专利名称：一种适用于笼型异步发电机的大功率风电并网变流器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于笼型异步发电机的大功率风电并网变流器，特别是笼型异步发 电机用兆瓦级大功率风电并网变流器，属于风电新能源技术领域。
背景技术：
近年来，人类社会的发展步入了飞速发展的新时期，全球经济一体化趋势日益明显。信 息、新能源、新材料三大支柱产业成为二十一世纪人类走向新文明的重要基石，而其中的新 能源产业对经济快速、可持续发展起着至关重要的作用。风力发电技术是目前新能源技术 中比较成熟、最具规模化开发条件和商业化发展前景的技术方式，具有占地少、无污染、建 设周期短、装机规模灵活等优点，受到世界各国的广泛关注，在整个世界电力市场上呈现出 强劲的发展势头。为了推动并网型风力发电机组的发展，国家发改委组织制定的《可再生 能源中长期发展规划》中明确要求，2020年全国风电装机容量达到三千万千瓦。我们知道， 并网型风力发电系统主要包括直驱式风力发电系统和非直驱式风力发电系统两种形式。其 中，变速恒频交流励磁双馈异步风力发电系统和多极永磁直驱风力发电系统是这两种风力 发电系统中最典型的代表，也是最有前景的风力发电方案，目前已经成为兆瓦级风电机组 的首选方案，同时也是我国风电设备制造业进军兆瓦级风电市场的主攻方向。非直驱式风力发电系统中，风轮通过增速齿轮箱与发电机连接，然后通过并网变 流器并入电网。而直驱式风力发电系统中，风轮直接与发电机连接，然后通过变流器并入电 网。显然，直驱式风力发电系统与非直驱式风力发电系统相比，省去了增速齿轮箱，这样不 但减少了风力发电机组的体积和重量，而且省去了对齿轮箱的日常维护工作，降低了风电 系统的噪声、提高了机组寿命和低风速时高效率等多种优点；所以直驱式风力发电系统成 了现代风力发电系统的发展趋势，而作为其并网核心部件的并网变流器性能的好坏对整个 系统的正常运行起着至关重要的作用，因此直驱式并网变流器的研究成为了风电科技领域 的研究热点。直驱式风力发电机组的并网变流器的功率等级与发电机组基本相当，发电机发出 的电能全部通过变流器转换为频率、电压恒定的交流电馈入电网；通过对电机侧变流器电 流的控制，控制发电机的电磁转矩，使之实现最大功率输出。与非直驱式风力发电系统相 比，变流器在发电机组与电网之间，实现了发电机组与电网的隔离，转速与电网频率之间的 耦合问题获得了很好的解决，也在一定程度上避免了因电网波动对发电机组稳定运行所带 来的不利影响，同时，也减轻对电网得冲击，保障风电机组并网后电网可靠性和安全性。与 双馈型机组(变流器容量通常为1/2 1/3风电机组的额定功率)相比，全功率变流器更容 易实现低电压穿越等功能，更容易满足电网对风电并网日益严格的要求。目前，直驱式风电机组中采用的发电机大多为永磁同步发电机，图1是典型的永 磁直驱式变速恒频风力发电系统的结构图，包括永磁同步发电机和全功率背靠背双PWM变 流器。虽然，近年来随着永磁材料性能的不断提高，价格的下降，永磁同步电机的价格已经 大大降低，逐渐变得被大众所接受，但是由于永磁材料本身的局限性；特别是，在高温、震动 等条件下，永磁体的磁性能会变坏，存在失磁的危险；稀土材料或是生产工艺的不同，也会使永磁体的磁性能存在很大的差异，这对永磁同步发电机的性能和寿命都很不利。寿命问 题是限制的其在风电领域的应用的重要原因，因目前风电机组的设计寿命基本为20年，而 目前永磁电机的使用中基本在几年后就显出磁钢磁性降低。因此利用笼型异步发电机、直 驱环形发电机来代替永磁同步发电机，是解决问题的一种技术方案。对于并网型笼型异步 发电机，一般来说，需要增加另外的激磁装置，激磁电流为额定电流的20% 30%。即激磁 所需的无功功率就达发电机容量的20% 30% ；所以，异步发电机与电网并联运行后，必须 加入无功补偿装置，以补充发电机和电网功率因数的降低。在风力发电系统中，当风速变 化时，笼型异步发电机可以通过并联电容器组，来提供无功激磁电流。调节激磁电容值的大 小，可以达到在不同风速下，并联不同的电容值的要求；转速低时对应的电容大，转速高时 对应的电容小。
发明内容
本发明目的是提供一种适用于笼型异步发电机的大功率风电并网变流器，电路结构简 单，降低风电设备的成本，解决背景技术中存在的上述问题，同时解决了笼型异步发电机的 激磁和无功补偿问题。
本发明的技术方案是
一种适用于笼型异步发电机的大功率风电并网变流器，它包含整流单元、升压斩波单 元、逆变单元、电机软启动激磁单元、网侧三相无功补偿电容器投切单元，各单元之间依次 匹配连接，其特别之处是所述的整流单元由至少一个三相不控二极管整流单元构成或多 个三相不控二极管整流单元并联连接构成；所述的升压斩波单元由至少一个升压斩波单元 构成或多个升压斩波单元并联连接构成；所述逆变单元由至少一个三相全控逆变单元构成 或多个三相全控逆变单元并联连接构成；所述的电机软启动激磁单元由至少一个三相软启 动激磁单元构成或多个三相软启动激磁单元并联连接构成；所述的三相无功补偿单元由至 少一个三相无功补偿单元构成或多个三相无功补偿单元并联连接构成。风力机、笼型异步发电机连接整流单元，整流单元连接升压斩波单元，升压斩波单 元连接逆变单元，逆变单元连接电机软启动激磁单元和网侧三相无功补偿单元，其中电机 软启动激磁单元和三相无功补偿单元均由双向晶闸管SCR实现投切，通过转换开关完成转 换功能；逆变单元端连接并网变压器，并网变压器连接工频电网；电机软启动激磁单元连 接到笼型异步发电机的定子端进行并网软启动和激磁，同时完成发电机侧滤波功能。先将六个二极管两两一组，然后将每组中的两个器件首尾相连成一相桥臂，最后 将三相桥臂并联组成整流单元；本发明组成中有多个整流单元，把多个桥臂的两端并联。升压斩波单元为将电感和二极管联接，然后在其节点处联接一功率开关器件，最 后在支路末端并联一电容器；升压斩波单元由多个升压斩波单元构成，将每个升压斩波器 串联。逆变单元为将六只功率开关器件两两一组，然后将每组中的两个器件首尾相连 组成一相桥臂，进而将三相桥臂并联组成三相逆变单元，最后二极管并联在每个功率开关 器件上。电机软启动激磁单元为将功率开关器件两两反并联，然后电容元件通过开关联
4接；电机软启动激磁单元可以由多个电机软启动激磁单元构成，将每个电机激磁单元并联。网侧三相无功补偿单元为将功率开关器件两两反并联，然后电容元件通过开关 联接；网侧三相无功补偿单元可以由多个网侧三相无功补偿单元构成，将每个网侧三相无 功补偿单元并联即可。电机软启动激磁单元与网侧三相无功补偿单元的切换，可通过转换开关实现，但 不限于转换开关。本发明可应用于直驱风力发电系统，但不限于直驱风力发电系统。本发明中主电路采用的功率开关器件可以为IGCT (集成门极换流晶闸管)，但不限 于IGCT ；电机软启动激磁单元电容投切开关器件可以采用晶闸管(SCR)，但不限于晶闸管 (SCR)。本发明工作时，由于异步发电机只有当转速高于其同步转速时才向电网馈电；启 动时，风轮带动风力发电机转速上升，转速达到或接近同步转速时，首先网侧软启动激磁单 元投入运行，为异步电机建立激磁电流，激磁电流建立后，通过激磁电容器组Cfl维持异步 发电机的励磁，软启动激磁并网过程完成，电容器组Cfl进入发电机激磁阶段，同时兼有发 电机侧滤波功能；启动并网后双向SCR组切换到无功补偿方式运行，投切电容器组Cf2，为异 步发电机组提供无功补偿；至此，整个发电机组启动、激磁、并网、无功补偿过程完成，进入 稳定运行。由于风速处出于不断的变化中，风力机带动风力发电机输出三相频率及幅值都变 化的交流电，经过发电机侧的三相滤波电容单元后进入整流单元。整流单元将三相幅值频 率均变化的交流电整流成多脉波的幅值变化的直流电。直流电经升压斩波单元后变为幅值 稳定的直流母线电压，然后直流母线电压馈入逆变单元。逆变单元在控制系统的控制下把 直流电转变为与电网电压同频同相交流电，经并网变压器并入电网。因为升压斩波单元的 存在，即使在较低的风速下，也能保证直流母线电压的稳定。同时，在风机开始运行时，电机 软启动激磁单元对发电机进行激磁后，通过适当的控制策略，控制双向SCR的触发脉冲使 其停止工作或根据风速的变化，进行实时激磁控制。本发明的有益效果是电路结构简单、把成本低廉的笼型异步电机应用于风力发 电中，大大降低了整个机组的成本；尤其把电机软启动激磁单元集成在变流器中，兼顾了发 电机侧的滤波，同时将异步发电机必须的无功补偿单元与软启动激磁单元巧妙融合(可通 过转换开关)，减小了并网电流的同时，完成了无功功率补偿的任务，既简化了控制结构，又 增强了机组的稳定性和适应性。电路中的整流单元、升压斩波单元、逆变单元、电机软启动 激磁单元、无功补偿单元都采用的模块化电路，该结构在同等开关电压电流应力的开关器 件的基础上，能实现更高的功率等级，并且可以更方便的实现产品的系列化。本发明产品电路结构简单，不但大大降低了风电设备的成本，而且可以提高我国 在世界风电设备制造领域的地位和影响力，为我国风电设备的出口，提升在世界风电市场 上的地位奠定了坚实的基础。
图1是背景技术中典型的永磁直驱式变速恒频风力发电系统示意图； 图2是本发明示意图；图中风力机1、永磁同步发电机2、电网3、笼型异步发电机4、并网变压器5。
具体实施例方式
以下结合附图，通过实施例对本发明作进一步说明。参照附图2，在实施例中，本发明位于兆瓦级的风力机1、笼型异步发电机4与并网 变压器5、电网3之间。本发明包括整流器单元、升压斩波单元、逆变单元、电机软启动激 磁单元Cfl (兼有网侧滤波功能)、网侧三相无功补偿投切电容器单元Cf2。风力机1、笼型异 步发电机4连接整流单元，整流单元连接升压斩波单元，升压斩波单元连接逆变单元，逆变 单元连接电机软启动激磁单元和网侧三相无功补偿单元，其中电机软启动激磁单元Cfl和 三相无功补偿电容器Cf2均由双向SCR实现投切，通过转换开关完成转换功能。逆变单元端 连接并网变压器5，并网变压器5连接工频电网3。电机软启动激磁单元连接到笼型异步发 电机4的定子端进行并网软启动和激磁，同时完成发电机侧滤波功能。整流单元是由三相不可控二极管整流器构成，其包括六个二极管(D11 D16)。升压 斩波单元由电感元件L21、功率开关器件V21、二极管D21、电容C21组成。逆变单元由功率开关 器件(V31 V36)、续流二极管(D31 D36)构成。电机软启动激磁单元由双向晶闸管(SCR)、 电容器组Cfl构成。
具体实施方式
主要分为两步
①构建各个单元环节，包括整流单元、升压斩波单元、逆变单元、电机软启动激磁单元 和无功补偿单元。首先，构建整流单元。先将六个二极管((D11 D16)两两一组，分别是D11和D14、D13 和D16、D15和D12，然后将每组中的两个器件首尾相连组成一相桥臂，最后将三相桥臂并联组 成三相整流单元。如果有多个整流单元，把多个桥臂的两端并联即可。其次，构建升压斩波单元。将电感L21和二极管D21联接，然后在其节点处并联一功 率开关器件V21，最后在L21-D21支路的末端并联一电容器C21。若升压斩波单元是由多个升 压斩波单元构成，只需将单个升压斩波单元并联即可。再次，构建逆变单元。将六只功率开关器件(V31 V36)两两一组，分别是V31和V34， V33和V36，V35和V32，然后将每组中的两个器件首尾相连组成一相桥臂，进而将三相桥臂并联 组成三相逆变单元，最后将二极管(D31 D36)分别并联在每个功率开关器件上。若逆变单 元是由多个逆变单元构成，只需将单个逆变单元并联即可。最后，构建电机软启动激磁单元和无功补偿单元。将六只功率开关器件(Vn VT6) 两两一组，分别是Vti和Vt2，Vt3和Vt4，Vt5和Vt6，然后将每组中的两个器件首尾相连并接组 成一相，进而将三相桥臂并联组成三相逆变单元，软启动激磁电容器组Cfl与无功补偿后电 容器组Cf2分别通过转换开关的触点K和触点M与双向晶闸管(SCR)连接。若软启动激磁 单元是由多个激磁单元构成，只需将单个激磁单元并联即可，若无功补偿单元是由多个无 功补偿单元构成，只需将单个无功补偿单元并联即可。②将笼型异步发电机连接到整流器单元，接着将整流单元、升压斩波单元顺序连 接，然后逆变单元并接在升压斩波单元输出端上，最后电机软启动激磁单元和无功补偿单 元接于逆变器和电网之间，而电机软启动激磁单元则连接到电机定子端给电机提供所需激 磁电流，激磁完成后电容器组Cfl还能实现滤波功能，无功补偿单元用于补偿电网的无功降落。
权利要求
1.一种适用于笼型异步发电机的大功率风电并网变流器，它包含整流单元、升压斩波 单元、逆变单元、电机软启动激磁单元、网侧三相无功补偿电容器投切单元，各单元之间依 次匹配连接，其特征在于所述的整流单元由至少一个三相不控二极管整流单元构成或多 个三相不控二极管整流单元并联连接构成；所述的升压斩波单元由至少一个升压斩波单元 构成或多个升压斩波单元并联连接构成；所述逆变单元由至少一个三相全控逆变单元构成 或多个三相全控逆变单元并联连接构成；所述的电机软启动激磁单元由至少一个三相软启 动激磁单元构成或多个三相软启动激磁单元并联连接构成；所述的三相无功补偿单元由至 少一个三相无功补偿单元构成或多个三相无功补偿单元并联连接构成。
2.根据权利要求1所述之适用于笼型异步发电机的大功率风电并网变流器，其特征在 于风力机、笼型异步发电机连接整流单元，整流单元连接升压斩波单元，升压斩波单元连接 逆变单元，逆变单元连接电机软启动激磁单元和网侧三相无功补偿单元，其中电机软启动 激磁单元和三相无功补偿单元均由双向晶闸管实现投切，通过转换开关完成转换功能；逆 变单元端连接并网变压器，并网变压器连接工频电网；电机软启动激磁单元连接到笼型异 步发电机的定子端进行并网软启动和激磁，同时完成发电机侧滤波功能。
3.根据权利要求1或2所述之适用于笼型异步发电机的大功率风电并网变流器，其特 征在于先将六个二极管两两一组，然后将每组中的两个器件首尾相连成一相桥臂，最后将 三相桥臂并联组成整流单元；本发明组成中有多个整流单元，把多个桥臂的两端并联。
4.根据权利要求1或2所述之适用于笼型异步发电机的大功率风电并网变流器，其特 征在于升压斩波单元为将电感和二极管联接，然后在其节点处联接一功率开关器件，最后 在支路末端并联一电容器；升压斩波单元由多个升压斩波单元构成，将每个升压斩波器串 联。
5.根据权利要求1或2所述之适用于笼型异步发电机的大功率风电并网变流器，其特 征在于逆变单元为将六只功率开关器件两两一组，然后将每组中的两个器件首尾相连组 成一相桥臂，进而将三相桥臂并联组成三相逆变单元，最后二极管并联在每个功率开关器 件上。
6.根据权利要求1或2所述之适用于笼型异步发电机的大功率风电并网变流器，其特 征在于电机软启动激磁单元为将功率开关器件两两反并联，然后电容元件通过开关联接； 电机软启动激磁单元可以由多个电机软启动激磁单元构成，将每个电机激磁单元并联。
7.根据权利要求1或2所述之适用于笼型异步发电机的大功率风电并网变流器，其特 征在于网侧三相无功补偿单元为将功率开关器件两两反并联，然后电容元件通过开关联 接；网侧三相无功补偿单元可以由多个网侧三相无功补偿单元构成，将每个网侧三相无功 补偿单元并联即可。
8.根据权利要求1或2所述之适用于笼型异步发电机的大功率风电并网变流器，其特 征在于电机软启动激磁单元与网侧三相无功补偿单元的切换，可通过转换开关实现，但不 限于转换开关。
9.根据权利要求1或2所述之适用于笼型异步发电机的大功率风电并网变流器，其特 征在于本发明可应用于直驱风力发电系统，但不限于直驱风力发电系统。
全文摘要
本发明涉及一种适用于笼型异步发电机的大功率风电并网变流器，属于风电新能源技术领域。技术方案是所述的整流单元由至少一个三相不控二极管整流单元构成或多个三相不控二极管整流单元并联连接构成；所述的升压斩波单元由至少一个升压斩波单元构成或多个升压斩波单元并联连接构成；所述的逆变单元由至少一个三相全控逆变单元构成或多个三相全控逆变单元并联连接构成；所述的电机软启动激磁单元由至少一个三相软启动激磁单元构成或多个三相软启动激磁单元并联连接构成。把成本低廉的笼型异步电机应用于风力发电中，大大降低了整个机组的成本，既简化了控制结构，又增强了机组运行的稳定性和适应性。
文档编号H02J3/38GK102005935SQ201010563119
公开日2011年4月6日 申请日期2010年11月29日 优先权日2010年11月29日
发明者冯红岩, 刘广东, 王东, 申晓东, 赵双喜, 鲁志平 申请人:保定天威集团有限公司