变流器和用于风力发电的电力系统的制作方法

本发明涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种变流器和用于风力发电的电力系统。

背景技术：

风电变流器是一种将风力发电设备产生的能量通过整流和逆变处理后传输给电网的设备。但是，在低电压穿越等异常工况时，风电变流器无法将风力发电设备产生的能量传输到电网中，此时为了避免无法传输到电网中的能量引起风电变流器中直流电压升高而损坏器件，风电变流器中设置制动回路，通过制动回路消耗未传输至电网的能量。

在模块化并联风电变流器技术中，风电变流器采用多个背靠背的直流(dc)/交流(ac)三相全桥功率单元经过输出电抗器并联的形式，来提高输出的电容量，制动回路通过额外的一个或多个三相全桥功率单元模块并联在dc/ac回路两端实现消耗未传输至电网的能量。

但是，模块化并联风电变流器中，采用额外的功率模块组建制动回路，在安装模块化并联风电变流器时，需要单独组建制动单元柜体以放置制动回路，增大了变流器柜体体积。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种变流器和用于风力发电的电力系统，能够通过制动电阻来消耗能量，结构简单，占用体积小，节省变流器柜体的体积。

第一方面，本发明实施例提供了一种变流器，包括dc/ac模块和与dc/ac模块并联的制动模块；

制动模块包括至少一个桥臂和至少一个串联电路；

其中，桥臂包括两个串联的绝缘栅双极型晶体管(insulatedgatebipolartransistor，igbt)，桥臂中的每个igbt反向并联有续流二极管；串联电路包括串联的制动电阻和制动电感，串联电路连接于两个igbt的中间，并与桥臂中的igbt形成回路。

根据本发明实施例的第一方面，制动模块包括一个桥臂，串联电路的一端连接于桥臂的两个igbt的中间，串联电路的另一端与dc/ac模块的负极连接。

根据本发明实施例的第一方面，制动模块包括两个以上桥臂，串联电路的两端连接于任意两个桥臂的两个igbt中间。

根据本发明实施例的第一方面，制动模块包括三个以上桥臂和与每个桥臂对应的串联电路；

其中，每个串联电路的一端连接于对应桥臂的两个igbt中间，每个串联电路的另一端相互连接。

根据本发明实施例的第一方面，桥臂包括第一igbt和第二igbt，第一igbt的发射极和第二igbt的集电极连接，第一igbt的集电极和dc/ac模块的正极连接，第一igbt的发射极和dc/ac模块的负极连接。

根据本发明实施例的第一方面，所述dc/ac模块包括整流电路和逆变电路；

所述桥臂与所述整流电路或所述逆变电路并联。

根据本发明实施例的第一方面，变流器包括两个以上dc/ac模块和与两个以上dc/ac模块中每个dc/ac模块对应的制动模块，两个以上dc/ac相互并联。

根据本发明实施例的第一方面，变流器以预设开关频率、50％的占空比的控制信号控制桥臂中igbt的导通和关断。

根据本发明实施例的第一方面，制动模块的工作时间小于1秒。

第二方面，本发明实施例提供了一种用于风力发电的电力系统，包括如第一方面所述的变流器。

本发明实施例提供了一种变流器和用于风力发电的电力系统，本发明实施例中，变流器包括直流dc/交流ac模块和与dc/ac模块并联的制动模块；制动模块包括桥臂和串联电路；其中，桥臂包括两个串联的igbt，桥臂中的每个igbt反向并联有续流二极管；串联电路包括串联的制动电阻和制动电感，串联电路与桥臂的两个igbt串联的连接处连接，并与桥臂中的igbt形成回路。本发明实施例中制动模块包括桥臂和串联电路，通过桥臂中igbt和串联电路形成回路，可以通过制动电阻来消耗能量，结构简单，占用体积小，在变流器安装时可以直接将制动模块集成到dc/ac模块中，节省变流器柜体的体积。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明一实施例中一种变流器的示意性结构图；

图2示出了根据本发明一实施例中又一种变流器的示意性结构图；

图3示出了根据本发明一实施例中另一种变流器的示意性结构图；

图4示出了根据本发明一实施例中再一种变流器的示意性结构图；

图5示出了根据本发明一实施例中制动模块与散热器固定连接的示意图。

其中，11-dc/ac模块，12-制动模块，121、121a、121b、121c、121d、121e-桥臂，122、122a、122b、122c-串联电路，21-散热器，22、23-igbt模块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

图1示出了根据本发明一实施例中一种变流器的示意性结构图。如图1所示，该变流器包括dc/ac模块11和与dc/ac模块11并联的制动模块12；制动模块包括至少一个桥臂121和至少一个串联电路122。

其中，桥臂121包括两个串联的igbt，桥臂121中的每个igbt反向并联有续流二极管；串联电路122包括串联的制动电阻和制动电感，串联电路122连接于桥臂121的两个igbt的中间，并与桥臂121中的igbt形成回路。

如图1所示变流器，发电设备转换的能量从a侧输入，经过dc/ac模块11后，从b侧输出进入电网，制动模块12与dc/ac模块11并联。制动模块12包括桥臂121和串联电路122。桥臂121包括两个串联的igbt(vt1和vt2)，并且每个igbt反向并联一个续流二极管(d1和d2)，桥臂121与dc/ac模块11并联。串联电路122包括串联的制动电阻r1和制动电感l1，串联电路122与桥臂121中vt1和vt2的中间连接，并与桥臂121中的igbt形成回路。

具体的，桥臂121中vt1和vt2的中间可以为vt1和vt2串联的连接处。

本发明实施例中，变流器包括dc/ac模块11和与dc/ac模块11并联的制动模块12；制动模块12包括桥臂121和串联电路122；其中，桥臂121包括两个串联的igbt，桥臂121中的每个igbt反向并联有续流二极管；串联电路122包括串联的制动电阻和制动电感，串联电路122连接于桥臂121的两个igbt的中间，并与桥臂121中的igbt形成回路。本发明实施例中制动模块12包括桥臂121和串联电路122，通过桥臂121中igbt和串联电路122形成回路，可以通过制动电阻和制动电感来消耗变流器中无法传输到电网的能量，结构简单，占用体积小，在变流器安装时可以直接将制动模块12集成到dc/ac模块11中，节省变流器柜体的体积。

需要说明的是，在本发明实施例中，制动模块12中各桥臂121包括的igbt的基极均与变流器的控制模块连接，控制模块可以输出控制信号至各igbt的基极，从而实现对各igbt的导通和关断进行控制。控制模块在输出控制信号时，通常使每个桥臂121包括的两个igbt中只有一个处于导通状态，例如，如图1所示，当vt1导通时vt2处于关断状态，当vt2导通时vt1处于关断状态。在控制模块控制桥臂121中两个igbt交替导通的过程中，串联电路122两端的电压也会随之发生变化，进而经过串联电路122的电流也会变化。

具体的，本发明实施例以图1所示制动模块12的结构进行说明。如图1所示，串联电路122的一端与桥臂121的中vt1和vt2串联的连接处连接，串联电路122的另一端与dc/ac模块11的负极连接，假设在vt1导通、vt2关断时，串联电路122两端的电压为udc，则在vt2导通、vt1关断时，串联电路122两端的电压为-udc，此时，根据欧姆定律可以计算出制动电感l1两端的电压ul如公式1所示，进一步的根据流过电感的电流和电感两端电压之间的关系可以计算出制动电流的峰值ip为公式2所示。

在公式1和公式2中，f表示vt1导通的频率，r表示制动电阻r1的阻值，l表示制动电感l1的阻抗。

在现有技术中，为了限制通过制动电阻的电流，根据欧姆定律需要选择阻值较大的制动电阻，同时制动电阻需要消耗掉异常状态发电设备产生的能量，这使得制动功率电阻的设计困难，同时制动电阻的体积较大价格较高；另外，制动电阻在工作中会持续发热，制动电阻的温度会随着发热快速上升，而电阻阻值会随着温度的提升而增大，造成实际制动电流在制动过程中持续减小，制动功率不足从而使得变流器中直流母线电压快速提高，给变流器带来安全风险。

而由上述公式1和公式2可知，通过提高制动电感的感抗以及提高制动开关频率(桥臂121中igbt的导通频率)，均可实现限制通过制动电阻的电流的目的，此时则可以降低制动电阻的阻值。当制动电阻的阻值远低于制动电感的阻抗时，制动电阻的阻值随温度的提高上升的变换对制动模块总的制动阻抗变化的影响非常小，制动电流也基本不发生变化，所以此时制动电阻阻值的变化很难使得变流器中直流母线电压快速提高，进而降低了变流器的安全风险。

综上所示，在本发明实施例中，通过设置使制动电阻阻值远低于制动电感阻抗时，能够降低了变流器的安全风险。

本发明实施例中，制动电阻的材料包括铁或镍铬合金。由于铁或镍铬合金材料的散热性良好，所以用其作为制动电阻的材料可以降低制动电阻的体积和成本。

作为本发明实施例的一种可选的实施方式，变流器可以以预设开关频率、50％的占空比的控制信号控制桥臂121中igbt的导通和关断。

其中，变流器在控制桥臂121中igbt导通和关断时，可以通过输出预设开关频率、50％的占空比的控制信号来实现。预设开关频率，即为公式1和公式2中f，其值可以根据实际应用场景进行设置，50％的占空比表示控制信号在一个周期内高电平的宽度比，或在一个周期内高电平所占的比例。

需要说明的是，变流器在控制同一桥臂121中的两个igbt导通时，需要使两个igbt交替导通，以便于制动模块能够正常工作。

作为本发明实施例的一种可选的实施方式，本发明实施例中，制动模块12的工作时间可以小于1秒。

其中，本发明实施例中，可以控制桥臂121中的igbt进行高频脉冲宽度调制(pulsewidthmodulation，pwm)工作，所以制动模块12的工作时间会比较短，可以小于1秒，一般不超过0.625秒。

作为本发明实施例的一种可选的实施方式，制动模块12包括一个桥臂121，串联电路122的一端连接于桥臂121的vt1和vt2中间，串联电路122的另一端与dc/ac模块11的负极或dc/ac模块11的正极连接。

其中，本发明实施例中，当制动模块12包括一个桥臂121时，桥臂121和串联电路122的连接方式为串联电路122的一端连接于桥臂121中vt1和vt2的中间，串联电路122的另一端连接dc/ac模块11的负极或dc/ac模块11的正极，如此串联电路122在桥臂121中两个igbt交替导通时可以形成回路。

具体的，如图1所示，制动模块12包括一个桥臂121和一个串联电路122，桥臂121包括串联的vti和vt2，串联电路122包括串联的制动电感l1和制动电阻r1，串联电路122的一端与桥臂121中vt1和vt2串联的连接处连接，串联电路122的另一端与dc/ac模块11的负极连接。当vti导通时，vt2关断，串联电路122和vti形成回路；当vt2导通时，vt1关断，串联电路122和vt2形成回路。

图2示出了根据本发明一实施例中又一种变流器的示意性结构图。作为本发明实施例的又一种可选实施方式，制动模块12可以包括两个以上桥臂121，串联电路122的两端连接于任意两个桥臂121的两个igbt中间。

其中，制动模块12包括两个以上桥臂121时，每个桥臂121均包括串联的两个igbt，并在每个igbt反向并联一个续流二极管，制动模块12包括的各桥臂121相互并联，并同时并联至dc/ac模块11。串联电路122的两端均与不同桥臂121的两个igbt的中间连接，并且在各桥臂121中两个任意桥臂121的两个igbt中间均连接串联电路122。

具体的，本发明实施例以图2中所示制动模块12包括两个桥臂121的结构为例进行说明。如图2所示，制动模块12包括两个桥臂121(121a和121b)，桥臂121a包括串联的igbtvt3和igbtvt4，桥臂121b包括串联的igbtvt5和igbtvt6，igbtvt3反向并联续流二极管d3，igbtvt4反向并联续流二极管d4，igbtvt5反向并联续流二极管d5，igbtvt6反向并联续流二极管d6。串联电路122包括串联的制动电感l2和制动电阻r2，串联电路122的一端连接桥臂121a中vt3和vt4串联的连接处，串联电路122的另一端连接桥臂121b的中vt5和vt6串联的连接处，即在桥臂121a的两个igbt串联的连接处和桥臂121b的两个igbt串联的连接处之间连接串联电路122。

图3示出了根据本发明一实施例中另一种变流器的示意性结构图。作为本发明实施例一个可选的实施方式，制动模块12包括三个以上桥臂121和与每个桥臂121对应的串联电路122；每个串联电路122的一端连接于对应桥臂121的两个igbt中间，每个串联电路122的另一端相互连接。

其中，本发明实施例中，制动模块12包括三个以上桥臂121时，每个桥臂121均包括串联的两个igbt，并在每个igbt反向并联一个续流二极管，制动模块12包括的各桥臂121相互并联，并同时并联至dc/ac模块11。制动模块12还包括对应每个桥臂121的串联电路122，串联电路122包括串联的制动电感和制动电阻，各串联电路122的一端连接与与其对应的桥臂121的两个igbt中间，各串联电路122的另一端相互连接。

具体的，本发明实施例以图3中所示制动模块12包括两个桥臂121的结构为例进行说明。如图3所示，制动模块12包括三个桥臂(121c、121d和121e)，桥臂121c包括串联的igbtvt7和igbtvt8，桥臂121d包括串联的igbtvt9和igbtvt10，桥臂121e包括串联的igbtvt11和igbtvt12，续流二极管d7、d8、d9、d10、d11和d12分别反向并联在igbtvt7、igbtvt8、igbtvt9、igbtvt10、igbtvt11和igbtvt12两端。与图3中每个桥臂(121c、121d和121e)对应的串联电路122包括串联电路122a、串联电路122b和串联电路122e，其中，桥臂121c与串联电路122a对应，桥臂121d与串联电路122b对应，桥臂121e与串联电路122c对应。串联电路122a包括串联的制动电容l3和制动电阻r3，串联电路122b包括串联的制动电容l4和制动电阻r4，串联电路122c包括串联的制动电容l5和制动电阻r5。串联电路122a的一端与桥臂121c中vt7和vt8串联的连接处连接，串联电路122b的一端与桥臂121d中vt9和vt10串联的连接处连接，串联电路122c的一端与桥臂121e中vt11和vt12串联的连接处连接，串联电路122a、串联电路122b和串联电路122c的另一端相互连接。

作为本发明实施例一个可选的实施方式，桥臂121中串联的两个igbt包括第一igbt和第二igbt，第一igbt的发射极和第二igbt的集电极连接，第一igbt的集电极和dc/ac模块的正极连接，第一igbt的发射极和dc/ac模块的负极连接。

其中，桥臂121中两个igbt包括第一igbt和第二igbt，第一igbt和第二igbt串联方式为：第一igbt的发射极和第二igbt的集电极连接，第一igbt和第二igbt与dc/ac模块11并联的方式为：第一igbt的集电极和dc/ac模块11的正极连接，第一igbt的发射极和dc/ac模块11的负极连接。

例如，如图1所示，桥臂121中，igbtvt1为第一igbt、igbtvt2为第二igbt，igbtvt1的发射极和igbtvt2的集电极连接，igbtvt1的集电极和dc/ac模块11的正极连接，igbtvt2的发射极和dc/ac模块11的负极连接。

作为本发明实施例一个可选的实施方式，dc/ac模块11包括整流电路和逆变电路；桥臂121与整流电路或逆变电路并联。

其中，dc/ac模块11包括整流电路和逆变电路，桥臂121在与dc/ac模块11并联时，既可以与整流电路并联，也可以与逆变电路并联。例如，如图1、图2和图3中所示，为制动模块12并联在逆变电路两端的结构。

图4示出了根据本发明一实施例中再一种变流器的示意性结构图。作为本发明实施例一个可选的实施方式，变流器包括两个以上dc/ac模块11和与两个以上dc/ac模块11中每个dc/ac模块11对应的制动模块12，两个以上dc/ac模块11相互并联。

其中，变流器包括两个以上相互并联的dc/ac模块11，每个dc/ac模块11均对应一个制动模块12，每个dc/ac模块11和与其对应的制动模块12并联。

具体的，本发明实施例以图4所示变流器结构为例进行说明。如图4所示，变流器包括两个相互并联的dc/ac模块11，每个dc/ac模块11均对应一个制动模块12，制动模块12与对应的dc/ac模块11并联。

需要说明的是，模块化并联变流器在应用时将各功率模块与散热器通过导热性材料固定连接在一起。本发明实施例中，制动模块12结构简单，可以直接与dc/ac模块11中整流电路和逆变电路一同与散热器21固定连接。例如，对图4所示的变流器结构，制动模块12并联在逆变电路两端，逆变电路和制动模块12构成三相四桥臂功率模块，制动模块12与逆变电路一同作为功率模块与散热器21固定连接。图5为制动模块12与散热器21固定连接的示意图，如图5所示，散热器21固定了四个igbt模块，其中，igbt模块22为逆变电路中的每个igbt桥臂121，igbt模块23为制动模块12中桥臂121。本发明实施例，在原有的逆变电路固定的散热器21上，额外增加了一个igbt模块23作为制动模块12，igbt模块23上部为直流输入端子，与igbt模块23直流端子并联，igbt模块23下部的输出铜排连接至制动电阻和制动电感，制动电阻和制动电感的另外一端连接到负极上，而igbt模块22的输出铜排为三相交流的输出。

在模块化并联变流器正常工作时，igbt模块23中igbt不工作，散热器21仅需与冷却介质交换igbt模块22的三相逆变igbt产生的热量。在需要制动模块12工作时，igbt模块23的igbt进行高频pwm，由于制动模块12的工作时间比较短，产生的瞬间发热量由散热器21的热容吸收，不影响三相逆变桥的正常工作，大大提高了散热器的利用率。

作为本发明实施例的又一种可选的实施方式，本发明实施例中所述的变流器可以包括风电变流器。

本发明又一实施例还提供了一种用于风力发电的电力系统，包括如上述实施例中所述的变流器。

其中，电力系统通常需要变流器将其他能量转换的电能传输到电网中，例如，在风力发电设备将风能转换为电能后，通过变流器将转换的电能传输至电网中，此时电力系统中的变流器可以包括上述实施例中描述的变流器的结构。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。