CN104601001A - 用于风力发电机组的电流变换装置及变流*** - Google Patents

用于风力发电机组的电流变换装置及变流*** Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于风力发电机组的电流变换装置及变流***，电流变换装置包括：第一逆变器，对风力发电机组第一套绕组输出第一直流电进行逆变以输出两电平电压波形；第二逆变器，对第二套绕组输出第二直流电进行逆变以输出两电平电压波形；第一网侧滤波器，对第一逆变器输出两电平电压波形进行滤波以输出第一三相电；第二网侧滤波器，对第二逆变器输出两电平电压波形进行滤波以输出第二三相电；开放式变压器，产生三电平电压波形，其一次侧为开放侧，一次侧的三相绕组之间独立连接，每相绕组的一端与第一网侧滤波器的一相输出端对应连接，每相绕组的另一端与第二网侧滤波器的一相输出端对应连接，第一逆变器或第二逆变器的一个桥臂接地。

Description

用于风力发电机组的电流变换装置及变流***
技术领域
本发明涉及风力发电领域，尤其涉及一种用于风力发电机组的电流变换装置及变流***。
背景技术
目前，兆瓦级直驱型风力发电***一般采用如图1所示的背靠背的双PWM变流器，参照图1，G1、G2为发电机的两套绕组，G1、G2分别和变流器1、变流器2相连接，变流器1和变流器2为相同拓扑及容量的两个变流器，变流器1和变流器2并联连接后通过升压变压器T接入电网，然而图1中的交流输出为两电平电压波形。
由于市场对于成本、并网特性、电能质量等多种因素的要求，多电平已成为风电变流器的主流发展方向。同样发电容量下，高等级电压变流器能减少电缆成本。多电平并网技术能够减小并网滤波器的成本，提高并网电流质量和并网特性。现有技术中，多电平风电变流器方案一般采用基于二极管钳位的三电平拓扑结构，该方案具有直流中点电压和多换流回路，因此，其成本较高，控制难度大，且换流过程中的风险较高。
发明内容
本发明的实施例提供一种用于风力发电机组的电流变换装置及变流***，以实现输出三电平电压波形，同时降低硬件成本和控制难度。
为了实现上述目的，本发明的实施例提供了一种用于风力发电机组的电流变换装置，所述装置包括：第一逆变器，用于对风力发电机组的第一套绕组输出的第一直流电进行逆变以输出两电平电压波形；第二逆变器，用于对风力发电机组的第二套绕组输出的第二直流电进行逆变以输出两电平电压波形；第一网侧滤波器，与所述第一逆变器相连接，用于对所述第一逆变器输出的两电平电压波形进行滤波以输出第一三相电；第二网侧滤波器，与所述第二逆变器相连接，用于对所述第二逆变器输出的两电平电压波形进行滤波以输出第二三相电；开放式变压器，用于产生三电平电压波形，所述开放式变压器的一次侧为开放侧，所述一次侧的三相绕组之间独立连接，每相绕组的一端与所述第一网侧滤波器的一相输出端对应连接，每相绕组的另一端与所述第二网侧滤波器的一相输出端对应连接，其中，所述第一网侧滤波器的一相输出端和所述第二网侧滤波器的一相输出端为同相输出端，其中，所述第一逆变器或第二逆变器的一个桥臂接地。
优选地，所述开放式变压器的二次侧与电网连接，连接方式为星型连接。
本发明的实施例还提供了一种风力发电机组的变流***，所述变流***包括：第一机侧滤波器，与所述风力发电机的第一套绕组相连接，用于对所述风力发电机的第一套绕组输出的第一三相电进行滤波；第二机侧滤波器，与所述风力发电机的第二套绕组相连接，用于对所述风力发电机的第二套绕组输出的第二三相电进行滤波；第一整流器，所述第一整流器的一端与所述第一机侧滤波器相连接，所述第一整流器的另一端与所述第一逆变器，用于对滤波后的第一三相电进行整流以输出第一直流电；第二整流器，所述第二整流器的一端与所述第二机侧滤波器相连接，所述第二整流器的另一端与所述第二逆变器，用于对滤波后的第二三相电进行整流以输出第二直流电；第一逆变器，用于对所述第一整流器输出的第一直流电进行逆变以输出两电平电压波形；第二逆变器，用于对所述第二整流器输出的第二直流电进行逆变以输出两电平电压波形；第一网侧滤波器，与所述第一逆变器相连接，用于对所述第一逆变器输出的两电平电压波形进行滤波以输出第一三相电；第二网侧滤波器，与所述第二逆变器相连接，用于对所述第二逆变器输出的两电平电压波形进行滤波以输出第二三相电；开放式变压器，用于产生三电平电压波形，所述开放式变压器的一次侧为开放侧，所述一次侧的三相绕组之间独立连接，每相绕组的一端与所述第一网侧滤波器的一相输出端对应连接，每相绕组的另一端与所述第二网侧滤波器的一相输出端对应连接，其中，所述第一网侧滤波器的一相输出端和所述第二网侧滤波器的一相输出端为同相输出端，其中，所述第一逆变器或第二逆变器的一个桥臂接地。
优选地，所述风力发电机为双绕组永磁发电机。
优选地，所述第一网侧滤波器还用于抑制所述第一整流器产生的共模电压和差模电压。
优选地，所述第二网侧滤波器还用于抑制所述第二整流器产生的共模电压和差模电压。
优选地，所述第一整流器和所述第二整流器均为三相桥式全控整流器。
优选地，所述第一逆变器和所述第二逆变器均为三相桥式全控整流器。
优选地，所述三相桥式全控整流器包括三个桥臂，其中，每一个桥臂包括串联连接的两个开关元件和串联连接的两个直流侧支撑电容，所述串联连接的两个开关元件与所述串联连接的两个直流侧支撑电容并联连接。
优选地，所述开放式变压器的二次侧与电网连接，连接方式为星型连接。
本发明实施例提供的用于风力发电机组的电流变换装置及变流***，通过将开放式变压器一次侧的端口开放，每相绕组的两端分别与两个网侧滤波器的一相输出端对应连接，且将其中一个逆变器的一个桥臂接地，从而基于两电平的拓扑结构实现了输出三电平电压波形，与相同容量和电压等级的二极管钳位三电平拓扑结构相比，避免了直流中点电压平衡控制问题和多换流回路带来的风险，同时降低了整体硬件成本和控制难度，并减小开关器件失效的概率。
附图说明
图1为现有技术的背靠背的双PWM变流器；
图2为本发明实施例一的用于风力发电机组的电流变换装置的结构示意图；
图3为本发明实施例二的风力发电机组的变流***的结构示意图；
图4为开放式变压器和两组网侧滤波器A相承受的电压Va的电压波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例用于风力发电机组的电流变换装置及变流***进行详细描述。
实施例一
图2为本发明实施例一的用于风力发电机组的电流变换装置的结构示意图，参照图2，其包括：第一逆变器101，用于对风力发电机组的第一套绕组输出的第一直流电进行逆变以输出两电平电压波形；第二逆变器102，用于对风力发电机组的第二套绕组输出的第二直流电进行逆变以输出两电平电压波形；第一网侧滤波器103，与第一逆变器101相连接，用于对第一逆变器101输出的两电平电压波形进行滤波以输出第一三相电；第二网侧滤波器104，与第二逆变器102相连接，用于对第二逆变器102输出的两电平电压波形进行滤波以输出第二三相电；开放式变压器105，用于产生三电平电压波形，开放式变压器的一次侧为开放侧，一次侧的三相绕组之间独立连接，每相绕组的一端与第一网侧滤波器103的一相输出端对应连接，每相绕组的另一端与第二网侧滤波器104的一相输出端对应连接，其中，第一网侧滤波器103的一相输出端和第二网侧滤波器104的一相输出端为同相输出端，其中，第一逆变器101或第二逆变器102的一个桥臂接地。
这里，需要说明的是本发明实施例中的开放式变压器一次侧为开放侧，也就是将每相绕组的两个端口都开放，开放后的每相绕组的两个端口，其中，一端与一个网侧滤波器的一相输出端对应连接，另一端与另一个网侧滤波器的一相输出端对应连接，且与每相绕组的两个端口相连接的两个网测滤波器的输出端是同相输出端，同时一次侧的三相绕组之间是独立连接。例如，如图2所示，开放式变压器的A相绕组的一端At1与第一网侧滤波器103的A相输出端对应连接，A相绕组的另一端At2与第二网侧滤波器104的A相输出端对应连接，同理B相和C相具有同样的连接方式，具体的，B相绕组的一端Bt1与第一网侧滤波器103的B相输出端对应连接，B相绕组的另一端Bt2与第二网侧滤波器104的B相输出端对应连接，C相绕组的一端Ct1与第一网侧滤波器103的C相输出端对应连接，C相绕组的另一端Ct2与第二网侧滤波器104的C相输出端对应连接。
本发明实施例的用于风力发电机组的电流变换装置，通过将开放式变压器一次侧的端口开放，一次侧的三相绕组之间独立连接，每相绕组的两端分别与两个网侧滤波器的一相输出端对应连接，且将其中一个逆变器的一个桥臂接地，从而基于两电平的拓扑结构实现了输出三电平电压波形，与相同容量和电压等级的二极管钳位三电平拓扑结构相比，避免了直流中点电压平衡控制问题和多换流回路带来的风险，同时降低了整体硬件成本和控制难度，并减小开关器件失效的概率。
进一步地，开放式变压器的二次侧与电网连接，连接方式可为星型连接。
实施例二
图3为本发明实施例二的风力发电机组的变流***的结构示意图，参照图3，该风力发电机可以为双绕组永磁发电机，变流***包括：第一机侧滤波器201，与风力发电机的第一套绕组相连接，用于对风力发电机的第一套绕组输出的第一三相电进行滤波；第二机侧滤波器202，与风力发电机的第二套绕组相连接，用于对风力发电机的第二套绕组输出的第二三相电进行滤波；第一整流器203，其一端与第一机侧滤波器201相连接，其另一端与第一逆变器205，用于对滤波后的第一三相电进行整流以输出第一直流电；第二整流器204，其一端与第二机侧滤波器202相连接，其另一端与第二逆变器206，用于对滤波后的第二三相电进行整流以输出第二直流电；第一逆变器205，用于对第一整流器203输出的第一直流电进行逆变以输出两电平电压波形；第二逆变器206，用于对第二整流器204输出的第二直流电进行逆变以输出两电平电压波形；第一网侧滤波器207，与第一逆变器205相连接，用于对第一逆变器205输出的两电平电压波形进行滤波以输出第一三相电；第二网侧滤波器208，与第二逆变器206相连接，用于对第二逆变器206输出的两电平电压波形进行滤波以输出第二三相电；开放式变压器209，用于产生三电平电压波形，开放式变压器的一次侧为开放侧，一次侧的三相绕组之间独立连接，每相绕组的一端与第一网侧滤波器207的一相输出端对应连接，每相绕组的另一端与第二网侧滤波器208的一相输出端对应连接，其中，第一网侧滤波器207的一相输出端和第二网侧滤波器208的一相输出端为同相输出端，其中，第一逆变器或第二逆变器的一个桥臂接地。
具体的，该开放式变压器的一次侧为开放侧，即每相绕组的两端口都开放，一次侧的三相绕组之间独立连接，每相绕组的一端与一个网侧滤波器的一相输出端对应连接，每相绕组的另一端与另一个网侧滤波器的一相输出端对应连接，且与每相绕组的两个端口相连接的两个网测滤波器的输出端是同相输出端。例如，A相绕组的一端At1与一个网侧滤波器的A相输出端对应连接，A相绕组的另一端At2与另一个网侧滤波器的A相输出端对应连接。这里，需要说明的是第一网侧滤波器207和第二网侧滤波器208可采用相同的电气参数设计，由于整流器会产生共模电压和差模电压，因此，第一网侧滤波器207还可用于抑制第一整流器产生的共模电压和差模电压，同理，第二网侧滤波器208还用于抑制第二整流器产生的共模电压和差模电压。
本发明实施例的风力发电机组的变流***，通过将开放式变压器一次侧的端口开放，一次侧的三相绕组之间独立连接，每相绕组的两端分别与两个网侧滤波器的一相输出端对应连接，且将其中一个逆变器的一个桥臂接地，从而基于两电平的拓扑结构实现了输出三电平电压波形，与相同容量和电压等级的二极管钳位三电平拓扑结构相比，避免了直流中点电压平衡控制问题和多换流回路带来的风险，同时降低了整体硬件成本和控制难度，并减小开关器件失效的概率。
进一步地，第一整流器和第二整流器均为三相桥式全控整流器。
进一步地，第一逆变器和第二逆变器均为三相桥式全控整流器。
进一步地，三相桥式全控整流器包括三个桥臂，其中，每一个桥臂包括串联连接的两个开关元件和串联连接的两个直流侧支撑电容，串联连接的两个开关元件与串联连接的两个直流侧支撑电容并联连接。
进一步地，开放式变压器的二次侧与电网连接，连接方式为星型连接。
下面结合具体的示例，来进一步说明一下本发明实施例一的用于风力发电机组的电流变换装置的工作原理。
参照图3，图3中的两组网侧逆变器、两组网侧滤波器以及开放式变压器是本发明实施例一的用于风力发电机组的电流变换装置的核心部分，也是区别于现有技术的主要部分。这里，需要说明的是该开放式变压器的一次侧为开放侧，即每相绕组的两端口都开放，每相绕组的一端与一个网侧滤波器的一相输出端对应连接，每相绕组的另一端与另一个网侧滤波器的一相输出端对应连接，一次侧的三相绕组之间独立连接。例如，A相绕组的一端At1与一个网侧滤波器的A相输出端对应连接，A相绕组的另一端At2与另一个网侧滤波器的A相输出端对应连接，同理B相和C相具有同样的连接方式，且这三相绕组之间是独立连接的。基于上述装置结构对其工作原理进行详细说明，具体如下：
首先，设A1、B1、C1和A2、B2、C2分别为两组网侧逆变器的三相输出端，其电压分别为Va1、Vb1、Vc2和Va2、Vb2、Vc2，设两组网侧逆变器直流侧电压为Vdc1＝Vdc2＝Vdc。
其次，以A相为例，根据两电平变流器的特点，网侧逆变器的输出为两电平电压波形，即可产生电位为Vdc和0两种电压状态，因某一个逆变器的一个桥臂接地，则A1和A2之间存在电压差，即开放式变压器和两组网侧滤波器A相(即图中A1处和A2处之间)承受的电压为Va＝Va1-Va2，鉴于网侧滤波器所承受的电压较小，因此，Va可以视为开放式变压器A绕组的一端At1与另一端At2之间的电压。具体的，如表1所示，Va有以下输出状态：
表1
Va1 0 0 Vdc Vdc
Va2 0 Vdc 0 Vdc
Va＝Va1-Va2 0 -Vdc Vdc 0
由表1可见，Va可输出Vdc、0、-Vdc三种电压状态，图4为开放式变压器和两组网侧滤波器A相承受的电压Va的电压波形图，如图4所示，电压Va的波形由Vdc、0、-Vdc三种电平构成，同理，Vb、Vc同样可以输出三种电压状态，因此，本发明实施例一的用于风力发电机组的电流变换装置能够基于现有的两电平输出的变流器结构，在网侧产生三电平电压波形。
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以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于风力发电机组的电流变换装置，其特征在于，所述装置包括：
第一逆变器，用于对风力发电机组的第一套绕组输出的第一直流电进行逆变以输出两电平电压波形；
第二逆变器，用于对风力发电机组的第二套绕组输出的第二直流电进行逆变以输出两电平电压波形；
第一网侧滤波器，与所述第一逆变器相连接，用于对所述第一逆变器输出的两电平电压波形进行滤波以输出第一三相电；
第二网侧滤波器，与所述第二逆变器相连接，用于对所述第二逆变器输出的两电平电压波形进行滤波以输出第二三相电；
开放式变压器，用于产生三电平电压波形，所述开放式变压器的一次侧为开放侧，所述一次侧的三相绕组之间独立连接，每相绕组的一端与所述第一网侧滤波器的一相输出端对应连接，每相绕组的另一端与所述第二网侧滤波器的一相输出端对应连接，其中，所述第一网侧滤波器的一相输出端和所述第二网侧滤波器的一相输出端为同相输出端，
其中，所述第一逆变器或第二逆变器的一个桥臂接地。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述开放式变压器的二次侧与电网连接，连接方式为星型连接。
3.一种风力发电机组的变流***，其特征在于，所述变流***包括：
第一机侧滤波器，与所述风力发电机的第一套绕组相连接，用于对所述风力发电机的第一套绕组输出的第一三相电进行滤波；
第二机侧滤波器，与所述风力发电机的第二套绕组相连接，用于对所述风力发电机的第二套绕组输出的第二三相电进行滤波；
第一整流器，所述第一整流器的一端与所述第一机侧滤波器相连接，所述第一整流器的另一端与所述第一逆变器，用于对滤波后的第一三相电进行整流以输出第一直流电；
第二整流器，所述第二整流器的一端与所述第二机侧滤波器相连接，所述第二整流器的另一端与所述第二逆变器，用于对滤波后的第二三相电进行整流以输出第二直流电；
第一逆变器，用于对所述第一整流器输出的第一直流电进行逆变以输出两电平电压波形；
第二逆变器，用于对所述第二整流器输出的第二直流电进行逆变以输出两电平电压波形；
第一网侧滤波器，与所述第一逆变器相连接，用于对所述第一逆变器输出的两电平电压波形进行滤波以输出第一三相电；
第二网侧滤波器，与所述第二逆变器相连接，用于对所述第二逆变器输出的两电平电压波形进行滤波以输出第二三相电；
开放式变压器，用于产生三电平电压波形，所述开放式变压器的一次侧为开放侧，所述一次侧的三相绕组之间独立连接，每相绕组的一端与所述第一网侧滤波器的一相输出端对应连接，每相绕组的另一端与所述第二网侧滤波器的一相输出端对应连接，其中，所述第一网侧滤波器的一相输出端和所述第二网侧滤波器的一相输出端为同相输出端，
其中，所述第一逆变器或第二逆变器的一个桥臂接地。
4.根据权利要求3所述的变流***，其特征在于，所述风力发电机为双绕组永磁发电机。
5.根据权利要求3所述的变流***，其特征在于，所述第一网侧滤波器还用于抑制所述第一整流器产生的共模电压和差模电压。
6.根据权利要求3所述的变流***，其特征在于，所述第二网侧滤波器还用于抑制所述第二整流器产生的共模电压和差模电压。
7.根据权利要求3所述的变流***，其特征在于，所述第一整流器和所述第二整流器均为三相桥式全控整流器。
8.根据权利要求3所述的变流***，其特征在于，所述第一逆变器和所述第二逆变器均为三相桥式全控整流器。
9.根据权利要求7或8所述的变流***，其特征在于，所述三相桥式全控整流器包括三个桥臂，其中，每一个桥臂包括串联连接的两个开关元件和串联连接的两个直流侧支撑电容，所述串联连接的两个开关元件与所述串联连接的两个直流侧支撑电容并联连接。
10.根据权利要求3所述的变流***，其特征在于，所述开放式变压器的二次侧与电网连接，连接方式为星型连接。
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