可变速抽水蓄能发电系统的mmc交流励磁装置的制造方法
【专利摘要】本发明涉及抽水蓄能发电领域，特别涉及一种用于可变速抽水蓄能发电系统的MMC级联交流励磁装置，包括由转子侧并网开关模块、网侧MMC变流器和机侧MMC变流器，所述转子侧并网开关模块包含一组输入三相端子与一组输出三相端子；网侧MMC变流器包含一组直流母线端子与一组交流母线端子；机侧MMC变流器包含一组直流母线端子与一组交流母线端子；本发明的优点在于具有变频运行能力，能够满足抽水蓄能发电机组运行变速运行的励磁要求；具有双向能量流动能力，能够同时满足抽水蓄能发电机组在发电工况和电动工况运行的励磁要求。
【专利说明】
可变速抽水蓄能发电系统的MMC交流励磁装置
技术领域
[0001]本发明涉及抽水蓄能发电领域，特别涉及一种用于可变速抽水蓄能发电系统的MMC级联交流励磁装置。
【背景技术】
[0002]抽水蓄能电站具有启动快、运行灵活的特点，在系统中可承担填谷、调峰、调频、调相和紧急备用等任务。传统的电动一发电机组采用直流励磁的传统同步发电机，调速比较困难且运行特性差，此外这类机组作电动状态运行时，起动比较困难。而采用交流励磁装置供电的交流励磁发电机取代传统的电动一发电机组，即可有效解决传统抽水蓄能机组所存在的调速或水轮发电机的变速运行等问题。图1是典型的可变速抽水蓄能发电系统的组成示意图，其组成包括水栗水轮机机、交流励磁电机，、定子侧开关、交流励磁装置以及电网。
[0003]运行于可变速抽蓄电站的交流励磁发电机转子侧额定电压一般在几千伏左右等级，交流励磁装置并网端一般通过降压变压器接入定子端，降压变压器副边电压一般也接近交流励磁发电机转子侧额定电压等级。目前，国内外许多公司都推出各自的交流励磁装置，这些产品采用不同的整流器和逆变器而组成不同的拓扑结构设计和控制方案。比较典型的是采用IGCT和IEGT等高压全控型开关器件，虽然可以减小器件的用量，但是成本昂贵，且器件受制于少数外企，电压等级的扩展也受限。
[0004]级联H桥拓扑是另一种解决方案，但传统的级联H桥方案多采用特殊的多绕组工频变压器以实现母线隔离及环流拟制，但是大容量的多绕组工频变压器成本较高、体积庞大，是这种方案的不足。基于高频变压器的级联H桥方案可以通过省去工频变压器减小变压器的体积和成本，但高频变压器本身还是不可避免，同时需要使用的开关器件的数量也较多，控制系统相对复杂。
【发明内容】
[0005]为克服上述问题，本发明提出一种可变速抽水蓄能发电系统的MMC交流励磁装置，旨在完全省去电机转子侧的变压器，进一步简化系统结和降低成本。
[0006]为实现上述目的，本发明的技术方案如下:
可变速抽水蓄能发电系统的MMC交流励磁装置，其特征在于:包括由转子侧并网开关模块11、网侧MMC变流器12和机侧MMC变流器13，所述转子侧并网开关模块11包含一组输入三相端子111与一组输出三相端子112;网侧MMC变流器12包含一组直流母线端子122与一组交流母线端子121;机侧MMC变流器13包含一组直流母线端子132与一组交流母线端子131;转子侧并网开关模块11的输入三相端子111与电网5相连，转子侧并网开关模块11的输出三相端子112与网侧MMC变流器12的交流母线端子121相连；网侧MMC变流器12的直流母线端子122与机侧MMC变流器13的直流母线端子132相连;机侧MMC变流器13的交流母线端子131相连与交流励磁电机的转子绕组32相连。
[0007 ] 机侧MMC变流器13与网侧MMC变流器12的结构相同，机侧MMC变流器13与网侧MMC变流器12均具有一组交流母线端子A、B、C以及一组直流母线端子DC+与DC-;机侧MMC变流器13与网侧MMC变流器12均包括6Λ个相同的半桥单元(HBU)71、3个上桥臂电感72、3个下桥臂电感73，其中#为自然数;半桥单元(HBU) 71包含一组交流端子EU和EB。
[0008]机侧MMC变流器13与网侧MMC变流器12的A、B、C三相中每相的结构相同，每相的结构如下:第一至第#桥单元按如下方式顺次级联:第一半桥单元的EU端子与直流母线端子DC+端子相连，第#桥单元的EB端子与上桥臂电感72的第一端子相连，第女半桥单元的EB端子与第女片半桥单元的EU端子相连，其中Α=2，3，...，Λ/—I;上桥臂电感72的第二端子与交流母线端子A相连；
第价1至2辟桥单元按如下方式顺次级联:第价1半桥单元的EU端子与下桥臂电感73的第一端子相连，第2#半桥单元的EB端子与直流母线端子DC-相连，第J半桥单元的EB端子与第半桥单元的EU端子相连，其中j二阱2，价3，…，2N— I;下桥臂电感73的第二端子与交流母线端子A相连。
[0009]半桥单元(HBU)71包括直流母线电容81、上开关器件82以及下开关器件83;直流母线电容81的正极与上开关器件82的集电极相连，上开关器件82的发射极与下开关器件83的集电极相连，下开关器件83的发射极与直流母线电容81的负极相连;上开关器件82的发射极引出作为半桥单元(HBU)71的输出EU端子，下开关器件83的发射极引出作为半桥单元(HBU)71的输出EB端子。
[0010]上开关器件82与下开关器件83均为强制可关断器件。在具体实施例中可以是IGBT、M0SFET 或 IGCT 等器件。
[0011 ]可变速抽水蓄能发电系统的MMC交流励磁装置6的工作原理为:
正常工作时，交流励磁发电机的定子侧并网开关4处于闭合状态。所述转子侧并网开关11处于闭合状态。
[0012]通过控制使机侧MMC变流器13的交流侧产生三相对称交变励磁电压。若该交变励磁电压的基波为正相序，则其基波频率/为正;若该交变励磁电压的基波为负相序，则其基波频率值/为负。要求该交变励磁电压的基波频率值/与交流励磁发电机的转子电频率的代数和等于电网电压的频率。同时要求该交变励磁电压具有适当的幅值和相位，以保证交流励磁发电机达到期望的发电功率或者电动功率。
[0013]为在机侧MMC变流器13的交流侧产生三相对称交变励磁电压，可变速抽水蓄能发电系统的MMC交流励磁装置6需按如下方式工作:
(I)通过控制网侧MMC变流器12的强制可关断开关器件的导通情况，使得可变速抽水蓄能发电系统的MMC交流励磁装置6的直流母线电压稳定在一个额定值上。每一相的2#个半桥单元71中开通的单元数量总和保持恒定，且在其交流侧产生三相正弦工频电压。
[0014](2)通过控制机侧MMC变流器13的强制可关断开关器件的导通情况，使得机侧MMC变流器13在其交流侧输出占空比变化的脉宽调制波，并使得其基波满足频率、幅值和相位要求。
[0015]本发明的优点在于:
1、具有变频运行能力，能够满足抽水蓄能发电机组运行变速运行的励磁要求。
[0016]2、具有双向能量流动能力，能够同时满足抽水蓄能发电机组在发电工况和电动工况运行的励磁要求。
[0017]3、具有级联特性，在避免使用特殊高耐压半导体开关器件的情况下实现交流励磁变流器高电压等级的接入。
[0018]4、具有模块化特性，扩展后能后适用于多种电压等级的交流励磁发电机。
[0019]5、成本低，可靠性高。采用MMC结构后，电机转子侧省去了体积庞大，造价昂贵的变压器。
【附图说明】
[0020]图1是典型的可变速抽水蓄能发电系统的组成示意图。
[0021]图2是本发明的可变速抽水蓄能发电系统的MMC交流励磁装置系统框图。
[0022]图3是本发明交流励磁装置的机侧MMC变流器、网侧MMC变流器的结构框图。
[0023]图4是本发明的可变速抽水蓄能发电系统的MMC交流励磁装置的半桥单元(HBU)的结构图。
[0024]图5是本发明的可变速抽水蓄能发电系统的MMC交流励磁装置的实施例示意图。
【具体实施方式】
[0025]实施例1
可变速抽水蓄能发电系统的MMC交流励磁装置，其特征在于:包括由转子侧并网开关模块11、网侧MMC变流器12和机侧MMC变流器13，所述转子侧并网开关模块11包含一组输入三相端子111与一组输出三相端子112;网侧MMC变流器12包含一组直流母线端子122与一组交流母线端子121;机侧MMC变流器13包含一组直流母线端子132与一组交流母线端子131;转子侧并网开关模块11的输入三相端子111与电网5相连，转子侧并网开关模块11的输出三相端子112与网侧MMC变流器12的交流母线端子121相连；网侧MMC变流器12的直流母线端子122与机侧MMC变流器13的直流母线端子132相连;机侧MMC变流器13的交流母线端子131相连与交流励磁电机的转子绕组32相连。
[0026]正常工作时，交流励磁发电机的定子侧并网开关4处于闭合状态。所述转子侧并网开关11处于闭合状态。
[0027]通过控制使机侧MMC变流器13的交流侧产生三相对称交变励磁电压。若该交变励磁电压的基波为正相序，则其基波频率/为正;若该交变励磁电压的基波为负相序，则其基波频率值/为负。要求该交变励磁电压的基波频率值/与交流励磁发电机的转子电频率的代数和等于电网电压的频率。同时要求该交变励磁电压具有适当的幅值和相位，以保证交流励磁发电机达到期望的发电功率或者电动功率。
[0028]本发明具有变频运行能力，能够满足抽水蓄能发电机组运行变速运行的励磁要求。具有双向能量流动能力，能够同时满足抽水蓄能发电机组在发电工况和电动工况运行的励磁要求。具有级联特性，在避免使用特殊高耐压半导体开关器件的情况下实现交流励磁变流器高电压等级的接入。具有模块化特性，扩展后能后适用于多种电压等级的交流励磁发电机。成本低，可靠性高。采用MMC结构后，电机转子侧省去了体积庞大，造价昂贵的变压器。
[0029]实施例2
可变速抽水蓄能发电系统的MMC交流励磁装置，其特征在于:包括由转子侧并网开关模块11、网侧MMC变流器12和机侧MMC变流器13，所述转子侧并网开关模块11包含一组输入三相端子111与一组输出三相端子112;网侧MMC变流器12包含一组直流母线端子122与一组交流母线端子121;机侧MMC变流器13包含一组直流母线端子132与一组交流母线端子131;转子侧并网开关模块11的输入三相端子111与电网5相连，转子侧并网开关模块11的输出三相端子112与网侧MMC变流器12的交流母线端子121相连；网侧MMC变流器12的直流母线端子122与机侧MMC变流器13的直流母线端子132相连;机侧MMC变流器13的交流母线端子131相连与交流励磁电机的转子绕组32相连。
[0030 ] 机侧MMC变流器13与网侧MMC变流器12的结构相同，机侧MMC变流器13与网侧MMC变流器12均具有一组交流母线端子A、B、C以及一组直流母线端子DC+与DC-;机侧MMC变流器13与网侧MMC变流器12均包括6Λ个相同的半桥单元(HBU)71、3个上桥臂电感72、3个下桥臂电感73，其中#为自然数;半桥单元(HBU) 71包含一组交流端子EU和EB。
[0031]机侧丽C变流器13与网侧丽C变流器12的A、B、C三相中每相的结构相同，每相的结构如下:第一至第#桥单元按如下方式顺次级联:第一半桥单元的EU端子与直流母线端子DC+端子相连，第#桥单元的EB端子与上桥臂电感72的第一端子相连，第女半桥单元的EB端子与第女片半桥单元的EU端子相连，其中Α=2，3，...，Λ/—I;上桥臂电感72的第二端子与交流母线端子A相连；
第价1至2辟桥单元按如下方式顺次级联:第价1半桥单元的EU端子与下桥臂电感73的第一端子相连，第2#半桥单元的EB端子与直流母线端子DC-相连，第J半桥单元的EB端子与第半桥单元的EU端子相连，其中j二阱2，价3，…，2N— I;下桥臂电感73的第二端子与交流母线端子A相连。
[0032]半桥单元(HBU)71包括直流母线电容81、上开关器件82以及下开关器件83;直流母线电容81的正极与上开关器件82的集电极相连，上开关器件82的发射极与下开关器件83的集电极相连，下开关器件83的发射极与直流母线电容81的负极相连;上开关器件82的发射极引出作为半桥单元(HBU)71的输出EU端子，下开关器件83的发射极引出作为半桥单元(HBU)71的输出EB端子。
[0033]上开关器件82与下开关器件83均为强制可关断器件。在具体实施例中可以是IGBT、M0SFET 或 IGCT 等器件。
[0034]正常工作时，交流励磁发电机的定子侧并网开关4处于闭合状态。所述转子侧并网开关11处于闭合状态。
[0035]通过控制使机侧MMC变流器13的交流侧产生三相对称交变励磁电压。若该交变励磁电压的基波为正相序，则其基波频率/为正;若该交变励磁电压的基波为负相序，则其基波频率值/为负。要求该交变励磁电压的基波频率值/与交流励磁发电机的转子电频率的代数和等于电网电压的频率。同时要求该交变励磁电压具有适当的幅值和相位，以保证交流励磁发电机达到期望的发电功率或者电动功率。
[0036]为在机侧MMC变流器13的交流侧产生三相对称交变励磁电压，可变速抽水蓄能发电系统的MMC交流励磁装置6需按如下方式工作:
(I)通过控制网侧MMC变流器12的强制可关断开关器件的导通情况，使得可变速抽水蓄能发电系统的MMC交流励磁装置6的直流母线电压稳定在一个额定值上。每一相的2#个半桥单元71中开通的单元数量总和保持恒定，且在其交流侧产生三相正弦工频电压。
[0037](2)通过控制机侧MMC变流器13的强制可关断开关器件的导通情况，使得机侧MMC变流器13在其交流侧输出占空比变化的脉宽调制波，并使得其基波满足频率、幅值和相位要求。
[0038]本发明具有变频运行能力，能够满足抽水蓄能发电机组运行变速运行的励磁要求。具有双向能量流动能力，能够同时满足抽水蓄能发电机组在发电工况和电动工况运行的励磁要求。具有级联特性，在避免使用特殊高耐压半导体开关器件的情况下实现交流励磁变流器高电压等级的接入。具有模块化特性，扩展后能后适用于多种电压等级的交流励磁发电机。成本低，可靠性高。采用MMC结构后，电机转子侧省去了体积庞大，造价昂贵的变压器。
[0039]实施例3
图2是本发明的可变速抽水蓄能发电系统的MMC交流励磁装置系统框图。可变速抽水蓄能发电系统的MMC交流励磁装置6，由转子侧并网开关模块11、网侧丽C变流器12以及机侧MMC变流器13组成。转子侧并网开关模块11包含一组输入三相端子111与一组输出三相端子112。网侧MMC变流器12包含一组直流母线端子122与一组交流母线端子121。机侧MMC变流器13包含一组直流母线端子132与一组交流母线端子131。
[0040]转子侧并网开关模块11的输入三相端子111与电网5相连。转子侧并网开关模块11的输出三相端子112与网侧MMC变流器12的交流母线端子121相连。网侧MMC变流器12的直流母线端子122与机侧MMC变流器13的直流母线端子132相连。机侧MMC变流器13的交流母线端子131相连与交流励磁电机的转子绕组32相连。
[0041]图3是本发明交流励磁装置的机侧MMC变流器、网侧MMC变流器的结构框图。机侧丽C变流器13与网侧丽C变流器12的结构完全相同，本发明中又统称为丽C变流器。丽C变流器具有一组交流母线端子A、B、C以及一组直流母线端子DC+与DC-JMC变流器由6廣Λ为自然数)个相同的半桥单元(HBU)71、3个上桥臂电感72、3个下桥臂电感73组成。半桥单元(HBU)71包含一组交流端子EU和EB13MMC变流器结构上可以分为ABC三相，每相的结构完全相同，以A相为例描述其特征。
[0042]第一至第#半桥单元按如下方式顺次级联:第一半桥单元的EU端子与直流母线端子DC+端子相连，第#桥单元的EB端子与上桥臂电感72的第一端子相连，第女半桥单元的EB端子与第如I半桥单元的EU端子相连(A=2，3，...，#一I)。上桥臂电感72的第二端子与交流母线端子A相连。
[0043]第价1至2#桥单元按如下方式顺次级联:第价1半桥单元的EU端子与下桥臂电感73的第一端子相连，第2#桥单元的EB端子与直流母线端子DC-相连，第j半桥单元的EB端子与第半桥单元的EU端子相连(J=#+2，Λ^3，...，2Ν —I)。下桥臂电感73的第二端子与交流母线端子A相连。
[0044]图4是本发明的可变速抽水蓄能发电系统的MMC交流励磁装置的半桥单元(HBU)的结构图。前述半桥单元(HBU)71由直流母线电容81、上开关器件82以及下开关器件83组成。直流母线电容81的正极与上开关器件82的集电极相连，上开关器件82的发射极与下开关器件83的集电极相连，下开关器件83的发射极与直流母线电容81的负极相连。上开关器件82的发射极引出作为半桥单元(HBU)71的输出EU端子，下开关器件83的发射极引出作为半桥单元(HBU)71的输出EB端子。上开关器件82与下开关器件83完全相同，均为强制可关断器件，在具体实施例中可以是IGBT、MOSFET或IGCT等器件。
[0045]图5是本发明的可变速抽水蓄能发电系统的MMC交流励磁装置的实施例示意图。本发明的可变速抽水蓄能发电系统的MMC交流励磁装置6由转子侧并网开关模块11、网侧MMC变流器12以及机侧MMC变流器13组成。转子侧并网开关模块11包含一组输入三相端子与一组输出三相端子。网侧MMC变流器12包含一组直流母线端子DC+、DC-与一组交流母线端子八131、(:1。机侧1^(:变流器13包含一组直流母线端子00+、0(:-与一组交流母线端子42、82、C2o
[0046]转子侧并网开关模块11的输入三相端子与电网5相连。转子侧并网开关模块11的输出三相端子与网侧MMC变流器12的交流母线端子Al、B1、Cl相连。网侧MMC变流器12的直流母线端子DC+、DC-与机侧MMC变流器13的直流母线端子DC+、DC-对应相连。机侧MMC变流器13的交流母线端子A2、B2、C2相连与交流励磁电机的转子绕组32相连。
[0047]机侧丽C变流器13与网侧丽C变流器12的结构完全相同，以机侧MMC变流器13为例说明。机侧MMC变流器13具有一组交流母线端子A2、B2、C2以及一组直流母线端子DC+与DC-。MMC变流器13由6廣Λ为自然数)个相同的半桥单元(HBU) 71、3个上桥臂电感72、3个下桥臂电感73组成。半桥单元(HBU)71包含一组交流端子EU和ΕΒ。机侧丽C变流器13结构上可以分为ABC三相，每相的结构完全相同，以A相为例描述其特征。
[0048]第一至第#半桥单元按如下方式顺次级联:第一半桥单元的EU端子与直流母线端子DC+端子相连，第#桥单元的EB端子与上桥臂电感72的第一端子相连，第女半桥单元的EB端子与第如I半桥单元的EU端子相连(A=2，3，...，#一I)。上桥臂电感72的第二端子与交流母线端子A2相连。
[0049]第价1至2#桥单元按如下方式顺次级联:第价1半桥单元的EU端子与下桥臂电感73的第一端子相连，第2#桥单元的EB端子与直流母线端子DC-相连，第j半桥单元的EB端子与第半桥单元的EU端子相连(户价2，Λ^3，...，2Ν —I。下桥臂电感73的第二端子与交流母线端子Α2相连。
[0050]前述半桥单元(HBU)71由直流母线电容81、上开关器件82以及下开关器件83组成。直流母线电容81的正极与上开关器件82的集电极相连，上开关器件82的发射极与下开关器件83的集电极相连，下开关器件83的发射极与直流母线电容81的负极相连。上开关器件82的发射极引出作为半桥单元(HBU)71的输出EU端子，下开关器件83的发射极引出作为半桥单元(HBU)71的输出EB端子。上开关器件82与下开关器件83完全相同，均为强制可关断器件，在具体实施例中可以是IGBT、M0SFET或IGCT等器件。
【主权项】
1.可变速抽水蓄能发电系统的MMC交流励磁装置，其特征在于:包括由转子侧并网开关模块(11)、网侧丽C变流器(12)和机侧MMC变流器(13)，所述转子侧并网开关模块(11)包含一组输入三相端子(111)与一组输出三相端子(112);网侧MMC变流器(12)包含一组直流母线端子(122)与一组交流母线端子(121);机侧MMC变流器(13)包含一组直流母线端子(132)与一组交流母线端子(131);转子侧并网开关模块(11)的输入三相端子(111)与电网(5)相连，转子侧并网开关模块(11)的输出三相端子(112)与网侧MMC变流器(12)的交流母线端子(121)相连；网侧MMC变流器(12 )的直流母线端子(122)与机侧MMC变流器(13 )的直流母线端子(132)相连;机侧MMC变流器(13)的交流母线端子(131)相连与交流励磁电机的转子绕组(32)相连。2.根据权利要求1所述的可变速抽水蓄能发电系统的MMC交流励磁装置，其特征在于:机侧MMC变流器(13 )与网侧MMC变流器(12 )的结构相同，机侧MMC变流器(13 )与网侧MMC变流器(12)均具有一组交流母线端子A、B、C以及一组直流母线端子DC+与DC-;机侧MMC变流器(13)与网侧MMC变流器(12)均包括6#个相同的半桥单元(71)、3个上桥臂电感(72)、3个下桥臂电感(73)，其中#为自然数;半桥单元(71)包含一组交流端子EU和EB。3.根据权利要求2所述的可变速抽水蓄能发电系统的MMC交流励磁装置，其特征在于:机侧丽C变流器(13 )与网侧丽C变流器(12 )的A、B、C三相中每相的结构相同，每相的结构如下:第一至第#半桥单元按如下方式顺次级联:第一半桥单元的EU端子与直流母线端子DC+端子相连，第#桥单元的EB端子与上桥臂电感(72)的第一端子相连，第女半桥单元的EB端子与第女片半桥单元的EU端子相连，其中A=2，3，...，#一I;上桥臂电感(72)的第二端子与交流母线端子A相连。4.根据权利要求3所述的可变速抽水蓄能发电系统的MMC交流励磁装置，其特征在于:第价1至2#桥单元按如下方式顺次级联:第价1半桥单元的EU端子与下桥臂电感(73)的第一端子相连，第2#桥单元的EB端子与直流母线端子DC-相连，第J半桥单元的EB端子与第J丹半桥单元的EU端子相连，其中>价2，价3，…，2N — I;下桥臂电感(73)的第二端子与交流母线端子A相连。5.根据权利要求2所述的可变速抽水蓄能发电系统的MMC交流励磁装置，其特征在于:半桥单元(71)包括直流母线电容(81)、上开关器件(82)以及下开关器件(83);直流母线电容(81)的正极与上开关器件(82)的集电极相连，上开关器件(82)的发射极与下开关器件(83)的集电极相连，下开关器件(83)的发射极与直流母线电容(81)的负极相连;上开关器件(82)的发射极引出作为半桥单元(71)的输出EU端子，下开关器件(83)的发射极引出作为半桥单元(71)的输出EB端子。6.根据权利要求5所述的可变速抽水蓄能发电系统的MMC交流励磁装置，其特征在于:上开关器件(82)与下开关器件(83)均为强制可关断器件。7.根据权利要求1-6任意一项所述的可变速抽水蓄能发电系统的MMC交流励磁装置，其特征在于:可变速抽水蓄能发电系统的MMC交流励磁装置的工作原理为:正常工作时，交流励磁发电机的定子侧并网开关(4)处于闭合状态，所述转子侧并网开关(11)处于闭合状态；通过控制使机侧MMC变流器(13)的交流侧产生三相对称交变励磁电压;若该交变励磁电压的基波为正相序，则其基波频率/为正;若该交变励磁电压的基波为负相序，则其基波频率值/为负;要求该交变励磁电压的基波频率值/与交流励磁发电机的转子电频率的代数和等于电网电压的频率。
【文档编号】H02P9/30GK105939135SQ201610447684
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年6月21日
【发明人】周宏林, 吴小田, 代同振
【申请人】中国东方电气集团有限公司