專利名稱：一種大功率風力發電機專用三電平全功率變流器組的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及風電領域，尤指ー種大功率風カ發電機組專用混合式三電平全功率變流器組，主要運用于兆瓦級變速風電機組。
背景技術：
風電是目前最具有商業開發潛力的清潔能源，也是我國重點發展的可再生能源之一。當前風カ發電的主流技術方案是變速風機技術，而為了實現風機的變速運行以及風電機組的并網，電カ電子變流器是其中必不可少的核心控制器。在各種變速風機的實現方案中，安裝在發電機定子側的全功率風電變流器是實現風機變速恒頻控制的重要方案之一， 這種方案與發電機轉子側變流器方案相比更易于實現，作為風電機組關鍵設備在電網故障狀態下要滿足較高的電壓穿越能力，因此是目前大功率風電變流器的研究中比較重要和熱點的技木。由于定子側變流器方案必須處理全部的發電機功率，這造成定子側風電變流器在設計和制造上的很多的困難以及較高的成本。特別是目前國際上風電機組的單機功率已經達到5MW，而且在進ー步發展5MW以上的功率等級，因此對于風電變流器的設計和制造提出了更高的要求，而現有的單發電機和單變流器的技術方案已經不能適應這種技術要求。
實用新型內容針對現有技術存在的問題，本實用新型的目的在于提供一種用于兆瓦級變速風電機的三電平全功率變流器組。為實現上述目的，本實用新型的大功率風カ發電機專用三電平全功率變流器組，包括發電機側變流器和電網側變流器，發電機側變流器通過對發電機相電流的控制，實現風機的變速控制，電網側變流器用于發電機與電網連接，實現并網控制，其中發電機側變流器為四組三電平整流器，電網側變流器為兩組三電平逆變器，四組三電平整流器分別與發電機的四組隔離的三相繞組連接，發電機的兩組相位差180度的三相繞組連接的兩組三電平整流器之間并聯，并聯后的整流器組串聯并與兩組并聯的三電平逆變器連接，最后接入電網。進ー步，所述三電平整流器為Vienna整流器。進ー步，所述三電平逆變器輸出與電網之間連接有LC濾波器。進ー步，通過六相升壓變壓器，所述3L-NPC逆變器輸出與電網連接。進ー步，所述六相升壓變壓器由兩組互相反相的三相繞組構成。本實用新型大功率風カ發電機專用三電平全功率變流器組，這種技術的主要特點是每臺分立的發電機定子側采用各自獨立的混合式三電平全功率變流器。這種技術的主要優點(I)單臺發電機的功率等級相對降低，整個風機的功率被多臺發電機分擔；(2)定子側電カ電子變流器的容量降低，并且可輕易實現變流器的并聯或串聯多重化；(3)通過四組Vienna整流器來分攤功率，由于Vienna整流器是三電平變流器，其諧波和損耗性能要優于兩電平變流器，另外，每組Vienna整流器只需要三只IGBT模塊，而傳統兩電平變流器則需要6只IGBT變流器，因此其可靠性也較高；(4)并聯的兩組Vienna整流器由于其三相繞組之間相位相差180度，故可以抵消Vienna整流器并聯后的直流電容中點電壓脈動。電網側采用兩組ニ極管中點鉗位三電平逆變器(3L-NPC)并聯，通過變壓器的反相設計使得并聯的兩組變流器抵消了中點電位的脈動；(5)這種技術能夠充分適應我國大功率風電機組要求國產化的市場期望和我國現有的技術能力。
圖I為混合式三電平全功率變流器組運用于兆瓦級變速風電機組原理圖；圖2為Vienna整流器拓撲結構圖；圖3為3L-NPC拓撲結構圖。
具體實施方式
本實用新型的大功率風カ發電機專用三電平全功率變流器組，通過采用變流器的多重化技術實現大功率風機的變速運行和并網，是高功率等級變速風電機組的新的技木。如圖I所示，是ー個采用多相永磁同步發電機構成的直驅系統，其中發電機提供四組隔離的三相繞組，本實用新型的變流器組包括四組Vienna整流器和兩組三電平逆變器，這四組三相繞組分別連接四組Vienna整流器，Vienna整流器的拓撲結構如圖2所示，四組Vienna整流器的直流側混合連接，即I和II，III和IV分別并聯，而并聯后的變流器組整體串聯。并聯的兩組Vienna整流器由于其三相繞組之間相位相差180度，故可以抵消Vienna整流器并聯后的直流電容中點電壓脈動。電網側采用兩組ニ極管中點鉗位三電平逆變器(3L-NPC)并聯，三電平逆變器的拓撲結構如圖3所示，通過變壓器的反相設計使得并聯的兩組變流器抵消了中點電位的脈動。在大功率的直驅系統中，由于采用690V的電壓等級，因此發電機的額定電流非常大，造成效率問題比較突出，而為了分攤發電機的功率，需要多組傳統兩電平變流器并聯。本文提出的技術方案中通過四組Vienna整流器來分攤功率，由于Vienna整流器是三電平變流器，其諧波和損耗性能要優于兩電平變流器。另外，每組Vienna整流器只需要三只IGBT模塊，而傳統兩電平變流器則需要6只IGBT變流器，因此其可靠性也較高。同步發電機還可以采用ニ極管不控整流橋+Boost升壓電路，但是在大功率的條件下，這種方案的電流諧波非常突出，會引起發電機的轉矩脈動，對發電機的性能具有重要影響。因此現在多數采用PWM整流器，最為常用的就是兩電平PWM整流器。我們提出的Vienna整流器主要用于替代兩電平PWM整流器。在控制方法上，Vienna整流器是發電機側變流器，通過對發電機相電流的控制，實現風機的變速控制。三電平逆變器(3L-NPC)用于發電機組與電網連接，實現并網控制。3L-NPC輸出與電網之間連接的LC濾波器有雙重作用一、電抗器是兩個電壓源之間并聯必需的元件，3L-NPC是電壓源式逆變器，它與電網之間并聯必須通過電抗器來實現；ニ、電抗器與電容器構成LC濾波器，它用于濾除開關頻率的電流諧波。我們推薦方案中，兩組3L-NPC并聯來分攤來自發電機的功率，3L-NPC是三電平變流器，其諧波性能比較優越，而且由于發電機側通過整流器串聯提高了直流母線電壓(2000V)，因此兩組3L-NPC并聯提供的容量等效于四組低壓逆變器(直流母線電壓1000V)并聯的容量。在控制上，3L-NPC逆變器負責維持直流母線電壓的穩定，實現有功功率向電網的傳輸，同時實現對注入電網的無功功率的控制。[0017]升壓變壓器用于將逆變器輸出與10_35kV電網連接。傳統逆變器輸出電壓為690V，本文推薦的方案逆變器輸出電壓為2X690V，這些電壓等級無法直接與IOkV電網連接，因此升壓變壓器是必不可少的部件。但是，我們提出的方案，升壓變壓器非傳統三相變壓器，而是六相變壓器，它由兩組互相反相的三相繞組構成。其目的有兩個ー是為了兩組并聯的3L-NPC之間不產生并聯環流；ニ是通過反相設計抵消3L-NPC電容中點的電壓脈動。發電機側整流器和電網側逆變器與發電機和電網之間均通過斷路器來連接。整個系統結構仍然是back-to-back結構，中間具有ー個直流電容儲能環節。這些與傳統方案都是ー樣的。但是在具體的拓撲結構上，傳統方案采用三相發電機和兩電平變流器并聯來實現風能變換，而我們提出的方案是采用多相發電機和三電平變流器混合連接來實現對風能的變換。我們已經充分驗證了兩種方案的對比，論證了我們的方案替代傳統方案具有重要的優勢。盡管上文對本實用新型的具體實施方式
通過實例進行了詳細的描述和說明，但應該指明的是，本領域的技術人員可以對上述實施方式進行各種改變和修改，但這些都不脫離本實用新型的精神和權利要求所記載的范圍。
權利要求1.一種大功率風力發電機專用三電平全功率變流器組，包括發電機側變流器和電網側變流器，發電機側變流器通過對發電機相電流的控制，實現風機的變速控制，電網側變流器用于發電機與電網連接，實現并網控制，其特征在于，所述發電機側變流器為四組三電平整流器，所述電網側變流器為兩組三電平逆變器，四組三電平整流器分別與發電機的四組隔離的三相繞組連接，發電機的兩組相位差180度的三相繞組連接的兩組三電平整流器之間并聯，并聯后的整流器組串聯并與兩組并聯的三電平逆變器連接，最后接入電網。
2.如權利要求I所述的大功率風力發電機專用三電平全功率變流器組，其特征在于，所述三電平整流器為Vienna整流器。
3.如權利要求I所述的大功率風力發電機專用三電平全功率變流器組，其特征在于，所述三電平逆變器輸出與電網之間連接有LC濾波器。
4.如權利要求I所述的大功率風力發電機專用三電平全功率變流器組，其特征在于，通過六相升壓變壓器，所述三電平逆變器輸出與電網連接。
5.如權利要求4所述的大功率風力發電機專用三電平全功率變流器組，其特征在于，所述六相升壓變壓器由兩組互相反相的三相繞組構成。
專利摘要本實用新型公開了一種大功率風力發電機專用三電平全功率變流器組，包括四組三電平整流器，電網側變流器為兩組三電平逆變器，四組三電平整流器分別與發電機的四組隔離的三相繞組連接，發電機的兩組相位差180度的三相繞組連接的兩組三電平整流器之間并聯，并聯后的整流器組串聯并與兩組并聯的三電平逆變器連接，最后接入電網。本實用新型大功率風力發電機專用三電平全功率變流器組，通過四組Vienna整流器來分攤功率，由于Vienna整流器是三電平變流器，其諧波和損耗性能要優于兩電平變流器，另外，每組Vienna整流器只需要三只IGBT模塊，而傳統兩電平變流器則需要6只IGBT變流器，因此其可靠性也較高。電網側采用兩組三電平逆變器并聯，通過變壓器的反相設計使得并聯的兩組變流器抵消了中點電位的脈動。
文檔編號H02J3/38GK202395465SQ20112053191
公開日2012年8月22日 申請日期2011年12月19日 優先權日2011年12月19日
發明者劉文斌, 劉文濤, 張曉華, 李玉梅 申請人:新疆全新良時科技有限公司