[實(shí)用新型]兆瓦級風(fēng)力發(fā)電用全功率并網(wǎng)變流器

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200720115527.4
• 申請日: 2007-02-07
• 公開（公告）號: CN201061153Y
• 公開（公告）日: 2008-05-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李寅;官二勇;周維來;丁兆國;孫敬華;白德芳;鄧志平;顧春明;金慶才;劉振龍;龐宇剛;劉宇光
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱九洲電氣股份有限公司
• 主分類號: H02J3/38
• 分類號: H02J3/38;H02M5/458;H02M7/219;H02M7/5387;H02M1/12;H02M1/42
• 代理公司: 哈爾濱市哈科專利事務(wù)所有限責(zé)任公司
• 代理人: 劉婭

(一)技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種風(fēng)力發(fā)電變流器。

(二)背景技術(shù)

風(fēng)能作為一種清潔、無污染的可再生能源越來越受到人們的關(guān)注，風(fēng)力發(fā)電將成為21世紀(jì)最大規(guī)模開發(fā)的新能源之一。目前的風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量不斷增大，變速恒頻、變槳矩型風(fēng)力機(jī)逐漸占據(jù)了主導(dǎo)地位。齒輪箱是在目前MW級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中過載和過早損壞率較高的部件，從上世紀(jì)末開始，以德國Enercon為首的風(fēng)電機(jī)組制造商，推出了一系列無齒輪箱直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。這種機(jī)組采用多級風(fēng)力發(fā)電機(jī)與葉輪直接耦合連接進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的方式，免去齒輪箱這一傳統(tǒng)部件，具備低噪聲、提高機(jī)組壽命、減小機(jī)組體積、降低運(yùn)行維護(hù)成本、較低的噪音、低風(fēng)速時(shí)高效率等多種優(yōu)點(diǎn)，在今后風(fēng)力機(jī)發(fā)展中有很大的發(fā)展空間。可以預(yù)計(jì)，省去齒輪箱的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)將成為未來風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展的主要方向。

直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)變流器功率等級與發(fā)電機(jī)組相當(dāng)，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能全部均需通過變流器變換為頻率、電壓恒定的交流電饋入電網(wǎng)，并通過對電機(jī)側(cè)變流器電流的控制而控制電磁轉(zhuǎn)距，使之實(shí)現(xiàn)最大功率輸出。與電機(jī)直接并網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相比，變流器在發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)之間的使用，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)間的隔離，轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率之間的耦合問題將得以解決，也在一定程度上避免了因電網(wǎng)波動(dòng)對發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行所帶來的不利影響。

歐美國家在風(fēng)電技術(shù)上處于領(lǐng)先地位，很多進(jìn)入風(fēng)機(jī)市場的公司，諸如ABB，Vestas等都推出了2MW-5MW的相關(guān)產(chǎn)品。目前在大功率尤其是兆瓦級以上的場合，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)主要分為三類：①籠型感應(yīng)電機(jī)恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；②交流勵(lì)磁雙饋電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；③永磁直驅(qū)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

在雙饋電機(jī)系統(tǒng)中，由于功率變流器位于轉(zhuǎn)子側(cè)，僅處理轉(zhuǎn)差功率，功率變流器額功率為其發(fā)電機(jī)容量的三分之一左右，并且也屬于低壓變流器，因此變流器的成本、體積大大降低。由于雙饋電機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)，客觀上需要低壓并且能夠四象限運(yùn)行的功率變流器。傳統(tǒng)的交-直-交兩電平變流器以其優(yōu)越的性能，在目前不同風(fēng)電廠家的變流器產(chǎn)品中得到普遍采用，如圖1所示。在這方面作的最為成功是西班牙的Gamesa公司和丹麥的Vestas公司。

在永磁直驅(qū)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，永磁電機(jī)通過全容量的功率變流器與電網(wǎng)相連，實(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電。它所需要的是一個(gè)全功率變流器。西班牙的MADE公司和德國的SEG公司采用如圖2所示的主電路結(jié)構(gòu)，即能量經(jīng)由不可控AC-DC變流器到達(dá)直流側(cè)，由于風(fēng)速的變化，導(dǎo)致了直流側(cè)電壓的波動(dòng)，采用升壓變流器將電壓固定到DC-AC變流器的直流母線側(cè)，然后通過DC-AC變流器逆變?yōu)榉想娋W(wǎng)頻率的交流電后并網(wǎng)。這種電路結(jié)構(gòu)的成本很低，但是它不具備四象限運(yùn)行的能力，因而在運(yùn)行中受到很大的限制。而具備四象限運(yùn)行能力的雙PWW控制的功率變流器則在德國的風(fēng)機(jī)巨頭Enercon公司得到了很好的應(yīng)用(如圖3所示)。這也是一種技術(shù)最為成熟，運(yùn)行最為可靠，適應(yīng)范圍最為廣泛的技術(shù)方案，因此在四象限的運(yùn)行中被廣泛采用。

此外，瑞士的ABB公司采用三電平的主電路結(jié)構(gòu)來解決大功率尤其是兆瓦級以上的風(fēng)電系統(tǒng)(如圖4所示)。由于采用了永磁中壓發(fā)電機(jī)，其產(chǎn)生的電壓是4KV等級，所以采用三電平的背靠背式方案為最佳選擇。雖然三電平變流器可以產(chǎn)生很低的電流電壓諧波畸變率，并且需要很小的濾波裝置，但是采用的IGCT開關(guān)器件的增加以及分立電容間的中性點(diǎn)電壓漂移限制了這種主電路結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。此外最近有文獻(xiàn)報(bào)道中性點(diǎn)漂移可以采用控制的方式得到解決，但是由于我國的風(fēng)機(jī)廠商的技術(shù)參數(shù)大多是690VAC，這更加限制多電平結(jié)構(gòu)在我國的應(yīng)用。

傳統(tǒng)的電流型交直交變流器采用自然換流晶閘管作為開關(guān)器件，其直流側(cè)電感比較昂貴，由于其低頻性能比較差，因而風(fēng)力發(fā)電中很少應(yīng)用。Rockwell公司的PowerFlex7000是采用SGCT的電流型變流器(如圖5所示)，適用于中壓風(fēng)機(jī)，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)為690VAC，因此電壓等級不適用，如果應(yīng)用在雙饋電機(jī)中，電壓匹配需要調(diào)整，此外PowerFlex7000在低速和零速附近的性能需要改進(jìn)。

由于控制方法和硬件設(shè)計(jì)等各種因素，電壓型變流器應(yīng)用比較廣泛。截止2003底，中國所有裝機(jī)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組都是690VAC的低壓機(jī)組，沒有中高壓機(jī)組，變速機(jī)組中所采用的變流器絕大部分為兩電平電壓型交直交變流器(如圖3所示)。電壓型交直交變流器，具有結(jié)構(gòu)簡單、諧波含量少、功率因數(shù)可調(diào)等優(yōu)異的特點(diǎn)，可以明顯的改善輸出電能質(zhì)量，并且該結(jié)構(gòu)通過直流母線側(cè)電容完全實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)和電機(jī)側(cè)的分離，也是目前變速恒頻風(fēng)力發(fā)電的一個(gè)代表方向。