專利名稱：諧波注入型直驅式風電變流器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種風電變流器，尤其涉及一種結構為直驅式、可對直流環(huán)節(jié)電 壓進行平衡控制及實現(xiàn)輸入電流正弦化、并能夠維持低風速下的能量饋送至電網(wǎng) 的諧波注入型變流器。
背景技術：
伴隨著能源和環(huán)境問題的日益尖銳，近二十年來風力發(fā)電技術的研究得到前 所未有的重視。我國作為能源消耗大國，近年來我國風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度也 非常快，但我國的風力發(fā)電技術尤其是風力發(fā)電機驅動控制變流相關技術還遠不 成熟。傳統(tǒng)大型風力發(fā)電機組一般使用變槳距控制的雙饋式風力機，如圖1所示， 包括風力機、齒輪箱、感應機、PWM變頻器和直流側電容器等。雙饋機的定子與 電網(wǎng)直接連接，轉子通過兩個電壓源變頻器連接到電網(wǎng)中，機組可在較大速度范 圍內運行，與電網(wǎng)之間實現(xiàn)能量雙向傳輸。當風力機運行在超同步速度時，功率 從轉子流向電網(wǎng)；而當運行在次同步速度時，功率從定子流向轉子。直流側電容 器的作用主要是維持直流側電壓。該種發(fā)電機組的功率控制方式為變槳距控制， 即槳距角隨著風速的改變而改變，從而使風力機在較大范圍內按最佳參數(shù)運行， 以提高風能利用率。當風速增大到額定值以上時，葉片與輪轂間的軸承機構轉動 使葉片槳距角增大，功角減小，從而減小翼型的升力，達到控制風力機葉片的扭 矩和功率的目的。但是雙饋式風力發(fā)電機組由于需要安裝變槳裝置故其機械損耗 和噪音較大，而且采用了繞線型異步電機致使結構和控制方式相對復雜、維護不 便、機組價格昂貴。
因此隨著風力發(fā)電技術的不斷發(fā)展，直驅式風力發(fā)電系統(tǒng)因其維護成本低、 噪聲小、結構簡單等優(yōu)點而受到越來越多的關注。如圖2所示，它采用風輪直接 驅動多極低速永磁同步發(fā)電機發(fā)電，然后通過功率變換電路將電能轉換后并入電 網(wǎng)，省去了傳統(tǒng)雙饋式風力發(fā)電系統(tǒng)中的齒輪箱，系統(tǒng)效率大為提高，有效抑制 了噪聲。該系統(tǒng)能夠使風力機在很大風速范圍內按最佳效率運行并且省去了增速 裝置，從而提高了系統(tǒng)的效率和可靠性，同時也降低了系統(tǒng)維護費用和直接費用。
4但已采用的變流器中，存在如下一些問題，如整流橋輸入側電流畸變很嚴重，諧 波含量比較大，因而使發(fā)電機功率因數(shù)降低，發(fā)電機轉矩發(fā)生振蕩；其直流側電 壓也難以實現(xiàn)平衡控制，電容電壓的波動必定會影響裝置的整體輸出性能。另外 還有一個無法克服的缺點，即同步發(fā)電機在低風速時輸出電壓較低，無法將能量 反饋入電網(wǎng)。這些都是有待解決的問題。
發(fā)明內容
技術問題:本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有直驅式風力發(fā)電系統(tǒng)變流器實現(xiàn)方案的 不足，提出一種可對直流環(huán)節(jié)的電壓進行控制、實現(xiàn)高功率因數(shù)整流、濾波電容 器組容量要求低、能夠維持低風速下的能量饋送至電網(wǎng)的諧波注入型直驅式風電 變流器。
技術方案本發(fā)明的諧波注入型直驅式風電變流器中，六個整流二極管即第 一整流二極管、第二整流二極管、第三整流二極管、第四整流二極管、第五整流 二極管、第六整流二極管組成三相不可控整流橋，其輸入端分別通過第一輸入電 感、第二輸入電感、第三輸入電感對應連接到第一熔斷器、第二熔斷器、第三熔 斷器上，而熔斷器則直接與永磁同步電機的電壓輸出端Ua、 Ub、 Uc相連；整流 橋輸出端則連接到第一升壓功率管、第二升壓功率管組成的升壓半橋上；升壓半 橋的正、負極分別通過第一限流二極管、第二限流二極管連接到第一濾波電容、 第二濾波電容、第三濾波電容、第四濾波電容組成的濾波電容器組的正、負極上， 每個濾波電容都分別對應并聯(lián)有一個均壓電阻即第一均壓電阻、第二均壓電阻、 第三均壓電阻、第四均壓電阻；升壓橋中性點即第一功率管、第二功率管的連接 公共點和濾波電容器組中性點即整個電容器組容量的1/2位置處連接在一起，并 由此點引出中性線連到諧波電流注入電路中性點上；濾波電容器組的正、負極分 別與逆變器的正、負極輸入端相連。
本發(fā)明可采用的第一種逆變器，其特征在于該逆變器中六個逆變功率管即第 一逆變功率管、第二逆變功率管、第三逆變功率管、第四逆變功率管、第五逆變 功率管、第六逆變功率管組成三相可控逆變半橋，其輸入連接在濾波電容器組的 正、負極上，輸出端則通過輸出濾波電路分別對應連到電網(wǎng)的接入端UA、 UB、
uc上。
本發(fā)明可采用的第二種逆變器是六個逆變橋臂組成三相可控逆變半橋，即第七逆變功率管和第八逆變功率管、第九逆變功率管和第十逆變功率管、第十一 逆變功率管和第十二逆變功率管、第十三逆變功率管和第十四逆變功率管、第十 五逆變功率管和第十六逆變功率管、第十七逆變功率管和第十八逆變功率管分別 組成一個逆變橋臂；六個橋臂的中點即兩個逆變功率管的連接公共點分別通過第 一鉗位二極管、第二鉗位二極管、第三鉗位二極管、第四鉗位二極管、第五鉗位 二極管、第六鉗位二極管與濾波電容器組中性點相連，其中第一鉗位二極管、第 三鉗位二極管、第五鉗位二極管的負極分別對應連接到各上橋臂的中點上，第二 鉗位二極管、第四鉗位二極管、第六鉗位二極管的正極分別對應連接到各下橋臂 的中點上；三相逆變半橋的輸入連接在濾波電容器組的正、負極上，輸出端則通 過輸出濾波電路分別對應連到電網(wǎng)的接入端UA、 UB、 UC上。 有益效果
(1) 可以對功率單元直流環(huán)節(jié)的電壓進行控制，提升其直流電壓穩(wěn)定性， 并進一步提升變流器輸出交流電壓波形的質量；
(2) 諧波電流注入電路為注入零序電流提供了通道，可以實現(xiàn)功率單元的 高功率因數(shù)整流和輸入電流的正弦化，減少諧波帶來的一些問題；
(3) 直流電壓環(huán)節(jié)的穩(wěn)定控制，對濾波電容器組的容量要求比不控拓撲型 的低，可節(jié)省成本；
(4) 直流環(huán)節(jié)采用升壓電路，使發(fā)電機在低風速時也能將能量饋送至電網(wǎng)， 同時可減小直流環(huán)節(jié)的電流，降低損耗；
(5) 使風力發(fā)電系統(tǒng)維護成本低、噪聲小、結構比較簡單、控制較方便。
圖l雙饋式風力發(fā)電系統(tǒng)示意圖，
圖2直驅式風力發(fā)電系統(tǒng)示意圖，
圖3本發(fā)明的結構示意圖，
圖4本發(fā)明另一種實施方案的結構示意圖，
圖5功率單元工作示意圖，
圖6三相整流輸入電壓波形示意圖。
圖中有風力機l、齒輪箱2、雙饋感應電機3、三繞組變壓器4、交流/直 流變流模塊5、直流側電容器6、直流/交流變流模塊7、永磁同步電機8、第一
6熔斷器9、第二熔斷器IO、第三熔斷器ll、諧波電流注入電路12、第一輸入電 感13、第二輸入電感14、第三輸入電感15、第一整流二極管16、第二整流二極 管17、第三整流二極管18、第四整流二極管19、第五整流二極管20、第六整流 二極管21、第一升壓功率管22、第二升壓功率管23、第一限流二極管24、第二 限流二極管25、第一均壓電阻26、第二均壓電阻27、第三均壓電阻28、第四均 壓電阻29、第一濾波電容30、第二濾波電容31、第三濾波電容32、第四濾波電 容33、第一逆變功率管34、第二逆變功率管35、第三逆變功率管36、第四逆變 功率管37、第五逆變功率管38、第六逆變功率管39、輸出濾波電路40、電網(wǎng)等 效電源41、濾波電容器組中性點42、升壓橋中性點43、諧波電流注入電路中性 點44、第七逆變功率管45、第八逆變功率管46、第九逆變功率管47、第十逆變 功率管48、第十一逆變功率管49、第十二逆變功率管50、第十三逆變功率管51、 第十四逆變功率管52、第十五逆變功率管53、第十六逆變功率管54、第十七逆 變功率管55、第十八逆變功率管56、第一鉗位二極管57、第二鉗位二極管58、 第三鉗位二極管59、第四鉗位二極管60、第五鉗位二極管61、第六鉗位二極管 62、 a相等效電源63。
具體實施例方式
如圖1所示為傳統(tǒng)的雙饋式風力發(fā)電系統(tǒng)示意圖。風力機1通過齒輪箱2 和雙饋感應電機3相連，雙饋感應電機3的定子繞組與三繞組變壓器4的中壓側 直接連接，轉子通過兩個電壓源變頻器(即圖中的交流/直流變流模塊5、直流/ 交流變流模塊7)連接到三繞組變壓器4的低壓側。由于轉子繞組采用了獨立電 源供電，故機組可在較大速度范圍內運行，并與電網(wǎng)之間實現(xiàn)能量雙向傳輸當 風力機運行在超同步速度時，功率從轉子流向電網(wǎng)；而當運行在次同步速度時， 功率從定子流向轉子。直流側電容器6可維持直流側電壓及濾除電壓紋波。
如圖2所示為直驅式風力發(fā)電系統(tǒng)示意圖，將風力機1直接驅動多極低速永 磁同步發(fā)電機8發(fā)電，然后通過功率變換電路(即圖中的交流/直流變流模塊5、 直流/交流變流模塊7)將電能轉換后并人電網(wǎng)，省去了傳統(tǒng)雙饋式風力發(fā)電系 統(tǒng)中的齒輪箱，系統(tǒng)效率大為提高，有效抑制了噪聲。該系統(tǒng)無機械變速裝置， 從而提高了系統(tǒng)的效率和可靠性，降低了系統(tǒng)的運行和維護成本。但直驅式風力 發(fā)電系統(tǒng)中的變流器(包括圖中的交流/直流變流模塊5、直流側電容器6、直流/交流變流模塊7三部分)直流側電壓的平衡控制較難，而且變流器的輸入電流 正弦化及結構簡化也較難實現(xiàn)。另外在低風速時，永磁同步發(fā)電機8輸出電壓較 低，不能將能量饋送至電網(wǎng)。針對上述傳統(tǒng)直驅風力發(fā)電系統(tǒng)功率單元的不足， 本發(fā)明提出一種新型風電變流器，如圖3所示。本發(fā)明變流器的六個整流二極管 組成三相不可控整流橋，其輸入端通過輸入電感連接到熔斷上，而熔斷器則直接 對應與永磁同步電機8的電壓輸出端Ua、 Ub、 Uc相連。三相不可控整流橋的輸 出端連接到兩個升壓功率管組成的雙開關升壓半橋上。升壓半橋的正、負極分別 通過限流二極管(為快速二極管)連接到濾波電容組成的濾波電容器組(或采用 耐壓值足夠高的混合電容器組)的正、負極上。均壓電阻分別并聯(lián)到濾波電容上， 以防止電容器電壓不平衡。升壓半橋的正、負極分別與限流二極管24的正極、 25的負極相連。升壓橋中性點43 (即升壓橋兩個升壓功率管的公共點)和濾波 電容器組的中性點42 (整個電容器組容量的1/2位置處)連接在一起，并由此 點引出中性線連到諧波電流注入電路中性點44上。六個逆變功率管組成三相逆 變半橋(第一種逆變器)，其輸入連接在濾波電容器組的正、負極上，輸出端則 通過輸出濾波電路分別對應連到電網(wǎng)的接入端UA、 UB、 UC上。
當然本發(fā)明變流器的逆變電路也可以采用三電平逆變器(第二種逆變器，圖 3所示為兩電平逆變器)，如圖4所示。該逆變器每個半橋橋臂都由兩個可控逆 變功率管組成，如逆變功率管45~46組成一個橋臂，逆變功率管47 48組成一個 橋臂。而每個橋臂的中點(串聯(lián)功率管的公共點)分別通過鉗位二極管57~62 和濾波電容器組的中性點42相連。這樣六個橋臂組成三相逆變半橋，其輸入連 接在濾波電容器組的正、負極上，輸出端則通過輸出濾波電路40分別對應連到 電網(wǎng)的接入端UA、 UB、 UC上。相對于直流測電壓而言，該三電平逆變電路的輸 出電壓有兩種可能的取值，比兩電平逆變電路多出一種，因此使逆變電路輸出的 電壓諧波大為減少。此外三電平逆變電路還有一個突出的優(yōu)點就是每個逆變功率 管關斷時所承受的電壓僅為直流測電壓的一半，這就降低了功率管的耐壓要求。
本發(fā)明變流器可進行直流電壓升壓和直流電壓控制，其工作原理如圖5所 示。當a相等效電源63的電壓處于正半周時整流二極管16導通，整流二極管 17關斷，由于開關頻率相對于工頻很高，此電路即可看作升壓斬波電路(Boost C叩per)。當升壓功率管22處于通態(tài)時，電源63向輸入電感13充電；當升壓功 率管22處于斷態(tài)時電源63和輸入電感13共同向濾波電容充電，這樣輸出電壓的幅值就高于了電源63電壓的幅值。類似的，當a相等效電源63的電壓處于負 半周時整流二極管16關斷，整流二極管17導通，由電源63、輸入電感13、升 壓功率管23、濾波電容組成的電路仍為升壓斬波電路。其工作過程同電源63電 壓處于正半周時類似，輸出電壓的幅值也高于電源63電壓的幅值。當然，b相、 c相電源作用時電路也是按照這種方式進行工作的。
由以上的電路工作過程分析可知，電路相當于對直流電壓進行了升壓(相對 于僅用二極管進行整流而言)。對升壓功率管的通斷占空比進行調節(jié)，即可以控 制輸入電感充電的時間，最終達到控制直流電壓的目的。
直流電壓得到控制的直接好處即是使裝置的整體性能得到了提升，改善了變 流器輸出交流電壓波形的質量。而且直流環(huán)節(jié)的電壓變得更加穩(wěn)定，降低了對濾 波的要求，所以濾波電容器組的容量也可相應降低，以節(jié)省成本。另一方面，直 流環(huán)節(jié)的電壓得到提升，在低風速下也可將能量饋送至電網(wǎng)。
本發(fā)明的電路實現(xiàn)高功率因數(shù)整流的控制原理如下根據(jù)三相三線制中三相 電流瞬時和為零，可知3個相電流共有2個自由度，即在某個時刻，控制其中的 兩個相電流，另外的那相電流就等同控制了。這種控制方法就是通過升壓功率管 分別控制正向電壓最大相和負向電壓最大相的電流來實現(xiàn)的，即控制升壓功率管 的通斷就可以控制三相的瞬時電流，使其跟蹤各相電壓，以達到提高功率因數(shù)的 目的。
三相整流輸入電壓波形示意圖如圖6所示。W-;r/6 5;z76時，a相電壓達 到正向最大值，即進入圖5所示的正向升壓工作過程，此時即可以通過控制升壓 功率管22的通斷使輸入a相電流波形跟蹤a相電壓波形。在此時間段考慮其它 兩相的電流情況紐-;r/6 ;r/2時，b相電壓達到負向最大值，即進入圖5所 示的負向升壓工作過程，此時即可以通過控制升壓功率管23的通斷使輸入b相 電流波形跟蹤b相電壓波形，根據(jù)三相電流瞬時和為零可知c相電流自動跟蹤c 相電壓波形；而在時間段紐-;r/2 5;r/6時，c相電壓達到負向最大值，進入圖 5所示的負向升壓工作過程，此時即可以通過控制升壓功率管23的通斷使輸入c 相電流波形跟蹤c相電壓波形，根據(jù)三相電流瞬時和為零可知b相電流自動跟蹤 b相電壓波形。類似的，在其他時間段，三相電流也可按照這種方法得到控制。
由于輸入電流為近似正弦，降低了輸入到永磁同步電機8的諧波電流?？杀?免發(fā)電機功率因數(shù)降低和發(fā)電機轉矩發(fā)生振蕩，此外采用不控整流加升壓雙開關
9的拓撲可簡化功率單元的結構和降低其控制難度，并節(jié)約了成本。
注入零序電流的原因仍結合圖6說明，當僅采用三相整流橋整流時，各相電
流波形為正弦波的!;^、 /^部分(即實線部分)。要實現(xiàn)輸入電流的正弦化則必
須注入電流!'^，即圖5中的虛線部分。經(jīng)頻譜分析可知！'^這部分諧波電流分
布在3次的奇數(shù)倍工頻頻率上，也即諧波電流只包含零序電流?；谶@個原因， 本發(fā)明采用了諧波電流注入電路，其中性點44連接到濾波電容器組中性點42、 升壓橋中性點43上，這樣可以為零序電流提供通路。而這部份諧波電流只能在 本發(fā)明功率單元的內部流通(通過整流環(huán)節(jié)、直流環(huán)節(jié)和諧波電流注入環(huán)節(jié)形成
諧波電流回路)，不會流入永磁同步電機8或電網(wǎng)，故最終可達到注入^r實現(xiàn)輸
入電流正弦化的目的。
下面給出諧波電流注入電路12的兩種具體實施方案(1)采用YN-A型四 芯柱三相變壓器，并將中性線N與升壓橋中性點43相連，Y形側的繞組分別對 應接在永磁同步電機8三相輸出端上(接入點位于熔斷器和輸入電感之間)，變 壓器的A形側不接入電路；(2)直接將三組電容接成YN形，并引出三相端子C/"、 U&、 t/c以及中性點N，三相端子分別對應接在永磁同步電機8三相輸出端上(接 入點位于熔斷器和輸入電感之間)，中性點N與升壓橋中性點43相連。
輸出濾波電路40可采用以下的實施方案(1)將三個電感分別對應串入到 變流器與電網(wǎng)連接的線路中；(2)在三條連接線路(連接變流器與電網(wǎng))與地之 間分別并聯(lián)電容；(3)采用LC濾波電路接在變流器與電網(wǎng)之間。
權利要求
1. 一種諧波注入型直驅式風電變流器，其特征在于在該變流器中，六個整流二極管即第一整流二極管(16)、第二整流二極管(17)、第三整流二極管(18)、第四整流二極管(19)、第五整流二極管(20)、第六整流二極管(21)組成三相不可控整流橋，其輸入端分別通過第一輸入電感(13)、第二輸入電感(14)、第三輸入電感(15)對應連接到第一熔斷器(9)、第二熔斷器(10)、第三熔斷器(11)上，而熔斷器的另一端則直接與永磁同步電機(8)的電壓輸出端Ua、Ub、Uc相連；整流橋輸出端連接到第一升壓功率管(22)、第二升壓功率管(23)組成的升壓半橋上；升壓半橋的正、負極分別通過第一限流二極管(24)、第二限流二極管(25)連接到第一濾波電容(30)、第二濾波電容(31)、第三濾波電容(32)、第四濾波電容(33)組成的濾波電容器組的正、負極上，每個濾波電容都分別對應并聯(lián)有一個均壓電阻即第一均壓電阻(26)、第二均壓電阻(27)、第三均壓電阻(28)、第四均壓電阻(29)；升壓橋中性點(43)即第一功率管(22)、第二功率管(23)的連接公共點和濾波電容器組中性點(42)即整個電容器組容量的1/2位置處連接在一起，并由此點引出中性線連到諧波電流注入電路中性點(44)上；濾波電容器組的正、負極分別與逆變器的正、負極輸入端相連。
2、 根據(jù)權利要求1所述的諧波注入型直驅式風電變流器，其特征在于所述 的逆變器中六個逆變功率管即第一逆變功率管(34)、第二逆變功率管(35)、第三 逆變功率管(36)、第四逆變功率管(37)、第五逆變功率管(38)、第六逆變功率 管(39)組成三相可控逆變半橋，其輸入連接在濾波電容器組的正、負極上，輸 出端則通過輸出濾波電路(40)分別對應連到電網(wǎng)的接入端UA、 UB、 UC上。
3、 根據(jù)權利要求1所述的諧波注入型直驅式風電變流器，其特征在于所述 的逆變器中六個逆變橋臂組成三相可控逆變半橋，即第七逆變功率管(45)和第 八逆變功率管(46)、第九逆變功率管(47)和第十逆變功率管(48)、第十一逆 變功率管(49)和第十二逆變功率管(50)、第十三逆變功率管(51)和第十四 逆變功率管(52)、第十五逆變功率管(53)和第十六逆變功率管(54)、第十七 逆變功率管(55)和第十八逆變功率管(56)分別組成一個逆變橋臂；六個橋臂 的中點即兩個逆變功率管的連接公共點分別通過第一鉗位二極管(57)、第二鉗 位二極管(58)、第三鉗位二極管(59)、第四鉗位二極管(60)、第五鉗位二極 管(61)、第六鉗位二極管(62)與濾波電容器組中性點(42)相連，其中第一鉗位二極管(57)、第三鉗位二極管(59)、第五鉗位二極管(61)的負極分別對 應連接到各上橋臂的中點上，第二鉗位二極管(58)、第四鉗位二極管(60)、第 六鉗位二極管(62)的正極分別對應連接到各下橋臂的中點上；三相逆變半橋的 輸入連接在濾波電容器組的正、負極上，輸出端則通過輸出濾波電路(40)分別 對應連到電網(wǎng)的接入端UA、 UB、 UC上。
全文摘要
諧波注入型直驅式風電變流器的功率單元包括整流電路、升壓斬波電路和逆變電路。整流電路采用三相橋式不控整流方式，直流側增加兩個可控功率管以及兩個快速二極管，由此組成直流升壓斬波電路，以控制直流環(huán)節(jié)的電壓，并通過提升直流側電壓來維持低風速下的能量饋送至電網(wǎng)。逆變器采用全控型功率管組成的三相半橋可控輸出。升壓半橋、濾波電容器組的中性點與諧波電流注入電路的中性點相連，可為注入零序電流提供通道，以實現(xiàn)高功率因數(shù)整流和輸入電流的正弦化，避免發(fā)電機功率因數(shù)降低和發(fā)電機轉矩發(fā)生振蕩。
文檔編號H02M5/00GK101465607SQ20091002800
公開日2009年6月24日 申請日期2009年1月5日 優(yōu)先權日2009年1月5日
發(fā)明者倪喜軍, 儀 孫, 趙劍鋒, 鄭良廣, 閆安心 申請人:東南大學