用于直驱式永磁同步发电系统的可重构功率变换器技术方案

本发明专利技术属于直驱式永磁同步风力／波力发电与电力电子控制领域，涉及一种用于可重构直驱式永磁同步发电系统的功率变换器，包括依次连接的三相桥式二极管整流电路、电机侧可重构控制电路、Ｂｕｃｋ－Ｂｏｏｓｔ直流控制电路、网侧可重构控制电路和逆变电路，其中，所述的电机侧可重构控制电路包括三个电机侧并联的双向可控二极管和两个串联的冗余整流二极管桥臂，所述的网侧可重构控制电路包括相互串联后接在Ｂｕｃｋ－Ｂｏｏｓｔ直流控制电路输出端的两个冗余ＭＯＳＦＥＴ／ＩＧＢＴ桥臂和三个网侧并联的双向可控二极管。本发明专利技术的功率变换器，能够降低电机侧的控制复杂度，也可以实现自适应升压降压功能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于直驱式永磁同步风力/波力发电与电力电子控制领域，具体涉及一种 AC-DC-AC功率变换器。
技术介绍
环境污染和能源危机是当今全人类面临的两大共同问题。大力发展太阳能、风能、 海洋能等新能源，实现能源转换方式的改变及其利用率的提高是解决这两大问题的一个重 要手段，对于我国当前的环境保护和能源可持续开发有着不可忽视的作用，具有显著的经 济和社会效益。风力与波力发电是适合我国国情，并可大力发展的重点可再生能源，其技术 需求已被列入国家科技发展规划纲要。截至目前为止，按照风力/波力发电机的不同，风力 发电机可分为同步发电机、异步发电机、双馈发电机、永磁同步发电机和开关磁阻发电机 等。永磁同步发电机是风力/波力发电系统中的重要形式，具有效率高、寿命长、可控性好 等优点。其发电方式可以是直驱式，也可以通过变速齿轮箱连接。在目前风力/波力发电 机组中，齿轮箱存在易过载和损坏率较高等问题，省去齿轮箱后，系统将具备低噪声、长寿 命、高可靠性和低风速/低波力时高效率等优点。不管是直驱式还是带增速齿轮箱的发电 方式，系统必须依靠AC-DC-AC或者AC-AC功率变换器来实现电能的稳定化。传统的风力/ 波力发电用AC-DC-AC变换器一般是电机侧和网侧的功率变换器都是可控的，控制相对复 杂，中间直流环节一般也是以电容作为储能，没有自适应的升压降压功能，这不能满足风力 /波力变化的特点。同时，一般的系统也不具备可重构功能和辅助的低电压跌落保护电路。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种能够降低电机侧的控制复杂 度，也可以实现自适应升压降压功能的AC-DC-AC功率变换器。为此，本专利技术采用如下的技 术方案一种用于可重构直驱式永磁同步发电系统的功率变换器，包括依次连接的三相桥 式二极管整流电路、电机侧可重构控制电路、Buck-Boost直流控制电路、网侧可重构控制电 路和逆变电路，其中，所述的电机侧可重构控制电路包括三个电机侧并联的双向可控二极 管和两个串联的冗余整流二极管桥臂，每个电机侧双向可控二极管各与一个电阻串联，一 端分别与所述的功率变换器的三个输入端之一相连，另一端连成公共端后通过开关与两个 冗余整流二极管桥臂的中点相连，两个冗余整流二极管串联后接在电机侧可重构控制电路 的输出端；所述的网侧可重构控制电路包括相互串联后接在Buck-Boost直流控制电路输出 端的两个冗余M0SFET/IGBT桥臂和三个网侧并联的双向可控二极管，每个网侧双向可控二 极管的一端连成公共端后接在两个冗余M0SFET/IGBT桥臂的中间，另一端分别与各连接到 功率变换器的三个输出端之一。本专利技术提出的可重构直驱式永磁同步风力/波力发电AC-DC-AC功率变换器，采用不可控的整流电路对风力/波力发电系统中直驱式永磁同步发电机端部的交流电进行整 流，整流电路具有可重构单元，作为整流电路某一支路发生故障后的备份，同时，该可重构 单元还具有撬棒保护电路的功能；采用Buck-Boost直流变换环节使变换器能自适应地升 降压，保持直流母线输出端的直流电恒定；最后通过具有可重构功能的逆变电路将直流电 变为50Hz的交流电，整流单元和逆变单元的可重构电路，均采用“N+1”的方式进行设计，最 大限度的节约了成本。具体而言，具有如下的技术效果1)不可控整流电路的控制较为简单，Buck-Boost直流变换单元使系统具备自适 应控制直流母线电压功能，保证直流母线电压恒定。2)按“N+1”方式设计的可重构整流电路与逆变电路使系统在整流电路和逆变电 路发生故障时仍能正常运行，同时故障能及时的报警，从而确保系统能得到及时维修，提高 了系统的可靠性。3)可重构整流电路具有撬棒保护电路功能，可提高直驱式永磁同步发电系统的低 电压穿越能力。4)通过控制Buck-Boost电路可实现风力/波力发电直驱式永磁同步发电系统的 电压控制，通过可重构的网侧逆变电路可实现系统的功率和频率控制。5)该功率变换器不但适合直驱式风力/波力永磁同步发电系统，还适合风力/波 力发电系统中传统同步发电机和带增速齿轮箱的永磁同步发电机及双馈发电机的功率变 换控制，实用性较强，应用范围较广。6)去掉整流及其控制电路，剩余部分还可应用在开关磁阻发电系统，通用性强。 附图说明图1是直驱式风力/波力永磁同步发电系统示意图。图中，1是风力/波力发电原动机、2是多极直驱式永磁同步发电机、3是AC-DC-AC 功率变换器、4是故障与控制中心、5是变压器、6是电网/微电网、7是负荷、S是并网开关 电路。图2是本专利技术的功率变换器的对应结构原理图。 具体实施例方式图1为一种直驱式风力/波力永磁同步发电系统示意图，其中的3可采用本专利技术 的功率变换器。图2为本专利技术提出的可重构直驱式永磁同步风力/波力发电AC-DC-AC功 率变换器原理图。如图所示，该功率变换器主要包括整流电路，负责将三相交流电变换为 直流电；电机侧可重构控制电路，主要用于在整流电路三个支路中某一支路发生故障(主 要是开路故障)和系统发生低电压跌落故障时保持系统的正常运行；Buck-Boost直流控制 电路，用于实现直流电压的自适应控制；逆变电路，负责将直流电变换为交流电；网侧可重 构控制电路，主要用于在逆变电路三个支路中某一支路发生故障(主要也是开路故障)时 保持系统的正常运行。本专利技术的功率变换器首先采用由Dl、D2、D3、D4、D5和D6组成的不 可控二极管整流电路将发电机端口输出的交流电整流为直流电，然后通过D7、D8和三个 并联的双向可控二极管以及电阻R1、R2、R3和开关K组成可重构控制整流电路。可重构控 制整流电路中的双向可控二极管各与一个电阻串联，一端分别与AC-DC-AC功率变换器的三个输入端a、b、c之一相连，另一端连成公共端后通过开关K与两个冗余整流二极管D7、 D8组成的桥臂中点相连，两个冗余整流二极管D7、D8串联后接在直流母线两端。当D1、D2、 D3、D4、D5和D6组成的三个支路中某一支路发生开路故障时，K闭合，双向可控二极管开始 工作，D7、D8将取代故障支路桥臂的控制功能，实现系统的可重构冗余整流控制。同时，当 系统发生电压跌落时，K将打开，双向可控二极管和Rl、R2、R3组成撬棒保护电路，通过控 制双向可控二极管的电流流向，分担整流电路的允许承受电流，从而提高系统的低电压穿 越能力。由TO、LO和DO组成的Buck-Boost电路能通过控制TO的导通时间使系统具有自 适应的升压降压功能，从而保证电容C2两端的电压基本恒定。Tl、T2、T3、T4、T5和T6组 成的可控逆变电路负责将直流母线电压转化为工频50Hz的交流电，T7、T8和另外三个并 联的双向可控二极管组成可重构逆变控制电路。网侧可重构逆变控制电路中两个串联的 M0SFET/IGBT管子T7、T8组成冗余的逆变桥臂，两端分别接在直流母线两端上，中点与三个 并联的双向可控二极管的公共点相连，三个网侧并联的双向可控二极管的另一端则分别与 AC-DC-AC功率变换器的三个输出端Α、B、C之一相连。当Tl、Τ2、Τ3、Τ4、Τ5和Τ6组成的三 个支路中某一支路发生开路故障时，Τ7、Τ8将取代相应故障支路进行控制，实现系统的可重 构逆本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于可重构直驱式永磁同步发电系统的功率变换器，包括依次连接的三相桥式二极管整流电路、电机侧可重构控制电路、Ｂｕｃｋ－Ｂｏｏｓｔ直流控制电路、网侧可重构控制电路和逆变电路，其中，所述的电机侧可重构控制电路包括三个电机侧并联的双向可控二极管和两个串联的冗余整流二极管桥臂，每个电机侧双向可控二极管各与一个电阻串联，一端分别与所述的功率变换器的三个输入端之一相连，另一端连成公共端后通过开关与两个冗余整流二极管桥臂的中点相连，两个冗余整流二极管串联后接在电机侧可重构控制电路的输出端；所述的网侧可重构控制电路包括相互串联后接在Ｂｕｃｋ－Ｂｏｏｓｔ直流控制电路输出端的两个冗余ＭＯＳＦＥＴ／ＩＧＢＴ桥臂和三个网侧并联的双向可控二极管，每个网侧双向可控二极管的一端连成公共端后接在两个冗余ＭＯＳＦＥＴ／ＩＧＢＴ桥臂的中间，另一端分别与各连接到功率变换器的三个输出端之一。

【技术特征摘要】
1. 一种用于可重构直驱式永磁同步发电系统的功率变换器，包括依次连接的三相桥式 二极管整流电路、电机侧可重构控制电路、Buck-Boost直流控制电路、网侧可重构控制电路 和逆变电路，其中，所述的电机侧可重构控制电路包括三个电机侧并联的双向可控二极管 和两个串联的冗余整流二极管桥臂，每个电机侧双向可控二极管各与一个电阻串联，一端 分别与所述的功率变换器的三个输入端之一相连，另一端连成公共端后...

【专利技术属性】
技术研发人员：方红伟，夏长亮，肖朝霞，史婷娜，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：12[中国|天津]