[实用新型]兆瓦级风力发电用全功率并网变流器

说明书

(一)技术领域

本实用新型涉及风力发电技术领域，特别涉及一种风力发电变流器。

(二)背景技术

风能作为一种清洁、无污染的可再生能源越来越受到人们的关注，风力发电将成为21世纪最大规模开发的新能源之一。目前的风力发电机单机容量不断增大，变速恒频、变桨矩型风力机逐渐占据了主导地位。齿轮箱是在目前MW级风力发电机组中过载和过早损坏率较高的部件，从上世纪末开始，以德国Enercon为首的风电机组制造商，推出了一系列无齿轮箱直驱式风力发电系统。这种机组采用多级风力发电机与叶轮直接耦合连接进行驱动的方式，免去齿轮箱这一传统部件，具备低噪声、提高机组寿命、减小机组体积、降低运行维护成本、较低的噪音、低风速时高效率等多种优点，在今后风力机发展中有很大的发展空间。可以预计，省去齿轮箱的直驱式风力发电系统将成为未来风力发电技术发展的主要方向。

直驱式风力发电机组的并网变流器功率等级与发电机组相当，发电机发出的电能全部均需通过变流器变换为频率、电压恒定的交流电馈入电网，并通过对电机侧变流器电流的控制而控制电磁转距，使之实现最大功率输出。与电机直接并网的风力发电系统相比，变流器在发电机组与电网之间的使用，实现了发电机组与电网间的隔离，转速与电网频率之间的耦合问题将得以解决，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。

欧美国家在风电技术上处于领先地位，很多进入风机市场的公司，诸如ABB，Vestas等都推出了2MW-5MW的相关产品。目前在大功率尤其是兆瓦级以上的场合，风机系统主要分为三类：①笼型感应电机恒速恒频风力发电系统；②交流励磁双馈电机变速恒频风力发电系统；③永磁直驱电机变速恒频风力发电系统。

在双馈电机系统中，由于功率变流器位于转子侧，仅处理转差功率，功率变流器额功率为其发电机容量的三分之一左右，并且也属于低压变流器，因此变流器的成本、体积大大降低。由于双馈电机系统的特点，客观上需要低压并且能够四象限运行的功率变流器。传统的交-直-交两电平变流器以其优越的性能，在目前不同风电厂家的变流器产品中得到普遍采用，如图1所示。在这方面作的最为成功是西班牙的Gamesa公司和丹麦的Vestas公司。

在永磁直驱变速恒频风力发电系统中，永磁电机通过全容量的功率变流器与电网相连，实现变速恒频发电。它所需要的是一个全功率变流器。西班牙的MADE公司和德国的SEG公司采用如图2所示的主电路结构，即能量经由不可控AC-DC变流器到达直流侧，由于风速的变化，导致了直流侧电压的波动，采用升压变流器将电压固定到DC-AC变流器的直流母线侧，然后通过DC-AC变流器逆变为符合电网频率的交流电后并网。这种电路结构的成本很低，但是它不具备四象限运行的能力，因而在运行中受到很大的限制。而具备四象限运行能力的双PWW控制的功率变流器则在德国的风机巨头Enercon公司得到了很好的应用(如图3所示)。这也是一种技术最为成熟，运行最为可靠，适应范围最为广泛的技术方案，因此在四象限的运行中被广泛采用。

此外，瑞士的ABB公司采用三电平的主电路结构来解决大功率尤其是兆瓦级以上的风电系统(如图4所示)。由于采用了永磁中压发电机，其产生的电压是4KV等级，所以采用三电平的背靠背式方案为最佳选择。虽然三电平变流器可以产生很低的电流电压谐波畸变率，并且需要很小的滤波装置，但是采用的IGCT开关器件的增加以及分立电容间的中性点电压漂移限制了这种主电路结构的应用。此外最近有文献报道中性点漂移可以采用控制的方式得到解决，但是由于我国的风机厂商的技术参数大多是690VAC，这更加限制多电平结构在我国的应用。

传统的电流型交直交变流器采用自然换流晶闸管作为开关器件，其直流侧电感比较昂贵，由于其低频性能比较差，因而风力发电中很少应用。Rockwell公司的PowerFlex7000是采用SGCT的电流型变流器(如图5所示)，适用于中压风机，而风力发电机为690VAC，因此电压等级不适用，如果应用在双馈电机中，电压匹配需要调整，此外PowerFlex7000在低速和零速附近的性能需要改进。

由于控制方法和硬件设计等各种因素，电压型变流器应用比较广泛。截止2003底，中国所有装机的风力发电机机组都是690VAC的低压机组，没有中高压机组，变速机组中所采用的变流器绝大部分为两电平电压型交直交变流器(如图3所示)。电压型交直交变流器，具有结构简单、谐波含量少、功率因数可调等优异的特点，可以明显的改善输出电能质量，并且该结构通过直流母线侧电容完全实现了网侧和电机侧的分离，也是目前变速恒频风力发电的一个代表方向。