一种基于双极式直流结构的风电变流器的制造方法
【专利摘要】本发明公开一种基于双极式直流结构的风电变流器，包括相互连接的机侧变流器和网侧变流器，其特征在于所述机侧变流器由至少两路可控整流回路组成，所述至少两路可控整流回路在交流输入侧连接串级式风力发电机组，将串级式风力发电机组输出的三相交流电转换成双极性直流电输出，双极性直流输出在直流输出侧的一第一串联点串联后接至地；所述网侧变流器由至少两路可控逆变回路组成，将机侧变流器输出的双极性直流电转换成三相交流电输出，双极性直流输入在直流输入侧的一第二串联点串联后接至地，交流输出侧分两路连接至双三相输入绕组并网变压器。本发明减小了变流器并联产生的环流，减小了线缆损耗，极大地降低了成本。
【专利说明】—种基于双极式直流结构的风电变流器
【技术领域】
[0001]本发明涉及风力发电领域，特别涉及风力发电中的直驱风电变流器的电路拓扑结构。
【背景技术】
[0002]随着风电机组的功率不断加大，目前大功率风力发电机多采用六相电机,输出两组三相电压(错相或不错相)，每组容量为电机容量的一半。在风力发电的各种方案中，直驱风力发电方式以其优越的性能，日益成为研究及应用的热点。但是现有的大容量直驱风力发电机，由于受叶尖速比的限制，容量的增大会导致发电机转速的下降，而低转速大容量直驱风力发电机的直径等尺寸将变得很大，这给发电机的制造、运输和吊装带来极大困难，对此，行业内已有相关研究，一种解决方法是使用两台相同的直驱发电机同轴串联使用，即串级式发电机，这种结构增大了直驱风力发电机的容量，有效压缩了大容量发电机的尺寸。
[0003]直驱风力发电机和电网之间通过变流器连接，风电变流器是风力发电机组不可缺少的能量变换环节，其主要作用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，解决了低电压的穿越问题，通过最大功率点追踪技术，能够充分的利用风能，进一步提高发电效率。
[0004]如图1所示，为传统2丽直驱风电变流器的拓扑结构图。现在主流的直驱风电多为660V或690V的低压系统，直流电压Ud通常为1050V左右，通常容量在2.5MW及以下，需要采用两套变流器并联来提高容量。一般
现有的大功率直驱风电变流器由于受到功率器件电流等级的限制，容量提高相对困难，通常3MW及以上的变流器只能采用三套及以上的变流器并联或者多只功率器件直接并联的方式来提高变流器的容量。然而，功率器件直接并联特别是多只功率器件直接并联的方式容易产生均流问题，并联IGBT之间电流不一致，从而降低了 IGBT的利用率。变流器并联容易产生环流问题，环流在并联的变流器之间流动，它的存在增加了损耗，并且降低了系统效率，使功率器件发热严重，甚至烧毁。目前研究中常采用两种方式解决并联变流器系统中环流问题:一是在硬件上消除环流通道，二是采用适当的控制方法来抑制环流。通常采用硬件方式消除环流的方法为加隔离变压器，隔离变压器能够阻断交流侧的环流回路，消除环流，同时，采用不同形式的副边结构的隔离变压器，可以消除特定次谐波，降低对电网的污染。但是加隔离变压器造成系统结构复杂庞大，成本加大。而采用适当的控制方式抑制环流通常会使控制和测量系统复杂。另外多套变流器直接并联方式中如果有一套出现短路故障，其它并联支路必须保护，从而降低了系统的可靠性。
[0005]此外因为交流和直流电压等级都较低，随着风电机组容量的增大，所需的直流或者交流传输电缆或母排增多，线路损耗和成本也会随之加大。
【发明内容】
[0006]针对现有技术所存在的缺陷，本发明基于串级风力发电机的应用场合，提供一种新型的风力发电大功率直驱变流器的电路拓扑结构方案，采用简单的结构减少变流器并联产生的环流，降低线路损耗，增强系统的可靠性。
[0007]本发明具体采用如下技术方案:
一种基于双极式直流结构的风电变流器，包括相互连接的机侧变流器和网侧变流器，其特征在于所述机侧变流器由至少两路可控整流回路组成，所述至少两路可控整流回路在交流输入侧连接串级式风力发电机组，将串级式风力发电机组输出的三相交流电转换成双极性直流电输出，双极性直流输出在直流输出侧的一第一串联点串联后接至地；所述网侧变流器由至少两路可控逆变回路组成，将机侧变流器输出的双极性直流电转换成三相交流电输出，双极性直流输入在直流输入侧的一第二串联点串联后接至地，交流输出侧分两路连接至双三相输入绕组并网变压器。
[0008]本发明的基于双极式直流结构的风电变流器，其电路拓扑结构由机侧变流器(整流器)、网侧变流器(逆变器)和直流输电回路组成。机侧变流器由四路或两路独立可控整流回路构成，其输入为三相交流电压，输出为双极性直流电压。网侧变流器也由四路或两路独立可控逆变回路组成，其输入为双极性直流电压，输出为两路三相交流电压。可控逆变回路在交流输出侧分为两路，分别接至双三相输入绕组的并网变压器，经过并网变压器与电网相连。
[0009]双三相输入绕组的并网变压器避免了三套及以上的变流器直接并联，从而减少了变流器之间的环流。并网变压器输出侧升压至1kV或35kV，根据电网电压确定。系统分为正负两极，等效提高了直流电压，降低了电流，并且加强了运行的可靠性，适用于大功率风电变流器。
[0010]本发明机侧变流器和网侧变流器之间直流采用土Ud的双极系统结构，直流串联点接地，机侧变流器直流输出侧的正、负极性点分别连接至网侧逆变器直流输入侧的正、负极性点，形成双极式直流结构。这样在不提高线路、电机、变流器及整个系统的绝缘水平，在同样的绝缘耐压条件下，额定直流电压等效提高一倍，可降低直流电流50%，降低线路损耗；机侧变流器和网侧变流器可分开放置，如果机侧变流器置于塔顶，网侧变流器置于塔底，两套变流器之间采用直流电缆(或母线)联接，进行直流传输，则可大大减少传输电缆，降低成本；系统分为正、负两极，单极性变流器独立运行，任一极性端故障只影响故障极，对健全极几乎没有影响，从而提高了系统的可靠性，适用于大功率风电变流器。
[0011]网侧变流器的两路输出和并网变压器的两个三相输入绕组连接，通过PWM移相控制，可等效提闻开关频率，并降低并网电流的谐波。
[0012]本发明具有如下有益效果:
a.利于电机串级使用，使单个电机尺寸小、便于制造、运输和吊装；
b.更适合3MW及以上的超大容量的大功直驱风力发电机组及变流器的应用场合；
c.采用双极结构形式，单极变流器侧故障时只影响故障的一极，而对无故障极变流器几乎没有影响，从而提高了系统可靠性；
d.双三相输入绕组的并网变压器避免了三套及以上的变流器直接并联，从而减少了变流器并联之间的环流；
e.更便于变流器采用网侧和机侧分置方案，即网侧逆变器置于塔底和机侧变流器置于塔顶，中间长距离直流母线传输，类似柔性直流输电的拓朴结构，从而更有效的节省发电机侧的交流电缆长度，降低因电压反射而引起的过电压可能性，减少因高频交流电流的集肤效应引起的电缆发热现象，从而也减小了 du/dt滤波器的容量；
f.经分析，采用单极性的直流传输结构，相比于交流传输可节省25%左右的电缆，本变流器因为采用中点接地(塔架)的双极式直流传输结构，直流电流为单极式的50%，因而总的传输电缆可节省62.5%左右，即使采用单极电缆回线，也可节省43%左右的电缆，减少了线路损耗及线缆数量，大大降低了成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是传统的2丽风电变流器拓扑结构图；
图2是本发明风电变流器实施例1的拓扑结构图；
图3是本发明风电变流器实施例2的拓扑结构图；
图4是本发明风电变流器实施例3的拓扑结构图；
图5是本发明风电变流器实施例4的拓扑结构图；
图6是中性点串接点G1、G2点的接地及连接方式I示意图；
图7是中性点串接点G1、G2点的接地及连接方式2示意图；
图8是中性点串接点G1、G2点的接地及连接方式3示意图；
图9是电容星型联结LC滤波器；
图10是电容角型联结LC滤波器；
图11是电容星型联结LCL滤波器；
图12是电容角型联结LCL滤波器；
图13是并网变压器结构形式I;
图14是并网变压器结构形式2。
【具体实施方式】
[0014]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明，但是实施例并不构成对本发明要求保护范围的限制。
[0015]图2-图5为本发明技术方案实施例1-实施例4的系统原理框图，分别为四种不同的拓扑结构。四种电路拓扑结构基本原理相似，只是在并联的整流和逆变回路上有所差别；四种电路都由以下部分组成:串级使用的直驱风力发电机、机侧变流器、直流传输线路(分置式结构时)、网侧变流器和并网变压器。其中风力发电机为永磁直驱风力发电机或电励磁直驱风力发电机，其中图2和图3中的电机为双绕组电机，图3和图4结构形式中的电机为单绕组电机，四种结构中均是两台相同的电机串级使用。
[0016]实施例1
如图2所示，为拓扑结构形式1，该结构形式中，采用的是双绕组的永磁或电励磁直驱风力发电机串级使用。机侧变流器与风力发电机相连，将风力发电机发出的三相交流电整流成双极性直流电压，机侧变流器包括四个整流回路，每个回路接风力发电机的一个绕组，由du/dt滤波器、PWM整流器、直流支撑电容等组成，同一电机连接的两个整流回路的直流输出侧并联，两台电机之间的直流输出在Gl点串联，串联节点接地，最终整流输出直流电压的正负两极母线；网侧变流器，将整流输出的双极性直流电压逆变成两路三相交流电压，该部分包括四路逆变回路，每个逆变回路由放电电容、PWM逆变器、滤波器组成；逆变器的直流输入侧是两路并联后再串联接地，串联接点为G2，交流侧是同直流电压极的两路并联，输出两路三相电流，接三绕组并网变压器原边的两个三相输入绕组，逆变器采用四路结构，增大了逆变输出的容量，其中并联的支路可以互为冗余。并网变压器将逆变出的三相交流电压升压到1kV或35kV电网电压入网。
[0017]实施例2
如图3所示，为拓扑结构形式2，该结构形式中，电机和机侧变流器方案同上述的结构形式I。网侧变流器，将整流输出的双极性直流电压逆变成两路三相交流电压，该部分包括两路逆变回路，每个逆变回路由放电电容、PWM逆变器、滤波器组成；逆变器的直流输入侧串联接点G2接至地。交流输出侧通过滤波器输出两路三相电流，接三绕组并网变压器原边的两个三相输入绕组。并网变压器将逆变出的三相交流电压升压到1kV或35kV电网电压入网。
[0018]实施例3
如图4所示，为拓扑结构形式3，该结构形式中，采用的是单绕组的永磁或电励磁直驱风力发电机串级使用。机侧变流器与风力发电机相连，将风力发电机发出的三相交流电整流成双极性直流电压，机侧变流器包括两个整流回路，每个回路各接一个风力发电机的绕组，由du/dt滤波器、PWM整流器、直流支撑电容组成，整流后的直流输出在Gl点进行串联，串联节点接地，最终整流输出直流电压的正负两极母线；网侧变流器，将整流输出的双极性直流电压逆变成两路三相交流电压，该部分包括四路逆变回路，每个逆变回路由放电电容、PWM逆变器、滤波器组成；逆变器的直流侧是两路并联后再串联接地，串联接点为G2，交流侧是同直流电压极的两路并联，输出两路三相电流，然后接三绕组并网变压器原边的两个三相输入绕组，逆变器采用四路结构，增大了逆变输出的容量，其中并联的支路可以互为冗余。并网变压器将逆变出的三相交流电压升压到1kV或35kV电网电压入网。
[0019]实施例4
如图5所示，为拓扑结构形式4，该结构形式中，采用的是单绕组的永磁或电励磁直驱风力发电机串级使用。机侧变流器与风力发电机相连，将风力发电机发出的三相交流电整流成双极性直流电压，机侧变流器包括两个整流回路，每个回路各接一个风力发电机的绕组，由du/dt滤波器、PWM整流器、直流支撑电容组成，整流后的直流输出在Gl点进行串联，串联节点接地，最终整流输出直流电压的正负两极母线；网侧变流器，将整流输出的双极性直流电压逆变成两路三相交流电压，该部分包括两路逆变回路，每个逆变回路由放电电容、PWM逆变器、滤波器组成；逆变器的直流输入侧在G2点串联，交流输出侧通过滤波器输出两路三相电流，接三绕组并网变压器原边的两个三相绕组。并网变压器将逆变出的三相交流电压升压到1kV或35kV电网电压入网。
[0020]变流器为双极性结构，机侧变流器直流回路通过Gl点串联，网侧变流器的直流回是通过G2点串联；G1和G2点的联接及接地方式如图6-图8所示，如果Gl点和G2之间没有电缆连接，则Gl和G2点分别接地，如图6所示；如果有电缆连接，则可以在Gl点接地，也可以在G2点接地，两点之间只需在一点接地(选择方便接地的点)，通过电缆连接即可使两个串联点都接至地，如图7和图8所示。从而无需提高发电机、变流器及整个系统的绝缘电压等级，直流回路电压为土Ud。
[0021]四种拓扑结构形式中，逆变输出三相滤波器的方案图如图9-图12所示，该滤波器可以采用LC结构滤波，也可以采用LCL结构滤波，两种滤波电路结构中，电容C都可以角型连接或星型连接。
[0022]并网变压器低压侧采用双绕组，接网侧变流器逆变出的两路三相交流电压，如图13和图14，变压器可以采用Y，Y, d接线方式，也可以采用D，D, y接线方式。
[0023]当变流器采用分置方案时，网侧逆变器置于塔底和机侧变流器置于塔顶，利用正负极直流母线进行功率传输，中间长距离直流母线传输，类似柔性直流输电的拓朴结构，从而更有效的节省发电机侧的交流电缆长度，降低因电压反射而引起的过电压可能性，减少因高频交流电流的集肤效应引起的电缆发热现象。
[0024]本发明采用双极结构，单侧故障时不影响非故障极的正常运行，此时系统由正常运行模式切换到单极运行模式。
[0025]两个串联直流中点(Gl和G2)之间可以采用电缆连接或者不用电缆连接，有电缆连接时，单极运行时没有地电流，不会引起地电位的变化，没有电缆连接时，单极运行时有地电流产生。
[0026]经分析，采用单极性的直流传输技术，相比于交流传输可节省25%左右的电缆，本变流器因为采用中点接地(塔架)的双极式结构，直流电流为单极式的50%，因而总的传输电缆可节省62.5%左右，即使采单极电缆回线，也可节省43%左右的电缆。
【权利要求】
1.一种基于双极式直流结构的风电变流器，包括相互连接的机侧变流器和网侧变流器，其特征在于所述机侧变流器由至少两路可控整流回路组成，所述至少两路可控整流回路在交流输入侧连接串级式风力发电机组，将串级式风力发电机组输出的三相交流电转换成双极性直流电输出，双极性直流输出在直流输出侧的一第一串联点串联后接至地；所述网侧变流器由至少两路可控逆变回路组成，将机侧变流器输出的双极性直流电转换成三相交流电输出，双极性直流输入在直流输入侧的一第二串联点串联后接至地，交流输出侧分两路连接至双三相输入绕组并网变压器。
2.如权利要求1所述的基于双极式直流结构的风电变流器，其特征在于所述机侧变流器由两路可控整流回路组成，所述串级式风力发电机组由两台单绕组风力发电机串级组成，两路可控整流回路在交流输入侧各连接一台风力发电机。
3.如权利要求1所述的基于双极式直流结构的风电变流器，其特征在于所述机侧变流器由四路可控整流回路组成，所述串级式风力发电机组由两台双绕组风力发电机串级组成，每台风力发电机连接两路可控整流回路，同一台风力发电机连接的两路可控整流回路在直流输出侧并联，可控整流回路两两并联后串联。
4.如权利要求1-3任一所述的基于双极式直流结构的风电变流器，其特征在于所述网侧变流器由两路可控逆变回路组成。
5.如权利要求1-3任一所述的基于双极式直流结构的风电变流器，其特征在于所述网侧变流器由四路可控逆变回路组成，四路可控逆变回路在直流输入侧两两并联后串联，并联的两路可控逆变回路在交流输出侧连接双三相输入绕组并网变压器的同一三相输入绕组。
6.如权利要求1所述的基于双极式直流结构的风电变流器，其特征在于所述第一、二串联点通过电缆连接。
7.如权利要求1所述的基于双极式直流结构的风电变流器，其特征在于所述机侧变流器安装时置于塔架顶部，网侧变流器置于塔架底部。
【文档编号】H02M5/458GK104079184SQ201410282978
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年6月23日 优先权日:2014年6月23日
【发明者】周细文, 吕笑岩, 刘景芝, 章辉, 陈烘民, 王大庆 申请人:周细文, 江苏有能新能源有限公司