专利名称：采用多相发电机和多电平变换器的兆瓦级变速风电机组的制作方法
技术领域：
本发明涉及风电领域，尤指一种采用多相发电机和多电平变换器 的兆瓦级变速风电机组。
背景技术：
风电是目前最具有商业开发潜力的清洁能源，也是我国重点发展 的可再生能源之一。当前风力发电的主流技术方案是变速风机技术， 而为了实现风机的变速运行以及风电机组的并网，电力电子变换器是 其中必不可少的核心控制器。在各种变速风机的实现方案中，安装在 发电机定子側的全功率风电变换器是实现风机变速恒频控制的重要方 案之一，这种方案与发电机转子侧变换器方案相比更易于实现，作为 风电机组关键设备在电网故障状态下要满足较高的电压穿越能力，因 此是目前大功率风电变换器的研究中比较重要和热点的技术。由于定 子侧变换器方案必须处理全部的发电机功率，这造成定子側风电变换 器在设计和制造上的很多的困难以及较高的成本。特别是目前国际上
风电机组的单机功率已经达到5丽，而且在进一步发展5MW以上的功率 等级，因此对于风电变换器的设计和制造提出了更高的要求，而现有 的单发电机和单变换器的技术方案已经不能适应这种技术要求。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种采用多相 发电机和多电平变换器的兆瓦级变速风电机组。
为实现上述目的，本发明采用多相发电机和多电平变换器的兆瓦 级变速风电机组，包括多组同轴发电机和多个电力电子变换器系统， 风机的主轴与多组发电机轴相连，每一发电机定子侧连接独立的变换 器系统，并将每一变换器系统之间并联和/或串联，将发电机定子并入 电网，向电网输送电力，完成风能-机械能-电能的转换。
4进一步，所述发电机为多相同步发电机。
进一步，所述变换器系统包括不控整流桥、斩波器和并网逆变器。
进一步，所迷并网逆变器为两重化PWM逆变器，用于将直流侧能 量变换成满足电网连接要求的形式传递给电网，在保持直流侧电压恒 定的同时， -使交流侧相电流4妻近于正弦，相电流与相电压同相，功率 因凝:接近于1,以减少输送到电网的谐波和无功含量。
进一步，所述变换器系统主电路，包括发电机侧滤波器、六相不 控整流器、整流输出电容器组、三重升压BOOST变换器、制动单元、 逆变侧滤波电容器、双重并网逆变器、逆变输出平衡电抗器、滤波器 和升压变压器。
进一步，所述变换器系统控制电路包括电源及复位电路、AD基准 电路、D/A输出电路、P丽输出驱动和IGBT故障检测电路和模拟量输 入调理电路。
进一步，所述电源及复位电3各通过TPS70351芯片^T出3. 3V和1. 8V 两种电压，同时可以输出复位信号。
进一步，所述AD基准电路通过2812芯片自带的AD采样基准电3各， 所述D/A输出电路采用并口 16位DA芯片AD574,所述;f莫拟量llr入调理 电路由差分放大器INA114和运放IM2137构成。
本发明的风电机组采用多相发电机和多电平变换器实现大功率变 速风电机组的技术，这种技术的主要特点是采用多组同轴发电^L来代 替单一发电机，每台分立的发电机定子側采用各自独立的电力电子变 换器或者采用多重化技术实现变换器的并联(或串联)组合。这种技 术的主要优点(1)单台发电机的功率等级相对降低，整个风机的功 率被多台发电机分担；(2)发电机可采用容易制造和低成本的鼠笼式 感应电机，设计和制造周期短；如果采用永磁同步电机，功率等级较 小，则电机的设计和制造难度也相对降低；(3)定子侧电力电子变换 器的容量降低，并且可轻易实现变换器的并联或串联多重化；(4)如 果单台发电机或变换器出现故障，则整个系统可以减功率继续运行或 者启用冗余电机或者变换器。尽管在单发电机风电系统中，电力电子 变换器也可釆用多个相同结构的变换器并联实现，但是这需要对每台 变换器进行隔离；而多相发电机组方案本身提供了多组相互独立的电
5源，不需要额外的隔离。(5)由于多机组系统中通过增加和减少单台 发电机的个数即可适应各种功率等级的风机的需求，因此对于发电机 和变换器的制造商而言，不需要提供太多功率等级，这有利于实现发 电机和变换器的最优设计。(6)这种技术能够充分适应我国大功率风 电机组要求国产化的市场期望和我国现有的技术能力，通过采用国内 成熟的较小功率机组的组合来构造大功率风电机组。
图1为本发明不控整流接BOOST加IGBT逆变全功率变换器系统原 理图2为本发明兆瓦级变速风电机组的电路图3为实施例中风电机组电路原理图4多鼠笼式感应发电机组变速风电系统原理示意图5多永磁同步发电机组变速风电系统原理示意图6变换器并联的发电机组；
图7发电机侧变换器串联的发电机组；
图8变换器系统控制系统硬件框图。
具体实施例方式
本发明以多相发电机风电变换系统的核心是通过采用多台发电机 与变换器的多重化技术实现大功率风机的变速运行和并网，是高功率 等级变速风电机组的新的技术。
实施例1:
如图4、 5、 6所示，本发明风电机组将多组发电机同轴相连，每 一台发电机的定子側连接有变换器，每一变换器在电网侧进行并联后 通过升压变压器连接到电网。其中，发电机可采用容易制造和低成本的 鼠笼式感应电机，设计和制造周期短。或者采用永》兹同步电才几，功率 等级较小，则电机的设计和制造难度也相对降低。
如图1和2所示，本发明风电机组包括风机、多相发电机和多电 平变换器，其中，变换器的主电路包括发电机侧滤波器、六相不控整 流器、整流输出电容器组、三重升压BOOST变换器、制动单元、逆变逆变器、逆变输出平衡电抗器、滤波器和升
压变压器。不控二极管整流桥后加入一个DC/DC Boost升压环节，得 到图1所示的直流侧电压稳定的P丽电压源型逆变器型拓朴结构。通 过增加这个环节，可以解决风力较小发电机输出电压低时保证直流母 线电压的稳定从而使P画逆变器保持良好的运行特性。它通过Boost 升压环节将逆变器直流母线电压提高并稳定在合适的范围，使逆变器 的调制深度范围好，提高运行效率，减小损耗。同时，Boost电路还可 以对永磁同步发电机输出侧进行功率因数校正。由于不控整流桥的非 线性特性，整流桥输入侧电流特性畸变很严重，谐波含量比较大，会 使发电机功率因数降低，发电机转矩发生振荡。可以通过功率因数校 正技术(PFC)，改变开关器件的占空比，使发电机输出电流保持正弦并 保持与输出电压同步。主电路中的直-交变换部分采用两重化P丽逆 变器，用于将直流侧能量变换成满足电网连接要求的形式传递给电网， 在保持直流侧电压恒定的同时，使交流侧相电流接近于正弦，相电流 与相电压同相，功率因数接近于l，以减少输送到电网的谐波和无功含 量。该逆变器采用两重化的目的一是实现电路的并联均流，提高功率 等级，二是减小交流输出电流中的谐波含量，满足电网对谐波的要求。
如图3所示，大功率风电变换器系统由不控整流桥、斩波器、并 网逆变器构成。整流器侧电源三相380V,逆变器侧电源三相690V，闭 合配电拒l、 2和3,闭合主断路器，三相380V电压接到不控整流桥的 输入端，三相690V电压接到并网逆变器的输出端，然后控制箱启动工 作，给三重斩波器和两重逆变器发工作脉冲；用操作器给定斩波器的 工作电流，观测三重斩波器电流、中间直流电压、交流电流等波形是 否正常。结果用操作器给定整流状态交流电流峰值为450A (半载)、 900A(满载)时，中间直流电压、交流电流的波形随着功率增加，电 流波形质量越来越好。操作器给定整流状态交流电流峰值为900A时， 总功率达到1499kW。根据信号比较得结果其中
通道1 — 1/2中间直流电压V。0 (100V/div)。
通道2 —690V侧B相电网电压(200V/div)。
通道3—并网逆变器1电感电流(500A/div)。
通道4一并网逆变器2电感电流(500A/div)。
7如图8所示，本发明发电机组的核心控制由主控制系统和P丽变 流控制系统共同实现，其中主控系统的作用是实现整机的控制，包括 风速测量、功率计算、P丽变流系统的指令给定、变速变桨控制、所有 接触器的控制等，变流控制系统的作用是根据主控板提供的给定信号， 分别向变流系统中的电机侧逆变器、制动单元和并网逆变器发出相应 控制脉冲，使发电机的能量通过整流、和逆变后送入电网，在保持中 间直流电压恒定的同时，使逆变器输出电流达到电网连接要求。
控制系统硬件DSP外围电路由以下几部分成
(1) 电源及复位电路,此功能由TPS70351芯片实现，该芯片可以输 出3. 3V和1. 8V两种电压，满足DSP供电的需要。同时可以输出复位信 号，并可以4妻手动位按4丑。
(2) AD基准电路,TMS320F2812芯片内部自带AD采样的基准电3各， 可以满足AD采集的需要，利用电压源和运放芯片产生IV和2V的信号 提供给DSP，提高AD采集的精度。由于TMS320F2812芯片只能接受0— 3V的电压信号，而信号调理板给DSP控制板的信号为双极性信号，所以 需要把信号抬高1. 5V后再送给DSP。恰好可以利用DSP输出的IV和 2V信号给一运放芯片，把双极性的模拟量输入调整到0-3V之间。
(3) D/A输出电路，采用并口 16位DA芯片AD574。
(4) P丽输出驱动和IGBT故障检测电路。
(5) 模拟量输入调理电路，由差分放大器INA114和运放INA2137 组成。
实施例2:
如图4、 5、 7所示，本发明风电机组将多组发电机同轴相连，每 一台发电机的定子侧连接有独立的变换器，每一变换器之间采用串联 以提高直流母线电压，而电网侧变换器(逆变器)只用一个，并最终 将发电机定子側并入电网向电网输送电力。发电机也可采用容易制造 和低成本的鼠笼式感应电机，设计和制造周期短。或者采用永石兹同步 电机，功率等级较小，则电机的设计和制造难度也相对降低。其它部 分与实施例1中相同。
尽管上文对本发明的具体实施方式
通过实例进行了详细的描述和说明，但应该指明的是，本领域的技术人员可以对上述实施方式进行 各种改变和修改，但这些都不脱离本发明的精神和权利要求所记载的 范围。
权利要求
1.一种采用多相发电机和多电平变换器的兆瓦级变速风电机组，包括多组同轴发电机和多个电力电子变换器系统，风机的主轴与多组发电机轴相连，其特征在于，每一发电机定子侧连接独立的变换器系统，并将每一变换器系统之间并联和/或串联并入电网，向电网输送电力，完成风能-机械能-电能的转换。
2. 如权利要求1所述的采用多相发电机和多电平变换器的兆瓦级变速风 电机组，其特征在于，所述发电机为多相发电机，如鼠笼式感应发电机或者永f兹同步发电机。
3. 如权利要求1所述的采用多相发电机和多电平变换器的兆瓦级变速风 电机组，其特征在于，所述变换器系统包括不控整流桥、斩波器和并 网逆变器。
4. 如权利要求1所述的采用多相发电机和多电平变换器的兆瓦级变速风 电机组，其特征在于，所述每一发电机向与其对应的变换器系统供电。
5. 如权利要求3所述的采用多相发电机和多电平变换器的兆瓦级变速风 电机组，其特征在于，所述并网逆变器为两重化P丽逆变器，用于将 直流側能量变换成满足电网连接要求的形式传递给电网，在保持直流 侧电压恒定的同时， -使交流侧相电流-接近于正弦，相电流与相电压同 相，功率因数接近于l，以减少输送到电网的谐波和无功含量。
6. 如权利要求1所述的采用多相发电机和多电平变换器的兆瓦级变速风 电机组，其特征在于，所述变换器系统主电路，包括发电机侧滤波器、 六相不控整流器、整流输出电容器组、三重升压BOOST变换器、制动 单元、逆变侧滤波电容器、双重并网逆变器、逆变输出平衡电抗器、 滤波器和升压变压器。
7. 如权利要求1所述的采用多相发电机和多电平变换器的兆瓦级变速风 电机组，其特征在于，所述变换器系统控制电路包括电源及复位电路、 AD基准电路、D/A输出电路、P丽输出驱动和IGBT故障检测电路和模 拟量输入调理电^^。
8. 如权利要求6所述的采用多相发电机和多电平变换器的兆瓦级变速风 电机组，其特征在于，所述电源及复位电路通过TPS70351芯片输出(3. 3V和1. 8V两种电压，同时可以输出复位信号。
9.如权利要求6所述的采用多相发电机和多电平变换器的兆瓦级变速风 电机组，其特征在于，所述AD基准电路通过2812芯片自带的AD采 样基准电路，所述D/A输出电路采用并口 16位DA芯片AD574，所述 模拟量输入调理电路由差分放大器INA114和运放INA2137构成。
全文摘要
本发明采用多相发电机和多电平变换器的兆瓦级变速风电机组，包括多组同轴发电机和多个电力电子变换器系统，风机的主轴与多组发电机轴相连，每一发电机定子侧连接独立的变换器系统，并将每一变换器系统之间并联和/或串联并入电网，向电网输送电力，完成风能-机械能-电能的转换。这种技术的主要特点是采用多组同轴发电机来代替单一发电机，每台分立的发电机定子侧采用各自独立的电力电子变换器或者采用多重化技术实现变换器的并联或串联组合来实现兆瓦级变速风电机组。
文档编号H02J3/38GK101635466SQ20091009187
公开日2010年1月27日 申请日期2009年8月28日 优先权日2009年8月28日
发明者刘文斌, 刘文涛, 吕宝春, 张晓华 申请人:新疆全新环保新技术科技有限公司