專利名稱：功率單元復(fù)合聯(lián)接方式的風(fēng)力發(fā)電電力變換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于能源技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種功率單元復(fù)合聯(lián)接方式的風(fēng)力發(fā)電電力變 換裝置。
(二)
背景技術(shù)：
20世紀(jì)70年代的石油危機(jī)和隨之而來的環(huán)境問題迫使人們思考可再生能源的利用問題。 由于風(fēng)能是一種不產(chǎn)生任何污染物的可再生的自然資源，目前風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已相對較為成熟， 因此風(fēng)能在眾多可再生能源中最具大規(guī)模發(fā)電前景，也是21世紀(jì)人類社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的 主要新動力源。
風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在我國經(jīng)過幾代的發(fā)展，現(xiàn)已全面進(jìn)入直驅(qū)的時代，當(dāng)前的主流機(jī)型為 1.5MW，并正在向2MW、 3MW發(fā)展。
由于直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中的電力電子變流器的功率與發(fā)電機(jī)的容量是相等的，因此隨 著風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的不斷擴(kuò)大，變流器的容量也越來越大，當(dāng)前直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的 變流器普遍采用的是交流690V或交流620V的輸出經(jīng)變壓器升壓為10KV或35KV并網(wǎng)，導(dǎo) 致變流器輸出電流非常大，實現(xiàn)難度較大，所以當(dāng)前功率在1,2MW以上的產(chǎn)品的實現(xiàn)方案大 都采用逆變橋臂并聯(lián)的方式，但這種方式需增加輸出均流電感，使系統(tǒng)成本增加，系統(tǒng)效率 下降，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)功率繼續(xù)加大的情況下，現(xiàn)有技術(shù)方案的技術(shù)難度越來越大，其缺 點(diǎn)愈加明顯。
(三) 發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于提供一種功率單元復(fù)合聯(lián)接方式的風(fēng)力發(fā)電電力變換裝置。 本實用新型是這樣實現(xiàn)的它包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)、3個功率單元組和輸出變壓器，風(fēng)力發(fā) 電機(jī)有兩組三相輸出，分別與每個功率單元的兩組三相輸入端相連，N (N^l)個功率單元 構(gòu)成一個功率單元組，功率單元組內(nèi)每個功率單元的輸出連接輸出變壓器一相的一個原邊繞 組，輸出變壓器為三相變壓器，其每相有N個(N》1)原邊繞組和一個副邊繞組，同一相的 各原邊繞組互相不連接，三相副邊繞組接成星形或三角形后直接并網(wǎng)。 本實用新型還有這樣的一些結(jié)構(gòu)特征
1、 功率單元由兩個結(jié)構(gòu)完全相同的功率模塊在輸出逆變部分串聯(lián)構(gòu)成；
2、 所述的功率單元的第一種實現(xiàn)方案中，功率模塊由整流部分、升壓斬波部分和逆變部 分組成；所述的整流部分由三相橋式二極管不控整流電路組成；所述的升壓斬波部分由至少 一個升壓斬波器構(gòu)成，多個升壓斬波器并聯(lián)連接，每個升壓斬波器包括前端穩(wěn)壓電容器、儲
能電感、可關(guān)斷開關(guān)器件、二極管和輸出端母線電容器，儲能電感和二極管串聯(lián)連接，儲能電感和二極管串聯(lián)節(jié)點(diǎn)處并聯(lián)全控開關(guān)器件，儲能電感和二極管支路的首尾兩端分別并聯(lián)穩(wěn) 壓電容器和輸出端母線電容器；
3、 所述的功率單元的第二種實現(xiàn)方案中，功率模塊由三相輸入電抗器、三相橋式全控整 流電路、濾波電容器和單相全橋可控逆變電路組成，三相輸入電抗器連接三相橋式全控整流 電路的三相輸入端，三相橋式全控整流電路的輸出端并聯(lián)濾波電容器，濾波電容器兩端并聯(lián) 單相全橋可控逆變電路；
4、 所述的三相橋式全控整流電路由三相橋臂并聯(lián)而成，每個橋臂由兩個全控開關(guān)器件串 聯(lián)構(gòu)成，串聯(lián)的中間點(diǎn)作為整流電路的一相輸入，每個開關(guān)器件并聯(lián)反向續(xù)流二極管，開關(guān) 器件采用IGBT或IGCT;
5、 所述的單相全橋可控逆變部分由兩組橋臂并聯(lián)而成，每個橋臂由M個全控開關(guān)器件(帶 續(xù)流二極管)串聯(lián)而成，串聯(lián)的中間點(diǎn)作為每個功率模塊的輸出，每個功率模塊的一個輸出 端與本功率單元另一個功率模塊的另一個輸出端直接相連，兩個功率模塊的其余兩個輸出端 作為整個功率單元的輸出；所述的功率單元是由兩個完全一樣的功率模塊在輸出逆變部分串 聯(lián)而成。
本實用新型由于采用多個功率單元分別變換最終通過輸出變壓器實現(xiàn)并聯(lián)的技術(shù)方案， 每一個功率單元的輸出電壓較低、功率較小，從而降低了對功率器件耐壓和電流的要求，可 以采用當(dāng)前市場上最常用的1200V或1700V, 600A以下的功率器件，降低了系統(tǒng)成本，提 高了系統(tǒng)的可靠性。
每個功率單元由兩個結(jié)構(gòu)完全相同的功率模塊在輸出逆變部分串聯(lián)構(gòu)成，每個功率模塊 的逆變部分采用單相全橋逆變電路構(gòu)成，可以實現(xiàn)三電平輸出，兩個功率模塊的輸出經(jīng)過移 相疊加后可實現(xiàn)五電平的輸出效果，與當(dāng)前普遍采用的兩電平電路相比，其輸出諧波可大幅 降低，每個功率器件的開關(guān)頻率也降低了，減少了系統(tǒng)的損耗。
變換裝置的三相輸出通過輸出變壓器并網(wǎng)，由于變壓器存在漏感，控制變換裝置的輸出 電壓就可以實現(xiàn)上網(wǎng)電能的功率因數(shù)可控，可以根據(jù)電網(wǎng)的功率因數(shù)情況調(diào)節(jié)本變換裝置輸 出的功率因數(shù)，保證電網(wǎng)的電能質(zhì)量。
本實用新型變換裝置的兩種實現(xiàn)方案均可以實現(xiàn)當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出電壓變化時，功率 模塊的直流母線電壓基本保持不變，從而保證了風(fēng)力發(fā)電裝置在較大的風(fēng)速變化范圍內(nèi)均能 有高質(zhì)量的并網(wǎng)電能輸出。

圖1是本實用新型所述的功率單元復(fù)合聯(lián)接方式的風(fēng)力發(fā)電電力變換裝置示意圖。 圖2是本實用新型所述的功率單元的第一種實現(xiàn)方案原理圖。圖3是本實用新型所述的功率單元第二種實現(xiàn)方案原理圖。
具體實施方式
下面結(jié)合圖1 - 3和具體實施對本實用新型作更詳細(xì)的描述
結(jié)合圖1，風(fēng)力發(fā)電機(jī)Gen兩組三相輸出分別連接到功率單元An Ai、 Bn Bi和Cn Ci 的輸入端，功率單元An Ai、 Bn Bi和Cn Ci的輸出分別連接到輸出變壓器的原邊L1N L11、 L2N L21和L3N L31，輸出變壓器的三相副邊AX、 BY和CZ通過星形連接或三角形連接后 直接并網(wǎng)。
實施例1:
結(jié)合圖2，功率單元的第一種實現(xiàn)方案中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的兩組三相輸出分別連接兩個功 率模塊的輸入端AOl、 BOl、 C01和A02、 B02、 C02，兩個功率模塊的輸出端U01和U02直 接相連使兩個功率模塊串聯(lián)起來構(gòu)成一個功率單元，兩個功率模塊的另外兩個輸出端Ull和 U12作為功率單元的輸出端。每個功率模塊又包括整流部分、升壓斬波部分和逆變部分。
功率模塊的整流部分的具體實現(xiàn)方式是將六只二極管(D11 D16)分成兩兩一組，分別 是D11和D14、 D13和D16、 D15和D12，然后每組中的兩個器件首尾相連構(gòu)成三組橋臂，三 相輸入分別依次連接在三組橋臂的中間點(diǎn)AOl、 BOl、 COl，形成三相橋式不控整流電路。
功率模塊中的升壓斬波部分由至少一個升壓斬波器并聯(lián)連接，每個升壓斬波器包括前端 穩(wěn)壓電容器Cll、儲能電感Lll、帶續(xù)流二極管D1的全控開關(guān)器件T1、 二極管D17和輸出 端母線電容器C12，儲能電感L11和二極管D17串聯(lián)連接，儲能電感L11和二極管D17的串 聯(lián)節(jié)點(diǎn)處并聯(lián)全控開關(guān)器件Tl，儲能電感Lll和二極管D17串聯(lián)支路的首尾兩端分別并聯(lián) 穩(wěn)壓電容器Cll和輸出端母線電容器C12。升壓斬波器中的輸出端母線電容器C12兩端并聯(lián) 逆變部分。
功率模塊中的逆變部分由四個功率開關(guān)器件(T11 T14)以及與每個功率開關(guān)器件反并 聯(lián)的續(xù)流二極管(D11 D14)組成，四個開關(guān)管兩兩一組，分別是T11和T14、 T13和T12， 將每組中的兩個開關(guān)管首尾相連形成兩組橋臂，橋臂的中間點(diǎn)U01、U11作為功率模塊的輸出， 將兩個功率模塊的輸出端U01和U02直接相連從而將兩個功率模塊的串聯(lián)連接成為一個功率 單元，兩個功率模塊的輸出端Ull和U12作為功率單元的輸出端與輸出變壓器的一個原邊繞 組的兩端相連。
實施例2:
結(jié)合圖3，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的兩組三相輸出分別通過三相電抗器連接兩個功率模塊的輸入側(cè)， 功率模塊的輸出端U01和U02相連把兩個功率模塊串聯(lián)起來構(gòu)成一個功率單元。每個功率模 塊包括三相輸入電抗器、三相橋式全控整流電路、濾波電容器和單相全橋逆變電路。風(fēng)力發(fā)電機(jī)三相輸出經(jīng)過三相電抗器LA1、 LB1和LC1連接到三相橋式全控整流電路的 三個橋臂的中間點(diǎn)All、 Bll、 Cll。三相橋式全控整流電路由六個帶續(xù)流二極管的功率開關(guān) 器件(T31 T36)組成，六個功率開關(guān)器件分成兩兩一組，分別是T31和T34、 T33和T36、 T35和T32，每組中的兩個器件首尾相連構(gòu)成三組橋臂，最后一組橋臂兩端并聯(lián)一個濾波電 容器C31，電容器C31的兩端再并聯(lián)逆變電路。
功率模塊中的逆變電路由四個功率開關(guān)器件(T41 T44)以及與每個功率開關(guān)器件反并 聯(lián)的續(xù)流二極管(D41 D44)組成，四個功率開關(guān)器件兩兩一組，分別是T41和T44、 T43 和T42，將每組中的兩個功率開關(guān)器件首尾相連形成兩組橋臂，橋臂的中間點(diǎn)UOll、 U21作為 功率模塊的輸出，將兩個功率模塊的輸出端U011和U022直接相連從而將兩個功率模塊串聯(lián) 連接成為一個功率單元，兩個功率模塊的輸出端U21和U22作為功率單元的輸出端與輸出變 壓器的一個原邊繞組的兩端相連。
實施例2與實施例1的主要區(qū)別在于，實施例1采用二極管不控整流加升壓斬波的方式 實現(xiàn)當(dāng)輸出交流電壓幅值變化的情況下保持功率模塊的直流母線電壓幅值基本不變，該方案 實現(xiàn)簡單，成本較低，但是需要結(jié)合風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出移相技術(shù)實現(xiàn)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的諧波影 響小的目的。實施例2則直接采用全控整流的方式，通過控制六個功率開關(guān)器件的工作狀態(tài) 可以實現(xiàn)穩(wěn)定直流母線電壓以及提高輸入功率因數(shù)和降低輸入諧波的目的，該方案對發(fā)電機(jī) 無移相要求，但控制復(fù)雜，成本較高。
權(quán)利要求1、一種功率單元復(fù)合聯(lián)接方式的風(fēng)力發(fā)電電力變換裝置，它包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其特征是它還包括與風(fēng)力發(fā)電機(jī)相連的3個功率單元組和輸出變壓器，風(fēng)力發(fā)電機(jī)有兩組三相輸出，分別與每個功率單元的兩組三相輸入端相連，N(N≥1)個功率單元構(gòu)成一個功率單元組，功率單元組內(nèi)每個功率單元的輸出連接輸出變壓器一相的一個原邊繞組，輸出變壓器為三相變壓器，每相有N個(N≥1)原邊繞組和一個副邊繞組，同一相的各原邊繞組互相不連接，三相副邊繞組接成星形或三角形后直接并網(wǎng)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種功率單元復(fù)合聯(lián)接方式的風(fēng)力發(fā)電電力變換裝置，其特 征在于所述的功率單元的第一種實現(xiàn)方案，功率單元由兩個結(jié)構(gòu)完全相同的功率模塊在輸 出逆變部分串聯(lián)構(gòu)成，每個功率模塊包括整流部分、升壓斬波部分和逆變部分，風(fēng)力發(fā)電機(jī) 的一組獨(dú)立三相輸出連接整流部分，整流部分連接升壓斬波部分，升壓斬波部分連接逆變部 分，整流部分由三相橋式二極管不控整流電路組成，升壓斬波部分由至少一個升壓斬波器構(gòu) 成，多個升壓斬波器并聯(lián)連接，每個升壓斬波器包括前端穩(wěn)壓電容器、儲能電感、全控開關(guān) 器件、二極管和輸出端母線電容器，儲能電感和二極管串聯(lián)連接，儲能電感和二極管串聯(lián)節(jié) 點(diǎn)處并聯(lián)全控開關(guān)器件，儲能電感和二極管支路的首尾兩端分別并聯(lián)穩(wěn)壓電容器和輸出端母 線電容器；逆變部分由一個單相全橋可控逆變電路構(gòu)成，單相全橋可控逆變電路由兩組橋臂 并聯(lián)而成，每個橋臂由兩個全控開關(guān)器件串聯(lián)而成，串聯(lián)的中間點(diǎn)作為每個功率模塊的輸出， 每個功率模塊的一個輸出端與本功率單元另一個功率模塊的另一個輸出端直接相連，兩個功率模塊的其余兩個輸出端作為整個功率單元的輸出。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種功率單元復(fù)合聯(lián)接方式的風(fēng)力發(fā)電電力變換裝置，其特 征在于所述的功率單元的第二種實現(xiàn)方案，功率單元由兩個結(jié)構(gòu)完全相同的功率模塊在輸 出逆變部分串聯(lián)構(gòu)成，每個功率模塊由三相輸入電抗器、三相橋式全控整流電路、濾波電容 器和單相全橋可控逆變電路組成，三相輸入電抗器連接三相橋式全控整流電路的三相輸入端， 三相橋式全控整流電路的輸出端并聯(lián)濾波電容器，濾波電容器兩端并聯(lián)單相全橋可控逆變電 路，其中三相橋式全控整流電路由三相橋臂并聯(lián)而成，每個橋臂由兩個全控開關(guān)器件串聯(lián)構(gòu) 成，串聯(lián)的中間點(diǎn)作為整流電路的一相輸入，每個開關(guān)器件并聯(lián)反向續(xù)流二極管，開關(guān)器件 采用IGBT或IGCT;單相全橋可控逆變部分由兩組橋臂并聯(lián)而成，每個橋臂由兩個全控開關(guān) 器件串聯(lián)而成，串聯(lián)的中間點(diǎn)作為每個功率模塊的輸出，每個功率模塊的一個輸出端與本功 率單元另一個功率模塊的另一個輸出端直接相連，兩個功率模塊的其余兩個輸出端作為整個 功率單元的輸出。
專利摘要本實用新型涉及一種功率單元復(fù)合聯(lián)接方式的風(fēng)力發(fā)電電力變換裝置，它包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)、與風(fēng)力發(fā)電機(jī)相連的3個功率單元組以及與3個功率單元組相連的輸出變壓器，風(fēng)力發(fā)電機(jī)有兩組三相輸出，分別與每個功率單元的兩組三相輸入端相連，N(N≥1)個功率單元構(gòu)成一個功率單元組，功率單元組內(nèi)每個功率單元的輸出連接輸出變壓器一相的一個原邊繞組，輸出變壓器為三相變壓器，其每相有N個原邊繞組和一個副邊繞組，同一相的各原邊繞組互相不連接，三相副邊繞組接成星形或三角形后直接并網(wǎng)。本實用新型特別適用于大功率尤其是1.5MW以上的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，具有成本低、可靠性高、輸出諧波小和輸出功率因數(shù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H02M5/10GK201226495SQ200820117788
公開日2009年4月22日 申請日期2008年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月18日
發(fā)明者皓 張 申請人:皓 張