一种用于风力发电系统的背靠背三电平中点箝位变流器，它包括电机侧整流器和网侧逆变器，其交流输入端与永磁同步发电机的定子侧输出端子相连，逆变器输出端接到电网。整流器的输出和逆变器的输入相连，两者的二极管箝位后的中点也相连。整流器和逆变器都需要用数字信号处理芯片ＤＳＰ控制。本发明专利技术利用了二极管中点箝位的三电平整流器和逆变器，通过空间矢量控制方法，增加了风力发电系统的容量，并明显地改善了输出到电网电压波形的形状，以更好地适应电网并网的标准。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及风力发电系统中的背靠背三电平中点箝位变流器。
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外学者的普遍关注。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，降低电磁干扰(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。风力机市场的趋势是额定容量、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。比如美国专利7,239,535，是一个普通的两电平 6个功率开关管的电压变流器，其控制方法也只是对其每相桥臂的两个开关管进行互补导通，即 上下两个开关管轮流导通，输出的相电压只有高低两种电平。从其附图5可以看出，其输出的 电流波形锯齿很多，质量较差。因此也限制了其电流电压容量。所以多电平变流器的诸多优点 使其很适合应用于新型的风力机。随着电压等级的增加，多电平变流器可以直接接入分布式电 网，省去沉重的升压变压器。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-clamped multi-level converter),级联H桥型多电平变流器(cascade H bridge multi-level converter)和飞跨电容型多电平变流器(flying-capacitor multi-level converter)。 在这三种拓扑结构中，二极管箝位三电平变流器由于其同时具有多重化和脉宽调制的特点，具有输出功率大，器件开关频率低，等效开关频率高；交流侧不需要变压器连接，动态响应好，传输带宽较宽等优点在中高压大功率场合应用最为广泛。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有变流器容量低谐波含量高的缺点，提出一种新的变流器拓扑结构 和控制方法。本专利技术能够大幅度地提高变流器的电压电流容量，并明显地改善输出波形的形状, 以更好地适应电网并网的标准。本专利技术采用功率二极管作为箝位器件形成"多电平"功能。相对于传统的两电平变流器，本 专利技术的主要优点在于单个器件承受的电压应力小，更容易实现高压大功率；在相同开关频率 下，输出波形更接近正弦波，谐波含量更低；同时还大大减轻了电磁干扰(EMI)问题。本专利技术背靠背三电平中点箝位变流器所在的风力发电系统由风电机组、发电机、发电机侧 变流器、直流侧电容、直流侧卸荷电路、电网侧变流器、电网侧滤波电感和电网构成。由风电机组拖动风力发电机，把捕获的风能转化为电能，通过发电机侧变流器转化为直流 电，直流侧电容作为能量缓冲环节，稳定直流侧电压，由电网侧变流器把直流电逆变为交流电， 通过滤波电感并入电网。本专利技术背靠背三电平中点箝位变流器包括风机侧的整流器和电网侧的逆变器，它们的拓扑 结构的原理相同，整流器在风机侧负责将交流电转换为直流电，逆变器在电网侧负责将直流电 转换为交流电，由于本专利技术背靠背三电平中点箝位变流器的拓扑结构允许能量双向流动，所以 如果将整流器的输入和输出调换，就成了逆变器，反之亦然。本专利技术背靠背三电平中点箝位变 流器在整流器和逆变器的直流母线连接处并入了一对串联的电容，提供中点电压和缓冲能量。本专利技术采用数字信号处理芯片DSP作为控制器的核心，DSP能够实现对采样信号的实时处 理，并根据控制需要发出相应的控制信号。由它实现本专利技术中对电机侧整流器和网侧逆变器的 空间矢量调制。外围电路包括采样电路和信号调理电路。采样电路通过电压、电流传感器采集 三相电网电压、电流、以及每个变流器的交流电流、电容两端的直流电压等，送入信号调理电 路进行信号调理，然后送入DSP的AD采样通道。DSP计算出每个开关所需的导通、关断时间 后，由DSP的PWM口发出控制变流器每个开关所需要的开关信号，经过驱动电路放大、隔离 后连接到每个功率器件的驱动门极上，从而控制电机侧整流器和网侧逆变器正常工作。 本专利技术工作过程如下在额定风速以下，桨距角基本不变以保持风能利用系数最大。风力发电系统根据最大功率 算法得到系统输入到电网的最大功率，由此得到发电机的最佳转速，通过调节并网逆变器的有 功电流使得系统的输出功率最大，电机运行在最佳转速。在额定风速之上，通过变桨来保持风能利用系数最大。电机和变流器都运行在额定条件下， 系统输出到电网的功率最大。当风速超过切出风速时，系统停机，输出到电网的功率为零。背靠背变流器中的整流器可以调节发电机输出的无功功率，有效调节电机输出功率因数， 当需要电机输出为单位功率因数时，令无功电流为零，这样可以使电机输出最大有功功率。同 时，由于无功输出可调，使发电机转速范围更宽。电机侧整流器还可以稳定直流侧电压，给并 网逆变器提供稳定的直流电源。网侧逆变器负责调解风力发电系统输入到电网的有功功率和无 功功率，当电网需要超前无功时，设定无功电流为负值；当电网需要滞后无功时，设定无功电流为正值；当需要输入到电网的有功功率最大，无功功率为零时，可以设定无功电流为零，网侧功率因数为1。以上为目前常用的直驱式风力发电系统的工作状态。本专利技术通过12个功率开关管的27种开关状态组合，每相桥臂输入端产生3种电平，多个二极管对相应开关元件进行箝位，以保证每次一个桥臂只有一个开关动作，并实现三电平输出，而每个开关器件只承受1/2的直流母线电压，既实现了交流侧功率因数可调，减小了波形畸变率，也可实现大功率的传输。附图说明图r直驱式风力发电系统示意图；图2背靠背三电平中点箝位变流器拓扑结构图； 图3逆变器一相原理图； 图4逆变器一相三电平生成原理图； 图5背靠背变流器控制框图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式进一步说明本专利技术。如图1所示，直驱式风力发电机组包括风电机组、发电机、风机侧整流器、直流侧电容、 直流侧卸荷电路、电网侧逆变器、电网侧滤波电感和电网。本专利技术背靠背三电平中点箝位变流 器包括风机侧整流器和电网侧的逆变器。风力发电机组的定子三相电线分别连接到开关管S2和 S3之间、S6和S7之间、S10和Sll之伺。整流器的输出与逆变器的输入连接于点A和点B， 如图2所示。和整流器的输入一样，逆变器的输出经过电感L后接到电网G。图2为本专利技术背靠背三电平中点箝位变流器拓扑结构。本专利技术背靠背三电平中点箝位变流器包括风机侧的整流器和电网侧的逆变器，它们的拓扑 结构的原理相同，只不过在电网侧的逆变器是把风机侧的整流器的输入输出调换后工作，也即 所谓的背靠背。如图2所示，风机侧的整流器和电网本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种风力发电系统的背靠背三电平中点箝位变流器，包括一个电机侧整流器和一个网侧逆变器，其特征在于，电机侧整流器和网侧逆变器背靠背连接，即电机侧整流器的直流输出和网侧逆变器的直流输入连接；电机侧整流器和网侧逆变器均使用二极管实现中点电位的稳定；电机侧整流器和网侧逆变器的直流母线连接处并入了一对串联的电容Ｃ１、Ｃ２，提供中点电压和缓冲能量。
【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，北京科诺伟业科技有限公司，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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