用于风力发电系统的五电平H桥级联背靠背变流器技术方案

一种用于风力发电系统的五电平Ｈ桥级联背靠背变流器，由六个五电平Ｈ桥级联单元级联而成。变流器交流输入端与永磁同步发电机的定子侧输出端子相连，输出端接到电网。六个五电平Ｈ桥级联单元分为整流组和逆变组，三个五电平Ｈ桥级联单元组成的整流组将风机输出的交流电转换成六路输出的直流，这六路输出直流经过各自的直流母线电容，输入到三个五电平Ｈ桥级联单元组成的逆变组中，逆变组最后输出五电平的交流电，并到电网。变流器用数字信号处理芯片ＤＳＰ控制，采用载波相移控制方法。本发明专利技术顺应了风力发电系统的容量不断增加的趋势，可胜任兆瓦级的风力发电直驱系统的要求，明显改善了输出到电网电压波形的形状，更好地满足了电网并网标准的要求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于风力发电系统的电流变换器，具体是一种多电平的背靠背变流器
技术介绍
近年来，多电平变流器在高压、大功率领域受到了国内业界的普遍关注。多电平变流器的思 想最早于1981年由Nablae等人提出的，它的基本思路是由几个电平台阶合成阶梯波以逼近正 弦输出电压。多电平变流器作为一种新型的高压大容量功率变流器，从电路拓扑结构入手，在 得到高质量输出波形的同时，克服了两电平变流器的诸多缺点，无须输出变压器和动态均压电 路，开关频率低，并有开关器件应力小，系统效率高等一系列优点。随着开关器件容量的上升，开关导通特性的改善，多电平变流器的优点越来越显著。其优点 主要体现在减少输入输出谐波，减小了输入滤波器的体积与容量，降低电磁千扰(EMI)。相对 两电平变流器，多电平变流器开关频率降低了25%，因此可以减少开关损耗。多电平变流器的主 要缺点在于直流电压的平衡问题。针对该问题，有硬件和软件的解决方法。硬件法需要额外的 开关管，增加系统的成本并减少稳定性，软件法需要对调制信号进行控制增加了计算负担。对 多电平的均压问题，各国学者已有比较成熟的解决方案。风力机市场的额定容量、电压电流等级不断提高。而传统的变流器由于电压电流容量的限制 不能直接应用于大容量风力发电系统。虽然近年来也出现了一些多电平的变流器，但由于电平 数不够高，采用的拓扑结构较简单，还是难以适用于超大功率的场合。比如国内的 200410009469.8的专利，虽然采用的是H桥结构，但由于整流部分是不控整流，而且电平数只 有三电平，所以其输出交流波形不如五电平的更符合正弦。多电平变流器的思想提出至今，出现了许多电路拓扑，归纳起来主要有以下三种二极管 箝位型多电平变流器(diode-cla即ed multi-level converter)、飞跨电容型多电平变流器 (flying-capacitor multi-level converter)和级联H桥型多电平变流器(cascade H bridge multi-level converter)。级联H桥型多电平变流器拓扑相对于前两者而言，具有需要最少数 量的器件、不需要大量的钳位二极管和飞跨电容、易于模块化和采用软开关技术等优点，被认 为是较适合于电网接口的变流器。比如中国专利200710062642.4，虽然其电平数为五电平，但 其拓扑结构为二极管箝位型。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有变流器容量有限，输出电流波形不够好等缺点，满足风力发电系统 单机容量不断提高的需求，本专利技术提出一种新的变流器拓扑结构。这种变流器能将风力发电机 发出来的频率、幅值无规律变化的交流电经交-直-交变换后，变流成符合电网要求的电流，并 输送到电网。本专利技术解决以J:技术问题所采用的技术方案是本专利技术由六个五电平H桥级联单元级联而成， 一个整流组和一个逆变组分别使用3个五电 平H桥级联单元级联组成。风力发电机与整流组相连，整流组的六路输出分别经过直流母线电 容稳压后与逆变组连接，逆变组的三相输出经过滤波电感后并到电网。风力发电机发出的电经过整流组整流变成直流电后，再经逆变组逆变成频率恒定，幅值稳 定的交流电并输送到电网。这种五电平H桥级联单元由8个开关管组成，电流可以双向流动， 所以既可以用于整流组也可以用于逆变组。这些开关管的导通与否则由数字信号处理芯片DSP 及其外围电路来控制，整流组和逆变组的控制方法都是载波相移正弦脉宽调制技术。本专利技术相对于现有技术的优点有1、 获得同样电平数输出时，使用的元器件最少；2、 每个五电平H桥级联单元的结构相同，容易进行模块化设计和封装；3、 因为各五电平H桥级联单元之间相对独立，所以可以较容易地引入软开关控制；4、 直流侧的均压比较容易实现；5、 电路设计可以使用功率单元旁路电路，从而使得控制系统可以在线切除故障单元以保证 系统继续工作。附图说明下面结合附图进一步说明本专利技术的具体实施例方式图1风力发电系统总体结构示意图2五电平H桥级联单元结构示意图图3五电平H桥级联背靠背变流器的连接方式示意图4五电平H桥级联单元控制信号时序图5五电平H桥级联背靠背变流器的控制框图。具体实施例方式本专利技术五电平H桥级联背靠背变流器由三大块组成整流组，逆变组和控制电路。A， B， C 三个五电平H桥级联单元组成整流组，D, E， F三个五电平H桥级联单元组成逆变组。风力发电机与整流组相连，整流组的六路输出分别经过直流母线电容稳压后与逆变组连接， 逆变组的三相输出经过电感滤波后并到电网。如图1所示，风力发电机通过滤波电感U U L。 与由三个五电平H桥级联单元A, B， C组成的整流组相连，整流组通过直流母线电容Cal, Ca2 、 Cbl， Cb2、 C山a2连接到由三个五电平H桥级联单元E， D， F组成的逆变组，最后逆变组通过滤波电感 U L" L。接到电网。组成整流组的A， B, C三个五电平H桥级联单元和逆变组D, E, F三个五电平H桥级联单 元的结构相同，其中一个五电平H桥级联单元的内部结构如图2所示。每个五电平H桥级联单元由8个开关管Q广Q8组成，如图2所示。其中开关管Q1和开关管 Q4串联后与开关管Q2和开关管Q3串联，Ql、 Q2、 Q3、 Q4的串连支路再和直流母线电容Q并 联，并联后开关管Q2的阳极和Q3的阴极便组成了直流输入或输出端口 Al。开关管Q5和开关管 Q8串联后与开关管Q6和开关管Q7串联，Q5、 Q6、 Q7、 Q8的串连支路再和直流母线电容Q 并联，并联后开关管Q6的阳极和Q7的阴极便组成了直流输入或输出端口 A2。开关管Q2和开关 管Q3之间的引出线，连接到开关管Q5和开关管Q8之间；在开关管Q1和开关管Q4之间和开关 管Q6和开关管Q7之间的两根引出线同时作为交流电的单相输入或输出。其余五电平H桥级联 单元的内部结构与此相同。AC端是交流电输入/输出端，Al和A2是直流电输入/输出端。A, B, C三个五电平H桥级 联单元的AC端各引出同侧的一根线接到风力发电机，三个AC端的剩余的三根线连接到一起， 直流电输出端就和逆变组中的直流电输入端连接，比如五电平H桥级联单元A的Al端连接E单 元的Al端，五电平H桥级联单元B的Bl端连接五电平H桥级联单元D的Bl端。逆变组的D， E, P三个五电平H桥级联单元的AC端各引出一跟线通过滤波电感连接到电网，剩余三根线连接到 一起作为中性点。如图3所示。图3也给出了应用本专利技术五电平H桥级联背靠背变流器的风力发电系统的具体连接方式， 其中整流组的A1端与逆变组的A1连接，整流组的A2端与逆变组的A2连接，整流组的Bl端与 逆变组的B1连接，整流组的B2端与逆变组的B2连接，整流组的C1端与逆变组的C1连接，整 流组的C2端与逆变组的C2连接。本专利技术通过开关管的组合，可以从交流侧输出O, ±V。， 土2V。的五个电平，V。是直流侧端口 的电压。开关管Q3与Q1， Q4与Q2， Q7与Q5， Q8与Q6,这些对开关管的状态刚好相反。开关 管的具体开关状态如下表1 CPS-SPWM单相级联H桥的35种运行工况表<table>complex table see original document page本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于风力发电系统的五电平Ｈ桥级联背靠背变流器，其特征是，该变流器由六个五电平Ｈ桥级联单元Ａ，Ｂ，Ｃ、Ｄ，Ｅ，Ｆ组成，Ａ，Ｂ，Ｃ三个五电平Ｈ桥级联单元组成整流组，Ｄ，Ｅ，Ｆ三个五电平Ｈ桥级联单元组成逆变组，风力发电机通过滤波电感与整流组相连，整流组的六路输出分别经过直流母线电容Ｃ↓［ａ１］，Ｃ↓［ａ２］、Ｃ↓［ｂ１］，Ｃ↓［ｂ２］、Ｃ↓［ｃ１］，Ｃ↓［ｃ２］稳压后与逆变组连接，逆变组的三相输出经过滤波电感Ｌ↓［ａ′］，Ｌ↓［ｂ′］，Ｌ↓［ｃ′］滤波后并到电网。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李建林，朱颖，赵斌，许洪华，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]