谐波注入型直驱式风电变流器制造技术

谐波注入型直驱式风电变流器的功率单元包括整流电路、升压斩波电路和逆变电路。整流电路采用三相桥式不控整流方式，直流侧增加两个可控功率管以及两个快速二极管，由此组成直流升压斩波电路，以控制直流环节的电压，并通过提升直流侧电压来维持低风速下的能量馈送至电网。逆变器采用全控型功率管组成的三相半桥可控输出。升压半桥、滤波电容器组的中性点与谐波电流注入电路的中性点相连，可为注入零序电流提供通道，以实现高功率因数整流和输入电流的正弦化，避免发电机功率因数降低和发电机转矩发生振荡。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种风电变流器，尤其涉及一种结构为直驱式、可对直流环节电 压进行平衡控制及实现输入电流正弦化、并能够维持低风速下的能量馈送至电网 的谐波注入型变流器。
技术介绍
伴随着能源和环境问题的日益尖锐，近二十年来风力发电技术的研究得到前 所未有的重视。我国作为能源消耗大国，近年来我国风力发电产业的发展速度也 非常快，但我国的风力发电技术尤其是风力发电机驱动控制变流相关技术还远不 成熟。传统大型风力发电机组一般使用变桨距控制的双馈式风力机，如图1所示， 包括风力机、齿轮箱、感应机、PWM变频器和直流侧电容器等。双馈机的定子与 电网直接连接，转子通过两个电压源变频器连接到电网中，机组可在较大速度范 围内运行，与电网之间实现能量双向传输。当风力机运行在超同步速度时，功率 从转子流向电网；而当运行在次同步速度时，功率从定子流向转子。直流侧电容 器的作用主要是维持直流侧电压。该种发电机组的功率控制方式为变桨距控制， 即桨距角随着风速的改变而改变，从而使风力机在较大范围内按最佳参数运行， 以提高风能利用率。当风速增大到额定值以上时，叶片与轮毂间的轴承机构转动 使叶片桨距角增大，功角减小，从而减小翼型的升力，达到控制风力机叶片的扭 矩和功率的目的。但是双馈式风力发电机组由于需要安装变桨装置故其机械损耗 和噪音较大，而且采用了绕线型异步电机致使结构和控制方式相对复杂、维护不 便、机组价格昂贵。因此随着风力发电技术的不断发展，直驱式风力发电系统因其维护成本低、 噪声小、结构简单等优点而受到越来越多的关注。如图2所示，它采用风轮直接 驱动多极低速永磁同步发电机发电，然后通过功率变换电路将电能转换后并入电 网，省去了传统双馈式风力发电系统中的齿轮箱，系统效率大为提高，有效抑制 了噪声。该系统能够使风力机在很大风速范围内按最佳效率运行并且省去了增速 装置，从而提高了系统的效率和可靠性，同时也降低了系统维护费用和直接费用。4但已采用的变流器中，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。另外 还有一个无法克服的缺点，即同步发电机在低风速时输出电压较低，无法将能量 反馈入电网。这些都是有待解决的问题。
技术实现思路
技术问题:本专利技术的目的是克服现有直驱式风力发电系统变流器实现方案的 不足，提出一种可对直流环节的电压进行控制、实现高功率因数整流、滤波电容 器组容量要求低、能够维持低风速下的能量馈送至电网的谐波注入型直驱式风电 变流器。技术方案本专利技术的谐波注入型直驱式风电变流器中，六个整流二极管即第 一整流二极管、第二整流二极管、第三整流二极管、第四整流二极管、第五整流 二极管、第六整流二极管组成三相不可控整流桥，其输入端分别通过第一输入电 感、第二输入电感、第三输入电感对应连接到第一熔断器、第二熔断器、第三熔 断器上，而熔断器则直接与永磁同步电机的电压输出端Ua、 Ub、 Uc相连；整流 桥输出端则连接到第一升压功率管、第二升压功率管组成的升压半桥上；升压半 桥的正、负极分别通过第一限流二极管、第二限流二极管连接到第一滤波电容、 第二滤波电容、第三滤波电容、第四滤波电容组成的滤波电容器组的正、负极上， 每个滤波电容都分别对应并联有一个均压电阻即第一均压电阻、第二均压电阻、 第三均压电阻、第四均压电阻；升压桥中性点即第一功率管、第二功率管的连接 公共点和滤波电容器组中性点即整个电容器组容量的1/2位置处连接在一起，并 由此点引出中性线连到谐波电流注入电路中性点上；滤波电容器组的正、负极分 别与逆变器的正、负极输入端相连。本专利技术可采用的第一种逆变器，其特征在于该逆变器中六个逆变功率管即第 一逆变功率管、第二逆变功率管、第三逆变功率管、第四逆变功率管、第五逆变 功率管、第六逆变功率管组成三相可控逆变半桥，其输入连接在滤波电容器组的 正、负极上，输出端则通过输出滤波电路分别对应连到电网的接入端UA、 UB、uc上。本专利技术可采用的第二种逆变器是六个逆变桥臂组成三相可控逆变半桥，即第七逆变功率管和第八逆变功率管、第九逆变功率管和第十逆变功率管、第十一 逆变功率管和第十二逆变功率管、第十三逆变功率管和第十四逆变功率管、第十 五逆变功率管和第十六逆变功率管、第十七逆变功率管和第十八逆变功率管分别 组成一个逆变桥臂；六个桥臂的中点即两个逆变功率管的连接公共点分别通过第 一钳位二极管、第二钳位二极管、第三钳位二极管、第四钳位二极管、第五钳位 二极管、第六钳位二极管与滤波电容器组中性点相连，其中第一钳位二极管、第 三钳位二极管、第五钳位二极管的负极分别对应连接到各上桥臂的中点上，第二 钳位二极管、第四钳位二极管、第六钳位二极管的正极分别对应连接到各下桥臂 的中点上；三相逆变半桥的输入连接在滤波电容器组的正、负极上，输出端则通 过输出滤波电路分别对应连到电网的接入端UA、 UB、 UC上。 有益效果(1) 可以对功率单元直流环节的电压进行控制，提升其直流电压稳定性， 并进一步提升变流器输出交流电压波形的质量；(2) 谐波电流注入电路为注入零序电流提供了通道，可以实现功率单元的 高功率因数整流和输入电流的正弦化，减少谐波带来的一些问题；(3) 直流电压环节的稳定控制，对滤波电容器组的容量要求比不控拓扑型 的低，可节省成本；(4) 直流环节采用升压电路，使发电机在低风速时也能将能量馈送至电网， 同时可减小直流环节的电流，降低损耗；(5) 使风力发电系统维护成本低、噪声小、结构比较简单、控制较方便。附图说明图l双馈式风力发电系统示意图，图2直驱式风力发电系统示意图，图3本专利技术的结构示意图，图4本专利技术另一种实施方案的结构示意图，图5功率单元工作示意图，图6三相整流输入电压波形示意图。图中有风力机l、齿轮箱2、双馈感应电机3、三绕组变压器4、交流/直 流变流模块5、直流侧电容器6、直流/交流变流模块7、永磁同步电机8、第一6熔断器9、第二熔断器IO、第三熔断器ll、谐波电流注入电路12、第一输入电 感13、第二输入电感14、第三输入电感15、第一整流二极管16、第二整流二极 管17、第三整流二极管18、第四整流二极管19、第五整流二极管20、第六整流 二极管21、第一升压功率管22、第二升压功率管23、第一限流二极管24、第二 限流二极管25、第一均压电阻26、第二均压电阻27、第三均压电阻28、第四均 压电阻29、第一滤波电容30、第二滤波电容31、第三滤波电容32、第四滤波电 容33、第一逆变功率管34、第二逆变功率管35、第三逆变功率管36、第四逆变 功率管37、第五逆变功率管38、第六逆变功率管39、输出滤波电路40、电网等 效电源41、滤波电容器组中性点42、升压桥中性点43、谐波电流注入电路中性 点44、第七逆变功率管45、第八逆变功率管46、第九逆变功率管47、第十逆变 功率管48、第十一逆变功率管49、第十二逆变功率管50、第十三逆变功率管51、 第十四逆变功率管52、第十五逆变功率管53、第十六逆变功率管54、第十七逆 变功率管55、第十八逆变功率管56、第一钳位二极管57、第二钳位二极管本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种谐波注入型直驱式风电变流器，其特征在于在该变流器中，六个整流二极管即第一整流二极管（１６）、第二整流二极管（１７）、第三整流二极管（１８）、第四整流二极管（１９）、第五整流二极管（２０）、第六整流二极管（２１）组成三相不可控整流桥，其输入端分别通过第一输入电感（１３）、第二输入电感（１４）、第三输入电感（１５）对应连接到第一熔断器（９）、第二熔断器（１０）、第三熔断器（１１）上，而熔断器的另一端则直接与永磁同步电机（８）的电压输出端Ｕａ、Ｕｂ、Ｕｃ相连；整流桥输出端连接到第一升压功率管（２２）、第二升压功率管（２３）组成的升压半桥上；升压半桥的正、负极分别通过第一限流二极管（２４）、第二限流二极管（２５）连接到第一滤波电容（３０）、第二滤波电容（３１）、第三滤波电容（３２）、第四滤波电容（３３）组成的滤波电容器组的正、负极上，每个滤波电容都分别对应并联有一个均压电阻即第一均压电阻（２６）、第二均压电阻（２７）、第三均压电阻（２８）、第四均压电阻（２９）；升压桥中性点（４３）即第一功率管（２２）、第二功率管（２３）的连接公共点和滤波电容器组中性点（４２）即整个电容器组容量的１／２位置处连接在一起，并由此点引出中性线连到谐波电流注入电路中性点（４４）上；滤波电容器组的正、负极分别与逆变器的正、负极输入端相连。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：倪喜军，孙仪，闫安心，赵剑锋，郑良广，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]