专利名称：直驱风力发电系统并网变流器的制作方法
技术领域：
本发明涉及能源技术领域，具体涉及到直驱型风力发电机组的并网变流器技术。
背景技术：
随着可再生能源的不断发展，风力发电机组的发电量正在不断增加，对风力发电机组可 靠性和效率要求也在不断提高，齿轮箱的存在限制了双馈型风力发电机组的发展。直驱风力 发电系统就是在这种情况下出现的。应用于直驱型风力发电系统的同步发电机采取特殊的设 计方案，其较多的极对数使得在转子转速较低时，发电机仍然可以高效工作；在直驱风力发 电系统当中使风轮机与同步发电机转子直接耦合，省去齿轮箱，提高了效率，减少了发电机 的维护工作，并且降低了噪音。另外，直驱型风力发电系统常采用永磁同步发电机，这种方 案不需要电励磁装置，具有重量轻、效率高、可靠性好的优点。同时，随着电力电子技术和 永磁材料的发展，在直驱永磁风力发电系统中，占成本比例相对较高的开关器件(IGBT等) 和永磁体，在其性能不断提高的同时，成本也正在不断下降，使得直驱永磁风力发电系统从 众多变速恒频风力发电系统中脱颖而出，具有很好的发展前景。
在直驱型风力发电系统的各种变流器方案中，目前研究广泛的背靠背式变流器结构控制 比较复杂，而且成本高，阻碍了直驱型风力发电机组的推广速度；而由简单的不控整流电路 和PWM逆变电路构成的变流器结构具有一定的实用性，但是这种结构无法对风力发电机进 行有效的控制，限制了其可利用的风速范围，而且风电机组所需的最大功率跟踪控制和并网 电流控制等多个控制目标难于兼顾；在这种情况下，在变流器的直流环节引入DC-DC结构的 Boost升压电路的新方案被提出来，这种结构能够克服上述不足，但同时也引入了一定的问题: 传统的DC-DC结构的Boost电路中需要较大的储能电感，需单独配备体积庞大并且笨重的电 感装置；同时在大功率应用条件下，储能电感中流过的电流为单方向的三角波电流，电流中 不仅有直流分量，而且包含很大的高频开关成分，电感需要高频材料的铁芯，另外由于电感 电流为单方向，铁芯的剩磁会由于累计效应，而逐渐加大导致电感易于饱和，这给储能电感 的制造带来很大困难，增如了制造成本；同时储能电感不仅笨重、体积大，而且带来了严重 的发热问题，目前该电感多使用进口产品，价格昂贵。
本发明设计了一种基于交流侧储能的Boost电路的并网变流器，能很好的解决上述难题。 中国专利CN2909689Y公开了一种"高效率三相功率因数校正双极性输出电路"，中国专利 CN101060252A公开了一种"不间断电源供应装置"，上述发明中的电路结构都是用于电压和 频率都稳定的三相电网，都需要单独配置三相交流电感装置，并且都不适于风力发电特殊的 应用场合，即输入侧的电源幅值和频率都随机变化的大功率应用场合。
4本发明设计的基于交流侧储能的Boost电路的并网变流器，可应用于风力发电场合，其 输入侧的电源是交流发电机，电源的幅值和频率都随机变化。另外，通过对发电机的定子绕 组进行合理的设计，可利用发电机定子绕组的等效电感is作为Boost电路所需的储能元件， 因而无需额外的、笨重又庞大的电感装置。
本发明充分利用了直驱风力发电机组的特点，通过与相应设计的直驱永磁电机相配合， 很好的解决了储能电感体积庞大，易于饱和和损耗严重等问题。由于电感中主要电流基本上 是正弦的，电感制造成本和技术要求都将显著降低，大部分情况下(参数合理配置)可以利 用发电机定子自身电感省去外加的交流储能电感，将极大的降低风力发电系统的综合造价。 同时针对兆瓦级大容量风力发电机组的应用需求，在逆变侧采用H桥级联的多电平结构，不 仅提高了变流器装置的容量，而且降低了并网电流的谐波含量，能很好满足兆瓦级风电机组 的应用需求，为大容量直驱型风力发电机组的广泛应用铺平了道路。
发明内容
本发明的目的是为直驱型风力发电机组提供一种经济实用、高可靠性、结构紧凑、易 于模块化的并网变流器装置。本发明提出一种基于交流侧储能的Boost升压电路的基本变流
器单元，然后以此为基础，通过基本变流器单元的不同组合和控制方式，设计了二极管整流
模式和PWM整流模式两种类型的变流器装置，并分别给出了应用于中小功率和兆瓦级大功
率两种不同容量等级的风力发电机组的变流器拓扑，同时提出了适合本发明所述变流器装置 的功率协调控制方法。本发明的技术方案可以满足多种不同的应用需求，而且不同的应用方 案在拓扑结构上具有很好的一致性，因而本发明可以为直驱型风力发电机组提供通用的并网 变流器装置的解决方案。
本发明的技术方案是 一种变流器单元，将交流发电机发出的幅值和频率都随机变化的 交流电能并入工频交流电网，该变流器单元包括依次连接的交流侧储能电感、整流电路、交 流侧储能的升压电路、直流储能电容、逆变电路和并网的滤波连接电路，其中交流侧储能电 感由发电机定子绕组的等效电感来充当，直流母线上可根据需要并联用于调节功率平衡的卸 载电路。
所述的由交流侧储能的升压电路电路和PWM逆变电路构成的基本变流器单元如附图1 所示，它由交流侧储能电感、二极管整流桥、交流侧储能的Boost电路、直流母线卸载电路、 H桥结构的逆变电路和滤波连接电路(L型或LCL型)组成。 一个基本变流器单元的输入端 接发电机的一相交流输出，其输出端接电网(或经变压器连接电网)。所述的滤波连接电路包 含L型和LCL型两种L型滤波电路每一相只由一个滤波电抗器组成，三相L型滤波电路由 三相并网电抗器构成；LCL滤波连接电路的每一相由输入电感Ll，交流电容C和输出电感 L2组成，三者构成T型连接，由L1输入，L2输出，交流电容一端连接在L1和L2之间，另一端接地；三相LCL型滤波电路的由三个单相LCL电路构成，并且其中三个交流电容的 接地端连接在一起。
由所述的基于交流侧储能的升压电路的基本变流器单元组成的直驱型永磁同步风力发电 机组的示例如附图2中所示风力机直接驱动三相永磁同步发电机，发电机的输出端接三相 交流储能电感然后连接至三相二极管整流电路，Boost电路连接整流电路的输出和三相PWM 逆变电路的直流侧，逆变电路的交流侧经LCL滤波电路并网。
所述的交流侧储能的升压电路与通常的DC-DC结构的Boost升压斩波电路的不同之处在 于将Boost电路和二极管整流电路结合在一起，构成升压单元；作为升压单元储能元件的 储能电感被设计在所述的整流电路的交流输入侧，交流侧储能的升压电路位于所述整流电路 的直流输出侧，由功率开关器件(IGBT或IGCT等)和隔离二极管构成，直流侧只有开关管， 没有储能元件；而在传统的DC-DC结构的Boost电路中储能电感位于直流侧，并功率开关器 件(IGBT或IGCT等)直接相连。
本发明中将升压电路所需的储能电感设计在交流侧，所述的交流侧储能的升压电路，其 输入端与发电机的输出端直接相连；在直驱型风力发电机组中，同步发电机(以三相永磁电 机为例)的电路模型如附图3所示，根据输出特性可以将其等效为由理想电压源、串联小电 阻/"和定子绕组等效电感L三部分组成。因此本发明充分利用应用条件的特点，通过对发电 机的定子绕组进行合理的设计，利用发电机定子绕组的等效电感i:s作为升压电路所需的储能 元件，因而无需额外的电感装置。
所述的交流侧储能的升压电路的完整拓扑即为将Boost电路和整流电路结合在一起构 成升压单元，由经合理设计的同歩发电机定子绕组的等效电感丄s作为升压电路所需的交流侧 储能电感，交流侧储能的Boost电路位于整流电路的直流输出侧，仅由功率开关器件(IGBT 或IGCT等)和快恢复的二极管构成，不含储能元件。永磁同步发电机的输出直接连接到二 极管整流电路，Boost电路的功率开关器件(IGBT或IGCT等)并联在二极管整流电路的正、 负输出端之间，隔离二极管的阳极连接到二极管整流龟路的正输出端，其阴极连接到直流母 线电容的正极，二极管整流电路的负输出端连接到直流母线电容的负极a
本发明的这种设计的优点在于传统的DC-DC结构的Boost电路一般工作在电流连续的 模式下，储能电感中的电流由直流分量和高频开关成分组成，这种高频电感不仅磁路容易饱 和、制作要求极高，而且会产生较大损耗，带来散热问题。如果电感在交流侧，电感中电流 没有直流分量，而是由低频交流电流和高频开关纹波组成，磁路饱和和发热的问题可以大大 改善。而且，可以由按要求设计的永磁同步发电机的定子绕组等效电感h作为储能电感，因 此可以省去笨重而又庞大的Boost电感，大大的节省体积和重量，降低系统的成本，同时减 少了电感上产生的额外损耗。本发明提出一种由变流器单元组成的风力发电机组的并网变流器装置，可采取多组升压 单元并联的多重化拓展结构，逆变电路可采取开关器件并联和H桥级联的拓展结构；整流电 路包括二极管整流模式或PWM整流模式；变流器单元的拓扑结构包括中小功率容量等级或 兆瓦级大功率容量等级。
本发明所设计的二极管整流模式的直驱型风力发电机组的变流器拓扑如附图4和附图7 中所示。其中附图4所示为二极管整流模式的中小功率直驱风力发电机组变流器的基本结构， 它是由基本的变流器单元组合简化而成，其具体结构包括与风力机同轴相连的永磁同步发 电机(三相或多相)，直接连接发电机输出端的二极管整流电路，Boost电路，直流储能电容， 3桥臂的PWM逆变器和并网滤波连接电路(L型或LCL型)。其中Boost电路由功率开关器 件(IGBT或IGCT等)和隔离二极管(要求快恢复二极管)组成，功率开关器件的集电极和 隔离二极管隔离二极管的阳极并联接到二极管整流电路输出端的正极，开关器件的发射极接 到二极管整流电路的负极，隔离二极管的阴极连接直流储能电容的正极，直流储能电容的负 极和二极管整流电路输出端的负极相连；PWM整流电路的直流侧和直流储能电容并联，其交 流侧与三相滤波连接电路(L型或LCL型)的输入侧相连，三相滤波连接电路的输出端连接 到三相低压配电网(必要时经过变压器连接到电网)。
根据风力发电机的额定参数和所选电力电子器件的容量，附图4所示变流器结构可以进 行两方面的拓展在整流侧，可以采用两个或两个以上的交流侧储能的升压单元(包含整流 桥和不含储能元件的Boost电路)并联到同一直流母线上的多重化结构，如附图5所示为两 个升压单元的并联结构；在逆变侧，可以采用开关器件并联的方式以提高装置容量，如附图 6中所示，逆变电路的每一相输出由两个桥臂并联而成，同一相的两个桥臂的输出端(即桥 臂的中点)分别连接一个电抗器后并联在一起，然后再经过滤波连接电路连接到电网。
附图7所示为二极管整流模式的兆瓦级大功率直驱风力发电机组变流器，其具体技术方 案为直驱型永磁同步发电机设计为多相电机(附图7中为9相)，根据发电机额定参数和开 关器件容量，将发电机的多相输出分成N组(附图7中为3组)，每一组连接至一个变流器 单元，各变流器单元为并联结构，在输出端通过H桥级联的方式连接在一起，然后通过滤波 连接电路(L型或LCL型)连接至电网。其中每个变流器单元和前述二极管整流模式的中小 功率变流器具有基本一致的拓扑结构，也是由二极管整流电路，Boost电路，直流储能电容和 PWM逆变电路组成，'略微变化的是PWM逆变电路改为6桥臂结构，形成3组H桥以便于 级联。两个以上的变流器单元通过H桥级联的方式连接在一起每个变流器单元都有A、 B、 C三个H桥，将不同变流器单元中编号相同的H桥分别首尾串联，再将所得的三组H桥按照 Y接法连接在一起形成三相输出结构。级联后的H桥输出端连接到三相滤波连接电路(L型 或LCL型)的输入侧，滤波电路的输出侧接入中压电网(或通过适当的变压器连接至电网)。 在所述的二极管整流模式的兆瓦级变流器中，根据同步发电机实际相数、容量和器件选型的 需要，在整流侧和逆变侧可以分别采用附图5和附图6所示的拓展结构以匹配变流器和发电
7机的额定容量。
本发明所设计的PWM整流模式的直驱型风力发电机组的变流器拓扑如附图8和附图9 中所示。所述的输入侧的PWM整流功能是通过二极管整流桥和Boost电路来实现的，其原 理为永磁同步发电机的每一相都单独与一个二极管全桥整流电路和交流侧储能的Boost电 路相连，通过对Boost电路进行控制，使得发电机每一相的输出电压矢量均完全可控，利用 发电机的等效电路参数实现对发电机每一相的输出电流的闭环控制，使每一相输出电流的幅 值和相位均独立可控，从而达到对发电机转矩进行精确控制和调节输出功率因数的目的。
所述的PWM整流模式的中小功率直驱风力发电机组变流器，也是由基本的变流器单元 演化组合而成，与前述二极管整流模式的中小容量变流器相比，两者在逆变电路部分完全一 样，只是在整流电路部分不同。PWM整流模式的中小功率变流器的设计方案如附图8所示 在整流侧，发电机的每一相输出经过二极管全桥整流电路连接到一个独立的Boost电路的输 入端，所有的Boost电路的输出端公共直流母线，即都并联到同一个直流母线的储能电容上； 在逆变侧，直流母线储能电容与PWM逆变器的直流侧并联，逆变器的交流侧与三相滤波连 接电路(L型或LCL型)的输入侧相连，三相滤波连接电路的输出侧连接到三相低压配电网 (必要时经过变压器连接到电网)。在所述的PWM整流模式的中小功率变流器中，整流侧采 用了附图5所示的Boost电路多重化结构，并联到直流母线上的独立Boost电路的个数由发 电机的相数和容量决定；在逆变侧也可以采用如附图6所示开关器件并联的结构以提高装置 容量。
附图9所示为PWM整流模式的兆瓦级大功率直驱风力发电机组变流器，其具体技术方 案为直驱型永磁同步发电机设计为多相电机(附图9中为9相)，根据发电机的额定容量和 相数，将发电机的多相输出分成N组(附图9中为3组，每组包含3相)，每组连接至一个 变流器单元，各变流器单元为并联结构，在输出端通过H桥级联的方式连接在一起，然后通 过三相滤波连接电路(L型或LCL型)连接至电网。其中每个变流器单元和前述PWM整流 模式的中小功率变流器具有基本一致的拓扑结构整流侧完全一样，发电机的每一相输出经 过二极管全桥整流电路连接到一个独立的Boost电路的输入端，所有的Boost电路的输出端 公共直流母线，即都并联到同一个直流母线的储能电容上；在逆变侧，PWM逆变器改为6 桥臂结构，形成3组H桥以便于级联。两个以上的变流器单元通过H桥级联的方式连接在一 起每个变流器单元都有A、 B、 C三个H桥，将不同变流器单元中编号相同的H桥分别首 尾串联，再将所得的三组H桥按照Y接法连接在一起形成三相输出结构。级联后的H桥输 出端连接到三相滤波连接电路(L型或LCL型)的输入侧，滤波电路的输出侧接入中压电网 (或通过适当的变压器连接至电网)。
本发明所述的直驱型风力发电机组的变流器装置包含升压单元和逆变单元两部分，升压 单元包括整流电路和交流侧储能的Boost电路，逆变电路为H桥并联或级联的结构；本发明还提出一种风力发电机组的并网变流器装置的功率协调控制方法，保证变流器中的升压单元 和逆变电路协调运行；所述的功率协调控制方法包括电流反馈环、电压反馈环和功率反馈环 三个闭环反馈控制。
所述的升压单元和逆变单元的功率协调控制方法的原理如附图IO所示，控制系统需要实 时检测的电量有二极管整流电路输出的直流电流Ide，直流储能电容的电压Udc，三相电网 电压的瞬时值Ua、 Ub、 UC，以及并入电网的三相电流的瞬时值ia、 ib、 ie。控制系统通过电流
闭环、电压闭环和功率闭环来对系统进行多目标的反馈控制。电流控制环保证逆变器向电网 输出与工频电网频率相同的正弦电流，并根据需要调节输出电流和电网电压之间的相位差，
从而灵活的控制并网变流器输出的有功功率和无功功率；电压控制环维持直流母线电压的稳 定，为Boost电路的最大功率跟踪和逆变器的正常工作提供条件；功率控制环通过査找功率
特性曲线或者通过Boost电路的控制自动追踪风力机的最大功率点或保持额定功率点，使风
电机组保持最高效的工作状态，同时保证系统输入输出功率的平衡，为直流母线电压稳定提 供条件，使得变流器能够平稳地向电网输出功率。
在所述的协调控制方法中，功率控制环首先得到风力机的最大功率指令，并采样得到直
流母线电压Ude和交流电网电压的有效值，依据输入输出功率平衡的原则，计算得到并网电 流指令值的主项，并通过变流器输出功率测量值(三相电流ia、 ib、 ic与电网电压Ua、 Ub、 Uc
计算得到)反馈实现对输入输出功率精确控制；功率控制环同时计算得到Boost电路所需的 控制信号的占空比D，从而控制二极管整流电路的输出电流Ide;电压控制环通过检测直流母 线电压Ude以及功率环给定的B00St电路占空比，得到直流母线电压Udc与给定参考值的偏差， 这个偏差经过PI调节之后，作为并网变流器输出电流指令值的修正项；并网变流器输出电流
指令值的主项和修正项相加之后，作为电流控制环的电流指令值，电流控制环将指令值和实
测的并网电流瞬时值做比较得到误差信号，误差信号经过无差拍电流控制算法后得到PWM 逆变器的控制信号，其计算公式如下
"Z)C "DC
其中厶4、 △&、 A/c分别为三相输出电流指令值和实际值的偏差，A^、 AJr、厶4分
别表示三个桥臂控制信号的占空比，Ar为一个控制周期的时间，丄为滤波连接电路的电感值。
在所述的功率控制环中，获得风力机的最大功率指令的方法有两种 一种方法是在风速 和风力机转速可测，并且风力机的实际功率特性曲线已知的情况下，通过风速的测量值查功
9率特性曲线得到风力机的最大功率和对应的转速，由于永磁电机的转速和其输出电压基本成 线性关系，因此可以通过转速信号得到输出电压的给定值，然后与直流母线电压做比较得到 Boost电路的占空比给定值D;另一种方法是在风速、风力机转速和功率特性曲线未知的情况
下，通过二极管整流电路的输出电流Ide, BOOSt电路的占空比D和直流母线电压Ude可以估
算出风力机实际输出的功率，然后通过导纳增量法、变歩长的爬山搜索法等最大功率跟踪算
法，调节Boost电路的占空比D，使风力机的转速发生变化，并自动追踪到实际的最大功率
点，得到最大功率的指令值。当在额定功率输出状态时(即实际风速高于额定风速且小于切
出风速时)，功率控制环不再需要靠査功率特性曲线或调节Boost电路来追踪风力机的最大功 率点，而是直接得到额定功率指令，计算出电流环的参考值和Boost电路的占空比D。
所述的协调控制方法，可以保证本发明所述的变流器的输入输出功率瞬时平衡，直流母 线电压稳定，并网电流波形正弦，相位可调，使得整个装置协调稳定运行。
本发明所述的直驱型风力发电机组并网变流器装置的储能环节少，在每个变流器单元中 只有储能电容和功率模块，没有额外的电感元件，节省了成本和体积，结构非常紧凑，容易 实现模块化；对于大容量的变流器，I-I桥级联结构构成了多电平PWM逆变器，不仅能提高 输出电压和整个装置的容量，而且在相同的开关频率下可以得到更好的并网电流波形，使得 并网电流的谐波含量和系统的损耗都大大减少，非常适合于大容量的风电机组的并网要求。
图1由交流侧储能的Boost电路和PWM逆变电路构成的基本变流器单元 ,图2基于基本变流器单元的直驱型风力发电机系统结构示意图 图3直驱永磁同歩发电机等效电路图
图4 二极管整流模式的中小功率直驱风力发电机组变流器结构图 图5整流侧公共直流母线的多重Boost电路的扩展结构 图6逆变侧开关器件并联的逆变电路扩展结构 图7 二极管整流模式的兆瓦级大功率直驱风力发电机组变流器结构图 图8 PWM整流模式的中小功率永磁直驱风力发屯机组变流器 图9 PWM整流模式的兆瓦级大功率永磁直驱风力发电机组变流器 图10升压单元和整流单元的协调控制方法示意图 图11 19应用实施例一到应用实施例六的举例说明
具体实施例方式
下面结合附图对本发明设计的直驱型风力发电系统变流器装置及其工作原理作详细的说明。
如附图1中所示，本发明在直驱风力发电系统的变流器装置中引入了 Boost升压斩波电
路，这样的设计可以带来极大的好处首先，由于永磁同步发电机输出电压有效值近似正比 于发电机的转速，因而经过不可控整流后，等效的直流电压值和转速也近似成比例关系，如
果没有Boost电路，二极管整流后直接接到PWM逆变器的直流母线上，PWM逆变器的工作 状态将显著受风力机转速的影响。当风速较低时，直流电压会很低，而逆变器的正常工作对 直流母线电压幅值是有一定要求的，过低的直流电压将引起电压源逆变器无法完成有效的逆 变过程，从而无法将功率馈入电网。而引入Boost电路后将二极管整流电路的输出端和直流 母线隔离开，当风力机的转速随风速变化时，发电机的输出端电压将随之发生变化，通过Boost 电路的升压调节作用，仍然可以维持直流母线电压在恒定值不变。因而风力机的转速不再受 直流母线电压范围的限制，这样可以大大拓展风力机的转速范围，也就是可利用的风速范围， 保证风力发电机组在较低风速下仍然能高效的捕获风能。其次，Boost电路引入后可以通过调 节Boost电路的占空比D来调节永磁电机的输出电压和电流，从而间接调节风力机的转速， 这为最大功率跟踪控制创造了硬件条件，最大功率跟踪不再由PWM逆变电路来完成，使得 最大功率点跟踪控制和PWM逆变电路的并网电流控制实现解耦，使系统的控制目标的分配 变得更加合理，可靠性得以提高。
实施例一20kW直驱风力发电变流器(二极管整流模式)
如附图11所示为20kW变流器构成的直驱型风力发电系统，变流器的输入侧工作在二极 管整流模式，风力机直接驱动三相永磁同步发电机，其输出端连接到三相二极管全桥整流电 路，整流电路的输出端与Boost电路的功率开关器件(IGBT或IGCT等)以及隔离二极管相 连，然后与直流母线电容并联，3桥臂的PWM逆变电路的直流侧与直流母线电容并联，逆变 器的交流侧经过LCL型滤波连接电路和变压器连接到三相电网。所述系统中永磁同步发电机 额定功率20kW，电机定子绕组的等效电感7.5mH，整流电路采用富士 1600V/100A的三相整 流模块，Boost电路和逆变电路采用三菱CLA系列1200V/100A六管的IPM模块，直流母线 电压700V，逆变部分通过270V/380V的变压器并入380V配电网。
如附图ll所示，所述的二极管整流模式的20kW直驱风电变流器中，通过功率外环的控 制使变流器的输入功率和输出功率保持平衡，PWM逆变器通过电压反馈维持直流母线电压 Uoc恒定为700V， Boost电路通过占空比D的控制，使得二极管整流电路的输出端的等效直 流电压DXUDc为450V (额定风速条件下)，虽然二极管整流电路的输出端没有并联平波电容，但是此时永磁同步发电机的定子电流和连接平波电容的情况类似，由于定子绕组等效电 感的续流作用，定子电流连续，接近正弦波形，但是其中含有较大的无功分量，同时含有一 定的低次谐波。
如果降低永磁电机定子绕组的等效电感，同时提高开关频率，可以使变流器工作在定子 电流不连续的模式时，此时定子电流为高频的三角波，而其包络线为与定子相电动势同频同 相的正弦波(即不含有无功电流)，可实现单管功率因数校正的功能，但此时定子电流中将含 有很大的高频谐波。
实施例二 30kW 500kW直驱风力发电变流器(二极管整流模式)
在实施例一的基础上，通过选用大容量的电力电子器件，在整流侧采用如附图5所示的 Boost电路的多重化结构，在逆变侧采用如附图6所示的功率器件并联结构，可以提高变流器 装置的容量，如附图12和附图13所示。附图12在整流侧采用了多重Boost电路的结构附 图13在整流侧多重Boost电路的基础上，在逆变侧采用了器件并联的方式。采用这种方案后 可以使变流器装置的容量达到500kW。
头她例二 i.3MW旦驱风刀反电父流益、一极官整流悮工VJ
附图14和附图15所示为1.5MW直驱型风力发电系统结构示意图。附图14中变流器由 四个单元组成，每个变流器单元包含一个Boost电路；1.5MW的永磁同步发电机的定子绕组 设计为12相，每3相分成一组，分别连接到四个变流器单元的输入侧。每个变流器单元包含 独立的整流电路、Boost电路、直流母线电容和H桥逆变电路，各变流器单元为并联结构， 在输出端通过H桥级联的方式连接在一起，然后通过LCL滤波连接电路和变压器连接到电网。 附图15中变流器由三个单元组成，每个变流器单元包含两个Boost电路实现多重化结构； 1.5MW的永磁同步发电机的定子绕组设计为18相，每6相分成一组，分别连接到三个变流 器单元的输入侧；三个变流器单元在输出侧同样通过H桥的形式级联在一起。
通过轮换对称的控制，保证发电机输入到各个变流器单元的功率完全相同，各变流器单 元维持相同的直流母线电压。通过H桥级联结构，三个变流器单元构成7电平结构，而四个 变流器单元构成9电平逆变器，可显著减小并网电流的谐波含量，同时提高变流器输出电压。
实施例四20kW直驱风力发电变流器(PWM整流模式)
附图16所示为PWM整流模式的中小功率变流器构成的直驱型风力发电系统，其组成结 构为风力机同轴相连到永磁同步发电机，永磁同步发电机的定子三相绕组在电机内部互不 相连，在电机的输出端，每相绕组单独连接到一个二极管全桥整流电路，然后分别连接到一 个单独的Boost电路，所有的Boost电路的输出端公共直流母线，即都连接到同一个直流母线的储能电容上；在逆变侧，直流母线储能电容与PWM逆变器的直流侧并联，逆变器的交 流侧与三相LCL滤波连接电路的输入侧相连，三相LCL滤波连接电路的输出侧经变压器连 接到电网。
如附图17所示，在所述的基于Boost电路实现PWM整流功能的变流器结构中，在变流 器输入与输出功率平衡的情况下，PWM逆变器通过电压反馈维持直流母线电压Udc恒定； 通过在发电机中设计测量绕组或者间接参数辨识的方法，可以直接测量或计算得到发电机单 相感应电动势的幅值和相位；同时通过Boost电路控制二极管整流电路输出端电压UB。。a，使 发电机输出端电压矢量t/跟随相电动势矢量^:变化(如附图17右侧向量图所示)，从而实现 对定子电流的闭环反馈控制，使得输出相电流与该相的感应电动势同频同相，以达到输出功 率因数校正和对发电机电磁转矩进行精确控制的目的。本发明的这种变流器设计方案，可以 精确控制发电机的定子电流的幅值、频率和相位以及发电机电磁转矩的大小，同时将发电机 定子电流的谐波含量限制在较小的范围内，从而能达到PWM整流的控制效果。
实施例五30kW 500kW直驱风力发电变流器(二极管整流模式)
在实施例四的基础上，通过选用大容量的电力电子器件，并在整流侧采用如附图5所示 的Boost电路的多重化结构，在逆变侧采用如附图6所示的功率器件并联结构，可以提高变 流器装置的容量，如附图18所示。采用这种方案后可以使变流器装置的容量达到500kW。
实施例六:1.5MW直驱风力发电变流器(PWM整流模式)
附图19所示为1.5MW直驱型风力发电系统结构示意图。在所述的兆瓦级变流器结构中 变流器由三个单元组成，1.5MW的永磁同步发电机的定子绕组设计为9相，每3相分成一组， 分别连接到三个变流器单元的输入侧。每个变流器单元包含独立的整流电路、Boost电路、直 流母线电容和H桥逆变电路，各变流器单元为并联结构，在输出端通过H桥级联的方式连接 在一起，然后通过LCL滤波连接电路和变压器连接到电网。这种设计方案不仅能实现PWM 整流和PWM逆变，而且可以实现高压并网和"完美无谐波"的逆变控制效果，在兆瓦级直 驱型的风电机组中具有广泛的应用前景。
1权利要求
1. 一种变流器单元，将交流发电机发出的幅值和频率都随机变化的交流电能并入工频交流电网，该变流器单元包括依次连接的交流侧储能电感、整流电路、交流侧储能的升压电路、直流储能电容、逆变电路和并网的滤波连接电路，其中交流侧储能电感由发电机定子绕组的等效电感来充当，直流母线上可根据需要并联用于调节功率平衡的卸载电路。
2. 根据权利要求1所述的变流器单元，其中，所述的交流侧储能的升压电路包括功率开关器件和隔离二极管，所述交流侧储能电感、所述整流电路和所述交流侧储能的升压电路一起 构成升压单元，作为该升压单元储能元件的所述交流侧储能电感位于所述整流电路的输入 侧，所述交流侧储能的升压电路位于所述整流电路的输出侧。
3. 根据权利要求2所述的变流器单元，其中，所述逆变电路采用H桥结构，由四个全控的 功率开关器件构成H桥，H桥的直流侧和直流母线连接，交流侧通过所述滤波连接电路并 入交流电网。
4. 根据权利要求3所述的变流器单元，其中，所述的功率开关器件可以是IGBT或IGCT, 所述的隔离二极管可以是快恢复的二极管，所述的滤波连接电路可以是电感型或电感-电 容-电感型。
5. —种由权利要求2所述的变流器单元组成的风力发电机组的并网变流器装置，可采取多组 升压单元并联的多重化拓展结构，逆变电路可采取开关器件并联和H桥级联的拓展结构； 整流电路包括二极管整流模式或PWM整流模式；变流器单元的拓扑结构包括中小功率容 量等级或兆瓦级大功率容量等级。
6. 根据权利要求5所述的并网变流器装置，其中，所述的二极管整流模式的中小功率的并网 变流器装置的拓扑结构为与风力机同轴相连的直驱同步发电机的输出端连接到二极管整 流电路的交流输入侧，整流电路的输出端与所述交流侧储能的升压电路的功率开关器件耦 合，整流电路输出端的正极连接隔离二极管的阳极，隔离二极管的阴极连接直流储能电容 的正极，直流储能电容的负极与二极管整流电路的负极相连；直流母线与逆变电路的直流 侧并联，同时可根据需要并联卸载电路；所述逆变电路为三桥臂的PWM逆变电路，逆变电路的交流侧经过所述滤波连接电路并入电网或经变压器连接至电网。
7. 根据权利要求5所述的并网变流器装置，其中，所述的二极管整流模式的兆瓦级大功率的并网变流器装置的拓扑结构为发电机为多相电机，将发电机定子的多相输出分成N组，其中，N为大于l的整数，每一组连接至一个变流器单元，每个变流器单元中，发电机的各相输出连接到二极管整流电路，整流电路的输出端与所述交流侧储能的升压电路的功率 开关器件耦合，整流电路输出端的正极连接隔离二极管的阳极，隔离二极管的阴极连接直流储能电容的正极，直流储能电容的负极与二极管整流电路的负极相连；直流母线与逆变 电路的直流侧并联，同时可根据需要并联卸载电路；每个变流器单元的逆变电路由6个桥 臂组成，形成3组H桥结构，每个变流器单元在输出端通过H桥级联的方式连接在一起形成三相输出，然后通过所述滤波连接电路并入电网或通过变压器连接至电网。
8. 根据权利要求5所述的并网变流器装置，其中，所述的PWM整流模式的中小功率的并网 变流器装置的拓扑结构为直驱型同步发电机与风力机同轴相连，直驱型同步发电机的定 子各相绕组在电机内部互不相连，在电机的输出端，每相绕组单独连接到一个所述的整流 电路，其中，所述整流电路为二极管全桥整流电路，每个整流电路分别连接到一个所述的 交流侧储能的升压电路，所有的交流侧储能的升压电路的输出端连接公共直流母线，即都 连接到同一个所述直流储能电容上，同时直流母线上可根据需要并联卸载电路；所述直流 储能电容与所述逆变电路的直流侧并联，所述逆变电路为PWM逆变器，所述逆变电路的 交流侧与所述滤波连接电路的输入侧相连，所述滤波连接电路的输出端并入电网或经变压 器连接到电网。
9. 根据权利要求5所述的并网变流器装置，其中，所述的PWM整流模式的兆瓦级大功率的 并网变流器装置的拓扑结构为多相直驱型同步发电机的定子三相绕组在电机内部互不相连，发电机的多相输出分成N组，每一组包含m相，其中，N和m均为大于l的整数，每一组连接至一个单独的变流器单元；每个变流器单元中每一相绕组单独连接到一个所 述的整流电路，其中所述整流电路为二极管全桥整流电路，每个整流电路分别连接到一个 单独的所述交流侧储能的升压电路，所有的交流侧储能的升压电路的输出端连接公共直流 母线，即都连接到同一个所述直流储能电容上，直流母线可根据需要并联卸载电路；每个变流器单元的逆变电路由6个桥臂组成，形成3组H桥结构，每个变流器单元在输出端 通过H桥级联的方式连接在一起形成三相输出，然后通过所述滤波连接电路并入电网或 通过变压器连接至电网。
10. —种权利要求5所述的风力发电机组的并网变流器装置的功率协调控制方法，保证变流器 中的升压单元和逆变电路协调运行；所述的功率协调控制方法包括电流反馈环、电压反馈环和功率反馈环三个闭环反馈控制，电流反馈环采样变流器输入到电网的三相电流的瞬时值ia、 ib、 ic，以及电网三相电压的瞬时值Ua、 Ub、 Uc，通过无差拍控制得到逆变电路的 开关控制信号；电压反馈环采样直流母线电压Udc，计算电压偏差AU^Udc-Uset，其中， Uset为直流母线电压的设定值，电压偏差厶U经过Pl调节作为电流反馈环无差拍控制的指 令的电流的修正项；功率反馈环采样整流电路的直流侧输出电流ldc，通过直流母线电压 和升压电路的占空比计算变流器的输入功率P，再通过系统电压的有效值和无差拍控制的 电流和电压的相位计算得到无差拍控制的指令电流的主项最大功率点跟踪通过査表或升 压电路调节占空比D来搜索得到；通过所述的三个闭环反馈控制，可以使得变流器的输 入功率与输出功率瞬时平衡，直流母线电压维持稳定，同时并网电流波形正弦。
全文摘要
一种直驱型风力发电系统的并网变流器装置以及相应的功率协调控制方法。所述的变流器装置由基于交流侧储能的Boost电路的基本变流器单元组合而成，该结构充分利用发电机定子绕组的等效电感，省去了传统直流升压电路中的外接电感，降低了功率损耗和设备成本。设计了二极管整流模式和PWM整流模式的两种变流器方案；设计了中小功率和兆瓦级大功率两种容量等级的变流器拓扑及其相关的拓展结构，如并联和H桥级联结构变流器，其中采用H桥级联结构变流器可以适应大容量和高电压电网，并可以显著降低并网电流的谐波含量；同时设计了经三个闭环反馈的控制方法，可以使得变流器的输入与输出功率瞬时平衡、直流母线电压维持稳定、并网电流波形正弦。
文档编号H02M5/00GK101465606SQ20081021120
公开日2009年6月24日 申请日期2008年9月17日 优先权日2008年9月17日
发明者刘建政, 梅红明 申请人:刘建政