一种同步发电机用大功率等级的全功率风电并网变流器制造技术

本发明专利技术涉及一种同步发电机用大功率等级的全功率风电并网变流器，属于风电新能源技术领域。技术方案是：所述的整流单元由至少一个三相不控二极管整流单元构成或多个三相不控二极管整流单元并联连接构成；所述的升压斩波单元由至少一个升压斩波单元构成或多个升压斩波单元并联连接构成；所述逆变单元由至少一个三相全控逆变单元构成或多个三相全控逆变单元并联连接构成；所述的电机励磁单元由至少一个降压斩波单元或多个降压斩波单元并联构成。本发明专利技术的有益效果是：把技术成熟、成本低廉的同步发电机应用于风力发电中，大大降低了整个机组的成本；把电机的励磁回路集成在变流器中，简化了控制结构，增强了机组的稳定性和适应性。该结构在同等开关电压电流应力的开关器件的基础上，能实现更高的功率等级，并且可以更方便的实现产品的系列化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种同步发电机用大功率等级的全功率风电并网变流器，属于风电新能源

技术介绍
近十年来人类社会的发展已经步入了飞速发展的新时期，全球经济一体化的趋势日益 明显。信息、能源和材料三大支柱产业是二十一世纪人类走向新文明的重要基石，而其中能 源产业对经济的快速发展起着至关重要的作用。风力发电是目前新能源中技术比较成熟、 最具规模化开发条件和商业化发展前景的发电方式，具有占地少、无污染、建设周期短、装 机规模灵活等优点，受到世界各国的广泛关注，在整个世界电力市场上呈现出强劲的发展 势头。为了推动并网型风力发电的发展，国家发改委组织制定的《可再生能源中长期发展规 划》中明确要求，2020年全国风电装机容量达到3000万千瓦。我们知道，并网型风力发电 系统主要包括直驱式风力发电系统和非直驱式风力发电系统两种形式。其中，变速恒频交 流励磁双馈式风力发电系统和直驱多极永磁电机风力发电系统是这两种风力发电系统的 典型代表，也是最有前景的风力发电方案，目前已经成为大功率风电机组的首选方案，同时 也是我国风电设备制造业进军大功率风电市场的主攻方向。非直驱式风力发电系统的风轮通过增速齿轮箱接发电机，然后通过变压器并入电 网。而直驱式风力发电系统中风轮直接连接发电机，然后通过变流器并入电网。很显然，直 驱式风力发电系统与非直驱式风力发电系统相比，省去了增速齿轮箱，这样不但减少了风 力发电机的体积和重量，而且减少了对齿轮箱的日常维护工作，降低了风电系统的噪声、提 高了机组寿命和低风速时高效率等多种优点，所以直驱式风力发电系统成了现代风力发电 系统的发展趋势，而作为其并网核心部件的并网变流器性能的好坏对整个系统的正常运行 起着至关重要的作用，因此直驱式并网变流器的研究成为了风电科技领域的研究热点。直驱式风力发电机组的并网变流器的功率等级与发电机组相当，发电机发出的电 能全部通过变流器转换为频率、电压恒定的交流电馈入电网，并通过对电机侧变流器电流 的控制而控制电磁转矩，使之实现最大功率输出。与非直驱式风力发电系统相比，变流器在 发电机组与电网之间使用，实现了发电机组与电网的隔离，转速与电网频率之间的耦合问 题获得了很好的解决，也在一定程度上避免了因电网波动对发电机组稳定运行所带来的不 利影响，同时，也减轻对电网得冲击，保障风电机组并网后电网可靠性和安全性。与双馈型 机组(变流器容量通常为1/2 1/3风电机组的额定功率)相比，全功率变流器更容易实现 低电压穿越等功能，更容易满足电网对风电并网日益严格的要求。目前，直驱式风电机组中采用的发电机多为永磁同步发电机，图1是典型的永磁 直驱式变速恒频风力发电系统的结构图，包括永磁同步发电机和全功率背靠背双PWM变流 器。虽然，近年来随着永磁材料性能的不断提高，价格的下降，永磁同步电机的价格已经大 大降低，逐渐变得被大众所接受，但是由于永磁材料本身的局限性，特别是，理论上永磁体 在高温时存在失磁的风险，同时永磁材料的寿命问题也限制的其在风电领域的应用，因目 前风电机组的设计寿命基本为20年，而目前永磁电机的使用寿命基本在10年左右。针对上述问题，利用电励磁同步发电机、直驱环形发电机来代替永磁发电机是本领域技术研发 的重要方向。
技术实现思路
本专利技术目的是提供一种同步发电机用大功率等级的全功率风电并网变流器，电路结构 简单，降低风电设备的成本，解决
技术介绍
中存在的上述问题。本专利技术的技术方案是一种同步发电机用大功率等级的全功率风电并网变流器，它包含电机侧三相滤波电容 单元、整流单元、升压斩波单元、逆变单元、电机励磁单元、网侧三相滤波电容单元，各单元 之间依次匹配连接，其特别之处是所述的整流单元由至少一个三相不控二极管整流单元 构成或多个三相不控二极管整流单元并联连接构成；所述的升压斩波单元由至少一个升压 斩波单元构成或多个升压斩波单元并联连接构成；所述逆变单元由至少一个三相全控逆变 单元构成或多个三相全控逆变单元并联连接构成；所述的电机励磁单元由至少一个降压斩 波单元或多个降压斩波单元并联构成。风力机、同步发电机连接三相滤波电容单元，三相滤波电容单元连接整流单元，整 流单元连接升压斩波单元，升压斩波单元同时连接逆变单元和电机励磁单元，其中逆变单 元连接三相滤波电容单元，三相滤波电容单元连接并网变压器，并网变压器连接工频电网； 电机励磁单元连接到同步发电机的转子端进行励磁。先将六个二极管两两一组，然后将每组中的两个器件首尾相连成一相桥臂，最后 将三相桥臂并联组成整流单元；组成中有多个整流单元，把多个桥臂的两端并联。升压斩波单元为将电感和二极管串联，然后在其节点处并联一功率开关器件，最 后在支路末端并联一电容器；升压斩波单元由多个升压斩波单元构成，将每个升压斩波器 串联。逆变单元将六只功率开关器件两两一组，然后将每组中的两个器件首尾相连组 成一相桥臂，进而将三相桥臂并联组成三相逆变单元，最后二极管并联在每个功率开关器 件上。电机励磁单元为将功率开关器件和电感元件串联，然后在其节点处并联一二极 管；电机励磁单元由多个电机励磁单元构成，将每个电机励磁单元并联。本专利技术中主电路采用的功率开关器件可以为IGCT (集成门极换流晶闸管)，但不限 于 IGCT。本专利技术工作时，由于风速处出于不断的变化中，风力机带动风力发电机输出三相 频率及幅值都变化的交流电，经过发电机侧的三相滤波电容单元后进入整流单元。整流单 元将三相幅值频率均变化的的交流电整流成多脉波的幅值变化的直流电。直流电经升压斩 波单元后变为幅值稳定的直流母线电压，然后直流母线电压馈入逆变单元。逆变单元在控 制系统的控制下把直流电转变为与电网电压同频同相交流电，经并网变压器并入电网。因 为升压斩波单元的存在，即使在较低的风速下，也能保证直流母线电压的稳定。同时，在整 个运行过程中，电机励磁单元可根据风速的不断变化，而适时调节电机励磁电流的大小。本专利技术的有益效果有电路结构简单，把技术成熟、成本低廉的同步发电机应用于 风力发电系统中，大大降低了整个机组的成本；把电机的励磁回路集成在变流器中，简化了 控制结构，增强了机组的稳定性和适应性。大大降低了功率器件的开关损耗电路中的整流单元、升压斩波单元、逆变单元、电机励磁单元都采用的模块化电路，该结构在同等开关电 压电流应力的开关器件的基础上，能实现更高的功率等级，并且可以更方便的实现产品的 系列化。本专利技术产品电路结构简单，不但大大降低了风电设备的成本，而且可以提高我国 在世界风电设备制造领域的地位和影响力，为我国风电设备的出口，提升在世界风电市场 上的地位奠定了坚实的基础。附图说明图1是
技术介绍
中典型的永磁直驱式变速恒频风力发电系统示意图； 图2是本专利技术示意图中图中风力机1、永磁同步发电机2、电网3、同步发电机4、并网变压器5。具体实施例方式以下结合附图，通过实施例对本专利技术作进一步说明。参照附图2，在实施例中，本专利技术位于兆瓦级的风力机1、同步发电机4与并网变压 器5、电网3之间。本专利技术包括发电机侧三相滤波电容器Cfl，整流器单元、升压斩波单元、 逆变单元、电机励磁单元、网侧三相电容滤波器Cf2。风力机1、同步发电机4连接三相滤波 电容器Cfl，三相滤波电容器Cfl连接整流单元，整流单元本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种同步发电机用大功率等级的全功率风电并网变流器，它包含电机侧三相滤波电容单元、整流单元、升压斩波单元、逆变单元、电机励磁单元、网侧三相滤波电容单元，各单元之间依次匹配连接，其特征在于：所述的整流单元由至少一个三相不控二极管整流单元构成或多个三相不控二极管整流单元并联连接构成；所述的升压斩波单元由至少一个升压斩波单元构成或多个升压斩波单元并联连接构成；所述逆变单元由至少一个三相全控逆变单元构成或多个三相全控逆变单元并联连接构成；所述的电机励磁单元由至少一个降压斩波单元或多个降压斩波单元并联构成。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁志平，刘广东，冯红岩，王东，赵双喜，申晓东，
申请(专利权)人：保定天威集团有限公司，
类型：发明
国别省市：13[中国|河北]