CN202524301U - 一种风力发电机的并网变流器 - Google Patents

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蒋侃
石顺风
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Abstract

本实用新型公开了一种风力发电机的并网变流器，包括：整流器以及通过LC滤波器与整流器相连的ZVS-PWM变换器；ZVS-PWM变换器连接有控制电路，控制电路连接有均流电路。本实用新型应用ZVS-PWM技术和平均电流模式控制方法，并采用最大电流自动均流法可实现多机并联均流，能够明显减少风电功率变换过程中的损耗，并且输出电流稳定，不会形成大幅震荡，提高了风力发电的效率和供电质量，提高了响应速度，有效的降低了***的成本，在并网型风电***中具有较高的应用价值。

Description

一种风力发电机的并网变流器
技术领域
本实用新型属于风力发电变流技术领域，具体涉及一种风力发电机的并网变流器。
背景技术
近年来，能源与环境问题已成为全球可持续发展所面临的主要问题，风电作为一种绿色能源以其无污染和可再生性日益受到世界各国的重视，具有广阔的应用前景。
在风力发电中，当风力发电机与电网并网时，要求风电输出电流与电网电压同频同相。但风速的变化会引起风力机转速的变化，如果没有必要的机械或电气控制，则有风力机驱动的交流发电机的转速也将随之改变，因而发电机的输出电压以及频率皆将不恒定。
特别是80年代后基于计算机***的控制设备和电子装备的大量投入使用，这些装置对电能非常敏感，一些连续精加工的生产线对不合格电力的容许度甚至严格到只能持续工频1-2个周期。但是风力发电***的接入会对电网产生冲击问题，会影响这些对电能质量敏感设备的正常运行。因此随着我国风力发电的发展，风电场接入电力***问题也开始列入考虑范围。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本实用新型提供了一种风力发电机的并网变流器，能够明显减少风电功率变换过程中的损耗，且输出电流稳定。
一种风力发电机的并网变流器，包括：整流器以及通过LC滤波器与整流器相连的ZVS-PWM(零电压开关-脉冲宽度调制)变换器；所述的ZVS-PWM变换器连接有控制电路，所述的控制电路连接有均流电路。
所述的整流器用于将风力发电机产生的三相交流电转换为直流电；
所述的LC滤波器用于对所述的直流电进行滤波处理；
所述的ZVS-PWM变换器用于对滤波后的直流电进行稳压处理，并将稳压后的直流电注入至直流母线；
所述的均流电路用于向控制电路提供电压反馈和电流反馈；
所述的控制电路用于根据所述的电压反馈和电流反馈，生成PWM信号以对ZVS-PWM变换器中的功率开关器件进行控制。
所述的ZVS-PWM变换器由四个开关管、八个二极管、六个电容、两个电感、一个电阻和一个变压器组成；其中，开关管Q1、二极管D1和电容C1并联后的一端与开关管Q3、二极管D3和电容C3并联后的一端相连并接LC滤波器，开关管Q1、二极管D1和电容C1并联后的另一端与开关管Q2、二极管D2和电容C2并联后的一端相连并接电容Cr的一端，开关管Q2、二极管D2和电容C2并联后的另一端与开关管Q4、二极管D4和电容C4并联后的一端相连并接LC滤波器，开关管Q3、二极管D3和电容C3并联后的另一端与开关管Q4、二极管D4和电容C4并联后的另一端相连并接变压器原边绕组的一端，电容Cr的另一端与电感Lr的一端相连，电感Lr的另一端与变压器原边绕组的另一端相连，变压器副边绕组的一端与二极管VD1的阳极和二极管VD3的阴极相连，变压器副边绕组的另一端与二极管VD2的阳极和二极管VD4的阴极相连，VD1的阴极与VD2的阴极和电感L的一端相连，VD3的阳极与VD4的阳极和电阻Rs的一端相连，电感L的另一端与电容C的一端相连，电容C的另一端与电阻Rs的另一端相连并接地。
所述的均流电路由六个电阻、四个电容、一个光耦、一个发光二极管和一个均流芯片UC3907构成；其中，光耦的第一输入端接收给定的第一基准电压，光耦的第二输入端与电阻R6的一端和电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端接地，光耦的第一输出端与发光二极管的阳极和均流芯片UC3907的10脚相连并接收给定的第二基准电压，光耦的第二输出端与均流芯片UC3907的9脚相连，均流芯片UC3907的3脚与5脚和电容C1的一端相连并接电源电压，电容C1的另一端与均流芯片UC3907的7脚相连，均流芯片UC3907的1脚与13脚共连，均流芯片UC3907的16脚与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端与发光二极管的阴极相连，均流芯片UC3907的2脚与控制电路相连并提供电流反馈，均流芯片UC3907的12脚与电阻R3的一端和电容C2的一端相连，电阻R3的另一端与电容C3的一端相连，均流芯片UC3907的11脚与电容C3的另一端、电容C2的另一端和控制电路相连并提供电压反馈，均流芯片UC3907的8脚与电阻R4的一端相连，均流芯片UC3907的14脚与电阻R5的一端和电容C4的一端相连，均流芯片UC3907的6脚与电阻R4的另一端、电阻R5的另一端和电容C4的另一端相连，均流芯片UC3907的4脚接地，均流芯片UC3907的15脚接直流母线。
所述的控制电路由八个电阻、五个电容、一个二极管、一个驱动隔离电路和一个控制芯片UCC3895组成；其中，控制芯片UCC3895的1脚与2脚共连，控制芯片UCC3895的3脚与电容C1的一端和电阻R5的一端相连，控制芯片UCC3895的4脚与电容C2的一端和电阻R4的一端相连，控制芯片UCC3895的7脚与电容C3的一端相连，控制芯片UCC3895的8脚与电阻R1的一端和调节端相连，控制芯片UCC3895的9脚与电阻R2的一端和调节端相连，控制芯片UCC3895的10脚与电阻R3的一端和调节端相连，控制芯片UCC3895的5脚与电容C1的另一端、电容C2的另一端、电容C3的另一端、电阻R1的另一端、电阻R2的另一端和电阻R3的另一端相连并接地，控制芯片UCC3895的20脚与电阻R4的另一端和均流电路相连并接收电压反馈，控制芯片UCC3895的19脚与电容C5的一端相连，控制芯片UCC3895的13脚、14脚、17脚和18脚分别与驱动隔离电路的四个输入端相连，隔离电路的输出端与ZVS-PWM变换器相连，控制芯片UCC3895的16脚与电容C5的另一端相连并接地，控制芯片UCC3895的15脚接电源电压，控制芯片UCC3895的12脚与电阻R5的另一端、电阻R6的一端、电容C4的一端、电阻R8的一端和二极管的阴极相连，控制芯片UCC3895的11脚与电阻R6的另一端和电阻R7的一端相连，电阻R7的另一端与电容C4的另一端和电阻R8的另一端相连并接地，二极管的阳极与均流电路相连并接收电流反馈。
本实用新型的有益效果为：
(1)本实用新型超前和滞后桥臂的开关管在额定负载下能很好地实现软开关；通过采用均流技术后，稳态和瞬态下两个电流非常接近，电流不平衡度大约为2％，符合预期的设计。
(2)本实用新型能够明显减少风电功率变换过程中的损耗，并且输出电流稳定，不会形成大幅震荡，提高了风力发电的效率和供电质量，提高了响应速度，有效的降低了***的成本，在并网型风电***中具有较高的应用价值。
附图说明
图1为本实用新型的结构及应用示意图。
图2为ZVS-PWM变换器的结构示意图。
图3为均流电路的结构示意图。
图4为控制电路的结构示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本实用新型，下面结合附图及具体实施方式对本实用新型的技术方案及其相关原理进行详细说明。
如图1所示，一种风力发电机的并网变流器，包括：整流器以及通过LC滤波器与整流器相连的ZVS-PWM变换器；ZVS-PWM变换器连接有控制电路，控制电路连接有均流电路。
整流器用于将风力发电机产生的三相交流电(280～420V)转换为直流电；LC滤波器用于对整流器输出的直流电进行滤波处理；
ZVS-PWM变换器用于对滤波后的直流电进行稳压处理(稳压至110V)，并将稳压后的直流电注入至直流母线；如图2所示，ZVS-PWM变换器由四个开关管、八个二极管、六个电容、两个电感、一个电阻和一个变压器组成；其中，开关管Q1、二极管D1和电容C1并联后的一端与开关管Q3、二极管D3和电容C3并联后的一端相连并接LC滤波器，开关管Q1、二极管D1和电容C1并联后的另一端与开关管Q2、二极管D2和电容C2并联后的一端相连并接电容Cr的一端，开关管Q2、二极管D2和电容C2并联后的另一端与开关管Q4、二极管D4和电容C4并联后的一端相连并接LC滤波器，开关管Q3、二极管D3和电容C3并联后的另一端与开关管Q4、二极管D4和电容C4并联后的另一端相连并接变压器原边绕组的一端，电容Cr的另一端与电感Lr的一端相连，电感Lr的另一端与变压器原边绕组的另一端相连，变压器副边绕组的一端与二极管VD1的阳极和二极管VD3的阴极相连，变压器副边绕组的另一端与二极管VD2的阳极和二极管VD4的阴极相连，VD1的阴极与VD2的阴极和电感L的一端相连，VD3的阳极与VD4的阳极和电阻Rs的一端相连，电感L的另一端与电容C的一端相连，电容C的另一端与电阻Rs的另一端相连并接地。
其中，Q1和Q2构成超前桥臂，D1、C1和D2、C2分别为Q1和Q2的反并二极管和并联结电容，Lr为变压器漏电感；移相PWM控制技术利用变压器的漏电感Lr和输出结电容C1～C4作为谐振元件，在一个完整的开关周期中通过谐振使全桥变换器中的4个开关管依次在零电压下导通，在输出结电容作用下实现零电压关断；通过移相控制实现占空比调节，完成对输出电压的控制。
均流电路用于向控制电路提供电压反馈和电流反馈；如图3所示，均流电路由六个电阻、四个电容、一个光耦、一个发光二极管和一个均流芯片UC3907构成；其中，光耦的第一输入端接收给定的第一基准电压，光耦的第二输入端与电阻R6的一端和电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端接地，光耦的第一输出端与发光二极管的阳极和均流芯片UC3907的10脚相连并接收给定的第二基准电压，光耦的第二输出端与均流芯片UC3907的9脚相连，均流芯片UC3907的3脚与5脚和电容C1的一端相连并接电源电压，电容C1的另一端与均流芯片UC3907的7脚相连，均流芯片UC3907的1脚与13脚共连，均流芯片UC3907的16脚与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端与发光二极管的阴极相连，均流芯片UC3907的2脚与控制电路相连并提供电流反馈，均流芯片UC3907的12脚与电阻R3的一端和电容C2的一端相连，电阻R3的另一端与电容C3的一端相连，均流芯片UC3907的11脚与电容C3的另一端、电容C2的另一端和控制电路相连并提供电压反馈，均流芯片UC3907的8脚与电阻R4的一端相连，均流芯片UC3907的14脚与电阻R5的一端和电容C4的一端相连，均流芯片UC3907的6脚与电阻R4的另一端、电阻R5的另一端和电容C4的另一端相连，均流芯片UC3907的4脚接地，均流芯片UC3907的15脚接直流母线。本实施方式中，均流芯片采用TI公司生产的UC3907，该芯片由电压环和电流环构成，电压环包括电压放大器、接地放大器和驱动放大器，电流环包括电流放大器、缓冲放大器和调节放大器。
控制电路用于根据电压反馈和电流反馈，生成PWM信号以对ZVS-PWM变换器中的功率开关器件进行控制；如图4所示，控制电路由八个电阻、五个电容、一个二极管、一个驱动隔离电路和一个控制芯片UCC3895组成；其中，控制芯片UCC3895的1脚与2脚共连，控制芯片UCC3895的3脚与电容C1的一端和电阻R5的一端相连，控制芯片UCC3895的4脚与电容C2的一端和电阻R4的一端相连，控制芯片UCC3895的7脚与电容C3的一端相连，控制芯片UCC3895的8脚与电阻R1的一端和调节端相连，控制芯片UCC3895的9脚与电阻R2的一端和调节端相连，控制芯片UCC3895的10脚与电阻R3的一端和调节端相连，控制芯片UCC3895的5脚与电容C1的另一端、电容C2的另一端、电容C3的另一端、电阻R1的另一端、电阻R2的另一端和电阻R3的另一端相连并接地，控制芯片UCC3895的20脚与电阻R4的另一端和均流电路相连并接收电压反馈，控制芯片UCC3895的19脚与电容C5的一端相连，控制芯片UCC3895的13脚、14脚、17脚和18脚分别与驱动隔离电路的四个输入端相连，隔离电路的输出端与ZVS-PWM变换器相连，控制芯片UCC3895的16脚与电容C5的另一端相连并接地，控制芯片UCC3895的1 5脚接电源电压，控制芯片UCC3895的12脚与电阻R5的另一端、电阻R6的一端、电容C4的一端、电阻R8的一端和二极管的阴极相连，控制芯片UCC3895的11脚与电阻R6的另一端和电阻R7的一端相连，电阻R7的另一端与电容C4的另一端和电阻R8的另一端相连并接地，二极管的阳极与均流电路相连并接收电流反馈。本实施方式中，控制芯片采用Unitrode公司生产的UCC3895(相移式PWM控制器)，其采用恒频脉宽调制，结合谐振式零电压开关，能在高频率条件下高效率地工作，相对于早期的UC3875和UC3879系列控制器，增加了自适应死区时间设置，能适应负载变化时不同的准谐振软开关要求，同时由于它采用了BCDMOS工艺，使得它的功耗更小，工作频率更高，因而更加符合未来电力电子装置的发展要求。
电压反馈信号分别输入UCC3895第20引脚和4引脚，为使基准电源更加稳定，在4引脚到地之间接入0.1uf的旁路电容C2。电流反馈分别接引脚3和引脚12，引脚12为电流取样比较器的反相输入端，也是过流保护比较器和ADS放大器的同向输入端，采用峰值电流型控制模式时，电流信号用于逐周限流，在具有次级输出关断门限的任何情况下，电流取样信号还可以用于过流保护。出现过流故障时，输出脉冲关断，重新开始新的周期，这种功能称为带有完整软启动的“软关断”。引脚15接电源电压U。引脚19为软启动/关断端，通过电容C5接地。
本实施方式中，ZVS-PWM变换器利用移相PWM控制技术利用变压器的漏电感和输出结电容作为谐振元件，在一个完整的开关周期中通过谐振使全桥变换器中的4个开关管依次在零电压下导通，在电容作用下实现零电压关断；通过移相控制实现占空比调节，完成对输出电压的控制；均流电路采用的最大电流自动均流法是一种自动设定主模块和从模块的均流方法，即在n个并联的模块中，输出电流最大的模块将自动成为主模块，而其余的模块成为从模块，从模块电流根据主模块电流来调整，从而实现均流。

Claims (4)

1.一种风力发电机的并网变流器，其特征在于，包括：整流器以及通过LC滤波器与整流器相连的ZVS-PWM变换器；所述的ZVS-PWM变换器连接有控制电路，所述的控制电路连接有均流电路。
2.根据权利要求1所述的风力发电机的并网变流器，其特征在于：所述的ZVS-PWM变换器由四个开关管、八个二极管、六个电容、两个电感、一个电阻和一个变压器组成；其中，开关管Q1、二极管D1和电容C1并联后的一端与开关管Q3、二极管D3和电容C3并联后的一端相连并接LC滤波器，开关管Q1、二极管D1和电容C1并联后的另一端与开关管Q2、二极管D2和电容C2并联后的一端相连并接电容Cr的一端，开关管Q2、二极管D2和电容C2并联后的另一端与开关管Q4、二极管D4和电容C4并联后的一端相连并接LC滤波器，开关管Q3、二极管D3和电容C3并联后的另一端与开关管Q4、二极管D4和电容C4并联后的另一端相连并接变压器原边绕组的一端，电容Cr的另一端与电感Lr的一端相连，电感Lr的另一端与变压器原边绕组的另一端相连，变压器副边绕组的一端与二极管VD1的阳极和二极管VD3的阴极相连，变压器副边绕组的另一端与二极管VD2的阳极和二极管VD4的阴极相连，VD1的阴极与VD2的阴极和电感L的一端相连，VD3的阳极与VD4的阳极和电阻Rs的一端相连，电感L的另一端与电容C的一端相连，电容C的另一端与电阻Rs的另一端相连并接地。
3.根据权利要求1所述的风力发电机的并网变流器，其特征在于：所述的均流电路由六个电阻、四个电容、一个光耦、一个发光二极管和一个均流芯片UC3907构成；其中，光耦的第一输入端接收给定的第一基准电压，光耦的第二输入端与电阻R6的一端和电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端接地，光耦的第一输出端与发光二极管的阳极和均流芯片UC3907的10脚相连并接收给定的第二基准电压，光耦的第二输出端与均流芯片UC3907的9脚相连，均流芯片UC3907的3脚与5脚和电容C1的一端相连并接电源电压，电容C1的另一端与均流芯片UC3907的7脚相连，均流芯片UC3907的1脚与13脚共连，均流芯片UC3907的16脚与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端与发光二极管的阴极相连，均流芯片UC3907的2脚与控制电路相连并提供电流反馈，均流芯片UC3907的12脚与电阻R3的一端和电容C2的一端相连，电阻R3的另一端与电容C3的一端相连，均流芯片UC3907的11脚与电容C3的另一端、电容C2的另一端和控制电路相连并提供电压反馈，均流芯片UC3907的8脚与电阻R4的一端相连，均流芯片UC3907的14脚与电阻R5的一端和电容C4的一端相连，均流芯片UC3907的6脚与电阻R4的另一端、电阻R5的另一端和电容C4的另一端相连，均流芯片UC3907的4脚接地，均流芯片UC3907的15脚接直流母线。
4.根据权利要求1所述的风力发电机的并网变流器，其特征在于：所述的控制电路由八个电阻、五个电容、一个二极管、一个驱动隔离电路和一个控制芯片UCC3895组成；其中，控制芯片UCC3895的1脚与2脚共连，控制芯片UCC3895的3脚与电容C1的一端和电阻R5的一端相连，控制芯片UCC3895的4脚与电容C2的一端和电阻R4的一端相连，控制芯片UCC3895的7脚与电容C3的一端相连，控制芯片UCC3895的8脚与电阻R1的一端和调节端相连，控制芯片UCC3895的9脚与电阻R2的一端和调节端相连，控制芯片UCC3895的10脚与电阻R3的一端和调节端相连，控制芯片UCC3895的5脚与电容C1的另一端、电容C2的另一端、电容C3的另一端、电阻R1的另一端、电阻R2的另一端和电阻R3的另一端相连并接地，控制芯片UCC3895的20脚与电阻R4的另一端和均流电路相连并接收电压反馈，控制芯片UCC3895的19脚与电容C5的一端相连，控制芯片UCC3895的13脚、14脚、17脚和1 8脚分别与驱动隔离电路的四个输入端相连，隔离电路的输出端与ZVS-PWM变换器相连，控制芯片UCC3895的16脚与电容C5的另一端相连并接地，控制芯片UCC3895的1 5脚接电源电压，控制芯片UCC3895的12脚与电阻R5的另一端、电阻R6的一端、电容C4的一端、电阻R8的一端和二极管的阴极相连，控制芯片UCC3895的11脚与电阻R6的另一端和电阻R7的一端相连，电阻R7的另一端与电容C4的另一端和电阻R8的另一端相连并接地，二极管的阳极与均流电路相连并接收电流反馈。
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