兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器及控制方法技术

本发明专利技术公开了一种兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器及控制方法，该变流器包括整流单元、逆变单元、控制系统、辅助单元和柜体；整流单元和逆变单元采用对称结构配置，整流和逆变功率电路均由三组六只绝缘栅双极型晶体管组成；辅助单元包括辅助保护电路、预充电电路、辅助控制电路、逆变单元侧主接触器和滤波电路。该控制方法采用包括速度控制、转矩限定功率控制、直接功率控制和直流母线电压控制多种控制，当速度控制、转矩限定功率控制和直接功率控制都失效时，自动切换到直流母线电压控制；变流器并网方式采用不需配置单独的并网设备的在线式并网方式。本发明专利技术变流器具有结构合理紧凑、安全性好等优点；控制方法具有并网冲击小、脱网安全等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种风力发电变流设备及控制方法，特别是一种，主要用于利用可再生能源一风能的风力发电。
技术介绍
风能作为一种洁净的可再生能源，随着风力发电技术逐步成熟，其运行成本将会 低于水电和火电，发展前景非常广阔。发电机组是风力发电机系统的能量转换核心，目前， 采用的发电机组主要有双馈异步发电机组和永磁直驱式风力发电机组。双馈异步发电机采 用定子和转子双绕组，以及滑环、变速齿轮箱，其定子绕组直接连接到电网上，转子绕组电 流由滑环引入，通过一部分功率的交_直_交变换器与电网连接，转子变换器通过调节转子 电流的频率、相位及功率来调节定子侧输出功率，使之与风轮输出功率相匹配，在风轮和电 机之间通过变速齿轮箱进行增速。由于齿轮箱易过载，且损坏率较高，致使双馈异步发电机 组的可靠性和稳定性较差。永磁直驱式风力发电机组不用齿轮箱，采用多极永磁同步电机 与叶轮连接进行驱动，然后通过全功率的变频装置并网，利于提高风力发电机组的可靠性 和系统效率。 1. 5兆瓦级以上的永磁直驱式风力发电机组产生的变频变压电能，通过交-直-交 并网变流器进行变换后送入电网。公开号为CN101051793的中国专利申请《兆瓦级直驱式 风电并网变流器》公开了一种兆瓦级直驱式风电并网变流器，它包括发电机侧三相滤波电 容器、整流器单元、升压斩波器单元、逆变器单元、网侧三相滤波电容器和变压器，风力发电 机连接三相滤波电容器，三相滤波电容器连接整流器单元，整流器单元连接升压斩波器单 元，升压斩波器单元连接逆变器单元，逆变器单元连接三相滤波电容器，三相滤波电容器连 接变压器，变压器连接工频电网。该并网变流器利于降低风电设备的成本，具有功率因数 可调、更高功率等级等优点。但是，存在下列不足1、结构不够紧凑，元器件未经整合，风力 发电机组需配置专门的配电室，设计单独的冷却柜体，加大了发电机组的制造成本和占用 空间；2、系统的安全性较差，缺少平台机侧进线与网侧出线的断路器保护，以及监测设施有 限，当出现异常时，会冲击电网，发生故障；3、支持的通讯协议/接口有限，变流器的通讯安 全保障不够；4、维修拆卸困难。现有技术兆瓦级尤其是1. 5兆瓦级及以上功率风力发电用 并网变流器采取的并网控制方法，存在并网冲击大、脱网安全保障不力等安全性不高的缺 点。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，克服现有技术存在的缺陷，提供一种结构合理紧 凑、安全性好的兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器，以及并网冲击小、脱网安全的兆瓦级永 磁直驱式风力发电变流器的控制方法。 本专利技术解决上述问题所采用的技术方案是该兆瓦级永磁直驱式风力发电变流 器，其结构特点是包括整流单元、逆变单元、控制系统、辅助单元和柜体； 所述的整流单元包括整流功率电路和整流驱动控制电路，逆变单元包括逆变功率 电路和逆变驱动控制电路，所述的整流功率电路和逆变功率电路通过直流母线连接，整流 驱动控制电路与逆变驱动控制电路之间通过光纤通讯连接，所述的控制系统与整流驱动控 制电路之间、控制系统与逆变驱动控制电路之间均通过通讯总线连接，所述的整流单元和 逆变单元采用对称结构配置，整流功率电路和逆变功率电路均由三组六只绝缘栅双极型晶 体管组成，位于永磁同步发电机侧的整流单元将来自永磁同步发电机的5 200Hz的三相 交流电进行脉冲宽度调制整流，完成交流/直流稳压及升压变换，形成1000 1200V直流 电压，位于电网侧的逆变单元将直流电压经过脉冲宽度调制逆变成50Hz三相交流电； 所述的辅助单元包括辅助保护电路、预充电电路、辅助控制电路、逆变单元侧主接 触器和滤波电路，所述的辅助保护电路含整流单元侧断路保护器、逆变单元侧断路保护器 和浪涌保护器，预充电电路含直流母线预充电电路接触器、直流母线预充电电阻和直流母 线预充电整流桥，滤波电路含直流母线滤波电容、正弦滤波器电容和正弦滤波器电抗； 所述的永磁同步发电机和整流单元之间装有整流单元侧断路保护器和浪涌保护 器，逆变单元和电网之间依次装有浪涌保护器、滤波电路、逆变单元侧主接触器、直流母线 预充电电路接触器和逆变单元侧断路保护器，所述的辅助控制电路控制整流单元侧断路保 护器、逆变单元侧断路保护器、预充电电路和逆变单元侧主接触器。 本专利技术兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器，所述的通讯总线为Ethernet、DeviceNet、ProfileBus、Canbus、ModBus总线中的一种，所述的控制系统与整流驱动控制电路之间、控制系统与逆变驱动控制电路之间配置对网络通讯冗余的硬接线。 本专利技术兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器，所述的整流单元侧和逆变单元侧均设置检测电压信号的同步变压器。 本专利技术兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器，所述的整流单元、逆变单元、控制系统、辅助单元集成安装在柜体内，其中位于柜体内的整流单元的整流功率电路和逆变单元的逆变功率电路的每一相均系独立安装，且在整流功率电路和逆变功率电路的每一相底部分别配装滑轮，所述的柜体安装在永磁同步发电机的塔筒底部或塔顶的机舱内。 本专利技术兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器，所述的整流单元和逆变单元均配置水冷装置和/或风冷装置。 本专利技术解决上述问题所采用的技术方案还是该兆瓦级永磁直驱式风力发电变流 器的控制方法，其特点是该变流器控制方法采用包括速度控制、转矩限定功率控制、直接 功率控制和直流母线电压控制多种控制，当速度控制、转矩限定功率控制和直接功率控制 都失效时，变流器自动切换到直流母线电压控制进行控制，利用整流单元的逆变功能维持 母线电压恒定，控制直流母线电压，实现低压穿越功能； 该变流器控制方法的变流器并网方式采用不需配置单独的并网设备的在线式并 网方式，当永磁同步发电机发出功率满足系统运行时，即开始向电网送电，其功率或转矩通 过-32767 32767工程单位的通讯全范围内平滑给定，不同的功率或转矩进行给定切换 时，通过整流单元的整流驱动控制电路控制实现并网零冲击； 所述的变流器控制方法的控制流程以下 a、当风电系统电网处于准备状态时，控制系统控制的启动顺序为，整流单元准备 完成后，逆变单元通过预充电电路的直流母线预充电电路接触器、直流母线预充电电阻和直流母线预充电整流桥完成预充电，直流电压达到设定值后，逆变单元输出预充电完成信 号，逆变单元侧主接触器闭合，直流母线预充电电路接触器断开； b、控制系统启动逆变单元，使输出电压、频率和电网的电压、频率同步，同时使逆 变单元与整流单元之间的直流母线电压处于设定值； c、若逆变单元与电网的同步过程完成，电压和频率都在设定范围之内，则逆变单 元输出AFE_0K信号给整流单元，整流单元进入可启动状态； d、若整流单元在运行过程中没有收到AFE_0K信号，整流单元将处于空闲状态；整 流单元收到逆变单元送出的AFE_0K信号后，控制系统控制整流单元与永磁同步发电机之 间的整流单元侧断路保护器闭合，整流单元进入待机状态，达到风机切入风速后，整流单元 进入启动状态，永磁同步发电机进行发电； e、当并网发电时，逆变单元内置PI环调节输出到电网的同步电流，同时控制到电 网的电压； f、当逆变单元侧断路保护器断开造成相位丢失，并网发生故障，逆变单元自动停 止调节并切换到待机模式，取消AFE_0K信号本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器，其特征在于：包括整流单元、逆变单元、控制系统、辅助单元和柜体；所述的整流单元包括整流功率电路和整流驱动控制电路，逆变单元包括逆变功率电路和逆变驱动控制电路，所述的整流功率电路和逆变功率电路通过直流母线连接，整流驱动控制电路与逆变驱动控制电路之间通过光纤通讯连接，所述的控制系统与整流驱动控制电路之间、控制系统与逆变驱动控制电路之间均通过通讯总线连接，所述的整流单元和逆变单元采用对称结构配置，整流功率电路和逆变功率电路均由三组六只绝缘栅双极型晶体管组成，位于永磁同步发电机侧的整流单元将来自永磁同步发电机的５～２００Ｈｚ的三相交流电进行脉冲宽度调制整流，完成交流／直流稳压及升压变换，形成１０００～１２００Ｖ直流电压，位于电网侧的逆变单元将直流电压经过脉冲宽度调制逆变成５０Ｈｚ三相交流电；所述的辅助单元包括辅助保护电路、预充电电路、辅助控制电路、逆变单元侧主接触器和滤波电路，所述的辅助保护电路含整流单元侧断路保护器、逆变单元侧断路保护器和浪涌保护器，预充电电路含直流母线预充电电路接触器、直流母线预充电电阻和直流母线预充电整流桥，滤波电路含直流母线滤波电容、正弦滤波器电容和正弦滤波器电抗；所述的永磁同步发电机和整流单元之间装有整流单元侧断路保护器和浪涌保护器，逆变单元和电网之间依次装有浪涌保护器、滤波电路、逆变单元侧主接触器、直流母线预充电电路接触器和逆变单元侧断路保护器，所述的辅助控制电路控制整流单元侧断路保护器、逆变单元侧断路保护器、预充电电路和逆变单元侧主接触器。...

【技术特征摘要】
一种兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器，其特征在于包括整流单元、逆变单元、控制系统、辅助单元和柜体；所述的整流单元包括整流功率电路和整流驱动控制电路，逆变单元包括逆变功率电路和逆变驱动控制电路，所述的整流功率电路和逆变功率电路通过直流母线连接，整流驱动控制电路与逆变驱动控制电路之间通过光纤通讯连接，所述的控制系统与整流驱动控制电路之间、控制系统与逆变驱动控制电路之间均通过通讯总线连接，所述的整流单元和逆变单元采用对称结构配置，整流功率电路和逆变功率电路均由三组六只绝缘栅双极型晶体管组成，位于永磁同步发电机侧的整流单元将来自永磁同步发电机的5～200Hz的三相交流电进行脉冲宽度调制整流，完成交流/直流稳压及升压变换，形成1000～1200V直流电压，位于电网侧的逆变单元将直流电压经过脉冲宽度调制逆变成50Hz三相交流电；所述的辅助单元包括辅助保护电路、预充电电路、辅助控制电路、逆变单元侧主接触器和滤波电路，所述的辅助保护电路含整流单元侧断路保护器、逆变单元侧断路保护器和浪涌保护器，预充电电路含直流母线预充电电路接触器、直流母线预充电电阻和直流母线预充电整流桥，滤波电路含直流母线滤波电容、正弦滤波器电容和正弦滤波器电抗；所述的永磁同步发电机和整流单元之间装有整流单元侧断路保护器和浪涌保护器，逆变单元和电网之间依次装有浪涌保护器、滤波电路、逆变单元侧主接触器、直流母线预充电电路接触器和逆变单元侧断路保护器，所述的辅助控制电路控制整流单元侧断路保护器、逆变单元侧断路保护器、预充电电路和逆变单元侧主接触器。2. 根据权利要求1所述的兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器，其特征在于所述的通 讯总线为Ethernet、DeviceNet、ProfileBus、Canbus、ModBus总线中的一种，所述的控制系 统与整流驱动控制电路之间、控制系统与逆变驱动控制电路之间配置对网络通讯冗余的硬 接线。3. 根据权利要求2所述的兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器，其特征在于所述的整 流单元侧和逆变单元侧均设置检测电压信号的同步变压器。4. 根据权利要求3所述的兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器，其特征在于所述的整 流单元、逆变单元、控制系统、辅助单元集成安装在柜体内，其中位于柜体内的整流单元的 整流功率电路和逆变单元的逆变功率电路的每一相均系独立安装，且在整流功率电路和逆 变功率电路的每一相底部分别配装滑轮，所述的柜体安装在永磁同步发电机的塔筒底部或 塔顶的机舱内。5. 根据权利要求4所述的兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器，其特征在于所述的整 流单元和逆变单元均配置水冷装置和/或风冷装置。6 —种用于权利要求1所述的兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器的控制方法，其特征在于该兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器控制方法，采用包括速度控制、转矩限定功率控制、直接功率控制和直流母线电压控制多种控制，当速度控制、转矩限定功率控制和直接功 率控制都失效时，变流器自动切换到直流母线电压控制进行控制，利用整流单元的逆变功能维持母线电压恒定，控制直流母线电压，实现低压穿越功能；该变流器控制方法的变流器并网方式采用不需配置单独的并网设备的在线式并网 方式，当永磁同步发电机发出功率满足系统运行时，即开始向电网送电，其功率或转矩通 过-32767 32767工程单位的通讯全范围内平滑给定，不同的功率或转矩进行给定切换时，通过整流单元的整流驱动控制电路控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：鄢来朋，徐小伟，倪锋，孙浩，钱骁寅，金皓，
申请(专利权)人：华章电气桐乡有限公司，
类型：发明
国别省市：33[中国|浙江]