一种用于同步风力发电系统的变流器的制作方法
本发明涉及风力发电领域，具体地说，涉及一种用于同步风力发电系统的变流器。
背景技术：
随着能源的短缺，风力发电得到越来越多的重视，由于风能是一种清洁的可再生资源，并且蕴量巨大，因此由风力发电产生的电能占世界发电总量的比重日益增加，风力发电的技术改进也就成为了研究的热门，其中，变流器会对风力发电的效率产生直接影响。因此，变流器对于风力发电系统尤为重要。
然而，目前市场上的变流器基本只能满足3kv以下电网的要求，不能满足目前国内更高、更为主流的电压等级(6kv、10kv)。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种用于同步电机风力发电系统的变流器，所述变流器包括：
采集单元，其连接在三相同步发电机和供电电网上，用以采集所述三相同步发电机上的实时运行数据和所述供电电网上的网侧电压、网侧电流；
控制单元，其与所述采集单元连接，用以接收所述采集单元发送的所述三相同步发电机的实时运行数据和所述网侧电压以及所述网侧电流，并根据所述实时运行数据和所述网侧电压以及网侧电流产生至少变流器触发指令；
三电平模块单元组，其连接到所述三相同步发电机、所述控制单元、励磁绕组和多绕组变压器上，用以根据所述控制单元发送的触发指令，将所述三相同步发电机的变化的交流电进行控制和转换，经整流和逆变后以输出固定频率第一等级的交流电；
其中，与所述三相同步发电机中的每一相所连接的所述三电平模块单元组包括至少一个三电平模块单元，模块单元组每个单元都包含三相交流部分和单相交流部分，三相交流部分与变压器连接，单相交流部分经级联后与同步电机连接。单相部分经级联连接后连接到发电机的三相定子绕组上；特别指出，对于电励磁同步发电机，有一个特殊的三电平功率单元还连接到了励磁单元，其输出连接到发电机的励磁绕组上；
多绕组变压器，其与所述三电平模块单元组连接，用以将所述三电平模块单元组输出的所述第一等级的交流电转换为第二等级的交流电，并输出到所述供电电网侧。
根据本发明的一个实施例，相与相之间的所述三电平模块单元组采用如下方式进行连接：
每相第一级所述三电平模块单元的第二交流输入端相互连接。
根据本发明的一个实施例，所述三电平模块单元组包含的所述三电平模块单元之间采用如下方式进行级联连接：
前一级所述三电平模块单元的第一交流输入端连接在后一级所述三电平模块单元的第二交流输入端上。
根据本发明的一个实施例，所述三电平模块单元组与所述多绕组变压器采用如下方式进行连接：
每相所述三电平模块单元组中的每个所述三电平模块单元的交流输出端均连接在所述多绕组变压器上。
根据本发明的一个实施例，所述三电平模块单元组与所述三相同步发电机采用如下方式进行连接：
每相所述三电平模块单元组的最后一级所述三电平模块单元的第一交流输入端与所述三相同步发电机的三相交流输出端一一对应连接。
根据本发明的一个实施例，所述控制单元与中控平台进行通信连接，接收操作员的控制指令以确定是否发送触发指令。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种同步风力发电系统，所述系统包括：
三相同步发电机，其用于发电；
如以上所述的任一变流器。
根据本发明的一个实施例，所述三相同步发电机为永磁同步发电机。
根据本发明的一个实施例，所述三相同步发电机为励磁同步发电机，其中励磁单元包括：
三电平相模块，其将第一相所述三电平模块单元组中的所述第一级三电平模块单元的直流输出端输出的的第一级直流电转换为第二级交流电；
谐振电路模块，用以产生谐振把能量进行转移；
高频变压器模块，用以将所述第二级交流电转换为第三级交流电；
不控整流模块，用以将所述第三级交流电转换成第四级直流电；
输出lc模块，用以对输出电压进行滤波；以及
斩波模块，用以当直流电压过高时可以通过斩波通路释放能量。
根据本发明的一个实施例，所述控制单元发送触发指令至所述励磁单元触发所述励磁单元。
本发明的有利之处在于，本发明提供的变流器可以适用于6kv、10kv甚至更高等级的电压的需求，提高了单机的功率。并且，本发明还提供了一种励磁控制解决方案，可以根据系统的设计参数实现对励磁的控制。并且，本发明还能够通过简化电路来兼容永磁同步电机。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为采用了现有技术中的变流器拓扑结构的同步风力发电系统的结构框图；
图2为采用了根据本发明的一个实施例的用三电平模块单元组实现变流器的同步风力发电系统的结构框图；
图3显示了图2所示的变流器中的三电平模块单元组的内部连接细节的框图；
图4显示了现有技术中的一种励磁同步发电机的d、q轴等效电路图；
图5为根据本发明的一个实施例的用三电平模块单元组实现的输出6kv等级电压的同步风力发电系统的结构框图；
图6为根据本发明的一个实施例的用三电平模块单元组实现的输出10kv等级电压的同步风力发电系统的结构框图；
图7为根据本发明的一个实施例中所采用的二极管钳位三电平模块单元的电路原理图；
图8为根据本发明的一个实施例中所采用的励磁单元的电路原理图；以及
图9-10为根据本发明实施例的风力发电系统工作流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明实施例作进一步地详细说明。
说明：本文中所提及的三电平模块单元的第一交流输入端对应类似图三的a端，第二交流输入端对应类似图三的b端。
图1为采用了现有技术中的变流器拓扑结构的同步风力发电系统的结构框图。如图1所示，101为电励磁同步发电机、102为电机侧变流器、103为网侧变流器、104为双绕组变压器以及105为直流斩波电路。
其中，电机侧变流器102、网侧变流器103和两个直流侧滤波电容连接，电机侧变流器102的三相交流端与电励磁同步发电机101连接，电机侧变流器102的直流端与网侧变流器103通过公共直流母线连接，网侧变流器103的交流侧接至变压器的次变压器，变压器的原边高压与电网连接；此外还包括直流斩波电路105，直流斩波电路105并接于网侧变流器103直流母线，电机侧变流器102和网侧变流器103一般采用传统的两电平变流器。
两电平变流器包括功率二极管和可控开关的功率器件，有3相结构相同的桥臂，每相桥臂包含两只igbt(自带反并联的二极管)功率器件组成。由于目前单个igbt器件受电压、电流的限制，该种拓扑的变流器功率一般小于2mw。常规的解决办法有两种：第一通过对器件进行并联连接，增大输出电流；第二，把电机改成多绕组电机，每个变流器连接到电机的一个绕组。但是两种方法都增加系统的复杂性，并且本质上输出电压都较低，在功率一定的情况下，电压越低则电流越大，这样就增加了电缆的成本和损耗。
虽然以上变流器能够满足660v以及690v电压等级的要求。但是随着科技的飞速发展，660v以及690v的电压等级已经远远不能满足海上风力发电这种大功率场合的需要，因此，目前市面上迫切需要满足高电压等级的变流器。
图2为采用了根据本发明的一个实施例的用三电平模块单元组实现变流器的同步风力发电系统的结构框图。如图2所示，同步发电系统200包含采集单元201、控制单元202、发电机模块203、三电平模块单元组204、多绕组变压器205、供电电网206以及励磁单元207。其中，励磁单元207可以根据实际情况选择是否选用。
采集单元201连接在发电机模块203上，用以采集发电机模块203中的发电机的实时运行数据以及供电电网206上的网侧电压、网侧电流。在本发明中，采集单元201包括电流传感器。通常，电流传感器放置在发电机的交流输出端，用以检测发电机输出端上交流电流的实时运行电流数据。另外，电流传感器还可放置在供电电网网侧，用以检测供电电网的实时电流数据。
然而，本发明不限于上述的电流传感器作为采集单元进行数据的采集，事实上还可以采用电压传感器来检测发电的运行数据，通常，电压传感器可以放置在发电机的交流输出端，用以检测发电机输出端的电压数据。另外，电压传感器还可放置在供电电网网侧，用以检测供电电网的实时电压数据。另外，电压传感器还可放置在变流器的中间直流环节，用以检测变流器的电压数据。
发电系统还包含控制单元202，其与采集单元201连接，用以接收采集单元201发送的发电机模块203上的实时运行数据和网侧电压以及网侧电流，控制单元202将对采集单元201采集的数据进行分析与校正，用以对发电机以及供电电网206的实时状态进行评估。
另外，控制单元202包括但不限于与中控平台连接，接收中控平台上操作员的实时指令。控制单元202结合采集单元201发送的采集数据与中控平台上操作员发送的实时指令产生至少变流器触发指令。
发电机模块203，包括三相同步交流发电机，用以产生交流电。发电机一般包含永磁发电机和励磁发电机，励磁发电机，励磁发电机的绕组分为定子绕组和励磁绕组两个部分，定子绕组与变流器的三相交流输入端连接；励磁绕组与励磁单元207直流输出连接。如果发电机的种类为永磁发电机，那么风力发电系统则不必包含励磁单元207。永磁同步发电机由固定的定子和可旋转的永磁体转子两大部分组成。由于绕组与主磁场之间的相对切割活动，绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。
三电平模块单元组204，连接到发电机模块203和控制单元202上，用以根据控制单元202发送的触发指令，控制发电机模块203的变化的速度经过可控整流和逆变后输出固定频率的第一等级的交流电。
本发明的一个实施例中风力发电系统一共包含3个三电平模块单元组204，其中每个三电平模块单元组204都包含n个三电平模块单元，因此风力发电系统共包含3*n个三电平模块单元，每个三电平模块单元均与多绕组变压器205连接。其中，三电平模块单元组204的连接线细节以及三电平模块单元的内部细节将会在图3以及图7详细介绍，此处便不加赘述。
多绕组变压器205，与三电平模块单元组204连接，用以将三电平模块单元组204输出的第一等级的交流电转换为第二等级的交流电，并输出到供电电网206网侧。
其中，多绕组变压器应具备3*n个三相接头，用以连接n个三电平模块单元。多绕组变压器铁心上绕有一个原边绕组和几个副绕组的变压器。各个副绕组的匝数不同，则其端电压也不同，因此多绕组变压器可以向几个不同电压的用电设备供电。
如图2所示的本发明的一个实施例，由于采用了采集单元201采集同步发电机上的实时数据、网侧电压以及网侧电流并将采集到的数据及时发送至控制单元202，因此本发明能够实时了解同步发电机以及供电电网的实时状态，确保同步发电机与供电电网206正常工作，另外由于采用了三电平模块单元组204而不是单个三电平模块单元的结构，因此本发明能够满足高电压等级的需求。
图3为显示了图2所示的变流器中的三电平模块单元组的内部连接细节的框图。如图3所示，同步发电系统200包含，采集单元201，控制单元202，发电机模块203，三电平模块单元20411，三电平模块单元20421，三电平模块单元20431等多个三电平模块单元，多绕组变压器205、供电电网206以及励磁单元207。图3着重展示了三电平模块单元组204的连接细节。
由于图3是在图2基础上的细节图，图3与图2的不同之处仅在于三电平模块单元组204，因此本部分将不再对其他部分过多介绍，将着重介绍三电平模块单元组204。
每个三电平模块单元组204包括n个三电平模块单元，由于本发明的风力发电系统中包含3相三电平模块单元组204，因此本发明的风力发电系统共包含3*n个三电平模块单元，编号分别为20411-2041n、20421-2042n、20431-2043n，相与相之间的三电平模块单元组204并联连接，前一级三电平模块单元的第一交流输入端即a端连接在后一级三电平模块单元的第二交流输入端即b端上，即三电平模块单元20411的第一交流输入端连接在三电平模块单元20412的第二交流输入端，三电平模块单元20412的第一交流输入端连接在三电平模块单元20413的第二交流输入端，以此类推，直至最后一级的三电平模块单元2041n。
另外，三电平模块单元组204包含的三电平模块单元之间级联连接，每相第一级三电平模块单元的第二交流输入端相互连接，即三电平模块单元20411的第二交流输入端、三电平模块单元20421的第二交流输入端以及三电平模块单元20431的第二交流输入端连接在一起。另外最后一级的三电平模块单元2041n、2042n和2043n的第一交流输入端分别连接在同步发电机2031的a相、b相以及c相上，用以接收同步发电机产生的交流电。另外，每个三电平模块单元均与多绕组变压器205连接。
通过以上级联与并联的结合，大大扩展了变流器兼容的电压等级的范围，能够满足市面上的主流电压等级。
图4显示了现有技术中的一种励磁同步发电机的d、q轴等效电路图。
在励磁同步发电机控制中，为了能够得到类似直流电机的控制特性，在发电机转子上建立了一个坐标系，此坐标系与转子同步转动，取转子磁场方向为d轴(直轴)，垂直于转子磁场方向为q轴(交轴)。
电励磁同步电机(无阻尼绕组)忽略磁场饱和，在同步旋转dq坐标系下的数学模型可以表示为：
电压方程：
磁链方程：
转矩方程：
te＝1.5p[ladif+(ld-lq)id]iq
其中：p为微分因子
将发电机的数学模型转换到此坐标系下，可实现d轴和q轴的解耦，从而得到良好控制特性。因此，励磁同步发电机具有过载能力强、效率高、功率因数可调等优点。
图5为根据本发明的一个实施例的用三电平模块单元组实现的输出6kv等级电压的同步风力发电系统的结构框图，如图5所示，其中包括发电机侧电流传感器2011，励磁单元侧电流传感器2012，控制单元202，发电机模块203，励磁单元207，三电平模块单元20411、20421以及20431，多绕组变压器205以及供电电网206。
其中，发电机侧电流传感器2011用于采集发电机模块203上发电机的实时数据，其中，实时数据包含发电机模块203的实时电流数据，励磁单元侧电流传感器2012用于采集励磁单元207上的实时数据，其中，实时数据包含励磁单元207的实时电流数据，同步发电机侧电流传感器2011将采集到的发电机模块203上发电机的实时电流数据发送至控制单元202，控制单元202根据实时电流数据判断发电机模块203上发电机是否处于正常工作状态，另外，励磁单元侧电流传感器2012将采集到的发电机模块203上发电机的实时电流数据送至控制单元202，控制单元202根据实时电流数据判断励磁单元207是否处于正常工作状态。
发电机模块203上发电机用于输出交流电至三电平模块单元组204，若发电机模块203上发电机为永磁同步发电机，则图中虚框部分即励磁单元207可以简化。励磁单元207连接在三电平模块单元20411的第一直流输出端。用以为发电机模块203上发电机提供励磁电流。励磁单元详细介绍参见图8。
本发明的一个实施例中的风力发电系统包含3相三电平模块单元组共3个三电平模块单元，分别为三电平模块单元20411、20421以及20431，三电平模块单元20411的第二交流输入端、三电平模块单元20421的第二交流输入端以及三电平模块单元20431的第二交流输入端之间并联连接，另外，三电平模块单元20411的第一交流输入端、三电平模块单元20421的第一交流输入端以及三电平模块单元20431的第一交流输入端分别连接在同步发电机2031的a相、b相以及c相上。三电平模块单元20411的第一交流输出端、三电平模块单元20421的第一交流输出端以及三电平模块单元20431的第一交流输出端均连接在多绕组变压器205上。多绕组变压器205接收三电平模块单元组204输出的交流电并转换至电网所需的6kv电压输送至供电电网206。
本发明的一个实施例中的风力发电系统中三电平模块单元组204通过三电平模块单元之间的级联和并联，产生了高电压以满足供电电网206所需6kv等级电压的需求。
图6为根据本发明的一个实施例的用三电平模块单元组实现的输出10kv等级电压的同步风力发电系统的结构框图，如图6所示，其中包括发电机侧电流传感器2011，励磁单元侧电流传感器2012，控制单元202，发电机模块203，励磁单元207，三电平模块单元20411、20412、20421、20422、20431以及20432，多绕组变压器205以及供电电网206。
其中，图6与图5的区别仅在于三电平模块单元组，因此本部分将不再赘述其他模块。
本发明的一个实施例的风力发电系统10kv电压等级方案中包含3相三电平模块单元组204，其中每个三电平模块单元组204分别包含2个三电平模块。
其中，三电平模块单元20411的第二交流输入端、三电平模块单元20421的第二交流输入端以及三电平模块单元20431的第二交流输入端之间并联连接，三电平模块单元20411的第一交流输入端连接在三电平模块单元20412的第二交流输入端，三电平模块单元20421的第一交流输入端连接在三电平模块单元20422的第二交流输入端，三电平模块单元20431的第一交流输入端连接在三电平模块单元20432的第二交流输入端，另外，三电平模块单元20412的第一交流输入端、三电平模块单元20422的第一交流输入端以及三电平模块单元20432的第一交流输入端分别连接在同步发电机2031的a相、b相以及c相上，三电平模块单元20411的第一交流输出端、三电平模块单元20412的第一交流输出端、三电平模块单元20421的第一交流输出端、三电平模块单元20422的第一交流输出端、三电平模块单元20431的第一交流输出端以及三电平模块单元20432的第一交流输出端均连接在多绕组变压器205上。多绕组变压器205接收三电平模块单元组204输出的交流电并转换至电网所需的10kv电压输送至供电电网206。
本发明的一个实施例中的风力发电系统中三电平模块单元组204通过三电平模块单元之间的级联和并联，产生了高电压以满足供电电网206所需10kv等级电压的需求。
图7为根据本发明的一个实施例中所采用的二极管钳位三电平模块单元的电路原理图。如图7所示，其中包含5相结构相同的桥臂，每相桥臂有四只可控开关的功率器件，两只钳位二极管和四只续流二极管，四只可控开关的功率器件分别与四只续流二极管反并联连接，功率二极管串联，并与串联的两只可控开关的功率器件并联，并联形成的拓扑结构两端分别与两只功率器件串联。
图8为根据本发明的一个实施例中所采用的励磁单元的电路原理图。如图8所示，其中包含三电平相模块801、谐振模块802(lf、cf)、高频变压器模块803(htr)、不控整流模块804、输出lc模块805、斩波模块806(t5、r1)。
其中，谐振模块802(lf、cf)、高频变压器模块803(htr)、不控整流模块804结合在一起的部分根据励磁电压的设计与直流电压的参数再决定是否选用。如果励磁电压与三电平的模块直流电压差距很大，则可以选用，例如而定励磁电压100v，三电平总直流电压4500v，则选用该模块中的htr高频降压以提高动态和稳态效果。当直流电压过高时可以通过斩波通路(t5和r1)释放能量。
图9-10为根据本发明实施例的风力发电系统工作流程图。图9为选用励磁发电机时的风力发电系统工作流程图；图10为选用永磁发电机时的风力发电系统工作流程图。
如图9所示：首先进行步骤901，判断操作员是否发出启动指令。本步骤是在风力发电系统上电后立即执行，目的是为了判断风力发电系统是在上电后待机还是立即启动进行下一步骤。如果操作员没有发送启动指令，那么系统将执行步骤902，如果操作员发送了启动指令，那么系统将执行步骤903；
在步骤902中，风力发电进入待机状态。如果操作员没有发出启动指令，那么说明操作员并不需要启动风力发电系统，则风力发电系统进入待机状态等待操作员的启动指令；
在步骤903中，判断风力发电系统是否存在故障。若操作员发出启动指令，那么说明操作员需要启动风力发电系统，则风力发电系统进行故障检测用以确保风力发电系统能够正常运行；
接着，在步骤904中，返回故障指令至中控平台。若故障检测结果显示风力发电系统存在故障，则转入本步骤将故障情况上报至中控平台，等待中控平台的下一步指令。若故障检测结果显示风力发电系统不存在故障，那么系统将执行步骤905；
步骤905为控制单元发送变流器触发指令，即风力系统并不存在故障，变流器随时准备进入风力发电流程；
至此，风力发电系统的前期监测工作已经完成，风力发电系统将转入步骤906。等待操作员输入本次风力发电的参数，准备进行风力发电。
系统执行步骤907，励磁单元开始工作，由于本系统中的发电机为励磁发电机，所以在本步骤中励磁单元开始工作，用于提供励磁电流。
系统执行步骤908，采集单元采集同步发电机上的实时运行数据和供电电网上的网侧电压、网侧电流，本步骤为风力发电系统发电开始后的前期数据采集工作，用以实时监控系统的运行数据，确保系统正常工作；
接着系统执行步骤909，控制单元根据上位机的功率指令经计算发送三电平触发指令，启动三电平模块单元组，控制发电机定子电流的大小；并动态调整励磁电流的大小，用以整流同步发电机输出的交流电；接着执行步骤9010，三电平模块单元组输出交变电流；
最后执行步骤9011，多绕组变压器输出供电电网所需的电压。
如图10所示：首先进行步骤1001，判断操作员是否发出启动指令。本步骤是在风力发电系统上电后立即执行，目的是为了判断风力发电系统是在上电后待机还是立即启动进行下一步骤。如果操作员没有发送启动指令，那么系统将执行步骤1002，如果操作员发送了启动指令，那么系统将执行步骤1003；
步骤1002，风力发电进入待机状态。如果操作员没有发出启动指令，那么说明操作员并不需要启动风力发电系统，则风力发电系统进入待机状态等待操作员的启动指令；
接着，在步骤1003中，判断风力发电系统是否存在故障。若操作员发出启动指令，那么说明操作员需要启动风力发电系统，则风力发电系统进行故障检测用以确保风力发电系统能够正常运行；
在步骤1004中，返回故障指令至中控平台。若故障检测结果显示风力发电系统存在故障，则转入本步骤将故障情况上报至中控平台，等待中控平台的下一步指令。若故障检测结果显示风力发电系统不存在故障，那么系统将执行步骤1005；
步骤1005为控制单元发送变流器触发指令，即风力系统并不存在故障，变流器随时准备进入风力发电流程；
至此，风力发电系统的前期监测工作已经完成，风力发电系统将转入步骤1006。等待操作员输入本次风力发电的参数，准备进行风力发电。
系统执行步骤1007，采集单元采集同步发电机上的实时运行数据和供电电网上的网侧电压、网侧电流，本步骤为风力发电系统发电开始后的前期数据采集工作，用以实时监控系统的运行数据，确保系统正常工作；
接着系统执行步骤1008，控制单元发送三电平触发指令，启动三电平模块单元组，用以整流同步发电机输出的交流电；接着执行步骤1009，三电平模块单元组输出交变电流；
最后执行步骤1010，多绕组变压器输出供电电网所需的电压。
应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
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