一种中压大容量风力发电变流器拓扑制造技术

一种中压大容量风力发电变流器拓扑，属于一种中压大容量风力发电变流器拓扑。风力发电变流器拓扑采用模块化结构，由多个相同的功率变换模块构成；每一个功率模块包含三个单元：机侧H桥整流器单元，直流侧四端口隔离DC/DC变换器单元以及网侧三相并网逆变单元；每一个功率变换模块均有三相输入端，输入端按相序串联后接入中压风力发电机；每一个功率变换模块均有三相输出端，输出端按相序并联后经过升压变压器接入高压电网，构成中压大容量风电变流器拓扑。优点：引入四端口隔离DC/DC变换器单元实现电气隔离，且具有低频波动功率的汇聚与抵消功能，无需低频多绕组变压器，大幅减小直流侧所需电容容值，体积小、功率密度高、可靠性高。

【技术实现步骤摘要】
一种中压大容量风力发电变流器拓扑
本专利技术涉及风力发电
，特别是一种中压大容量风力发电变流器拓扑。
技术介绍
在风力发电系统领域，提高单机容量有助于降低系统整体制造、运营和维护的成本，显著提高风电度电成本。近20年来，全球风电制造商不断推进风电单机容量的提升，风电的单机容量获得迅猛增加，单机风电变流器功率已突破10MW。传统的风力风电系统中风机电压一般为690V交流电压，通过多台低压两电平背靠背变换器并联接入交流电网。随风力发电单机容量达到10MW级，上述方案存在风机和变流器电流过大问题，导致风力发电机损耗、电缆损耗、重量和成本大幅提高，严重制约风力发电系统成本的降低。提升风力发电机工作电压从而降低整体电流是解决上述问题的有效思路。例如，提升风力发电机电压至10kV，风机和变流器电流均可大幅度降低。此时传统的低压两电平背靠背并网变流器拓扑无法满足高电压变换要求。多电平变流器可在采用低压功率器件条件下输出高电压，兼具等效开关频率高、损耗小的优势，国内外学者提出多种多电平大容量风电变流器方案。图1为现有技术典型的级联H桥风力发电变流器拓扑结构，该拓扑具有开关频率低、开关损耗小、模块化和低成本的优势，是高压电机驱动领域常用拓扑。但级联H桥风力发电变流器系统存在多个浮动直流侧，需采用体积庞大的低频多绕组变压器来实现系统电气隔离，此外，风力发电机工作频率较低，风电变流器直流侧存在低频波动问题，需安装多个大容量直流电容来实现直流侧电压稳定。低频多绕组变压器会导致整机体积庞大，功率密度较低。多个大容量直流侧高压直流电容不仅导致整机体积大、功率密度低，且故障率较高，可靠性差，会进一步增加系统的维护成本，降低可靠性。如何减小直流电容容值是级联H桥风力发电变流器在未来获得广泛工业应用的关键问题之一。
技术实现思路
本专利技术的目的是要提供一种中压大容量风力发电变流器拓扑，解决现有中压大容量风力发电变流器技术中采用低频多绕组变压器和大容量直流电容导致的体积庞大、功率密度低和可靠性差的问题。本专利技术的目的是这样实现的：风力发电变流器拓扑为模块化结构，由多个相同的功率变换模块组成，每一个功率变换模块均有三相输入端，输入端按相序串联后接入中压风力发电机；每一个功率变换模块均有三相输出端，输出端按相序并联后经过升压变压器接入高压电网，构成中压大容量风电变流器拓扑。所述的功率变换模块均包含三部分：机侧H桥整流单元，直流侧四端口隔离DC/DC变换器单元以及网侧三相逆变单元；其中：机侧H桥整流单元由三个单独的单相H桥变换器构成，每一个单独的单相H桥变换器的输入端接入一相交流电源；网侧三相逆变单元由三相逆变器构成，三相逆变器输出三相交流电源；直流侧四端口隔离DC/DC变换器单元由三个单相H桥输入变换器，一个四绕组高频变压器和一个单相输出变换器组成，四绕组高频变压器分别于三个单相H桥输入变换器和单相输出变换器的交流侧连接；直流侧四端口隔离DC/DC变换器单元共有四个直流端口，其中三个单相H桥输入变换器的直流端口分别作为输入端口，通过直流电容C1，C2和C3与机侧H桥整流单元的三个直流输出端相连，单相输出变换器的直流端口作为输出端口通过直流电容C4与单相输出变流器与网侧三相逆变器单元的直流输入端相连接。所述的功率变换模块中三个直流输入端口的直流电容C1，C2和C3的工作电压完全相等，直流输出端口处直流电容C4的工作电压可根据网侧三相并网变流器电压等级、单相输出变换器拓扑具体形式和功率器件耐压等级来选取，常规工况下为保证所有功率器件耐压等级一致，可设置为三个输入端口直流电压的一倍或两倍。所述的网侧三相逆变单元有两种拓扑形式：第一种拓扑形式为标准的三相两电平变流器；第二种拓扑形式为标准的三相中点钳位型三电平并网变流器单元。所述的直流侧四端口隔离DC/DC变换单元：三个H桥输入变换器的额定功率完全相等；单相输出变换器的额定功率为三个H桥输入变换器的额定功率之和。单相输出变换器有两种可选的拓扑形式：第一种为标准的单相H桥变换器，共有四个功率开关器件，每两个功率开关器件串联成一个桥臂，两个桥臂并联组合而成；第二种为二极管中点钳位型五电平H桥变换器组成，共有八个功率开关器件和四个钳位二极管，其中四个功率开关器件串联成为一个桥臂，桥臂中点通过一个钳位二极管接入电容C4的中点，两个桥臂结构相同，并联组成所述二极管中点钳位型五电平H桥变换器。所述的风力发电变流器拓扑采用常规的控制方法即可实现风力发电运行，同时消除级联机侧H桥整流单元的H桥侧直流电容的低频功率波动，具体控制方法如下：机侧级联H桥多电平变流器采用矢量控制策略实现永磁同步风力发电机转速和风速调节，同时将风机发出的三相交流电变换为多个稳定的直流电；四端口隔离DC/DC变换器单元控制直流侧电容C1、电容C2、电容C3三个端口的直流电压为固定值，电容C1、电容C2和电容C3的波动能量通过四绕组高频隔离变压器磁路进行自动抵消，完全消除直流侧电容C1、电容C2和电容C3电压的波动；网侧三相逆变器单元的三相逆变控制时采用传统的并网逆变器控制方法控制直流侧电容C4电压为固定值。有益效果，由于采用了上述方案，风力发电变流器拓扑采用模块化结构，共由n个相同的模块组成，每个模块包含三部分：机侧H桥变换器单元，直流侧四端口隔离DC/DC变流器单元以及网侧三相并网逆变单元；n个模块输入侧串联输出侧并联后形成完整拓扑；其中机侧H桥变换单元串联后形成级联H桥多电平变流器与中压风力发电机相连接，网侧三相并网逆变单元并联后通过升压变压器接入高压电网，直流侧四端口变流器用于实现机侧与网侧能量交互及隔离。所述中压大容量风力发电变流器拓扑可自动实现低频波动功率汇聚抵消，具体为：级联H桥变换器工作本质为单相变流器，当交流侧电压、电流均为正弦波形时，直流侧必然存在低频波动功率，导致机侧H桥变流器需采用大容量直流电容来稳定直流电压；但值得注意的是三相机侧H桥整流单元的波动功率分量的相位并不相同，依次相差240度，如将上述三个机侧H桥整流单元的输入功率叠加，三相机侧H桥整流单元的波动功率分量可完全相互抵消。直流侧四端口隔离DC/DC变换器单元本身可将三个直流输入端口的能量传输至第四个直流输入端口，因此通过控制四端口隔离DC/DC变换器的直流电压稳定，且保证电压环在低频波动频率点有足够的环路增益，即可可自动将机侧三个H桥整流单元的低频波动功率通过四绕组高频变压器的磁路进行抵消，从而完全消除低频功率波动，减小机侧H桥整流单元所需直流电容容值。该风力发电变流器拓扑相较于现有级联H桥风电变流器拓扑具有如下显著优势：1)通过四绕组高频变压器进行隔离，无需设置体积庞大的低频多绕组变压器，可大幅降低整机体积，提高功率密度。2)通过四端口隔离DC/DC变换器提供低频波动功率汇聚抵消的路径，结合常规的控制方法可自动消除直流侧低频功率波动，从而大幅减小直流侧所需高压电容容值，只需采用多个低容值高压薄膜电容来实现能量缓冲即本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种中压大容量风力发电变流器拓扑，其特征是：整体采用模块化结构，由多个相同的功率变换模块组成，每一个功率变换模块均有三相输入端，输入端按相序串联后接入中压风力发电机；每一个功率变换模块均有三相输出端，输出端按相序并联后经过升压变压器接入高压电网，构成中压大容量风电变流器拓扑。/n

【技术特征摘要】
1.一种中压大容量风力发电变流器拓扑，其特征是：整体采用模块化结构，由多个相同的功率变换模块组成，每一个功率变换模块均有三相输入端，输入端按相序串联后接入中压风力发电机；每一个功率变换模块均有三相输出端，输出端按相序并联后经过升压变压器接入高压电网，构成中压大容量风电变流器拓扑。


2.根据权利要求1所述的一种中压大容量风力发电变流器拓扑，其特征是：所述的每一个功率变换模块均包含三部分：机侧H桥整流单元，直流侧四端口隔离DC/DC变换器单元以及网侧三相逆变单元；其中：
机侧H桥整流单元由三个单独的单相H桥变换器构成，每一个单独的单相H桥变换器的输入端接入一相交流电源；
网侧三相逆变单元由三相逆变器构成，三相逆变器输出三相交流电源；
直流侧四端口隔离DC/DC变换器单元由三个单相H桥输入变换器，一个四绕组高频变压器和一个单相输出变换器组成，四绕组高频变压器分别于三个单相H桥输入变换器和单相输出变换器的交流侧连接；
直流侧四端口隔离DC/DC变换器单元共有四个直流端口，其中三个单相H桥输入变换器的直流端口分别作为输入端口，通过直流电容C1，C2和C3与机侧H桥整流单元的三个直流输出端相连，单相输出变换器的直流端口作为输出端口通过直流电容C4与单相输出变流器与网侧三相逆变器单元的直流输入端相连接。


3.根据权利要求1或2所述的一种中压大容量风力发电变流器拓扑，其特征是：所述的功率变换模块中，三个直流输入端口的直流电容C1，C2和C3的工作电压完全相等，直流输出端口处直流电容C4的工作电压可根据网侧三相并网变流器电压等级、单相输出变换器拓扑具体形式和功率器件耐压等级来选取，常规工况下为保证所有功率器件耐压等级一致，可设置为三个输入端口直流电压的一倍或两倍。


4.根据权利要求1或2所述的一种中压大容量风力发电变流器拓扑，其特征是：所述的网...

【专利技术属性】
技术研发人员：张永磊，原熙博，彭新，朱朋，魏琛，伍小杰，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32