專利名稱：一種適用于變速風力發(fā)電的全功率變流器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種風力發(fā)電技術領域的全功率變流器，用來實現(xiàn)發(fā)電機的變頻變壓 輸出到恒頻恒壓的轉換。
背景技術：
風能作為一種綠色的可再生能源，近些年來得到了廣泛的開發(fā)和利用，尤其是風 力發(fā)電技術，更是成為國內外當前研究的熱點和焦點。根據全球風能協(xié)會的統(tǒng)計，2009年全 球新增裝機容量3820. 8萬千瓦，同比增長47. 3 %，連續(xù)多年超過30%。我國風電的發(fā)展速 度更是首屈一指，僅09年新增裝機容量1380. 33萬千瓦，累計裝機容量2580. 53萬千瓦，較 上一年增加了 115%。目前，主流的風力發(fā)電機組以雙饋風力發(fā)電機組和永磁直驅風力發(fā)電機組為主。 其中，永磁直驅全功率變換型機組以其變速運行范圍廣、風能利用效率高、低電壓穿越能力 強、對電力系統(tǒng)的負面影響小等優(yōu)點，成為當前發(fā)展的主力機型。現(xiàn)有的全功率變換器主要 有二極管不控整流+升壓斬波+電壓源型逆變器(VSI)和背靠背電壓源型PWM整流器兩 種。前者存在發(fā)電機的輸出電流諧波含量大、功率因數低、機組的轉矩脈動大等缺點，多用 于中小功率場合。而后者雖然發(fā)電機的輸出功率因數較高，但數量較多的功率開關器件不 僅增加了成本，也降低了系統(tǒng)的可靠性。因此，研究和開發(fā)新型的功率變換器是我國風電 發(fā)電面臨的一個緊迫課題。Johan Ribrant等在文獻《Survey of Failures in WindPower Systems with Focus on Swedish Wind Power Plants during 1997—2005》43 白勺 了當前風電市場上風電機組各個部件的可靠性，結果顯示因變流裝置等電氣設備故障造成 的停機時間高達32. 5%?？梢?，提高變流裝置的可靠性，是改善風力發(fā)電機組的可靠性、減 小維護成本的關鍵。另一方面，我國風電領域的功率變流器仍主要依賴進口，變流器的國產 化程度低。因此，研究和發(fā)展擁有完全自主知識產權的新型風力發(fā)電全功率變換器，是我國 風電產業(yè)今后發(fā)展的主要任務之一。
發(fā)明內容
本發(fā)明旨在為全功率變換型風力發(fā)電機組提供一種新型的、簡單可靠的全功率變 換拓撲。本發(fā)明所述的全功率變流器如附圖1所示，由電機側的多脈波自耦調壓整流器 (附圖1①)和電網側的阻抗源逆變器(附圖1②)組成。其特征在于1)發(fā)電機的輸出功率經自耦調壓整流器(ATRU)整流后送入直流母線，再由阻抗 源逆變器實現(xiàn)并網發(fā)電；2)發(fā)電機的三相輸出接ATRU的輸入濾波電感Lsa、Lsb和Ls。，濾波電感的另一端分 別與自耦變壓器的a、b、c三端相連。經變壓器產生兩組三相電壓分別超前與滯后于輸入 15°的三相電壓，并經兩組二極管不控整流橋后由兩個耦合電抗器并聯(lián)到直流母線；3) ATRU的輸出直流母線經二極管和逆變器阻抗網絡Lp L2, C1, C2與三相橋相連，
3三相橋的輸出再經過濾波電感直接并入電網。與現(xiàn)有的全功率變流器相比，本發(fā)明所提出的新型全功率變流器具有如下幾個優(yōu)點。1)ATRU無功率開關管，結構簡單、可靠性高，可有效改善現(xiàn)有變流器故障率高的問 題；2)不同于常規(guī)二極管不控整流，ATRU的輸入電流呈多個階梯狀(12脈波ATRU為 12階梯)，經濾波電感平滑后可基本保證發(fā)電機的輸出電流為正弦波，發(fā)電機輸出電流中 的低頻諧波含量低，能夠有效的降低發(fā)電機的轉矩脈動和損耗，提高機組的可靠性和發(fā)電 機的能量轉換效率；3)阻抗源逆變器本身具備升降壓的能力，能夠與發(fā)電機變速運行時ATRU整流后 母線電壓變化相匹配。阻抗網絡的引入使得逆變器可以工作于直通狀態(tài)，無橋臂直通隱患， 抗電磁干擾能力和可靠性得到了大幅提升。綜合上述分析可知，本發(fā)明所提出的全功率變流器，具有結構簡單、可靠性高等突 出優(yōu)點，非常適合于今后海上風力發(fā)電等要求少維護甚至免維護的場合使用，具有較好的 應用和推廣前景。
附圖1是本發(fā)明的總體結構框圖。附圖2是發(fā)電機的輸出電壓和電流波形。附圖3是發(fā)電機的輸出電壓和電流FFT分析結果。附圖4是逆變器輸出電壓電流波形。附圖1-附圖4中的符號定義如表1所示表1附圖符號說明
名稱說明名稱說明Va, Vb, Vc發(fā)電機輸出三相電壓Cbus直流母線濾波電容^sa 丄sb LscATRU輸入濾波電感乙pi Lp2平衡電抗器a，b, c, a', b', c', a", b", c"變壓器輸入輸出端口S], S:, S^三相橋功率開關管Ci, C2阻抗源網絡電容Li，Li阻抗源網絡電感A阻抗源逆變器輸入防反流 二極管
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明的技術實施方案進行說明附圖1所示的是本發(fā)明提出的一種適用于變速風力發(fā)電的全功率變流器的整體 結構框圖，由發(fā)電機側的ATRU(附圖1①)和網側阻抗源逆變器②組成。ATRU用于將發(fā)電 機輸出的交流電壓轉換為直流電壓，而阻抗源逆變器則負責將電壓變化的直流電轉成為恒 壓恒頻的交流電，實現(xiàn)并網發(fā)電。它們的結構關系如下發(fā)電機的三相輸出接ATRU的輸入濾波電感Lsa、Lsb和Ls。，濾波電感的另一端分別 與自耦變壓器的a、b、c三個端子相連。變壓器的a'、b'、c'和a"、b〃、c〃輸出兩組三 相電壓分別超前與滯后于輸入電壓15°的三相電壓。兩組電壓分別經過三相不控整流橋 后由平衡電抗器Lpl、Lp2并接到直流母線電壓Cbus兩端。該母線電壓又作為后級阻抗源逆變 器的輸入，通過二極管與阻抗網絡Lp LpC1、逆變器的三相橋(由開關管SpSpSyi^SpS 構成)相連，三相橋的三個橋臂中點作為逆變器的輸出，經濾波電感與電網相連。為說明本發(fā)明的正確性和可行性，以一臺永磁直驅風力發(fā)電機組為例進行了仿真 驗證，表2和表3中給出了本實施例中的相關參數。表2風力機及永磁同步發(fā)電機參數
權利要求
1. 一種適用于變速風力發(fā)電的全功率變流器，由發(fā)電機側的自耦調壓整流器和網側阻 抗源逆變器組成。其特征在于發(fā)電機的三相輸出接自耦調壓整流器的輸入濾波電感Lsa、 Lsl^PLs。，濾波電感的另一端分別與自耦變壓器的a、b、c三個端子相連。變壓器的a'、b'、 c'和a"、b〃、c〃輸出兩組三相電壓分別超前與滯后于輸入電壓15°的三相電壓。兩組 電壓分別經過三相不控整流橋后由平衡電抗器Lpl、Lp2并接到直流母線電壓Cbus兩端。該 母線電壓又作為后級阻抗源逆變器的輸入，通過二極管與阻抗網絡LpL2^1X2和逆變器的 三相橋(由開關管SpSpSyi^SpS構成)相連，三相橋的三個橋臂中點作為逆變器的輸 出，經濾波電感與電網相連。
全文摘要
一種適用于變速風力發(fā)電的全功率變流器，用來實現(xiàn)風力發(fā)電機的變頻變壓輸出到恒頻恒壓的轉換，由電機側的多脈波自耦調壓整流器①和電網側的阻抗源逆變器②兩個部分組成。自耦調壓整流器用于將發(fā)電機輸出的交流電壓轉換為直流電壓，而阻抗源逆變器則負責將電壓變化的直流電轉成為恒頻恒壓的交流電，實現(xiàn)并網發(fā)電。與現(xiàn)有的全功率變流器相比，本發(fā)明所提出的全功率變流器，具有結構簡單、可靠性高等突出優(yōu)點，非常適合于今后海上風力發(fā)電等要求少維護甚至免維護的場合使用，具有較好的應用和推廣前景。
文檔編號H02M5/458GK102142692SQ20111004554
公開日2011年8月3日 申請日期2011年2月25日 優(yōu)先權日2011年2月25日
發(fā)明者嚴仰光, 陳冉, 陳家偉, 陳志輝, 陳杰, 龔春英 申請人:南京航空航天大學