一种基于三相九开关的全功率中压风电变流器的制作方法

本发明主要涉及风力发电技术领域，特指一种基于三相九开关的全功率中压风电变流器。

背景技术：

风力发电作为一种无污染、利用可再生资源的环保型发电方式，成为最具发展潜力的可再生能源技术之一，已成为世界各国竞相发展的热点和重点，市场前景广阔。但是，随着陆地风电力发电机组数量的增多以及容量的增加以及电量就地消纳、传输能力的限制，海上风电机组更加受到广大风电业主、相关技术研发人员重视；由于海上风资源更好，因而需要更大容量机组，同时也需要大容量的变流器完成能量转换。

随着海上全功率变流器容量的迅速增大，若仍采用传统低压发电机加低压变流器方案，则电流过大引起的损耗将会成为限制风机容量增加的瓶颈，而这又会大大增加系统成本和施工难度；另一方面，能承受如此大电流的开关器件也尚未问世，若采用低压变流器并联拓扑，又会出现诸如环流、效率等问题，可见传统方案陷入了两难境地，为突破这一瓶颈的出路就是提高系统的电压等级，而中压风电变流器能够有效减小电流应力，提高系统效率和可靠性，因此，中压变流技术引入到风力发电系统中成为一种趋势。目前，中压变流器常见有二极管箝位型三电平变流器、飞跨电容箝位型三电平变流器、混合箱位型三电平变流器，由于三电平变流器使用的均为中压大电流开关管igbt、igct等，其价格很贵，比如abb的4500v/4000a单管价格高达15000元之多。传统基于二极管并联中压变流器的风电力发电系统框图如图1所示：包括24个开关管、12个钳位二极管，系统成本高，中性点电压波动大，控制易发散，工程化应用带来了困难。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、成本低的基于三相九开关的全功率中压风电变流器。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种基于三相九开关的全功率中压风电变流器，包括相互串联的三相桥式整流电路和三相桥式逆变电路；所述三相桥式整流电路与三相桥式逆变电路之间并联有电容器组，所述电容器组包括串联的电容c1和电容c2，所述电容c1和电容c2的连接点为中性点n，所述三相桥式整流电路的每相与中性点之间通过第一开关组件相连，所述三相桥式逆变电路的每相与中性点之间均通过第二开关组件相连。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述第一开关组件包括igbt和四个二极管d1～d4，其中二极管d1和d2的负极与所述igbt的集电极相连，正极分别与中性点n和电源各相连接，d3的正极与igbt的发射极相连，负极与电源各相连接，d4的正极与中性点n相连，负极与igbt的发射极相连。

所述第二开关组件包括igbt和四个二极管d5～d8，其中二极管d5和d6的负极与所述igbt的集电极相连，正极分别与中性点n和电源各相连接，d7的正极与igbt的发射极相连，负极与电源各相连接，d8的正极与中性点n相连，负极与igbt的发射极相连。

所述三相桥式整流电路和三相桥式逆变电路中的开关均为igbt元件。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的基于三相九开关的全功率中压风电变流器，由于单侧采用九个开关管，相对于之前使用的十二个开关管，总共减少了六个开关和12个钳位二极管，结构简单、极大降低了成本。

附图说明

图1为现有变流器的电路原理图。

图2为本发明的变流器的电路原理图。

图3为本发明中网侧变流器输出线电压。

图4为本发明中网侧变流器输出电流。

图5为本发明中滤波后网侧变流器的输出电流。

图6为本发明中机侧变流器输出电流。

图7为本发明中机侧变流器输出电压。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图2至图7所示，本实施例的基于三相九开关的全功率中压风电变流器，包括相互串联的三相桥式整流电路和三相桥式逆变电路；三相桥式整流电路与三相桥式逆变电路之间并联有电容器组，电容器组包括串联的电容c1和电容c2，电容c1和电容c2的连接点为中性点n，三相桥式整流电路的每相与中性点之间通过第一开关组件相连，三相桥式逆变电路的每相与中性点之间均通过第二开关组件相连。如图2所示，由于单侧采用九个开关管，相对于之前使用的十二个开关管，总共减少了六个开关和十二个钳位二极管，极大了降低了成本。

本实施例中，第一开关组件包括igbt和四个二极管d1～d4，其中二极管d1和d2的负极与igbt的集电极相连，正极分别与中性点n和电源各相连接，d3的正极与igbt的发射极相连，负极与电源各相连接，d4的正极与中性点n相连，负极与igbt的发射极相连。

本实施例中，第二开关组件包括igbt和四个二极管d5～d8，其中二极管d5和d6的负极与igbt的集电极相连，正极分别与中性点n和电源各相连接，d7的正极与igbt的发射极相连，负极与电源各相连接，d8的正极与中性点n相连，负极与igbt的发射极相连。

本实施例中，三相桥式整流电路和三相桥式逆变电路中的开关均为igbt元件。

下面结合一实例对本发明的变流器做进一步说明：

如图2所示，主要构成部分为：网侧变流器、机侧变流器和中间支撑电容；网侧变流器包括主开关s1、s2、s3、s4、s5、s6以及三个具有双向二极管的辅助开关s7、s8、s9；机侧变流器包括主开关s13、14、s15、s16、s17、s18以及三个具有双向二极管的辅助开关s10、s11、s12；中间支撑电容包括电容器组c1、c2，由于机侧变流器工作原理与网侧变流器一致，在此不再赘述；主要介绍网侧变流器工作原理如下：

导通上管s1、s3、s5其中任何一个开关，网侧变流器输出电压uan、ubn、ucn为直流母线2udc；当导通下管s2、s4、s6其中任何一个开关，网侧变流器输出电压uan、ubn、ucn为0；当导通中间管s7、s8、s9其中任何一个开关，网侧变流器输出电压uan、ubn、ucn为半直流母线电压udc。一种开关状态对应一个输出电压，其相电压输出如公式(1)：

uan＝sa×udc

ubn＝sb×udc

ucn＝sc×udc(1)

sa、sb、sc的取值分为0、1、2，其线电压表达式：

uab＝uan-ubn＝(sa-sb)×udc

ubc＝ubn-ucn＝(sb-sc)×udc

uca＝ucn-uan＝(sc-sa)×udc(2)

式(2)写成矩阵形式：

ul-lsabc＝[uabubcuca]^t＝[(sa-sb)(sb-sc)(sc-sa)]^t×udc(3)

同理，三相参考线电压也可以参考如下矩阵形式：

在静止d、q轴坐标系下对式(4)进行坐标变换，得到：

显然，与两电平空间矢量一样，三电平参考电压矢量的运动轨迹也为圆。因为三电平的空间矢量多于两电平的空间矢量个数。因此使其矢量合成时能更好地逼近参考矢量，从而使得输出波形的谐波含量更少，这也正是三电平的优势所在。三电平的参考电压矢量合成仍采用最近三矢量进行矢量合成原则。所谓最近三矢量，是指参考电压矢量所在小三角形区域的三个顶点所代表的矢量。具体采用常规的三电平的空间矢量调制方法，在此不再赘述。

该系统方案应用于5mw低速永磁同步风力发电机系统中，网侧变流器等效开关频率750hz，机侧开关频率500hz，其仿真验证结果如图3～7所示，通过以上仿真和试验证明了此方案的可行性。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。