基于mmc结构的永磁同步电机变流器装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及高压变流器，尤其是基于MMC结构的永磁同步电机变流器装置。
【背景技术】
[0002] 现代新能源风力发电的发展趋势是风机单台容量越来越大，而永磁同步电机与双 馈异步电机相比，具有明显的优势。它效率高、功率因素高、能力指标好、体积小、重量轻、温 升低、技能效果显著，较好地提高了电网的品质因素。
[0003] 目前海上风电永磁同步发电机最大单机容量已经达到6. 5MW，并且容量有越来越 大趋势。但是现有风机出口电压一般为600-700V左右，导致电机最大出口电流3000-6000A 左右。过大的电机额定电流使得风机绕线截面积大、绕线数量多、制造工艺难度大、生产成 本高。现有永磁同步发电机配套的全功率风电变流器主要是升压斩波+三相全桥逆变器结 构（如图1、图2)，或者是背靠背三相全桥+三相全桥拓扑结构。这些结构由于开关管额定 电压性能限制，变流器出口电压偏低，无法与高压永磁同步发电机配套。
[0004] 因此，提高风电机组的出口电压，降低额定电流是未来的技术发展趋势。 【实用新型内容】
[0005] 为解决上述技术问题，本实用新型的目的是提供一种基于MMC结构的永磁同步电 机变流器装置。
[0006] 本实用新型采用的技术方案是：
[0007] 基于MMC结构的永磁同步电机变流器装置，包括顺次连接整流模块和逆变模块； 该整流模块输入端用于连接永磁同步发电机的定子侧，该逆变模块的输出端用于连接交流 电网，所述整流模块和逆变模块的单元结构相同且整流模块的直流输出端与逆变模块的直 流输入端连接，整流模块和逆变模块均分成三相，每相由多个链式MMC单元串联组成。
[0008] 所述每相由偶数N个链式MMC子单元串联而成并分为上下两组，每组子单元个数 为N/2个；每相的输出端为上下两组子单元的中点处，且输出端与上下两组子单元之间以 缓冲电感连接。
[0009] 所述链式MMC子单元的结构为半桥结构，包括两个IGBT开关器件Tl、T2和一个直 流电容C，该开关器件Tl的发射极与开关器件T2的集电极连接，该开关器件T2的发射极与 开关器件Tl的集电极之间串接所述直流电容C。
[0010] 所述永磁同步电机变流器装置还包括串接在逆变模块输入端与交流电网之间的 电阻充电回路，该电阻充电回路包括并联着的充电电阻和旁路开关。
[0011] 所述永磁同步发电机的转子侧用于连接风机叶片变桨系统。
[0012] 本实用新型的有益效果：
[0013] 本实用新型变流器装置能够承受很高额定电压，能够方便灵活地与高压永磁同步 发电机配套，与同等容量6.5MW/690V风力发电机组相比，6KV电压等级风力发电机组额定 电流下降接近90%，因为额定电流的下降，大大简化风机的工艺、结构，提高可靠性，降低成 本。
【附图说明】
[0014] 下面结合附图对本实用新型的【具体实施方式】做进一步的说明。
[0015] 图1是永磁同步发电机+全功率风电变流器结构图；
[0016] 图2是逆变器的三相全桥结构图；
[0017] 图3是本实用新型永磁同步电机变流器装置的接入方式示意图；
[0018] 图4是本实用新型永磁同步电机变流器装置整流和逆变模块结构图；
[0019] 图5是MMC单元的示意图；
[0020] 图6基于MMC技术的多电平电压波形生成原理图。
【具体实施方式】
[0021] 本实用新型涉及一种新的基于MMC的风电变流器拓扑结构。MMC是Modular MultilevelConverter-模块化多电平变流器的简称；该拓扑结构采用模块化链式串联结 构，如图3所示，整流侧模块阀组直接与永磁同步发电机定子侧连接；整流侧与逆变侧直接 背靠背相连，逆变侧通过充电回路连接升压变压器低压侧，变压器高压侧直接与电网连接。 该结构其优点在于提高了风电变流器出口电压等级，增加容量，同时单元结构简单、拆卸容 易、接线方便。为实现上述目的，本实用新型通过以下技术方案实现：
[0022] 基于MMC的高压风电变流器拓扑结构，整流和逆变模块均采用链式模块串联多电 平结构，由多个子单元串联而成，该拓扑整流输入侧直接与高压永磁同步发电机连接；整流 侧将高压交流电转化成直流；逆变侧与交流电网连接，将直流电转换成交流电送到电网； 该拓扑结构可实现四象限能量回馈。
[0023] 如图4所示，所述的整流、逆变模块完全相等，分成三相，每相由偶数N个子单元串 联而成分为上下两组，每组子单元个数为N/2个；每相的输出端为两组子单元的中点处，且 输出端与子单元之间以缓冲电感连接；
[0024] 如图5所示链式MMC子单元的结构为半桥结构，包括两个IGBT开关器件T1、T2和 一个直流电容C，该开关器件Tl的发射极与开关器件T2的集电极连接，该开关器件T2的发 射极与开关器件Tl的集电极之间串接所述直流电容C。
[0025] 基于MMC的风电变流器拓扑结构。该结构由多个链式MMC单元串联组成，每个单 元采用半桥结构。如图5所示，两个开关器件T1、T2串联，再与直流电容C并联。并且开关 器件Tl、T2分别反并联二极管；Tl与T2的公共端，电容C与T2的公共端作为每个单元的 输出端，与其他单元相连。Tl与T2必须互补导通，当Tl导通T2截止时，单元输出高电平； 当T2导通Tl截止时，单元输出0电平；当Tl、T2都截止时，单元处于闭锁状态，一般在故障 与启动时使用。其逻辑关系如下表：
[0027] 正常运行时，首先接入电力系统，电力系统通过充电电阻给每个功率模块充电。如 果没有充电电阻，装置直接接入电力系统，会产生过大的充电电流导致功率模块损坏。当功 率模块直流电压达到一定数值(该数值可以设定）以后，旁路开关闭合，充电电阻相当于短 接，装置达到并网运行状态。在并网运行状态，每个子模块工作在全电压或零电压状态。为 叙述方便，定义子模块处于全电压状态为开通，零电压状态为关断。于是，变频器单个相单 元可以等效为图6 (a)的结构。为了分析模块化多电平变频器技术的波形生成原理，不妨 以a相为例进行说明。（a)中uao表示变频器a相单元输出的相电压，ual、ua2分别代表a 相单元上、下桥臂电压，Udc是直流电压。因为MMC结构变频器将电容器分散安装在每个子 模块内，为了维持直流电压恒定，每个相单元的上、下两桥臂总的导通模块个数恒定。图6 (b)清晰地展现了变频器相电压波形的合成原理，从图中可以形象地看出各相单元上、下桥 臂导通的模块数呈现此消彼长的变化趋势。变频器中三个相单元具有严格的对称性，每相 桥臂可通过子模块的投切控制桥臂输出电压，故每相桥臂均可等效为一个可控电压源，如 图6 (c)，桥臂电压ual和ua2的波形关于Udc/2对称，这表明任意时刻二者之和恒为Udc。
[0028] 忽略变频器中桥臂电抗器的压降，可得：
[0032] 由上述两式可以得出，模块化多电平变频器正常运行时每相单元中处于投入状态 的子模块数在任意时刻都相等且不变，通过对每相上、下桥臂中处于投入状态的子模块数 进行分配来实现变频器交流侧输出多电平波形。
[0033] 由于模块化多电平变频器中三个相单元具有严格的对称性，相单元中的上、下桥 臂也具有严格的对称性，因此直流电流Idc在三个相单元间均分，a相的输出端电流在上、 下桥臂均分为两部分。因此，可以得到a相上、下桥臂电流为：
[0035] 根据上述原理，当a相上桥臂中所有N个子模块都切除时ual=0,这时a相下桥臂 所有的N个子模块都要投入，才能得到直流电压Udc。又因为相单元中处于投入状态的子模 块数是一个不变的量，所以一般情况下，每个相单元中处于投入状态的子模块数为N个，是 该相单元中全部子模块数2N的一半(不考虑冗余)。这样，单个桥臂处于投入状态的子模块 数可以是0，1，2，…，N，也就是说模块化多电平变频器最多能输出的电平数为N+1。
[0036] 以上所述仅为本实用新型的优先实施方式，本实用新型并不限定于上述实施方 式，只要以基本相同手段实现本实用新型目的的技术方案都属于本实用新型的保护范围之 内。
【主权项】
1. 基于MMC结构的永磁同步电机变流器装置，其特征在于：包括顺次连接整流模块和 逆变模块；该整流模块输入端用于连接永磁同步发电机的定子侧，该逆变模块的输出端用 于连接交流电网，所述整流模块和逆变模块的单元结构相同且整流模块的直流输出端与逆 变模块的直流输入端连接，整流模块和逆变模块均分成三相，每相由多个链式MMC单元串 联组成。2. 根据权利要求1所述的基于MMC结构的永磁同步电机变流器装置，其特征在于：所 述每相由偶数N个链式MMC子单元串联而成并分为上下两组，每组子单元个数为N/2个； 每相的输出端为上下两组子单元的中点处，且输出端与上下两组子单元之间以缓冲电感连 接。3. 根据权利要求2所述的基于MMC结构的永磁同步电机变流器装置，其特征在于：所 述链式MMC子单元的结构为半桥结构，包括两个IGBT开关器件Tl、T2和一个直流电容C， 该开关器件Tl的发射极与开关器件T2的集电极连接，该开关器件T2的发射极与开关器件 Tl的集电极之间串接所述直流电容C。4. 根据权利要求1所述的基于MMC结构的永磁同步电机变流器装置，其特征在于：其 还包括串接在逆变模块输入端与交流电网之间的电阻充电回路，该电阻充电回路包括并联 着的充电电阻和旁路开关。5. 根据权利要求1所述的基于MMC结构的永磁同步电机变流器装置，其特征在于：所 述永磁同步发电机的转子侧用于连接风机叶片变桨系统。
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于模块化多电平变流器（Modular Multilevel Converter，简称MMC）结构的背靠背永磁同步风电变流器装置。该装置整流模块和逆变模块均采用MMC结构，由多个子单元串联而成。装置整流模块输入侧直接与永磁同步电机相连，将高压交流电转化成直流电输入逆变模块；逆变模块通过充电电阻与电网相连，将直流电转化成交流电；同时该拓扑结构为四象限型，可以实现能量回馈。其优点在于提升了风电变流器的单机容量和使用功能，降低了装置成本，拓展了使用功能。
【IPC分类】H02M5/458
【公开号】CN204696934
【申请号】CN201520252997
【发明人】周治国, 周立专, 黎林
【申请人】广东明阳龙源电力电子有限公司
【公开日】2015年10月7日
【申请日】2015年4月23日