基于mmc和双极式直流传输结构的直驱风电变流结构的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于MMC和双极式直流传输结构的直驱风电变流结构，包括两台直驱风力发电机、机侧变流器、网侧变流器和并网变压器，机侧变流器由两路独立整流电路组成，每个整流电路包括du/dt滤波器、可控整流器、直流电容；网侧变流器主要由三组模块化多电平换流器（MMC）组成，本装置共包括12个标准功率单元子模块（SM）；本发明所设计的基于MMC和双极式直流传输结构的直驱风电变流结构采用双极性直流结构，在直流线路发生单极直流故障时，故障极整流侧换流器闭锁，则故障极整流侧输出的直流电流降为零，即不会产生直流故障的过电流。
【专利说明】基于MMC和双极式直流传输结构的直驱风电变流结构
【技术领域】
[0001]本发明涉及风力发电领域，特别是一种基于MMC和双极式直流传输结构的直驱风电变流结构。
【背景技术】
[0002]风电机组的功率不断加大，目前大功率风力发电机多采用六相(双绕组)电机，输出两组三相电压(错相或不错相)，每组容量为电机容量的一半；在风力发电的各种方案中，直驱风力发电方式以其优越的性能，日益成为研究及应用的热点；现有的大容量直驱风力发电机，由于受叶尖速比的限制，容量的增大会导致发电机转速的下降，而低转速大容量直驱风力发电机的直径等尺寸将变得很大，这给发电机的制造、运输和吊装带来极大困难，对此，行业内已有相关研究，一种解决方法是使用两台相同的直驱发电机同轴串联使用，即串级式发电机，这种结构增大了直驱风力发电机的容量，有效压缩了大容量发电机的尺寸；与此相对应，并网变流器的容量要求增大，因此本发明正好符合这种串级发电机的并网需求。
[0003]直驱风力发电机和电网之间通过变流器连接，风电变流器是风力发电机组不可缺少的能量变换环节，其主要作用是将风力发电机的电压频率、幅值浮动不定的电能转换为频率、幅值稳定，符合电网要求的电能，解决了低电压的穿越问题，通过最大功率点追踪技术，能够充分的利用风能，进一步提高发电效率。
[0004]目前风力发电机的发电功率已达到近10丽，由于直驱风力发电系统中，发电机需要通过全功率变流器进行并网，受到电力电子器件容量的限制，单套变流器的输送能力不能满足发电机的能量传输需求，为突破这一限制，变流器的并联技术在风力发电系统中成为了研究热点；并联技术在风机功率一定的情况下，可以采用功率等级更低的功率开关器件传送电流，大大降低生产成本。
[0005]并联型变流器系统中，会产生严重的环流问题；环流在并联的变流器之间流动，它的存在增加了损耗，降低了系统效率，是功率器件发热严重，甚至烧毁；目前研究中常采用两种方式解决并联变流器系统中环流问题:一是在硬件上消除环流通道，二是采用适当的控制方法来抑制环流；通常采用硬件方式消除环流的方法为加隔离变压器，隔离变压器能够阻断交流侧的环流回路，消除环流，同时，采用不同形式的副边结构的隔离变压器，可以消除特定次谐波，降低对电网的污染；由于在工频下工作，通常隔离变压器的体积、重量都很大，它会造成系统成本的增加，所以不适合用于大功率的永磁或电励磁直驱风电系统中。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种基于MMC和双极式直流传输结构的直驱风电变流结构采用双极性直流结构，在直流线路发生单极直流故障时，故障极整流侧换流器闭锁，则故障极整流侧输出的直流电流降为零，即不会产生直流故障的过电流，
为了解决以上技术问题，本发明提供一种基于MMC和双极式直流传输结构的直驱风电变流结构，包括两台直驱风力发电机，即第一、第二直驱风力发电机，两台直驱风力发电机之间通过设置一电容形成同轴联接，即串级使用；
两台直驱风力发电机的三相绕组独立设置且每套三相绕组的输出端均依次串联一 du/dt滤波器及一整流器，第一直驱风力发电机所连接的整流器的正直流输出端串联第一直流电阻后通过正直流传输线接入网侧变流器，第二直驱风力发电机所连接的整流器的负直流输出端串联第二直流电阻后通过负直流传输线接入网侧变流器，第一直驱风力发电机所连接的整流器的负直流输出端与第二直驱风力发电机所连接的整流器的正直流输出端共同接地；每个整流器正负直流输出端之间还设有一直流支撑电容；
网侧变流器为三相交流输出结构，即网侧变流器包括在正、负直流传输线之间并联设置的三组模块化多电平换流器，每组模块化多电平换流器由4台串联设置的标准功率子模块组成，沿正、负直流传输线位置方向依次为第一至第四标准功率子模块，其中，第二、第三标准功率子模块之间还串联设置有两个电感，还包括一台三相滤波电容组，三相滤波电容组的输入端连接每组模块化多电平换流器中两个电感之间的中点，其输出端经并网变压器后为电网提供三相电压；
技术效果:上述技术方案中，机侧变流器输出双极性直流电压，为网侧变流器提供直流电源，网侧变流器将机侧变流器整流出的直流电压调制成交流的三相电压，通过对逆变输出三相电压幅值、相位和频率的控制，经过并网变压器，输出符合电网要求的三相电压，较好的完成风力发电的并网功能。
[0007]本发明进一步限定的技术方案是:
进一步的，前述的基于MMC和双极式直流传输结构的直驱风电变流结构，风力发电机为单绕组直驱风力发电机且每套三相绕组独立设置，每套三相绕组的输出端均依次串联一du/dt滤波器及一整流器，即每台单绕组直驱风力发电机连接一台du/dt滤波器和一台整流器；
第一单绕组直驱风力发电机所连接的整流器的正直流输出端串联第一直流电阻后通过正直流传输线接入网侧变流器，第二单绕组直驱风力发电机所连接的整流器的负直流输出端串联第二直流电阻后通过负直流传输线接入网侧变流器，第一直驱风力发电机所连接的整流器的负直流输出端与第二直驱风力发电机所连接的整流器的正直流输出端共同接地；每个整流器正负直流输出端之间还设有一直流支撑电容。
[0008]前述的基于MMC和双极式直流传输结构的直驱风电变流结构，直驱风力发电机为双绕组直驱风力发电机且其每套三相绕组独立设置，每套三相绕组的输出端均依次串联一du/dt滤波器及一整流器，即每台双绕组直驱风力发电机连接两台du/dt滤波器和两台整流器；
第一双绕组直驱风力发电机所连接的两台整流器的正直流输出端共同串联第一直流电阻后通过正直流传输线接入网侧变流器，第二双绕组直驱风力发电机所连接的两台整流器的负直流输出端共同串联第二直流电阻后通过负直流传输线接入网侧变流器，第一直驱风力发电机所连接的两台整流器的负直流输出端与第二直驱风力发电机所连接的两台整流器的正直流输出端共同接地；每个整流器正负直流输出端之间还设有一直流支撑电容。
[0009]前述的基于MMC和双极式直流传输结构的直驱风电变流结构，单个标准功率子模块为半桥结构，包括2个绝缘栅双极晶体管和I个直流储能电容组成，第一绝缘栅双极晶体管的源极接第二绝缘栅双极晶体管的漏极，直流储能电容的两端分别接第一绝缘栅双极晶体管的漏极和第二绝缘栅双极晶体管的源极，每个绝缘栅双极晶体管分别并联一个二极管且二极管的正、负极分别接绝缘栅双极晶体管的源极和漏极，2个二极管的正极分别作为标准功率子模块的连接端。
[0010]前述的基于MMC和双极式直流传输结构的直驱风电变流结构，直驱风力发电机为电励磁直驱风力发电机或永磁直驱风力发电机。
[0011]前述的基于MMC和双极式直流传输结构的直驱风电变流结构，电感为耦合或非耦合电感。
[0012]与现有技术相比:
1.本发明适合于风力发电机串级使用的场合，使得单个直驱电机尺寸小、便于制造、运输和吊装，同时成本低，节省空间，结构简单，反应速度快；
2.网侧模块化多电平换流器(MMC)拓扑结构简单，具有很大的灵活性，控制策略简单可罪，能够实现有功和无功功率的控制，能够有效的减小开关器件开关频率和承受:应力，能够达到更高电平来逼近正弦波；MMC具有开关损耗较低、故障穿越能力强等特点；
3.本发明中变流器的各桥臂以功率单元子模块串联方式构成，避免了开关器件的直接串联，而且工作时不需要同一桥臂上的所有串联的开关器件同时开关，对变流器的制造工艺要求相对较低，提高了变流器的可靠性；
4.本发明便于变流器采用网侧和机侧分置方案，即网侧逆变器置于塔底和机侧变频器置于塔顶，中间长距离直流母线传输，类似轻型直流输电的拓朴结构，从而更有效的节省发电机侧的交流电缆长度，降低因电压反射而引起的过电压可能性，并且能够减少因高频交流电流的集肤效应引起的电缆发热现象；
综上所述，采用单极性的直流传输技术，相比于交流传输能够节省25%左右的电缆，本变流器因为采用中点接地(塔架)的双极式结构，直流电压为土Ud，直流电流为单极式的50%，因而总的传输电缆能够降低60%以上。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为本发明接单绕组直驱风力发电机时的系统原理图；
图2为本发明接双绕组直驱风力发电机时的系统原理图；
图3为本发明总标准功率子模块的结构图。
【具体实施方式】
[0014]现有技术中，单台使用的低转速大容量直驱风力发电机的直径等尺寸较大，这给发电机的制造、运输和吊装带来极大困难；
现有直驱风电变流器中，存在如下一些问题，如整流桥输入侧电流畸变很严重，谐波含量比较大，因而使发电机功率因数降低，发电机转矩发生振荡；其直流侧电压也难以实现平衡控制，电容电压的波动必定会影响装置的整体输出性能；并联型变流器系统中，采用硬件方式消除环流的方法为加隔离变压器，由于在工频下工作，通常隔离变压器的体积、重量都很大，它会造成系统成本的增加，所以不适合用于大功率的永磁或电励磁直驱风电系统中；下面结合附图对本发明做进一步的详细说明: 实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种基于MMC和双极式直流传输结构的直驱风电变流结构，包括两台直驱风力发电机、机侧变流器、网侧变流器和并网变压器，机侧变流器由两路独立整流电路组成，每个整流电路包括du/dt滤波器、可控整流器、直流电容，整流输入端分别与串级使用的两台单绕组电励磁直驱风力发电机连接，将风力发电机发出的三相交流电整流成直流电压，四路整流回路中同电机的两路输出并联，然后再串联接地，从而整个机侧变流器输出双极性直流电压；
网侧变流器主要由三组模块化多电平换流器(MMC)组成，本装置共包括12个标准功率单元子模块(SM);网侧变流器三相，每个相单元由上、下2个桥臂组成，每个桥臂由2个子模块和I个桥臂电抗组成，输出相电压三电平，线电压为五电平；网侧变流器将机侧变流器整流出的直流电压调制成交流的三相电压，通过控制器对逆变输出三相电压幅值、相位和频率的控制，经过并网变压器，输出符合电网要求的三相电压，较好的完成风力发电的并网功倉泛。
[0015]本发明机侧变流器采用双极性直流结构，在直流线路发生单极直流故障时，故障极整流侧换流器闭锁，则故障极整流侧输出的直流电流降为零，即不会产生直流故障的过电流。
[0016]实施例2
如图2所示，本实施例提供了一种基于MMC和双极式直流传输结构的直驱风电变流结构，包括两台直驱风力发电机、机侧变流器、网侧变流器和并网变压器，直驱风力发电机为双绕组直驱风力发电机且其每套三相绕组独立设置，每套三相绕组的输出端均依次串联一du/dt滤波器及一整流器，即每台双绕组直驱风力发电机连接两台du/dt滤波器和两台整流器；
第一双绕组直驱风力发电机所连接的两台整流器的正直流输出端共同串联第一直流电阻后通过正直流传输线接入网侧变流器，第二双绕组直驱风力发电机所连接的两台整流器的负直流输出端共同串联第二直流电阻后通过负直流传输线接入网侧变流器，第一直驱风力发电机所连接的两台整流器的负直流输出端与第二直驱风力发电机所连接的两台整流器的正直流输出端共同接地；每个整流器正负直流输出端之间还设有一直流支撑电容；网侧变流器主要由三组模块化多电平换流器(MMC)组成，本装置共包括12个标准功率单元子模块(SM);网侧变流器三相，每个相单元由上、下2个桥臂组成，每个桥臂由2个子模块和I个桥臂电抗组成，输出相电压三电平，线电压为五电平。
[0017]实施例3
如图3所示，本实施例中，SM子模块采用半桥结构，由2个绝缘栅双极晶体管IGBT和I个直流储能电容组成，并且IGBT分别并联一个反接二极管VD，通过控制VTl和VT2的开通和关断可以实现子模块的投入、切出和闭锁的状态。更进一步推理，任意时刻通过调整上、下桥臂投入的子模块数来调节交流电压的输出，同时每个相单元投入的子模块数保持η个不变，以维持直流电压的恒定，如此MMC输出电平数为η+1 ;逆变器将机侧变流器整流出的直流电压调制成交流的三相电压，通过控制各个功率单元开关器件的导通与关断，实现三相交流电压的合成，通过并网变压器接入电网。
[0018]以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于MMC和双极式直流传输结构的直驱风电变流结构，包括两台直驱风力发电机，即第一、第二直驱风力发电机，其特征在于，两台直驱风力发电机之间通过设置一电容形成同轴联接，即串级使用； 两台直驱风力发电机的三相绕组独立设置且每套三相绕组的输出端均依次串联一 du/dt滤波器及一整流器，所述第一直驱风力发电机所连接的整流器的正直流输出端串联第一直流电阻后通过正直流传输线接入网侧变流器，所述第二直驱风力发电机所连接的整流器的负直流输出端串联第二直流电阻后通过负直流传输线接入网侧变流器，第一直驱风力发电机所连接的整流器的负直流输出端与第二直驱风力发电机所连接的整流器的正直流输出端共同接地；每个整流器正负直流输出端之间还设有一直流支撑电容； 所述网侧变流器为三相交流输出结构，即网侧变流器包括在正、负直流传输线之间并联设置的三组模块化多电平换流器，每组模块化多电平换流器由4台串联设置的标准功率子模块组成，沿正、负直流传输线位置方向依次为第一至第四标准功率子模块，其中，第二、第三标准功率子模块之间还串联设置有两个电感，还包括一台三相滤波电容组，所述三相滤波电容组的输入端连接每组模块化多电平换流器中两个电感之间的中点，其输出端经并网变压器后为电网提供三相电压。
2.根据权利要求1所述的基于MMC和双极式直流传输结构的直驱风电变流结构，其特征在于，所述风力发电机为单绕组直驱风力发电机且每套三相绕组独立设置，每套三相绕组的输出端均依次串联一 du/dt滤波器及一整流器，即每台单绕组直驱风力发电机连接一台du/dt滤波器和一台整流器； 所述第一单绕组直驱风力发电机所连接的整流器的正直流输出端串联第一直流电阻后通过正直流传输线接入网侧变流器，所述第二单绕组直驱风力发电机所连接的整流器的负直流输出端串联第二直流电阻后通过负直流传输线接入网侧变流器，第一直驱风力发电机所连接的整流器的负直流输出端与第二直驱风力发电机所连接的整流器的正直流输出端共同接地；每个整流器正负直流输出端之间还设有一直流支撑电容。
3.根据权利要求1所述的基于MMC和双极式直流传输结构的直驱风电变流结构，其特征在于，所述风力发电机为双绕组直驱风力发电机且其每套三相绕组独立设置，每套三相绕组的输出端均依次串联一 du/dt滤波器及一整流器，即每台双绕组直驱风力发电机连接两台du/dt滤波器和两台整流器； 所述第一双绕组直驱风力发电机所连接的两台整流器的正直流输出端共同串联第一直流电阻后通过正直流传输线接入网侧变流器，所述第二双绕组直驱风力发电机所连接的两台整流器的负直流输出端共同串联第二直流电阻后通过负直流传输线接入网侧变流器，第一直驱风力发电机所连接的两台整流器的负直流输出端与第二直驱风力发电机所连接的两台整流器的正直流输出端共同接地；每个整流器正负直流输出端之间还设有一直流支撑电容。
4.根据权利要求1至3中任意一项权利要求所述的基于MMC和双极式直流传输结构的直驱风电变流结构，其特征在于，所述单个标准功率子模块为半桥结构，包括2个绝缘栅双极晶体管和I个直流储能电容组成，所述第一绝缘栅双极晶体管的源极接第二绝缘栅双极晶体管的漏极，直流储能电容的两端分别接第一绝缘栅双极晶体管的漏极和第二绝缘栅双极晶体管的源极，每个绝缘栅双极晶体管分别并联一个二极管且所述二极管的正、负极分别接绝缘栅双极晶体管的源极和漏极，2个二极管的正极分别作为标准功率子模块的连接端。
5.根据权利要求4中任意一项权利要求所述的基于MMC和双极式直流传输结构的直驱风电变流结构，其特征在于，所述直驱风力发电机为电励磁直驱风力发电机或永磁直驱风力发电机。
6.根据权利要求5中任意一项权利要求所述的基于MMC和双极式直流传输结构的直驱风电变流结构，其特征在于，所述电感为耦合或非耦合电感。
【文档编号】H02M5/458GK104242341SQ201410467096
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月12日 优先权日:2014年9月12日
【发明者】周细文, 吕笑岩, 刘景芝, 章辉, 陈烘民, 黄庆利 申请人:周细文, 江苏有能新能源有限公司