专利名称：一种风电变流器主电路的制作方法
一种风电变流器主电路本发明涉及一种风力发电领域，特别涉及风力发电中的风电变流器主电路。[背景技术]随着风电机组的功率不断加大，目前的主流已经是1. 5丽的风电机组，而欧美已经是3MW的风电机组，为了提高风电的利用效率，风电机组的功率还将持续增大，而风力发电变流器是风力发电机组不可缺少的能量变换环节，由于自然界中风的大小、方向具有很大的随机性，导致风力发电机转速时快时慢，发出的电压幅值和频率也杂乱无章。风力发电变流器的主要作用就是将风力发电机的电压频率、幅值浮动不定的电能转换为频率、幅值稳定，符合电网要求的电能，本发明就是基于此而发明设计的。本发明克服了上述技术的不足，提供了一种结构紧凑，控制灵活，运行稳定的风电变流器主电路方案。为实现上述目的，本发明采用了下列技术方案一种风电变流器主电路，包括有用于与发电机连接整流输出直流电压的六相不控整流器电路1，整流输出电容器组2，用于对直流电压进行四次升压变换并使母线电压稳定的四重化升压变换电路3，用于在电网故障或风机超速时吸收发电机侧能量保护变流器器件的制动单元4，以及用于对直流母线电压进行三重交流转换输出交流电压的三重并网逆变器电路5，所述六相不控整流器电路1、整流输出电容器组2、四重化升压变换电路3、制动单元4、三重并网逆变器电路5为顺次连接。所述的六相不控整流器电路1包括有发电机输出开关11，以及用于把发电机输出的交流电压整流成直流电压的六相不控整流桥12，所述发电机输出开关11、六相不控整流桥12为顺次连接，所述六相不控整流桥12包括6个并联一起的整流二极管组121，所述每个整流二极管组121包括两个首尾相连的整流二极管。所述的四重化BOOST升压变换电路3包括四个并联在一起的BOOST升压变换电路31，所述每个BOOST升压变换电路31包括有用于滤除高频波而让直流电流和低频电流通过的滤波电抗器组311，和用于提高直流母线电压并稳定的BOOST电路模块312，所述滤波电抗器组311、BOOST电路模块312为顺次连接。所述的制动单元4包括三个并联在一起的制动单元模块41，所述每个制动单元模块41包括有用于把直流电路的多余能量消耗掉的制动电阻411、用于控制本单元模块导通与关断的制动电路模块412，所述制动电阻411、制动电路模块412为顺次连接。所述的三重并网逆变器电路5包括三个并联在一起的并网逆变器电路51，所述每个并网逆变器电路51包括有用于将直流电转换成三相交流电的逆变电路模块511，逆变输出开关512，逆变滤波电抗器组513，以及用于限制高次谐波并输出谐波含量低的三相交流电的逆变滤波电容器组514，所述逆变电路模块511、逆变输出开关512、逆变滤波电抗器组513、逆变滤波电容器组514为顺次连接。本发明的有益效果是1、通过增加直流侧电压稳定的电压源型逆变器型拓扑结构这个环节，解决了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逆变器保持良好的运行特性，它通过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，同时电路还可以对永磁同步发电机输出侧进行功率因数校正，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。2、整个系统通过增加升压电路将直流输入电压等级提高、系统控制简单、控制方法灵活、开关器件利用率高、逆变器有输入电压稳定、逆变效果好、谐波含量低、经济性好的优点在实际应用中。3、满足半直驱式、直驱式风力发电应用的需求，还可以拓展到未来4MW、5丽、6丽等更大功率风力发电机组的应用领域。
图1是本发明的结构方框图。图2是本发明的六相不控整流器电路和整流输出电容器组的连接电路图。图3是本发明的四重化升压变换电路和制动单元的连接电路图。图4是本发明的三重并网逆变器电路中的一个并网逆变器电路电路图。下面结合附图与本发明的实施方式作进一步详细的描述如图1-4所示，一种风电变流器主电路，包括有顺次连接的用于与发电机连接整流输出直流电压的六相不控整流器电路1，整流输出电容器组2，用于对直流电压进行四次升压变换并使母线电压稳定在合适范围的四重化升压变换电路3，用于在电网故障或风机超速时吸收发电机侧能量保护变流器器件及实现低电压穿越功能的制动单元4，以及用于对直流母线电压进行三重交流转换并输出满足电网连接要求的交流电压的三重并网逆变器电路5。所述六相不控整流器电路1包括顺次连接的发电机输出开关11和六相不控整流桥12，所述六相不控整流桥12包括6个并联一起的整流二极管组121，所述每个整流二极管组121包括两个首尾相连的整流二极管，所述两个首尾相连的整流二极管的连接点作为整流二极管组121的输入端，所述两个整流二极管的两个非连接点作为整流二极管组121的整流输出端，所述六相不控整流桥12输出谐波含量比较大的电流后与整流输出电容器组2连接，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，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。所述整流输出电容器组2，通过电容器组提高直流母线电压的稳定性，然后与四重化BOOST升压变换电路3连接。所述的四重化BOOST升压变换电路3包括四个并联在一起的BOOST升压变换电路31，所述每个BOOST升压变换电路31包括有顺次连接的用于滤除高频波而让直流电流和低频的电流通过的滤波电抗器组311、用于提高直流母线电压并稳定在合适范围的BOOST电路模块312，从整流输出电容器组2输出的电流通过接入滤波电感线圈，之后与BOOST电路
4模块312连接，通过DC/DCB00ST升压环节，得到直流侧电压稳定的电压源型逆变器型拓扑结构，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，从而使逆变器保持良好的运行特性。它通过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，同时电路还可以对永磁同步发电机输出侧进行功率因数校正。可以看出，整个系统通过增加四重升压变换器电路3将直流输入电压等级提高、系统控制简单、控制方法灵活、开关器件利用率高、逆变器有输入电压稳定、逆变效果好、谐波含量低、经济性好的优点在实际应用中。所述的制动单元4包括三个并联在一起的制动单元模块41，所述每个制动单元模块41包括有顺次连接的用于把直流电路的多余能量消耗掉的制动电阻411、用于控制本单元模块导通与关断的制动电路模块412，当变频器内直流母线电压持续升高，当直流电压达到制动单元4的开启电压时，制动电路模块412功率开关管开通，电流流过制动电阻411，制动电阻411释放热量，变频器直流母线电压降低；当直流母线电压降到制动单元4停止电压时，制动电路模块412功率管关断。此时没有制动电流流过电阻，制动电阻411在自然散热，降低自身温度；当直流母线的电压重新升高使制动单元4动作时，制动单元4将重复以上过程，平衡母线电压，使系统正常运行。所述的三重并网逆变器电路5包括三个并联在一起的并网逆变器电路51，所述每个并网逆变器电路51包括有顺次连接的将直流电转换成三相交流电的逆变电路模块511，逆变输出开关512，逆变滤波电抗器组513、以及用于限制高次谐波并输出谐波含量低的三相交流电的逆变滤波电容器组514，所述逆变滤波电容器组514作为三重并网逆变器电路5的输出端其与外部电路连接。本实施例中的BOOST电路模块312、制动电路模块412、逆变电路模块511都采用相似的电路结构，其都主要由两个IGBT模块串联连接后再与均压电容电阻电路连接，其中在BOOST电路模块312与制动电路模块412中，两个IGBT模块的连接点作为输入端，而在逆变电路模块511中两个IGBT模块的连接点作为输出端来用。本实施例的以下各参数设定主要运用在3MW风电变流器系统中，所述四重升压变换器电路4采用四重化BOOST技术，由于并网变压器的额定输进电压为620V，则正弦波滤
V2
波器输出电压也应该是620V，此时峰值电压为:Up = 620 y^ = 5Q6V。但需要考虑正弦波
λ/3
滤波器上的电压损失，因此在这里选Vdc = IlOOV0当发电机输出电压最高达681V时，Boost变换器中开关管的占空比最低约为
Dmm=VdC~Vd = 1100 ~ 947 =13.9%。当发电机输出电压最低达323V时，Boost变换器中Vdc1100
Vdc -Vd 1100 - 449开关管的占空比最高，约为⑴max = VQC Va == 59.2%。
Vdc1100
ν 3 χ10Α6在电机转速最高时，Boost变换器总输出电流不超过= -—= -—— = 2727J，
Vdc 1100
它由四个Boost变换器中的续流二极管所平摊，故续流二极管最大均勻电流为Ι = ψ = ^ψ- = 909Α。但是，续流二极管是在间歇状态下进行工作的，其导通率与开关管的导通率息息相关，此时开关管的导通率13.9%，续流二极管导通率为1-139%= 86. 1%,
909
每一次脉冲导通时间内的平均电流为/ = T-TT7 = 1056^。
86.1%在电机转速最低时，Boost变换器总输出电流不超过
Idc = ^-= Μ=:6 = 1421，三个续流二极管平摊后为，= ^l = 474A。此时开关管的Vdc 11003 3
导通率59. 2 %，续流二极管导通率为1-59. 2%= 40.8%,每一次脉冲导通时间内的均勻电474
流为/ =-= 1161.8乂 ο
40.8%所述四重升压变换器4采用的是四重升压斩波电路原理，四重化的目的是分流和减小电流中的谐波含量，把电压等级提高并稳定在合适的范围，提高直流母线电压的稳定。所述三重并网逆变器电路5采用三重化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，使交流侧相电流接近于正弦，相电流与相电压同相，功率因数接近于1，以减少输送到电网的谐波和无功含量。该逆变器采用三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。三重逆变器总输出功率为S = VJFo * ZO = VJx 620V χ 3000J = 3.3A4W上式中VO为连接到电网的线电压，IO为逆变器的输出相电流有效值。在每一重逆变器中，IGBT的相电流峰值电流加20%裕量可得Itm为
τ 421ο V2 χ 1000 ……，Itm = -——=--=1767.5J
0.8 0.8并网逆变器的线电压额定电压是620V，可以计算相电压的峰值是506V，根据逆变的要求，直流侧电压一般高于相电压额定值，可得直流电压最小877V。因此设定直流侧额定电压为1100V。因此三重化PWM逆变器中所用的绝缘栅双极型晶体管即IGBT模块可采用的型号是 SKIIPM03GB172，其等级是 1700V/2400A。
权利要求
1.一种风电变流器主电路，其特征在于包括有用于与发电机连接整流输出直流电压的六相不控整流器电路(1)，整流输出电容器组O)，用于对直流电压进行四次升压变换并使母线电压稳定的四重化升压变换电路(3)，用于在电网故障或风机超速时吸收发电机侧能量保护变流器器件的制动单元G)，以及用于对直流母线电压进行三重交流转换输出交流电压的三重并网逆变器电路(5)，所述六相不控整流器电路(1)、整流输出电容器组O)、四重化升压变换电路(3)、制动单元G)、三重并网逆变器电路( 为顺次连接。
2.根据权利要求1所述的一种风电变流器主电路，其特征在于所述的六相不控整流器电路(1)包括有发电机输出开关(11)，以及用于把发电机输出的交流电压整流成直流电压的六相不控整流桥(12)，所述发电机输出开关(11)、六相不控整流桥(1 为顺次连接，所述六相不控整流桥(1 包括6个并联一起的整流二极管组(121)，所述每个整流二极管组 (121)包括两个首尾相连的整流二极管。
3.根据权利要求1所述的一种风电变流器主电路，其特征在于所述的四重化BOOST升压变换电路C3)包括四个并联在一起的BOOST升压变换电路(31)，所述每个BOOST升压变换电路(31)包括有用于滤除高频波而让直流电流和低频电流通过的滤波电抗器组(311)， 和用于提高直流母线电压并稳定的BOOST电路模块(312)，所述滤波电抗器组(311) ,BOOST 电路模块(312)为顺次连接。
4.根据权利要求1所述的一种风电变流器主电路，其特征在于所述的制动单元(4)包括三个并联在一起的制动单元模块(41)，所述每个制动单元模块Gl)包括有用于把直流电路的多余能量消耗掉的制动电阻G11)、用于控制本单元模块导通与关断的制动电路模块(412)，所述制动电阻(411)、制动电路模块(412)为顺次连接。
5.根据权利要求1所述的一种风电变流器主电路，其特征在于所述的三重并网逆变器电路( 包括三个并联在一起的并网逆变器电路(51)，所述每个并网逆变器电路(51)包括有用于将直流电转换成三相交流电的逆变电路模块(511)，逆变输出开关(512)，逆变滤波电抗器组(513)，以及用于限制高次谐波并输出谐波含量低的三相交流电的逆变滤波电容器组(514)，所述逆变电路模块(511)、逆变输出开关(51 、逆变滤波电抗器组(51 、逆变滤波电容器组(514)为顺次连接。
全文摘要
本发明公开了一种风电变流器电路结构，包括有用于与发电机连接整流输出直流电压的六相不控整流器电路，整流输出电容器组，用于对直流电压进行四次升压变换并使母线电压稳定的四重化升压变换电路，用于在电网故障或风机超速时吸收发电机侧能量保护变流器器件的制动单元，以及用于对直流母线电压进行三重交流转换输出交流电压的三重并网逆变器电路，所述六相不控整流器电路、整流输出电容器组、四重化升压变换电路、制动单元、三重并网逆变器电路为顺次连接。本发明的目的是提供一种结构紧凑且通用，控制灵活，运行稳定的风电变流器电路结构方案。
文档编号H02M5/458GK102570852SQ20121006624
公开日2012年7月11日 申请日期2012年3月13日 优先权日2012年3月13日
发明者李峰, 王瑜, 钟道祯, 黎裕文 申请人:广东明阳龙源电力电子有限公司