一種基于雙極式直流結構的風電變流器的制造方法
【專利摘要】本發明公開一種基于雙極式直流結構的風電變流器，包括相互連接的機側變流器和網側變流器，其特征在于所述機側變流器由至少兩路可控整流回路組成，所述至少兩路可控整流回路在交流輸入側連接串級式風力發電機組，將串級式風力發電機組輸出的三相交流電轉換成雙極性直流電輸出，雙極性直流輸出在直流輸出側的一第一串聯點串聯后接至地；所述網側變流器由至少兩路可控逆變回路組成，將機側變流器輸出的雙極性直流電轉換成三相交流電輸出，雙極性直流輸入在直流輸入側的一第二串聯點串聯后接至地，交流輸出側分兩路連接至雙三相輸入繞組并網變壓器。本發明減小了變流器并聯產生的環流，減小了線纜損耗，極大地降低了成本。
【專利說明】—種基于雙極式直流結構的風電變流器
【技術領域】
[0001]本發明涉及風力發電領域，特別涉及風力發電中的直驅風電變流器的電路拓撲結構。
【背景技術】
[0002]隨著風電機組的功率不斷加大，目前大功率風力發電機多采用六相電機,輸出兩組三相電壓(錯相或不錯相)，每組容量為電機容量的一半。在風力發電的各種方案中，直驅風力發電方式以其優越的性能，日益成為研究及應用的熱點。但是現有的大容量直驅風力發電機，由于受葉尖速比的限制，容量的增大會導致發電機轉速的下降，而低轉速大容量直驅風力發電機的直徑等尺寸將變得很大，這給發電機的制造、運輸和吊裝帶來極大困難，對此，行業內已有相關研究，一種解決方法是使用兩臺相同的直驅發電機同軸串聯使用，即串級式發電機，這種結構增大了直驅風力發電機的容量，有效壓縮了大容量發電機的尺寸。
[0003]直驅風力發電機和電網之間通過變流器連接，風電變流器是風力發電機組不可缺少的能量變換環節，其主要作用是將風力發電機的電壓頻率、幅值浮動不定的電能轉換為頻率、幅值穩定、符合電網要求的電能，解決了低電壓的穿越問題，通過最大功率點追蹤技術，能夠充分的利用風能，進一步提高發電效率。
[0004]如圖1所示，為傳統2麗直驅風電變流器的拓撲結構圖。現在主流的直驅風電多為660V或690V的低壓系統，直流電壓Ud通常為1050V左右，通常容量在2.5MW及以下，需要采用兩套變流器并聯來提高容量。一般
現有的大功率直驅風電變流器由于受到功率器件電流等級的限制，容量提高相對困難，通常3MW及以上的變流器只能采用三套及以上的變流器并聯或者多只功率器件直接并聯的方式來提高變流器的容量。然而，功率器件直接并聯特別是多只功率器件直接并聯的方式容易產生均流問題，并聯IGBT之間電流不一致，從而降低了 IGBT的利用率。變流器并聯容易產生環流問題，環流在并聯的變流器之間流動，它的存在增加了損耗，并且降低了系統效率，使功率器件發熱嚴重，甚至燒毀。目前研究中常采用兩種方式解決并聯變流器系統中環流問題:一是在硬件上消除環流通道，二是采用適當的控制方法來抑制環流。通常采用硬件方式消除環流的方法為加隔離變壓器，隔離變壓器能夠阻斷交流側的環流回路，消除環流，同時，采用不同形式的副邊結構的隔離變壓器，可以消除特定次諧波，降低對電網的污染。但是加隔離變壓器造成系統結構復雜龐大，成本加大。而采用適當的控制方式抑制環流通常會使控制和測量系統復雜。另外多套變流器直接并聯方式中如果有一套出現短路故障，其它并聯支路必須保護，從而降低了系統的可靠性。
[0005]此外因為交流和直流電壓等級都較低，隨著風電機組容量的增大，所需的直流或者交流傳輸電纜或母排增多，線路損耗和成本也會隨之加大。
【發明內容】
[0006]針對現有技術所存在的缺陷，本發明基于串級風力發電機的應用場合，提供一種新型的風力發電大功率直驅變流器的電路拓撲結構方案，采用簡單的結構減少變流器并聯產生的環流，降低線路損耗，增強系統的可靠性。
[0007]本發明具體采用如下技術方案:
一種基于雙極式直流結構的風電變流器，包括相互連接的機側變流器和網側變流器，其特征在于所述機側變流器由至少兩路可控整流回路組成，所述至少兩路可控整流回路在交流輸入側連接串級式風力發電機組，將串級式風力發電機組輸出的三相交流電轉換成雙極性直流電輸出，雙極性直流輸出在直流輸出側的一第一串聯點串聯后接至地；所述網側變流器由至少兩路可控逆變回路組成，將機側變流器輸出的雙極性直流電轉換成三相交流電輸出，雙極性直流輸入在直流輸入側的一第二串聯點串聯后接至地，交流輸出側分兩路連接至雙三相輸入繞組并網變壓器。
[0008]本發明的基于雙極式直流結構的風電變流器，其電路拓撲結構由機側變流器(整流器)、網側變流器(逆變器)和直流輸電回路組成。機側變流器由四路或兩路獨立可控整流回路構成，其輸入為三相交流電壓，輸出為雙極性直流電壓。網側變流器也由四路或兩路獨立可控逆變回路組成，其輸入為雙極性直流電壓，輸出為兩路三相交流電壓。可控逆變回路在交流輸出側分為兩路，分別接至雙三相輸入繞組的并網變壓器，經過并網變壓器與電網相連。
[0009]雙三相輸入繞組的并網變壓器避免了三套及以上的變流器直接并聯，從而減少了變流器之間的環流。并網變壓器輸出側升壓至1kV或35kV，根據電網電壓確定。系統分為正負兩極，等效提高了直流電壓，降低了電流，并且加強了運行的可靠性，適用于大功率風電變流器。
[0010]本發明機側變流器和網側變流器之間直流采用土Ud的雙極系統結構，直流串聯點接地，機側變流器直流輸出側的正、負極性點分別連接至網側逆變器直流輸入側的正、負極性點，形成雙極式直流結構。這樣在不提高線路、電機、變流器及整個系統的絕緣水平，在同樣的絕緣耐壓條件下，額定直流電壓等效提高一倍，可降低直流電流50%，降低線路損耗；機側變流器和網側變流器可分開放置，如果機側變流器置于塔頂，網側變流器置于塔底，兩套變流器之間采用直流電纜(或母線)聯接，進行直流傳輸，則可大大減少傳輸電纜，降低成本；系統分為正、負兩極，單極性變流器獨立運行，任一極性端故障只影響故障極，對健全極幾乎沒有影響，從而提高了系統的可靠性，適用于大功率風電變流器。
[0011]網側變流器的兩路輸出和并網變壓器的兩個三相輸入繞組連接，通過PWM移相控制，可等效提聞開關頻率，并降低并網電流的諧波。
[0012]本發明具有如下有益效果:
a.利于電機串級使用，使單個電機尺寸小、便于制造、運輸和吊裝；
b.更適合3MW及以上的超大容量的大功直驅風力發電機組及變流器的應用場合；
c.采用雙極結構形式，單極變流器側故障時只影響故障的一極，而對無故障極變流器幾乎沒有影響，從而提高了系統可靠性；
d.雙三相輸入繞組的并網變壓器避免了三套及以上的變流器直接并聯，從而減少了變流器并聯之間的環流；
e.更便于變流器采用網側和機側分置方案，即網側逆變器置于塔底和機側變流器置于塔頂，中間長距離直流母線傳輸，類似柔性直流輸電的拓樸結構，從而更有效的節省發電機側的交流電纜長度，降低因電壓反射而引起的過電壓可能性，減少因高頻交流電流的集膚效應引起的電纜發熱現象，從而也減小了 du/dt濾波器的容量；
f.經分析，采用單極性的直流傳輸結構，相比于交流傳輸可節省25%左右的電纜，本變流器因為采用中點接地(塔架)的雙極式直流傳輸結構，直流電流為單極式的50%，因而總的傳輸電纜可節省62.5%左右，即使采用單極電纜回線，也可節省43%左右的電纜，減少了線路損耗及線纜數量，大大降低了成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1是傳統的2麗風電變流器拓撲結構圖；
圖2是本發明風電變流器實施例1的拓撲結構圖；
圖3是本發明風電變流器實施例2的拓撲結構圖；
圖4是本發明風電變流器實施例3的拓撲結構圖；
圖5是本發明風電變流器實施例4的拓撲結構圖；
圖6是中性點串接點G1、G2點的接地及連接方式I示意圖；
圖7是中性點串接點G1、G2點的接地及連接方式2示意圖；
圖8是中性點串接點G1、G2點的接地及連接方式3示意圖；
圖9是電容星型聯結LC濾波器；
圖10是電容角型聯結LC濾波器；
圖11是電容星型聯結LCL濾波器；
圖12是電容角型聯結LCL濾波器；
圖13是并網變壓器結構形式I;
圖14是并網變壓器結構形式2。
【具體實施方式】
[0014]下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步的說明，但是實施例并不構成對本發明要求保護范圍的限制。
[0015]圖2-圖5為本發明技術方案實施例1-實施例4的系統原理框圖，分別為四種不同的拓撲結構。四種電路拓撲結構基本原理相似，只是在并聯的整流和逆變回路上有所差別；四種電路都由以下部分組成:串級使用的直驅風力發電機、機側變流器、直流傳輸線路(分置式結構時)、網側變流器和并網變壓器。其中風力發電機為永磁直驅風力發電機或電勵磁直驅風力發電機，其中圖2和圖3中的電機為雙繞組電機，圖3和圖4結構形式中的電機為單繞組電機，四種結構中均是兩臺相同的電機串級使用。
[0016]實施例1
如圖2所示，為拓撲結構形式1，該結構形式中，采用的是雙繞組的永磁或電勵磁直驅風力發電機串級使用。機側變流器與風力發電機相連，將風力發電機發出的三相交流電整流成雙極性直流電壓，機側變流器包括四個整流回路，每個回路接風力發電機的一個繞組，由du/dt濾波器、PWM整流器、直流支撐電容等組成，同一電機連接的兩個整流回路的直流輸出側并聯，兩臺電機之間的直流輸出在Gl點串聯，串聯節點接地，最終整流輸出直流電壓的正負兩極母線；網側變流器，將整流輸出的雙極性直流電壓逆變成兩路三相交流電壓，該部分包括四路逆變回路，每個逆變回路由放電電容、PWM逆變器、濾波器組成；逆變器的直流輸入側是兩路并聯后再串聯接地，串聯接點為G2，交流側是同直流電壓極的兩路并聯，輸出兩路三相電流，接三繞組并網變壓器原邊的兩個三相輸入繞組，逆變器采用四路結構，增大了逆變輸出的容量，其中并聯的支路可以互為冗余。并網變壓器將逆變出的三相交流電壓升壓到1kV或35kV電網電壓入網。
[0017]實施例2
如圖3所示，為拓撲結構形式2，該結構形式中，電機和機側變流器方案同上述的結構形式I。網側變流器，將整流輸出的雙極性直流電壓逆變成兩路三相交流電壓，該部分包括兩路逆變回路，每個逆變回路由放電電容、PWM逆變器、濾波器組成；逆變器的直流輸入側串聯接點G2接至地。交流輸出側通過濾波器輸出兩路三相電流，接三繞組并網變壓器原邊的兩個三相輸入繞組。并網變壓器將逆變出的三相交流電壓升壓到1kV或35kV電網電壓入網。
[0018]實施例3
如圖4所示，為拓撲結構形式3，該結構形式中，采用的是單繞組的永磁或電勵磁直驅風力發電機串級使用。機側變流器與風力發電機相連，將風力發電機發出的三相交流電整流成雙極性直流電壓，機側變流器包括兩個整流回路，每個回路各接一個風力發電機的繞組，由du/dt濾波器、PWM整流器、直流支撐電容組成，整流后的直流輸出在Gl點進行串聯，串聯節點接地，最終整流輸出直流電壓的正負兩極母線；網側變流器，將整流輸出的雙極性直流電壓逆變成兩路三相交流電壓，該部分包括四路逆變回路，每個逆變回路由放電電容、PWM逆變器、濾波器組成；逆變器的直流側是兩路并聯后再串聯接地，串聯接點為G2，交流側是同直流電壓極的兩路并聯，輸出兩路三相電流，然后接三繞組并網變壓器原邊的兩個三相輸入繞組，逆變器采用四路結構，增大了逆變輸出的容量，其中并聯的支路可以互為冗余。并網變壓器將逆變出的三相交流電壓升壓到1kV或35kV電網電壓入網。
[0019]實施例4
如圖5所示，為拓撲結構形式4，該結構形式中，采用的是單繞組的永磁或電勵磁直驅風力發電機串級使用。機側變流器與風力發電機相連，將風力發電機發出的三相交流電整流成雙極性直流電壓，機側變流器包括兩個整流回路，每個回路各接一個風力發電機的繞組，由du/dt濾波器、PWM整流器、直流支撐電容組成，整流后的直流輸出在Gl點進行串聯，串聯節點接地，最終整流輸出直流電壓的正負兩極母線；網側變流器，將整流輸出的雙極性直流電壓逆變成兩路三相交流電壓，該部分包括兩路逆變回路，每個逆變回路由放電電容、PWM逆變器、濾波器組成；逆變器的直流輸入側在G2點串聯，交流輸出側通過濾波器輸出兩路三相電流，接三繞組并網變壓器原邊的兩個三相繞組。并網變壓器將逆變出的三相交流電壓升壓到1kV或35kV電網電壓入網。
[0020]變流器為雙極性結構，機側變流器直流回路通過Gl點串聯，網側變流器的直流回是通過G2點串聯；G1和G2點的聯接及接地方式如圖6-圖8所示，如果Gl點和G2之間沒有電纜連接，則Gl和G2點分別接地，如圖6所示；如果有電纜連接，則可以在Gl點接地，也可以在G2點接地，兩點之間只需在一點接地(選擇方便接地的點)，通過電纜連接即可使兩個串聯點都接至地，如圖7和圖8所示。從而無需提高發電機、變流器及整個系統的絕緣電壓等級，直流回路電壓為土Ud。
[0021]四種拓撲結構形式中，逆變輸出三相濾波器的方案圖如圖9-圖12所示，該濾波器可以采用LC結構濾波，也可以采用LCL結構濾波，兩種濾波電路結構中，電容C都可以角型連接或星型連接。
[0022]并網變壓器低壓側采用雙繞組，接網側變流器逆變出的兩路三相交流電壓，如圖13和圖14，變壓器可以采用Y，Y, d接線方式，也可以采用D，D, y接線方式。
[0023]當變流器采用分置方案時，網側逆變器置于塔底和機側變流器置于塔頂，利用正負極直流母線進行功率傳輸，中間長距離直流母線傳輸，類似柔性直流輸電的拓樸結構，從而更有效的節省發電機側的交流電纜長度，降低因電壓反射而引起的過電壓可能性，減少因高頻交流電流的集膚效應引起的電纜發熱現象。
[0024]本發明采用雙極結構，單側故障時不影響非故障極的正常運行，此時系統由正常運行模式切換到單極運行模式。
[0025]兩個串聯直流中點(Gl和G2)之間可以采用電纜連接或者不用電纜連接，有電纜連接時，單極運行時沒有地電流，不會引起地電位的變化，沒有電纜連接時，單極運行時有地電流產生。
[0026]經分析，采用單極性的直流傳輸技術，相比于交流傳輸可節省25%左右的電纜，本變流器因為采用中點接地(塔架)的雙極式結構，直流電流為單極式的50%，因而總的傳輸電纜可節省62.5%左右，即使采單極電纜回線，也可節省43%左右的電纜。
【權利要求】
1.一種基于雙極式直流結構的風電變流器，包括相互連接的機側變流器和網側變流器，其特征在于所述機側變流器由至少兩路可控整流回路組成，所述至少兩路可控整流回路在交流輸入側連接串級式風力發電機組，將串級式風力發電機組輸出的三相交流電轉換成雙極性直流電輸出，雙極性直流輸出在直流輸出側的一第一串聯點串聯后接至地；所述網側變流器由至少兩路可控逆變回路組成，將機側變流器輸出的雙極性直流電轉換成三相交流電輸出，雙極性直流輸入在直流輸入側的一第二串聯點串聯后接至地，交流輸出側分兩路連接至雙三相輸入繞組并網變壓器。
2.如權利要求1所述的基于雙極式直流結構的風電變流器，其特征在于所述機側變流器由兩路可控整流回路組成，所述串級式風力發電機組由兩臺單繞組風力發電機串級組成，兩路可控整流回路在交流輸入側各連接一臺風力發電機。
3.如權利要求1所述的基于雙極式直流結構的風電變流器，其特征在于所述機側變流器由四路可控整流回路組成，所述串級式風力發電機組由兩臺雙繞組風力發電機串級組成，每臺風力發電機連接兩路可控整流回路，同一臺風力發電機連接的兩路可控整流回路在直流輸出側并聯，可控整流回路兩兩并聯后串聯。
4.如權利要求1-3任一所述的基于雙極式直流結構的風電變流器，其特征在于所述網側變流器由兩路可控逆變回路組成。
5.如權利要求1-3任一所述的基于雙極式直流結構的風電變流器，其特征在于所述網側變流器由四路可控逆變回路組成，四路可控逆變回路在直流輸入側兩兩并聯后串聯，并聯的兩路可控逆變回路在交流輸出側連接雙三相輸入繞組并網變壓器的同一三相輸入繞組。
6.如權利要求1所述的基于雙極式直流結構的風電變流器，其特征在于所述第一、二串聯點通過電纜連接。
7.如權利要求1所述的基于雙極式直流結構的風電變流器，其特征在于所述機側變流器安裝時置于塔架頂部，網側變流器置于塔架底部。
【文檔編號】H02M5/458GK104079184SQ201410282978
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年6月23日 優先權日:2014年6月23日
【發明者】周細文, 呂笑巖, 劉景芝, 章輝, 陳烘民, 王大慶 申請人:周細文, 江蘇有能新能源有限公司