CN104242345A - 一种大功率直驱风电变流器电路拓扑结构及其应用 - Google Patents

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周细文
倪道宏
章辉
刘景芝
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Abstract

本发明公开了一种大功率直驱风电变流器电路拓扑结构，其中，双绕组直驱风力发电机的两套三相绕组输出相互独立，每套三相绕组输出依次连接一台du/dt滤波器、一台整流器、一台三相PWM逆变器及一台三相网侧滤波器，两条传输支路上的三相网侧滤波器最终均接入并网变压器，并网变压器原边绕组解开且原边绕组的首末端作为并网变压器的输入端，其次边绕组为电网提供三相电压输入；本发明所设计的大功率直驱风电变流器电路拓扑结构的应用，能够减少网侧滤波器的容量和成本，降低并网电流的谐波；同时适当降低单套逆变器开关频率，降低开关损耗，提高并网效率；通过输出电压的提高，减少变压器原边的电流，降低了变压器的损耗。

Description

一种大功率直驱风电变流器电路拓扑结构及其应用
技术领域
本发明涉及风力发电领域，特别是一种大功率直驱风电变流器电路拓扑结构及其应用。
背景技术
风电机组的功率不断加大，目前大功率风力发电机多采用六相电机，输出两组三相电压（错相或不错相），每组容量为电机容量的一半；在风力发电的各种方案中，直驱风力发电方式以其优越的性能，日益成为研究及应用的热点；永磁或电励磁直驱风力发电机和电网之间通过变流器连接，风电变流器是风力发电机组不可缺少的能量变换环节，其主要作用是将风力发电机的电压频率、幅值浮动不定的电能转换为频率、幅值稳定，符合电网要求的电能，解决了低电压的穿越问题，通过最大功率点追踪技术，能够充分的利用风能，进一步提高发电效率。
目前风力发电机的发电功率已达到近10MW，由于直驱风力发电系统中，发电机需要通过全功率变流器进行并网，受到电力电子器件容量的限制，单套变流器的输送能力不能满足发电机的能量传输需求；为突破这一限制，变流器的并联技术在风力发电系统中成为了研究热点，并联技术在风机功率一定的情况下，能够采用功率等级更低的功率开关器件传送电流，大大降低生产成本。
并联型变流器系统中，会产生严重的环流问题；环流在并联的变流器之间流动，它的存在增加了损耗，降低了系统效率，是功率器件发热严重，甚至烧毁目前研究中常采用两种方式解决并联变流器系统中环流问题：一是在硬件上消除环流通道，二是采用适当的控制方法来抑制环流。通常采用硬件方式消除环流的方法为加隔离变压器，隔离变压器能够阻断交流侧的环流回路，消除环流，同时，采用不同形式的副边结构的隔离变压器，能够消除特定次谐波，降低对电网的污染；由于在工频下工作，通常隔离变压器的体积、重量都很大，它会造成系统成本的增加，所以不适合用于大功率的永磁或电励磁直驱风电系统中。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种大功率直驱风电变流器电路拓扑结构及其应用，能够减少网侧滤波器的容量和成本，降低并网电流的谐波；同时能够适当降低单套逆变器开关频率，降低开关损耗，提高并网效率；通过输出电压的提高，减少变压器原边的电流，降低了变压器的损耗，较好的完成风力发电的并网功能。
为了解决以上技术问题，本发明提供一种大功率直驱风电变流器电路拓扑结构，包括一台双绕组直驱风力发电机，双绕组直驱风力发电机的两套三相绕组输出相互独立，其中：
每套三相绕组输出依次连接一台du/dt滤波器、一台整流器、一台三相PWM逆变器及一台三相网侧滤波器，两条传输支路上的三相网侧滤波器最终均接入并网变压器，并网变压器原边绕组解开且原边绕组的首末端作为并网变压器的输入端分别接上述两台三相网侧滤波器的输出，并网变压器的次边绕组为电网提供三相电压输入；
整流器为直流输出且每条传输支路上位于整流器与三相PWM逆变器之间还设有一直流支撑电容，直流支撑电容的两端分别接在整流器的正负输出端上；
技术效果：上述技术方案能够使并网变压器原边相电压为单套逆变器的相电压（Un）的两倍，即为2Un，从而能够减少网侧滤波器的容量和成本，降低并网电流的谐波；也能够适当降低单套逆变器开关频率，降低开关损耗，提高并网效率；通过输出电压的提高，减少变压器原边的电流，降低了变压器的损耗，较好的完成风力发电的并网功能。
本发明进一步限定的技术方案是：
进一步的，前述的一种大功率直驱风电变流器电路拓扑结构，三相网侧滤波器为LC型滤波器，其三条线路上各串联一电感作为输入端，其输出端上，三条线路中的任意两条分别串联一电容。
前述的一种大功率直驱风电变流器电路拓扑结构，三相网侧滤波器为LC型滤波器，其三条线路上各串联一电感作为输入端，其输出端上，三条线路分别各连接一电容的一端，三个电容的另一端连在一起。
前述的一种大功率直驱风电变流器电路拓扑结构，三相网侧滤波器为LCL型滤波器，其三条线路上各串联有两个电感，即分别作为输入端和输出端，位于输入、输出端之间的三条线路中的任意两条分别分别串联一电容。
前述的一种大功率直驱风电变流器电路拓扑结构，三相网侧滤波器为LCL型滤波器，其三条线路上各串联有两个电感，即分别作为输入端和输出端，位于输入、输出端之间的三条线路分别各连接一电容的一端，三个电容的另一端连在一起。
前述的一种大功率直驱风电变流器电路拓扑结构，双绕组直驱风力发电机为双绕组电励磁直驱风力发电机或双绕组永磁直驱风力发电机。
本发明还设计了一种大功率直驱风电变流器电路拓扑结构的应用，双绕组直驱风力发电机的两套三相绕组分别输出三相交流电压经过du/dt滤波器输入整流器，du/dt滤波器防止变流器电压突变对电机造成的影响；
整流器将三相交流电压整流为直流电压输出，直流支撑电容对直流输出电压进行滤波后为三相PWM逆变器提供直流电压；
根据电网供电需要，同时控制两条传输支路上两台三相PWM逆变器，调整其逆变后的三相交流电压的频率、幅值和相位，逆变后的三相交流电压经三相网侧滤波器滤波后接入并网变压器的输入端，此时，网侧相电压输出等效为三电平，线电压为五电平，并网变压器原边相电压为单条传输支路时相电压的两倍，并网变压器的次边绕组为电网提供三相电压输入。
前述的一种大功率直驱风电变流器电路拓扑结构的应用,两台三相PWM逆变器采用PWM波错相进行控制调整。
与现有技术相比：
1.本发明网侧相电压输出等效为三电平，线电压为五电平，有利于减少并网电流的谐波；
2.本发明中并网变压器原边相电压为单套逆变器的相电压的两倍，从而能够减少网侧滤波器的容量和成本；
3.本发明能够适当降低单套逆变器开关频率，从而降低开关损耗，提高并网效率；
4.本发明通过输出电压的提高，减少变压器原边的电流，降低了变压器的损耗，较好的完成风力发电的并网功能；
5.变流器中的并网逆变器交直流部分完全分开，不存在两套逆变器交直流部分并联时的环流和电流分配不均等问题；
6.本发明中网侧两套逆变器采用PWM波错相控制，进一步提高输出电压的等效开关频率，从而减少并网电流的谐波。
附图说明
图1为本发明所设计的一种大功率直驱风电变流器电路拓扑结构原理图；
图2为本发明中并网变压器原边绕组相电压矢量合成图；
图3为本发明中三相网侧滤波器电容星型联结示意图；
图4为本发明中三相网侧滤波器电容角型联结示意图；
图5为本发明中三相网侧滤波器电容星型联结示意图；
图6为本发明中三相网侧滤波器电容角型联结示意图。
具体实施方式
现有直驱风电变流器中，存在如下一些问题，如整流桥输入侧电流畸变很严重，谐波含量比较大，因而使发电机功率因数降低，发电机转矩发生振荡；其直流侧电压也难以实现平衡控制，电容电压的波动必定会影响装置的整体输出性能；
并联型变流器系统中，采用硬件方式消除环流的方法为加隔离变压器，由于在工频下工作，通常隔离变压器的体积、重量都很大，它会造成系统成本的增加，所以不适合用于大功率的永磁或电励磁直驱风电系统中，下面集合附图对本发明做进一步的详细说明：
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种大功率直驱风电变流器电路拓扑结构，采用两套独立整流器，每套整流器分别通过du/dt滤波器接六相永磁或电励磁直驱风力发电机G的两个独立三相绕组，再经过直流电容滤波后，为逆变器提供直流电压，两套逆变器分别将直流电逆变为三相交流电，再通过原边绕组解开的三相并网变压器，输出电压和频率可调的三相电压；其中，整流器3和4将永磁或电励磁直驱发电机发出的三相交流电整流成直流电压；1和2为du/dt滤波器，接在发电机和整流器之间，防止变流器电压突变对电机造成的影响；整流输出的直流电压，经过直流电容C1和C2滤波，为控制电压输出的逆变器提供直流电；5和6为三相PWM逆变器，该部分将直流电逆变成交流电，通过三相网侧滤波器7和8滤波后输出，根据实际所需电压的要求，控制逆变器输出频率、幅值和相位一定的交流电压；9为并网变压器，该变压器原边绕组解开，绕组首末端分别接两路逆变器的输出，通过控制两路逆变器输出电压的频率、幅值和相位，使得并网电压满足电网要求；
本实施例的应用为:双绕组直驱风力发电机的两套三相绕组分别输出三相交流电压经过du/dt滤波器输入整流器，du/dt滤波器防止变流器电压突变对电机造成的影响；
整流器将三相交流电压整流为直流电压输出，直流支撑电容对直流输出电压进行滤波后为三相PWM逆变器提供直流电压；
根据电网供电需要，同时控制两条传输支路上两台三相PWM逆变器，调整其逆变后的三相交流电压的频率、幅值和相位，逆变后的三相交流电压经三相网侧滤波器滤波后接入并网变压器的输入端，此时，网侧相电压输出等效为三电平，线电压为五电平，并网变压器原边相电压为单套逆变器的相电压（Un）的两倍，即为2Un，见矢量合成如图2所示。
实施例2
如图3所示，本实施例提供了一种大功率直驱风电变流器电路拓扑结构，包括一台双绕组直驱风力发电机，双绕组直驱风力发电机的两套三相绕组输出相互独立，其中：
每套三相绕组输出依次连接一台du/dt滤波器、一台整流器、一台三相PWM逆变器及一台三相网侧滤波器，两条传输支路上的三相网侧滤波器最终均接入并网变压器，并网变压器原边绕组解开且原边绕组的首末端作为并网变压器的输入端分别接上述两台三相网侧滤波器的输出，并网变压器的次边绕组为电网提供三相电压输入；
整流器为直流输出且每条传输支路上位于整流器与三相PWM逆变器之间还设有一直流支撑电容，直流支撑电容的两端分别接在整流器的正负输出端上；
三相网侧滤波器为LC型滤波器，其三条线路上各串联一电感作为输入端，其输出端上，三条线路中的任意两条分别串联一电容。
实施例3
如图4所示，本实施例提供了一种大功率直驱风电变流器电路拓扑结构，包括一台双绕组直驱风力发电机，双绕组直驱风力发电机的两套三相绕组输出相互独立，其中：
每套三相绕组输出依次连接一台du/dt滤波器、一台整流器、一台三相PWM逆变器及一台三相网侧滤波器，两条传输支路上的三相网侧滤波器最终均接入并网变压器，并网变压器原边绕组解开且原边绕组的首末端作为并网变压器的输入端分别接上述两台三相网侧滤波器的输出，并网变压器的次边绕组为电网提供三相电压输入；
整流器为直流输出且每条传输支路上位于整流器与三相PWM逆变器之间还设有一直流支撑电容，直流支撑电容的两端分别接在整流器的正负输出端上；
三相网侧滤波器为LC型滤波器，其三条线路上各串联一电感作为输入端，其输出端上，三条线路分别各连接一电容的一端，三个电容的另一端连在一起。
实施例4
如图5所示，本实施例提供了一种大功率直驱风电变流器电路拓扑结构，包括一台双绕组直驱风力发电机，双绕组直驱风力发电机的两套三相绕组输出相互独立，其中：
每套三相绕组输出依次连接一台du/dt滤波器、一台整流器、一台三相PWM逆变器及一台三相网侧滤波器，两条传输支路上的三相网侧滤波器最终均接入并网变压器，并网变压器原边绕组解开且原边绕组的首末端作为并网变压器的输入端分别接上述两台三相网侧滤波器的输出，并网变压器的次边绕组为电网提供三相电压输入；
整流器为直流输出且每条传输支路上位于整流器与三相PWM逆变器之间还设有一直流支撑电容，直流支撑电容的两端分别接在整流器的正负输出端上；
三相网侧滤波器为LCL型滤波器，其三条线路上各串联有两个电感，即分别作为输入端和输出端，位于输入、输出端之间的三条线路中的任意两条分别分别串联一电容。
实施例5
如图6所示，本实施例提供了一种大功率直驱风电变流器电路拓扑结构，包括一台双绕组直驱风力发电机，双绕组直驱风力发电机的两套三相绕组输出相互独立，其中：
每套三相绕组输出依次连接一台du/dt滤波器、一台整流器、一台三相PWM逆变器及一台三相网侧滤波器，两条传输支路上的三相网侧滤波器最终均接入并网变压器，并网变压器原边绕组解开且原边绕组的首末端作为并网变压器的输入端分别接上述两台三相网侧滤波器的输出，并网变压器的次边绕组为电网提供三相电压输入；
整流器为直流输出且每条传输支路上位于整流器与三相PWM逆变器之间还设有一直流支撑电容，直流支撑电容的两端分别接在整流器的正负输出端上；
三相网侧滤波器为LCL型滤波器，其三条线路上各串联有两个电感，即分别作为输入端和输出端，位于输入、输出端之间的三条线路分别各连接一电容的一端，三个电容的另一端连在一起。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种大功率直驱风电变流器电路拓扑结构，包括一台双绕组直驱风力发电机，其特征在于，所述双绕组直驱风力发电机的两套三相绕组输出相互独立，其中：
每套三相绕组输出依次连接一台du/dt滤波器、一台整流器、一台三相PWM逆变器及一台三相网侧滤波器，两条传输支路上的三相网侧滤波器最终均接入并网变压器，所述并网变压器原边绕组解开且原边绕组的首末端作为并网变压器的输入端分别接上述两台三相网侧滤波器的输出，所述并网变压器的次边绕组为电网提供三相电压输入；
所述整流器为直流输出且每条传输支路上位于整流器与三相PWM逆变器之间还设有一直流支撑电容，所述直流支撑电容的两端分别接在整流器的正负输出端上。
2.根据权利要求1所述的大功率直驱风电变流器电路拓扑结构，其特征在于，所述三相网侧滤波器为LC型滤波器，其三条线路上各串联一电感作为输入端，其输出端上，三条线路中的任意两条分别串联一电容。
3.根据权利要求1所述的大功率直驱风电变流器电路拓扑结构，其特征在于，所述三相网侧滤波器为LC型滤波器，其三条线路上各串联一电感作为输入端，其输出端上，三条线路分别各连接一电容的一端，三个电容的另一端连在一起。
4.根据权利要求1所述的大功率直驱风电变流器电路拓扑结构，其特征在于，所述三相网侧滤波器为LCL型滤波器，其三条线路上各串联有两个电感，即分别作为输入端和输出端，位于输入、输出端之间的三条线路中的任意两条分别分别串联一电容。
5.根据权利要求1所述的大功率直驱风电变流器电路拓扑结构，其特征在于，所述三相网侧滤波器为LCL型滤波器，其三条线路上各串联有两个电感，即分别作为输入端和输出端，位于输入、输出端之间的三条线路分别各连接一电容的一端，三个电容的另一端连在一起。
6.根据权利要求1至5中任意一项权利要求所述的大功率直驱风电变流器电路拓扑结构，其特征在于，所述双绕组直驱风力发电机为双绕组电励磁直驱风力发电机或双绕组永磁直驱风力发电机。
7.根据权利要求1至6中任意一项权利要求所述的大功率直驱风电变流器电路拓扑结构的应用，其特征在于，双绕组直驱风力发电机的两套三相绕组分别输出三相交流电压经过du/dt滤波器输入整流器，du/dt滤波器防止变流器电压突变对电机造成的影响；
整流器将三相交流电压整流为直流电压输出，直流支撑电容对直流输出电压进行滤波后为三相PWM逆变器提供直流电压；
根据电网供电需要，同时控制两条传输支路上两台三相PWM逆变器，调整其逆变后的三相交流电压的频率、幅值和相位，逆变后的三相交流电压经三相网侧滤波器滤波后接入并网变压器的输入端，此时，网侧相电压输出等效为三电平，线电压为五电平，并网变压器原边相电压为单条传输支路时相电压的两倍，并网变压器的次边绕组为电网提供三相电压输入。
8.根据权利要求7所述的大功率直驱风电变流器电路拓扑结构的应用，其特征在于，两台三相PWM逆变器采用PWM波错相进行控制调整。
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