次谐波较大。而通过移相变压器3，使输入到二极管整流桥12的两组电压相互错开一定相位角，从而在一定程度上减少整流后的电流中存在的5次与7次谐波。优选地，两组二次侧绕组输出的电压的相位相差30度，此时，二极管整流桥12相当于对从绕组输入端输入的电流进行了12脉波整流，整流后的电流波形相对于6脉波整流而言，更加平滑，并且5次与7次谐波含量大幅度降低。

进一步地，本实施例的移相变压器的移相原理如下：在本实施例中，基于一次侧绕组为星形连接(也可以采用三角形连接)、二次侧为延边三角形的顺延接法的移相变压器的结构来介绍移相原理。

如图3所示，其为本发明实施例二的移相变压器的结构示意图，为了简化说明，在移相变压器的二次侧仅示出了一组绕组，其中，一次侧绕组为星形连接，三个端点分别为A、B、C，三相绕组分别用X、Y、Z表示，二次侧绕组为延边三角形连接，三角形部分的三相绕组分别用x、y、z表示，延边部分的三个端点分别为a、b、c。图4为本发明实施例二的移相变压器的各相电压的相量图，图4中的各个向量的名称与图3的变压器的结构是相对应的，图4的左侧部分示出的是移相变压器的一次侧的电压的向量图，右侧示出的是移相变压器的二次侧的电压的向量图，其中，V_CZ、V_BY、V_AX以及V_AB分别对应一次侧的各点之间的电压的有效值，V_cz、V_by、V_ax以及V_ab分别对应二次侧的各点之间的电压的有效值，V_Q是匝数为N₃的线圈的电压的有效值。

本实施例的移相变压器为三相交流变压器，并且各相绕组是对称的，图3所示的结构示意图中，设一次侧绕组的每相匝数为N₁，二次侧绕组的三角形绕组部分的每相匝数为N₂，延边部分每相的匝数为N₃，二次侧绕组相对于一次侧绕组的移相角δ的计算式如下式：

$\mathrm{\δ}=\∠\stackrel{\‾}{V_{\mathrm{ab}}}-\∠\stackrel{\‾}{V_{\mathrm{AB}}}$    式(1)

其中：和分别是与一次侧绕组和二次侧绕组的电压V_ab与V_AB对应的相量表示。以一次侧绕组的电压V_AB为参考电压，规定V_ab超前V_AB的移相角δ为正。为计算移相变压器的匝数比，可以从相量图V_Q、V_by和V_ab组成的三角形中得到如下关系：

   式(2)

对式(2)进行分析可知，如果N₂＝0，则延边三角形的二次侧绕组变成星形连接，这样二次侧绕组的电压与一次侧绕组的电压的相位是一致的，即δ等于0度；如果N₃＝0，则二次侧绕组变成三角形连接，不存在延边部分，这时δ等于30度，即二次侧绕组与一次侧绕组的相位差为30度。由此可知，δ的范围是0°≤δ≤30°。其中，V_Q是匝数为N₃的线圈的电压的有效值；V_by为b、y两点间电压的有效值，V_ax为a、x两点间电压的有效值。由于该移相变压器是一个三相对称***，故V_by与V_ax的值相同，所以式(2)可变为：

   式(3)

整理得：

   式(4)

从式(4)式可以看出，当δ值一定时，那么二次侧绕组的延边部分的匝数N₃与总匝数N₂+N₃的比值可确定，同理可得出：

   式(5)

由于该移相变压器是一个三相对称***，V_AB＝3V_AX，V_AB为A、B两点间的电压的有效值，V_AX为A、X两点间的电压的有效值。

由此可见，当一次侧绕组为星形连接或三角形连接，二次侧为延边三角形连接时，二次侧的绕组可以相对一次侧绕组的相位错开0°≤δ≤30°，具体错开的角度，可以通过设置二次侧的延边绕组匝数N₂和N₃来实现。

较为简单的做法是，移相变压器的一次侧绕组采用星形连接或者三角形连接，在两组二次侧绕组中，一组二次侧绕组采用星形连接，另一组二次侧绕组采用三角形连接。通过该连接方式连接的移相变压器，二次侧的两组绕组之间的相位角相差30度。在实验装置中加入了该移相变压器后，对电网侧的单相电流进行傅里叶分析，展开后成为下式：

$\begin{array}{c}{i}_A=\frac{4\sqrt{3}}{\mathrm{\π}}{I}_d[\sin \mathrm{\ωt}-\frac{1}{11}\sin 11\mathrm{\ωt}-\frac{1}{13}\sin 13\mathrm{\ωt}+\frac{1}{23}\sin 23\mathrm{\ωt}+\\ 125\sin 25\mathrm{\ωt}-...=43\mathrm{\π}\mathrm{Id}\sin \mathrm{\ωt}+43\mathrm{\πIdn}=12k\±1k=\mathrm{1,2,3},...(-1)k\sin \mathrm{n\ωt}\end{array}$

                      式(6)

其中，i_A代表电网侧的单相电流值，I_d代表电网侧交流电流的有效值，ω为角频率、t为时间。

由上式(6)可以看出，i_A的基波幅值I₁和n次谐波幅值I_n分别如下：

$I_1=\frac{4\sqrt{3}}{\mathrm{\π}}{I}_d,I_n=\frac{1}{n}\frac{4\sqrt{3}}{\mathrm{\π}}{I}_d,n=12k\±1,k=\mathrm{1,2,3},...$    式(7)

从式(7)可以看出，加入了移相变压器后，相当于进行了12脉波整流，电网侧的电流的谐波中，不包含5次、7次、15次以及17次谐波。

如图5至图8所示，其中图5为6脉波整流后电流信号的时域仿真图，图6是6脉波整流后的电流信号的频谱仿真图，图7为12脉波整流后的电流信号的时域仿真图，图8为12脉波整流后的电流信号的频域仿真图。上述式(6)和式(7)对应于图7和图8的仿真图。其中，图5和图7的横坐标为时间，单位为秒，纵坐标为电流信号的幅值，单位为安培，其中，图5中，FFT窗口示出了所选择的10个信号周期中的9个周期部分，图7中，FFT窗口示出了所选择的15个信号周期中的9个周期部分。图6和图8的横坐标为频率，纵坐标为各频率谐波的振幅占基波振幅的百分比。其中，图6的基波频率为50HZ，振幅为502安培，THD(谐波失真)＝24.24％，图8的基波频率为50HZ，振幅为511.7安培，THD＝11.09％。

本实施例通过移相变压器将两组二次侧绕组的电压的相位错开30度后，相当于使原来的6脉波整流变为12脉波整流，将图7和图8与图5和图6进行对比，可以明显看出，12脉波整流相比6脉波整流，能够明显减少5次、7次，15次、17次谐波，同时减小电网侧电压的谐波失真。

此外，将6脉冲整流和12脉冲整流的情形进行了对比，理论计算的电流谐波含量如下表：

表一

上述的图5至图8为理想状态下的6脉波整流和12脉波整流仿真波形图。图9为本发明实施例二的网侧实测电流的时域图，图10为本发明实施例二的网侧实测电流的频域图，其中，图9的横坐标为时间，单位为秒，纵坐标为信号幅值，单位为安培，FFT窗口示出了所选择的10个信号周期中的9个周期部分。图10的横坐标为频率，纵坐标为各频率谐波的振幅占基波振幅的百分比，其中，图10的基波频率为50HZ，振幅为88.88安培，THD＝14.54％。根据整流的原理，利用傅立叶分析，可以计算出整流器后的电流波形以及各次谐波含量，图5至图8为理想状态的仿真图，其计算过程忽略了很多因素，如换相过程、直流侧电流脉动、触发延迟角，交流侧电抗等，而图9和图10的实测值与理想状态下的计算值会有一定出入。从图10中可以看出，5次谐波成分大约为基波振幅的13％。7次谐波的成分大约为基波振幅的7％，而15次和17次谐波接近零，相比理想状态下的6脉波整流的5次、7次、15次、17次的谐波成分明显降低。

以上对双绕组风力发电机的变流器的实验装置所采用的移相变压器进行了详细说明。下面简单介绍一下三绕组和四绕组风力发电机的情形下的相位差。

优选地，当变流器为三绕组风力发电机的变流器时，移相变压器的二次侧包括三组二次侧绕组，相邻的二次侧绕组输出电压的相位相差20度。对于三绕组风力发电机的变流器，移相变压器的二次侧绕组输出电压的相位相差20度能够显著减少5、7、13、15、17次谐波。

优选地，当变流器为四绕组风力发电机的变流器时，移相变压器的二次侧包括四组二次侧绕组，相邻的二次侧绕组输出电压的相位相差15度。对于四绕组风力发电机的变流器，移相变压器的二次侧绕组输出电压的相位相差15度能够显著减少5、7、15、17、19、21次谐波。

对于三绕组和四绕组的情形，移相变压器的绕组设计可以根据现有技术来实现二次侧各个绕组输出的电压之间相差上述预定的角度，在此不再赘述。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种多绕组风力发电机的变流器的实验装置，其特征在于:包

括被测试的变流器、环流变压器以及移相变压器；

所述变流器为被动整流型变流器，所述变流器包括与风力发电机的多个绕组相对应的多个绕组输入端；

所述环流变压器的一端连接在所述被测试变流器的网侧输出端，所述环流变压器的另一端与电网和所述移相变压器的一次侧连接；

所述移相变压器二次侧包括与所述绕组输入端对应的多组二次侧绕组，相邻的二次侧绕组输出的电压的相位相差一个预定的相位角。

2.根据权利要求1所述的多绕组风力发电机的变流器的实验装置，其特征在于:

所述变流器为双绕组风力发电机的变流器；

所述移相变压器的二次侧包括两组二次侧绕组，所述两组二次侧绕组输出的电压的相位相差30度。

3.根据权利要求2所述的多绕组风力发电机的变流器的实验装置，其特征在于:

所述移相变压器的一次侧绕组采用星形连接或者三角形连接；

所述两组二次侧绕组中，一组二次侧绕组采用星形连接，另一组二次侧绕组采用三角形连接。

4.根据权利要求1所述的变流器的实验装置，其特征在于:

所述变流器为三绕组风力发电机的变流器；

所述移相变压器的二次侧包括三组二次侧绕组，相邻的二次侧绕组输出电压的相位相差20度。

5.根据权利要求1所述的变流器的实验装置，其特征在于:

所述变流器为四绕组风力发电机的变流器；

所述移相变压器的二次侧包括四组二次侧绕组，相邻的二次侧绕组输出电压的相位相差15度。