适用于双馈风力发电系统的混合变流设备及方法

摘要

本发明公开了一种适用于双馈风力发电系统的混合变流设备及方法，所述设备包括：双馈风电机组；主变压器，连接在发电机转子侧与主变压器低压侧之间的电压源型交直交变流器VSC；连接在发电机转子侧与主变压器低压侧之间的电流源型交直交变流器CSC；其中利用所述CSC和VSC进行混合变流，其CSC作为主变流器承载大部分流通电流，其VSC作为辅助变流器承载小部分流通电流。本发明的设备利用电压源型变流器和电流源型变流器的优点，既降低开关损耗，又减少了低次谐波含量，同时还加快了系统响应时间和抑制了交流侧电流的震荡。

说明书

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，特别涉及一种适用于双馈风力发电机组的变流设备及 方法。

背景技术

对双馈风力发电机组而言，由于其转子能量的双向流动性，需要转子侧变流器为 双向变流器。目前可用于双馈风力发电系统的变流器拓扑结构主要是交直交变流器 (AC-DC-AC Converter)，根据其中间直流储能环节的不同可分为电压源型交直交变流 器(Voltage Source Converter，简称VSC)和电流源型交直交变流器(Current Source  Converter，简称CSC)。

VSC的特点是中间直流环节的储能元件采用大电容，系统的无功功率将由它来缓 冲，直流电压比较平稳，直流电源内阻较小，相当于电压源，故称电压源型交直交变 流器，其输出电压波形为矩形波而电流波形近似正弦波；CSC特点是中间直流环节采 用大电感作为储能环节，缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压接近正弦波，由 于该直流内阻较大，故称电流源型交直交变流器，其输出电流波形为矩形波而电压波 形近似正弦波。

由于VSC具有结构简单，损耗较低和控制方便等特点，并且储能元件电容相对于 电感而言，储能效率和储能器件的体积、价格等都具有明显的优势，因此一直成为变 频器的研究重点，但VSC的开关器件在导通过程中会在在交流端产生较大的电压应力， 交流侧电压变化率大，这会影响到电机的绝缘性能，通常需要在其交流端增加滤波器 以抑制较大的电压变化率。随着高温超导技术突破性的应用与发展，CSC在超导储能 中取得了成功应用。由于超导线圈损耗极低，并且可以直接作为CSC的直流侧储能电 感，同时由于超导系统中储能线圈具有良好的电流保护性能，相对于VSC而言，CSC 更为适合用于交直交变流器中。在故障情况下，尤其在电网电压跌落或者恢复过程中， CSC的直流电感能够限制流过功率器件的电流变化率，保持直流电流稳定，从而起到 保护功率器件的作用；但CSC也存在不足之处，当采用方波调制时变流器的输出含有 较丰富的低次谐波，并且由于双馈电机转子漏感的作用能够产生威胁到电机绝缘安全 的尖峰电压，为此在大多数此类变换器中在其输出端装有并联电容器，用于吸收尖峰 电压，当采用PWM调制时也需要在其输出端并联电容器用于吸收纹波电流。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于双馈风力发电机组的变流设备。

本发明的另一目的是提供一种适用于双馈风力发电机组的变流方法。

根据本发明的第一方面，提供了一种适用于双馈风力发电系统的混合变流设备，包括：

双馈风电机组；

主变压器；

连接在发电机转子侧与主变压器低压侧之间的电压源型交直交变流器VSC；

连接在发电机转子侧与主变压器低压侧之间的电流源型交直交变流器CSC；

其中利用所述CSC和VSC进行混合变流，其CSC作为主变流器承载大部分流通电流， 其VSC作为辅助变流器承载小部分流通电流。

本发明的设备利用电压源型变流器和电流源型变流器的优点，既降低开关损耗，又减 少了低次谐波含量，同时还加快了系统响应时间和抑制了交流侧电流的震荡。

优选地，所述CSC的调制频率低于所述VSC的调制频率。

优选地，所述CSC采用方波调制，所述VSC采用PWM调制。

优选地，所述VSC并联连接所述CSC，用于旁通低次谐波成分。

优选地，所述VSC承载的流通电流为CSC承载的流通电流的25％至15％。

优选地，所述CSC包括：

其交流侧连接发电机转子侧的电流源型机侧变流器；

其交流侧连接主变压器低压侧的电流源型网侧变流器；以及

串联在电流源型机侧变流器直流侧与电流源型网侧变流器直流侧之间电流通道上的 直流电感器。

优选地，所述VSC包括：

其交流侧连接发电机转子侧的电压源型机侧变流器；

连接电压源型网侧变流器交流侧与主变压器低压侧间的交流电感器；

电压源型网侧变流器，其交流侧经由交流电感器连接主变压器低压侧，其直流侧两端 连接电压源型机侧变流器直流侧两端；以及

并联连接电压源型机侧变流器直流侧两端和电压源型网侧变流器直流侧两端的电容 器。

根据本发明第二方面，提供了一种适用于双馈风力发电系统的混合变流方法，所述双 馈风力发电系统包括双馈风电机组和主变压器，所述方法包括以下步骤：

将电压源型交直交变流器VSC连接在发电机转子侧与主变压器低压侧之间；

将电流源型交直交变流器CSC连接在发电机转子侧与主变压器低压侧之间；

利用所述CSC和VSC进行混合变流，其中所述CSC作为主变流器承载大部分流通电流， 所述VSC作为辅助变流器承载小部分流通电流。

本发明的方法利用了电压源型变流器和电流源型变流器的优点，既降低开关损耗，又 减少了低次谐波含量，同时还加快了系统响应时间和抑制了交流侧电流的震荡。

优选地，所述CSC的调制频率低于所述VSC的调制频率。

优选地，所述CSC采用方波调制，所述VSC采用PWM调制。

相对于现有技术，本发明的有益效果是：

1、机组正常工作时，大部分能量由主变流器CSC提供通道，辅助变流器VSC承担小 部分的能量流动，由于主变流器的开关频率远远小于辅助变流器的开关频率，因此极大的 减少了开关器件的开关损耗；

2、在电网电压跌落或者恢复过程中，主变流器的直流电感能够限制流过功率器件的 电流变化率，保持直流电流稳定，从而起到保护功率器件的作用。

附图说明

图1是本发明的适用于双馈风力发电机组的变流设备的原理图；

其中，1为风机轮毂，2为齿轮箱，3为双馈发电机，4为主变压器，5为电网，6 为电流源型机侧变流器，7为电流源型变流器直流电感，8为电流源型网侧变流器，9 为电压源型机侧变流器，10为电压源型变流器直流电容，11为电压源型网侧变流器， 12为电压源型变流器交流电感。

图2显示了一种适用于双馈风力发电系统的混合变流方法流程图。

具体实施方式

图1显示了本发明的一种适用于双馈风力发电系统的混合变流设备，包括双馈风电机 组3；主变压器4；连接在发电机3转子侧与主变压器4低压侧之间的电压源型交直交变 流器VSC，包括电流源型机侧变流器6、电流源型变流器直流电感7以及电流源型网侧变 流器8；连接在发电机3转子侧与主变压器4低压侧之间的电流源型交直交变流器CSC， 包括电压源型机侧变流器9、电压源型变流器直流电容10、电压源型网侧变流器11以及 电压源型变流器交流电感12；利用CSC和VSC进行混合变流，其CSC作为主变流器承载大 部分流通电流，其VSC作为辅助变流器承载小部分流通电流。

CSC的调制频率或开关频率低于所述VSC的调制频率或开关频率。

VSC并联连接所述CSC，它的主要作用之一是旁路低次谐波成分。

另外，VSC承载的流通电流为CSC承载的流通电流的25％至15％，通常为20％。

如图1所示，CSC包括：其交流侧连接发电机3转子侧的电流源型机侧变流器6；其 交流侧连接主变压器4低压侧的电流源型网侧变流器8；串联在电流源型机侧变流器6直 流侧与电流源型网侧变流器8直流侧之间电流通道上的直流电感器，即电流源型变流器直 流电感7。

如图1所示，VSC包括：其交流侧连接发电机3转子侧的电压源型机侧变流器9；连 接主变压器4低压侧的交流电感器即电压源型变流器交流电感12；电压源型网侧变流器 11，其交流侧经由交流电感器12连接主变压器4低压侧，其直流侧两端连接电压源型机 侧变流器9直流侧两端；并联连接电压源型机侧变流器9直流侧两端和电压源型网侧变流 器11直流侧两端的电压源型变流器直流电容10。

本发明以电流源型变流器作为主变流器，它采用开关频率较低的方波调制，并且承载 着主要的流通电流，以电压源型变流器作为辅助变流器，虽然它的开关频率较高，但其所 承担的流通电流较小，因此整个变流器开关损耗较小，效率较高，这种混合型变流器的开 关损耗仅为等效的电压源型变流器开关损耗的1/3左右。

同时，由于VSC的输出电压相量确保了较快的电流幅值动态响应，而CSC的输出电流 相量确保了较快的电流相位响应，因此，无论是与VSC相比还是与CSC相比，这种混合型 变流器都具有较快的动态响应特性；另外，作为辅助变流器的VSC除了起到旁路方波变流 器的低频谐波的作用外，还作为一个有源电阻，在双馈风电机组轻载时为主变流器提供阻 尼，从而抑制轻载时电流振荡。

还有就是这样的结构设计使得双馈风电机组更具一定的冗余性，增加机组的安全可靠 性。

本发明的主变流器CSC采用调制频率较低的方波调制方案，承担了较大部分的转子电 流，而辅助变流器采用PWM调制，其电流约为主变流器电流的20％，主要起到旁路低次谐 波成份的作用。机组正常工作时，大部分能量由主变流器提供通道，辅助变流器承担小部 分的能量流动，由于主变流器的开关频率远远小于辅助变流器的开关频率，因此极大的减 少了开关器件的开关损耗；在电网电压跌落或者恢复过程中，主变流器的直流电感能够限 制流过功率器件的电流变化率，保持直流电流稳定，从而起到保护功率器件的作用。

图2显示了本发明的一种适用于双馈风力发电系统的混合变流方法的流程图，所述双 馈风力发电系统包括双馈风电机组和主变压器，该方法包括以下步骤：

步骤S201：将电压源型交直交变流器VSC连接在发电机转子侧与主变压器低压侧之间；

步骤S202：将电流源型交直交变流器CSC连接在发电机转子侧与主变压器低压侧之间；

步骤S203：利用所述CSC和VSC进行混合变流，其中所述CSC作为主变流器承载大部 分流通电流，所述VSC作为辅助变流器承载小部分流通电流。

本发明的有益效果是：所述电流源型变流器作为主变流器，串联在发电机转子侧，与 变压器低压侧连接，所述电压源型变流器作为辅助变流器，并联在主变流器交流侧两端， 配合主变流器工作；经过现场实践验证，用于双馈风力发电系统的混合型交直交变流器， 可以很好的完成双馈风电机组的运行效果，电网故障时，直流电感保护了功率器件，提高 了机组的安全可靠性能，降低了开关损耗和减少了低次谐波含量，并加快了系统响应时间 和抑制了电流震荡。

尽管上文对本发明进行了详细说明，但是本发明不限于此，本技术领域技术人员可以 根据本发明的原理进行各种修改。因此，凡按照本发明原理所作的修改，都应当理解为落 入本发明的保护范围。