一種風力發電機組能量傳輸系統的製作方法

2023-06-01 03:11:46

專利名稱：一種風力發電機組能量傳輸系統的製作方法
—種風力發電機組能量傳輸系統本發明涉及一種風力發電機組能量傳輸系統,屬於風電技術領域。隨著經濟的發展能源已經成為重要的戰略資源，傳統的煤、石油、天然氣都為不可再生能源不具備可持續利用的能力，總有枯竭的一天，在這種背景下以風能、太陽能等為代表的新能源成為了新的選擇，新能源戰略也被提升到了一個新的高度，其中尤以風能的開發利用得到了前所未有的發展，風力發電機組作為將風能轉化為電能的執行者也經歷了突飛猛進的發展，從曾經的幾十千瓦機組再到兆瓦機組，單機功率越來越高。在風力發電機中，風能是通過葉輪和葉片吸收能量並將其轉變成變化的旋轉的動能，旋轉的動能通過發電機變成電壓和頻率波動的電能，變流器將變化的電能轉化成電壓和頻率符合電網規範的電能輸送到電網。在此過程中風機主控制器對整機的變槳系統、偏航系統、潤滑系統等進行控制，並根據風速的變化對整機功率進行調節。在這樣的風電機組能量傳輸系統中，變流器的選擇和設計是實現的主要難點。隨著單機容量大功率化的發展，由於電力電子功率器件電壓和電流等級的限制，大功率變流器通常採用多個子變流器串聯或並聯的方式進行擴展升容組成。大功率變流器除自身基本設計外，還需考慮其在風電機組特殊應用場合，例如其故障下的可用性，大功率變流器的可擴展性，子變流器的模塊化等。究竟以怎樣的方式才能更好地設計風電機組能量傳輸系統中的變流器，各研發設計者仁者見仁，智者見智，設計出了各種拓撲形式的變流器。·
本發明針對大容量風電機組的實際應用背景的要求，提供了一種風力發電機組能量傳輸系統，一方面，第一子變流器與第二子變流器之間通過共地連接形成串聯式級聯，每個子變流器承受的電壓降為原來三相整流模塊輸出電壓的一半，從而將電壓等級降低，方便選取現有的電力電子全控器件。另一方面，每個子變流器通過若干個升壓逆變模塊並聯連接組成，可起並聯分流作用，降低了所需電力電子功率器件的電流等級，方便選取現有的電力電子全控器件，根據風力發電機組的容量，選擇數量合適的整流模塊、升壓逆變模塊，以達到容量設計要求，其適用於單機大容量的風力發電機組。為實現上述目的，本發明採用了下列技術方案:一種風力發電機組能量傳輸系統，包括有順次連接的發電機1、變流器2、以及網側變壓器3，所述變流器2包括有三相整流模塊21、與三相整流模塊21正極輸出端連接的第一子變流器22、以及與三相整流模塊21負極輸出端連接的第二子變流器23，所述第一子變流器22輸出端和第二子變流器23輸出端分別與網側變壓器3輸入端連接，所述第一子變流器22由N個升壓逆變模塊200組成，其中N > 1，而當N > 2時，升壓逆變模塊200之間為並聯連接結構；所述第二子變流器23的電路結構與第一子變流器22的電路結構相同，所述第一子變流器22中升壓逆變模塊200高電位輸入端接三相整流模塊21正極輸出端，第二子變流器23中的升壓逆變模塊200低電位輸入端接三相整流模塊21負極輸出端，第一子變流器22中升壓逆變模塊200低電位輸入端與第二子變流器23中升壓逆變模塊200高電位輸入端通過共地連接形成串聯式級聯，所述第一子變流器22中升壓逆變模塊200輸出端、第二子變流器23中升壓逆變模塊200輸出端分別與網側變壓器3輸入端連接。所述三相整流模塊21包括有二極體三相不控整流橋211和參數相同的直流電容組C211_1、C211_2，所述二極體三相不控整流橋211輸入端接發電機I輸出端，所述直流電容組C211_l和C211_2串聯連接後並聯在二極體三相不控整流橋211正負極輸出端上，直流電容組C211_l和C211_2的連接點接地。所述升壓逆變模塊200包括有順次連接的BOOST升壓電路220、制動電路230、三相逆變器240和LC濾波電路250，其中，第一子變流器22中的BOOST升壓電路220高電位輸入端接三相整流模塊21正極輸出端，第二子變流器23中的BOOST升壓電路220低電位輸入端接三相整流模塊21負極輸出端，第一子變流器22中的BOOST升壓電路220低電位輸入端與第二子變流器23中的BOOST升壓電路220高電位輸入端通過共地連接形成串聯式級聯，所述第一子變流器22中LC濾波電路250三相輸出端與網側變壓器300 —副邊三相繞組輸入端連接，第二子變流器23中的LC濾波電路250三相輸出端與網側變壓器3另一副邊三相繞組輸入端連接，網側變壓器3原邊三相繞組輸出端與電網連接。所述網側 變壓器300採用包含了兩個獨立中性點nl、n2的一個Dyn型分裂式變壓器或兩個Dyn型變壓器。所述第一子變流器22中BOOST升壓電路220由電抗器R221_l、全控器件Q222_l、二極體D223_l、直流電容組C224_l和C225_l組成，所述電抗器R221_l —端作為BOOST升壓電路220高電位輸入端接三相整流模塊21正極輸出端，電抗器R221_l另一端與全控器件Q222_l集電極、二極體D223_l正極相連接，全控器件Q222_l發射極作為BOOST升壓電路220低電位輸入端接地，二極體D223_l負極與直流電容組C224_l —端相連接後作為BOOST升壓電路220高電位輸出端與制動電路230 —輸入端連接，直流電容組C224_l另一端與直流電容組C225_l —端相連接，其連接點N1_0接網側變壓器300對應的中性點nl，所述直流電容組C225_l另一端作為BOOST升壓電路220低電位輸出端與制動電路230另一輸入端相連接後接地；所述第二子變流器23中BOOST升壓電路220由電抗器R221_2、全控器件Q222_2、二極體D223_2、直流電容組C224_2和C225_2組成，所述全控器件Q222_2集電極作為BOOST升壓電路220高電位輸入端與直流電容組C224_2 —端、制動電路230 —輸入端相連接後接地，所述電抗器R221_2 —端作為BOOST升壓電路220低電位輸入端與三相整流模塊21負極輸出端連接，電抗器R221_2另一端與全控器件Q222_2發射極、二極體D223_2負極相連接，二極體D223_2正極與直流電容組C225_2 —端連接後作為BOOST升壓電路220低電位輸出端與制動電路230另一輸入端相連接，所述直流電容組C225_2另一端與直流電容組C224_2另一端相相連接，其連接點N2_0接網側變壓器300對應的中性點n2。所述第一子變流器22中制動電路230由全控器件Q231_l和制動電阻R232_l串聯組成；第二子變流器23中制動電路230由全控器件Q231_2和制動電阻R232_2串聯組成。所述第一子變流器22中LC濾波電路250包括有電抗器組R251_l和電容器組C252_l，所述電抗器組R251_l —端與對應三相逆變器240三相輸出端連接，電抗器組R251_l另一端與電容器組C252_l —端、網側變壓器300 —副邊三相繞組輸入端連接，電容器組C252_l另一端Nl_l接網側變壓器300對應的中性點nl ;所述第二子變流器23中LC濾波電路250包括有電抗器組R251_2和電容器組C252_2，所述電抗器組R251_2 —端與對應三相逆變器240三相輸出端連接，電抗器組R251_2另一端與電容器組C252_2 —端、網側變壓器300另一副邊三相繞組輸入端連接，電容器組C252_2另一端N2_l接網側變壓器300對應的中性點n2，網側變壓器300原邊三相繞組輸出端接電網。與現有技術相比，本發明的有益效果是:1、與現有以並聯方式進行擴展升容的大功率變流器相比，本案第一子變流器與第二子變流器之間通過共地連接形成串聯式級聯，每個子變流器承受的電壓降為原來三相整流模塊輸出電壓的一半，從而將電壓等級降低，方便選取現有的電力電子全控器件。2、每個子變流器通過若干個升壓逆變模塊並聯連接組成，可起並聯分流作用，降低了所需電力電子功率器件的電流等級，方便選取現有的電力電子全控器件，根據風力發電機組的容量，選擇數量合適的整流模塊、升壓逆變模塊，以達到容量設計要求，其適用於單機大容量的風力發電機組。3、本案中N=I時的基本結構和N > 2時的擴容後結構具有等效的結構特性，其結構便於對子變流器的模塊化設計，從而實現變流器的冗餘設計，保證單模塊故障下的風電機組的可用性、易維護性。

圖1是本發明的結構 框圖。圖2是本發明的升壓逆變模塊結構框圖。圖3是N=I時的本發明電路圖。圖4是N=2時的本發明電路圖。圖5(a)為Dyn型分裂式變壓器結構示意圖。圖5(b)為兩個Dyn型變壓器結構示意圖。圖6是本發明的等效控制模型。以下結合附圖通過實施例對本發明特徵及其它相關特徵作進一步詳細說明，以便於同行業技術人員的理解:Dyn變壓器，其高壓側繞組為三角形接線，低壓側繞組為星型接線，N標識星型繞組的中性點。如圖1-2所示，一種風力發電機組能量傳輸系統，包括有順次連接的發電機1、變流器2、以及網側變壓器3，所述變流器2包括有三相整流模塊21、與三相整流模塊21正極輸出端連接的第一子變流器22、以及與三相整流模塊21負極輸出端連接的第二子變流器23，所述第一子變流器22輸出端和第二子變流器23輸出端分別與網側變壓器3輸入端連接，所述第一子變流器22由N個升壓逆變模塊200組成，其中N > 1，而當N > 2時，升壓逆變模塊200之間為並聯連接結構；所述第二子變流器23的電路結構與第一子變流器22的電路結構相同，所述第一子變流器22中升壓逆變模塊200高電位輸入端接三相整流模塊21正極輸出端，第二子變流器23中的升壓逆變模塊200低電位輸入端接三相整流模塊21負極輸出端，第一子變流器22中升壓逆變模塊200低電位輸入端與第二子變流器23中升壓逆變模塊200高電位輸入端通過共地連接形成串聯式級聯，所述第一子變流器22中升壓逆變模塊200輸出端、第二子變流器23中升壓逆變模塊200輸出端分別與網側變壓器3輸入端連接。如上所述的升壓逆變模塊200包括有順次連接的BOOST升壓電路220、制動電路230、三相逆變器240和LC濾波電路250。如圖3所示為N=I時的本發明電路圖，其中，所述三相整流模塊21由一個二極體三相不控整流橋211和參數相同的直流電容組C211_l、C211_2組成，所述二極體三相不控整流橋211輸入端接發電機I輸出端，所述直流電容組C211_l和C211_2串聯連接後並聯在二極體三相不控整流橋211正負極輸出端上，直流電容組C211_l和C211_2的連接點接地。所述第一子變流器22中BOOST升壓電路220由電抗器R221_l、全控器件Q222_l、二極體D223_l、直流電容 組C224_l和C225_l組成，所述電抗器R221_l —端作為BOOST升壓電路220高電位輸入端接三相整流模塊21正極輸出端，電抗器R221_l另一端與全控器件Q222_l集電極、二極體D223_l正極相連接，全控器件Q222_l發射極作為BOOST升壓電路220低電位輸入端接地，二極體D223_l負極與直流電容組C224_l —端相連接後作為BOOST升壓電路220高電位輸出端與制動電路230 —輸入端連接，直流電容組C224_l另一端與直流電容組C225_l —端連接，所述直流電容組C225_l另一端作為BOOST升壓電路220低電位輸出端與制動電路230另一輸入端相連接後接地。所述第二子變流器23中BOOST升壓電路220由電抗器R221_2、全控器件Q222_2、二極體D223_2、直流電容組C224_2和C225_2組成，所述全控器件Q222_2集電極作為BOOST升壓電路220高電位輸入端與直流電容組C224_2 —端、制動電路230 —輸入端相連接後接地，所述電抗器R221_2 —端作為BOOST升壓電路220低電位輸入端與三相整流模塊21負極輸出端連接，電抗器R221_2另一端與全控器件Q222_2發射極、二極體D223_2負極相連接，二極體D223_2正極與直流電容組C225_2 —端連接後作為BOOST升壓電路220低電位輸出端與制動電路230另一輸入端相連接，所述直流電容組C225_2另一端與直流電容組C224_2另一端相連接。如上所述，第一子變流器22中BOOST升壓電路220低電位輸入端和第二子變流器23中BOOST升壓電路220高電位輸入端通過共地連接形成串聯式級聯，每個BOOST升壓電路220承受的電壓降為原來三相整流模塊21輸出電壓的一半，從而將電壓等級降低，方便選取現有的電力電子全控器件。所述第一子變流器22中制動電路230由全控器件Q231_l和制動電阻R232_l串聯組成；第二子變流器23中制動電路230由全控器件Q231_2和制動電阻R232_2串聯組成。所述第一子變流器22中LC濾波電路250由電抗器組R251_l和電容器組C252_l組成；所述第二子變流器23中LC濾波電路250由電抗器組R251_2和電容器組C252_2組成.
如圖4所示為N=2時的本發明電路圖，其是在圖3基礎上對變流器2中的第一子變流器22和第二子變流器23進行倍增升容，每個子變流器都由兩個並聯連接的升壓逆變模塊200組成，子變流器之間通過共地連接形成串聯式級聯，適用於單機容量越來越大的風力發電機組，其中，所述三相整流模塊21採用了兩個並聯連接的二極體三相不控整流橋211，可適用於更大級別發電機I的三相整流。如上所述，根據變流器2電路結構需求，當網側變壓器3採用如圖5(a)所示的一個Dyn型分裂式變壓器時，其原邊側接電網，兩個副邊繞組的三相輸入端分別與各自對應的子變流器的LC濾波電路250三相輸出端接連接；網側變壓器3的中性點nl與對應的第一子變流器22中BOOST升壓電路220中性點NlJK LC濾波電路250中性點Nl_l連接；網側變壓器3另一個中性點n2與對應的第二子變流器23中的BOOST升壓電路220中性點N2_0、LC濾波電路250中性點N2_l連接。而當網側變壓器3採用如圖5 (b)所示的兩個Dyn型變壓器時，兩個變壓器的原邊並聯接入電網，副邊繞組的三相輸入端分別與對應濾波電路三相輸出端連接，中性點nl和n2分別對應與第一子變流器22、第二子變流器23電路結構中的中性點連接。如上所述，本案的工作原理與過程如下:如圖6所示，根據本案風力發電機組能量傳輸系統的結構，發電機I和網側變壓器3低壓側電網都可以等效為電壓源，這樣，對變流器2的控制主要集中於發電機側電流和網側電流的控制。變流器2可控部分包括BOOST升壓電路220、制動電路230和三相逆變器240，如上所述，對變流器2基本結構中的第一子變流器22和第二子變流器23採用相同的控制方式，對每個升壓逆變模塊200中的BOOST升壓電路220、制動電路230和三相逆變器240分別採用電流環控制、電壓斬波控制和電流環控制方式。其中，BOOST升壓電路220採用電流控制策略，用於調節發電機I輸出功率，根據變速運行風電機組的控制原理:在達到額定功率前，對發電機電磁轉矩的控制目標在於最大程度獲取風能；在達到額定功率後，對發電機電磁轉矩的控制目標在於穩定功率輸出，如此，根據當前風電機組所 需功率和當前發電機輸出電壓，調節BOOST升壓電路220上全控器件Q222_l的開關時間。制動電路230採用電壓斬波控制策略，用於實現變流器故障下的自我保護。對BOOST升壓電路220輸出的直流側電壓都設定上限值，當實際電壓值超過該上限值時，觸發故障保護；制動電路230的全控器件以斬波形式進行導通，開關周期內的導通時間與直流側電壓大小成正比，由制動電阻釋放蓄積的能量。三相逆變器240採用電流滯環跟蹤控制方式，控制目標為在穩定直流側電壓的同時，將直流側的能量輸送往交流側電網。三相逆變器240直流側的電壓設定值根據三相逆變器240輸出電壓等級來確定，滿足正常工作的需求。如上所述，發電機I輸出的電流通過三相整流模塊21的三相整流後，分別通過第一子變流器22、第二子變流器23上的升壓逆變模塊200進行升壓及三相逆變，最後通過網側變壓器3輸送給電網中。如上所述，本案保護的風力發電機組能量傳輸系統，其擴容的出發點在於基本結構和擴容後結構具有等效的結構特性，一切與本案結構相同或相近的技術方案都應示為落入本案保護範圍內。
權利要求
1.一種風力發電機組能量傳輸系統，其特徵在於包括有順次連接的發電機(I)、變流器(2)、以及網側變壓器(3)，所述變流器(2)包括有三相整流模塊(21)、與三相整流模塊(21)正極輸出端連接的第一子變流器(22)、以及與三相整流模塊(21)負極輸出端連接的第二子變流器(23)，所述第一子變流器(22)輸出端和第二子變流器(23)輸出端分別與網側變壓器(3 )輸入端連接，所述第一子變流器(22 )由N個升壓逆變模塊(200 )組成，其中N彡1，而當N彡2時，升壓逆變模塊(200)之間為並聯連接結構；所述第二子變流器(23)的電路結構與第一子變流器(22)的電路結構相同，所述第一子變流器(22)中升壓逆變模塊(200 )高電位輸入端接三相整流模塊(21)正極輸出端，第二子變流器(23 )中的升壓逆變模塊(200)低電位輸入端接三相整流模塊(21)負極輸出端，第一子變流器(22)中升壓逆變模塊(200)低電位輸入端與第二子變流器(23)中升壓逆變模塊(200)高電位輸入端通過共地連接形成串聯式級聯，所述第一子變流器(22)中升壓逆變模塊(200)輸出端、第二子變流器(23)中升壓逆變模塊(200)輸出端分別與網側變壓器(3)輸入端連接。
2.根據權利要求1所述的一種風力發電機組能量傳輸系統，其特徵在於所述三相整流模塊(21)包括有二極體三相不控整流橋(211)和參數相同的直流電容組C211_l、C211_2,所述二極體三相不控整流橋(211)輸入端接發電機(I)輸出端，所述直流電容組C211_l和C211_2串聯連接後並聯在二極體三相不控整流橋(211)正負極輸出端上，直流電容組C211_l和C211_2的連接點接地。
3.根據權利要求1或2所述的一種風力發電機組能量傳輸系統，其特徵在於所述升壓逆變模塊(200 )包括有順次連接的BOOST升壓電路(220 )、制動電路(230 )、三相逆變器(240)和LC濾波電路(250)，其中，第一子變流器(22)中的BOOST升壓電路(220)高電位輸入端接三相整流模塊(21)正極輸出端，第二子變流器(23)中的BOOST升壓電路(220)低電位輸入端接三相整流模塊(21)負極輸出端，第一子變流器(22)中的BOOST升壓電路(220)低電位輸入端與第二子變流器(23)中的BOOST升壓電路(220)高電位輸入端通過共地連接形成串聯式級聯，所述第一子變流器(22)中LC濾波電路(250)三相輸出端與網側變壓器(300 ) 一副邊三相繞組輸入端連 接，第二子變流器(23 )中的LC濾波電路(250 )三相輸出端與網側變壓器(3)另一副邊三相繞組輸入端連接，網側變壓器(3)原邊三相繞組輸出端與電網連接。
4.根據權利要求3所述的一種風力發電機組能量傳輸系統，其特徵在於所述網側變壓器(300)採用包含了兩個獨立中性點nl、n2的一個Dyn型分裂式變壓器或兩個Dyn型變壓器。
5.根據權利要求4所述的一種風力發電機組能量傳輸系統，其特徵在於所述第一子變流器(22)中BOOST升壓電路(220)由電抗器R221_l、全控器件Q222_l、二極體D223_l、直流電容組C224_l和C225_l組成，所述電抗器R221_l —端作為BOOST升壓電路(220)高電位輸入端接三相整流模塊(21)正極輸出端，電抗器R221_l另一端與全控器件Q222_l集電極、二極體D223_l正極相連接，全控器件Q222_l發射極作為BOOST升壓電路(220)低電位輸入端接地，二極體D223_l負極與直流電容組C224_l —端相連接後作為BOOST升壓電路(220)高電位輸出端與制動電路(230) —輸入端連接，直流電容組C224_l另一端與直流電容組C225_l —端相連接，其連接點N1_0接網側變壓器(300)對應的中性點nl，所述直流電容組C225_l另一端作為BOOST升壓電路(220)低電位輸出端與制動電路(230)另一輸入端相連接後接地；所述第二子變流器(23)中BOOST升壓電路(220)由電抗器R221_2、全控器件Q222_2、二極體D223_2、直流電容組C224_2和C225_2組成，所述全控器件Q222_2集電極作為BOOST升壓電路(220)高電位輸入端與直流電容組C224_2 —端、制動電路(230) —輸入端相連接後接地，所述電抗器R221_2 —端作為BOOST升壓電路(220)低電位輸入端與三相整流模塊(21)負極輸出端連接，電抗器R221_2另一端與全控器件Q222_2發射極、二極體D223_2負極相連接，二極體D223_2正極與直流電容組C225_2 —端連接後作為BOOST升壓電路(220)低電位輸出端與制動電路(230)另一輸入端相連接，所述直流電容組C225_2另一端與直流電容組C224_2另一端相相連接，其連接點N2_0接網側變壓器(300)對應的中性點n2。
6.根據權利要求5所述的一種風力發電機組能量傳輸系統,其特徵在於所述第一子變流器(22)中制動電路(230)由全控器件Q231_l和制動電阻R232_l串聯組成；第二子變流器(23)中制動電路(230)由全控器件Q231_2和制動電阻R232_2串聯組成。
7.根據權利要求6所述的一種風力發電機組能量傳輸系統，其特徵在於所述第一子變流器(22 )中LC濾波電路(250 )包括有電抗器組R251_1和電容器組C252_l，所述電抗器組R251_l 一端與對應三相逆變器(240)三相輸出端連接，電抗器組R251_l另一端與電容器組C252_l 一端、網側變壓器(300) —副邊三相繞組輸入端連接，電容器組C252_l另一端Nl_l接網側變壓器(300)對應的中性點nl ;所述第二子變流器(23)中LC濾波電路(250)包括有電抗器組R251_2和電容器組C252_2，所述電抗器組R251_2 —端與對應三相逆變器(240)三相輸出端連接，電抗器組R251_2另一端與電容器組C252_2 —端、網側變壓器(300)另一副邊三相繞組輸入端連接，電容器組C252_2另一端N2_l接網側變壓器(300)對應的中性點n2，網側變壓器(3 00)原邊三相繞組輸出端接電網。
全文摘要
本發明公開了一種風力發電機組能量傳輸系統，包括有順次連接的發電機、變流器、以及網側變壓器，所述變流器包括有三相整流模塊、第一子變流器和第二子變流器，本案的第一子變流器與第二子變流器之間通過共地連接形成串聯式級聯，每個子變流器承受的電壓降為原來三相整流模塊輸出電壓的一半，從而將電壓等級降低，方便選取現有的電力電子全控器件，而且，每個子變流器通過若干個升壓逆變模塊並聯連接組成，可起並聯分流作用，降低了所需電力電子功率器件的電流等級，方便選取現有的電力電子全控器件，根據風力發電機組的容量，選擇數量合適的整流模塊、升壓逆變模塊，以達到容量設計要求，其適用於單機大容量的風力發電機組。
文檔編號H02J3/38GK103248070SQ20131017295
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月10日 優先權日2013年5月10日
發明者宋冬然, 馬學亮, 晏勤 申請人:廣東明陽風電產業集團有限公司