一种垂直轴永磁直驱风电变流器的拓扑结构制造技术

本实用新型专利技术涉及一种垂直轴永磁直驱风电变流器的拓扑结构，属于风电技术领域。该拓扑结构包括网侧变流器及由维也纳整流器和DC/DC升压变流器组成的机侧变流器，机侧变流器一端与发电机的定子相连，另一端与直流母线相连；直流母线的另一端与网侧变流器相连。维也纳整流器实现谐波最小化；DC/DC升压变流器实现升压和稳压；网侧变流器实现发电机有功功率控制和并网控制。本实用新型专利技术使得定子电流谐波小，无机械振动和扭振现象，克服了高尖峰电压脉冲的缺陷，降低了发电机绝缘要求，使发电机制造成本降低；开关器件承受电压低，尤其适合高电压、大功率场合。

Topology of a Vertical Axis Permanent Magnet Direct Drive Wind Power Converter

The utility model relates to a topological structure of a vertical axis permanent magnet direct drive wind power converter, which belongs to the technical field of wind power. The topology includes grid-side converter and machine-side converter composed of Vienna rectifier and DC/DC boost converter. One end of the machine-side converter is connected with the stator of the generator, the other end is connected with the DC bus, and the other end of the DC bus is connected with the grid-side converter. Vienna rectifier realizes harmonic minimization; DC/DC boost converter realizes boost and voltage stabilization; grid-side converter realizes active power control and grid-connected control of generators. The utility model makes the stator current harmonic small, has no mechanical vibration and torsional vibration, overcomes the defect of high peak voltage pulse, reduces the insulation requirement of the generator, reduces the manufacturing cost of the generator, and the switching device bears low voltage, especially suitable for high voltage and high power occasions.

【技术实现步骤摘要】
一种垂直轴永磁直驱风电变流器的拓扑结构
本技术涉及一种变流器，尤其是一种垂直轴永磁直驱风电变流器的拓扑结构，属于风力发电

技术介绍
传统的风电机组采用背靠背结构的变流器，它包括机侧变流器和网侧变流器，其中机侧变流器一般采用电压源变流器VSC、不可控整流器+Boost组合等拓扑结构。不可控整流器会造成大量谐波，定子电流中的谐波使得风力发电机转矩波形中含有纹波，而转矩纹波可能会使风电机组产生额外的机械振动和扭振。而对于电压源变流器VSC，虽是可控整流，但它的du/dt引起的高尖峰电压脉冲将对风力发电机的定子绕组绝缘造成极大的威胁，这就使得风力发电机要完全按照高压电机设计，从而增加了绕组的绝缘厚度和电机成本，且使发电机的散热条件变坏。
技术实现思路
本技术的主要目的在于：针对上述现有技术存在的不足，提供一种谐波含量小、耐压等级高的一种垂直轴永磁直驱风电变流器的拓扑结构。为了达到以上目的，本技术一种垂直轴永磁直驱风电变流器的拓扑结构包括机侧变流器和网侧变流器；所述机侧变流器包括维也纳整流器、DC/DC升压变流器；所述机侧变流器一端与垂直轴永磁直驱风力发电机的定子相连，另一端与直流母线相连；所述直流母线的另一端与网侧变流器相连；所述网侧变流器通过升压工频变压器与电网相连。所述维也纳整流器的一端与所述垂直轴永磁直驱风力发电机的定子相连，另一端与所述DC/DC升压变流器的一端相连；所述DC/DC升压变流器的另一端与所述直流母线相连。所述维也纳整流器包括三个滤波电感、六个整流二极管、三个双向开关单元、两个输出电容；所述三个滤波电感分别与所述垂直轴永磁直驱风力发电机的定子三相绕组相连；所述双向开关单元由两个开关管组成，由一路驱动信号控制；所述两个输出电容为串联连接，其中，与所述维也纳整流器的直流输出正极相连的称为上电容，与所述维也纳整流器的直流输出负极相连的称为下电容。所述DC/DC升压变流器包括电感L、开关管VT、快速恢复二极管VD、电容C，其作用是：1)将所述维也纳整流器的直流输出电压进行升压，尤其在低风速时；2)稳定所述直流母线的电压。所述网侧变流器为传统的电压源变流器VSC，包括直流侧电容Cg、6个开关管、1个滤波器，但其作用是：实现垂直轴永磁直驱风力发电机有功功率控制，同时实现逆变并网。与现有技术相比，本技术的有益效果是：1)维也纳整流器具有无须考虑死区、谐波含量小、功率密度大等优点，克服了传统电压源变流器由du/dt而引起高尖峰电压脉冲这样的固有缺陷，从而降低了发电机的定子绕组绝缘要求，使发电机制造工艺简化、成本降低；同时使得风力发电机定子电流谐波小，避免风电机组产生额外的机械振动和扭振现象。2)由于维也纳整流器中的开关器件所承受的电压仅为传统电压源变流器VSC的一半，提高了工作可靠性，使得本技术所述变流器尤其适合高电压、大功率场合；同时变流器中的开关器件成本大大降低，因此，即使增加了DC/DC升压变流器，总体成本不会增加。附图说明图1为本技术垂直轴永磁直驱风电变流器的拓扑结构示意图。图2为采用本技术垂直轴永磁直驱风电变流器的风力发电系统结构示例。图3为本技术所述维也纳整流器的控制框图。图4为本技术所述DC/DC升压变流器的控制框图。图5为本技术所述网侧变流器的控制框图。其中，1-机侧变流器；2-网侧变流器；3-垂直轴永磁直驱风力发电机；4-直流母线；11-维也纳整流器；12-DC/DC升压变流器具体实施方式下面结合附图，对本技术作进一步详细说明。如图1、图2所示，本专利技术一种垂直轴永磁直驱风电变流器的拓扑结构，包括机侧变流器1和网侧变流器2；机侧变流器1包括维也纳整流器11和DC/DC升压变流器12；机侧变流器1的一端与垂直轴风力发电机3的定子相连，另一端与直流母线4相连，即：维也纳整流器11的一端与垂直轴风力发电机3的定子相连，另一端与DC/DC升压变流器12的一端相连；DC/DC升压变流器12的另一端与直流母线4相连；直流母线4的另一端与网侧变流器2相连；网侧变流器2通过升压工频变压器(见图2)与电网相连。如图1所示，维也纳整流器11包括三个滤波电感La、Lb、Lc，六个整流二极管VD1～VD6，三个双向开关单元Sa、Sb、Sc，两个输出电容C1、C2，C1与C2串联，两者连接点为O，C1称为上电容，C2称为下电容；三个滤波电感La、Lb、Lc的一端分别与垂直轴风力发电机3的定子三相绕组相连，另一端分别标为a、b、c点，分别与三个双向开关单元Sa、Sb、Sc的一端相连，且与整流二极管VD1和VD2、VD3和VD4、VD5和VD6的连接点分别相连；三个双向开关单元Sa、Sb、Sc的另一端短接并与O点相连；每个双向开关单元由两个开关管组成，两者反向连接，由一路驱动信号控制。DC/DC升压变流器12包括电感L、开关管VT、快速恢复二极管VD、电容C，用于将维也纳整流器11的直流输出电压Vdc进行升压，尤其是低风速时；同时使直流母线4的电压Vdcbus稳定。网侧变流器2为传统的电压源变流器VSC，包括直流侧电容Cg、6个开关管VT1～VT6、滤波器，其作用是：实现永磁直驱型风力发电机3的输出功率控制，同时实现逆变并网控制。上述垂直轴永磁直驱风电变流器的控制方法如下：1)维也纳整流器11采用零序分量注入法实现谐波最小化整流：如图1、图3所示，首先将维也纳整流器11中的a、b、c点的电压分别记为ua、ub、uc，其电流记为ia、ib、ic；将ua、ub、uc经abc/dq变换得到ud和uq；将ia、ib、ic经abc/dq变换得到id和iq，其中id与无功功率有关，iq与有功功率有关，因此，id的参考值id_ref可设置为0，以实现单位功率因数运行，而iq的参考值iq_ref取自于维也纳整流器11的直流输出电压PI控制器；其次，将id的参考值id_ref(可令id_ref＝0)与当前实际值id之差经PI控制器，其输出作为ud的参考值ud_ref；将维也纳整流器11的直流输出电压参考值Vdc_ref与其当前实际测量值Vdc之差经PI控制器，其输出为iq的参考值iq_ref；将此参考值iq_ref与当前实际值iq之差经PI控制器，其输出作为uq的参考值uq_ref；第三，将上述得到的参考值ud_ref和uq_ref，经abc/dq反变换得到电压ua、ub、uc的参考值ua_ref、ub_ref、uc_ref，求出ua_ref、ub_ref、uc_ref中的最大值，并将此最大值记为umax，求出ua_ref、ub_ref、uc_ref中的最小值，并将此最小值记为umin，即：umax＝max(ua_ref,ub_ref,uc_ref)，umin＝min(ua_ref,ub_ref,uc_ref)；第四，按式(1)计算零序分量u0：u0＝-(umax+umin)/2(1)第五，令△V＝V1-V2，其中，V1为维也纳整流器11的上电容C1的两端电压，V2为维也纳整流器11的下电容C2的两端电压；△V的参考值记为△Vref；将△Vref/Vdc_ref与其当前实际值△V/Vdc之差经PI控制器，其输出记为不平衡因子k，它反映上电容C1和下电容C2的电压平衡情况；将本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种垂直轴永磁直驱风电变流器的拓扑结构，包括机侧变流器和网侧变流器，其特征在于：所述机侧变流器包括维也纳整流器、DC/DC升压变流器；所述机侧变流器一端与垂直轴永磁直驱风力发电机的定子相连，另一端与直流母线相连；所述直流母线的另一端与所述网侧变流器相连；所述网侧变流器的另一端通过升压工频变压器与电网相连。

【技术特征摘要】
1.一种垂直轴永磁直驱风电变流器的拓扑结构，包括机侧变流器和网侧变流器，其特征在于：所述机侧变流器包括维也纳整流器、DC/DC升压变流器；所述机侧变流器一端与垂直轴永磁直驱风力发电机的定子相连，另一端与直流母线相连；所述直流母线的另一端与所述网侧变流器相连；所述网侧变流器的另一...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡彬，刘琦，褚晓广，闫绍敏，丁钰，
申请(专利权)人：曲阜师范大学，
类型：新型
国别省市：山东,37