机侧采用电容嵌位三电平变换的双馈风电变流器及机组的制作方法

本技术涉及发电领域，尤其涉及一种机侧采用电容嵌位三电平变换的双馈风电变流器及风力发电机组。

背景技术：

1、请参阅图1，现有技术的双馈风力发电机组包括风机、双馈发电机、双馈变流器、电网变压器和电网，所述双馈变流器包括定子回路和转子回路，定子回路的一端与双馈发电机的定子相连，和电网变压器相连，转子回路包括机侧变换器和网侧变换器，其中机侧变换器与双馈发电机的转子相连，网侧变换器与电网变压器相连。传统双馈风力发电机的定子和转子的额定电压均为690vac。

2、随着风力发电的不断发展，双馈风力发电机组的单机容量呈现不断提高的趋势,大型双馈风力发电机组的单机容量已达到8mw。大容量的双馈风力发电机组，如继续采用690v电压等级的发电机和变流器，则机组的定子侧和转子侧的电流会显著上升，造成双馈风力发电机组的扭缆困难与可靠性下降，降低机组内部电能转换效率的提升，且大电流功率电缆和大电流配电开关的成本高昂，造成工程设计困难和制造成本急剧上升等问题。因而，提升风力发电机组的内部电压等级成为一种可行的方案，业界现已大量使用1140v的双馈锋利发电机组的方案。目前，1140v风电变流器的网侧变换器和机侧变换器通常都使用二极管中点嵌位三电平或者主动中点嵌位三电平的电路拓扑方案，如图2所示为主动中点嵌位三电平的机侧采用电容嵌位三电平变换的双馈风电变流器及机组。

3、但是这种拓扑方案也有着下面缺点：1、半导体成本用量大幅度增加，导致变流器成本上升；2、双馈发电机的转子电压电流的频率比较低，尤其是在同步转速附近时，双馈变流器的正负母线不平衡问题尤其突出，影响到变流器的稳定运行，而解决变流器的正负母线不平衡问题带来较大的成本增加。

技术实现思路

1、本实用新型要解决的技术问题是提供一种机侧采用电容嵌位三电平变换的双馈风电变流器，该机侧采用电容嵌位三电平变换的双馈风电变流器，克服现有三电平双馈变流器电路的成本高及应用于正负母线不平衡的缺陷，使用电容嵌位三电平的方法提升了双馈变流器的机侧变换器的交流输出端口电压，网侧使用半导体嵌位三电平的方法提升了变流器的网侧变换器的交流端口输出电压及定子回路的电压。

2、为解决上述技术问题，本实用新型提供一种机侧采用电容嵌位三电平变换的双馈风电变流器，包括一个机侧变换器、一个网侧变换器、一个直流滤波电路和一个双馈变流器定子回路；

3、所述双馈变流器定子回路包括三相电机连接端口msac1、msac2、msac3和三相电网连接端口gsac1、gsac2、gsac3；

4、所述机侧变换器包括至少一个由三个单相电容嵌位三电平变换器组成的三相变换器，所述单相电容嵌位三电平变换器包括一个交流端口mac、直流端口mbusp、直流端口mbusn及电容嵌位三电平桥臂电路，各个所述电容嵌位三电平桥臂电路由若干半导体开关、若干二极管、电容组成，所述三个单相电容嵌位三电平变换器的三个交流端口为机侧变换器的第一交流端口mac1、第二交流端口mac2、第三交流端口mac3，所述三个单相电容嵌位三电平变换器的三个直流端口mbusp相互连接为机侧变换器的直流端口mbusp，所述三个单相电容嵌位三电平变换器的三个直流端口mbusn相互连接为机侧变换器的直流端口mbusn，所述网侧变换器包括至少一个由三个单相半导体嵌位三电平变换器组成的三相变换器，所述单相半导体嵌位三电平变换器包括一个交流端口gac、一个直流端口gbusp、一个直流端口gbuso、一个直流端口gbusn及半导体嵌位三电平桥臂电路，各个所述半导体嵌位三电平桥臂电路包括若干半导体开关、若干二极管，所述三个半导体嵌位三电平变换器的三个交流端口为网侧变换器的第一交流端口gac1、第二交流端口gac2、第三交流端口gac3，所述三个单相半导体嵌位三电平变换器的三个直流端口gbusp相互连接为网侧变换器的直流端口gbusp，所述三个单相半导体嵌位三电平变换器的三个直流端口gbuso相互连接为网侧变换器的直流端口gbuso，所述三个单相半导体嵌位三电平变换器的三个直流端口gbusn相互连接为网侧变换器的直流端口gbusn；

5、所述直流滤波电路包括直流端口busp、直流端口buso、直流端口busn及若干滤波电容；

6、所述机侧变换器的直流端口mbusp、所述网侧变换器的直流端口gbusp、所述直流滤波电路的直流端口busp相互连接，所述网侧变换器的直流端口gbuso、所述直流滤波电路的直流端口buso相互连接；所述机侧变换器的直流端口mbusn、所述网侧变换器的直流端口gbusn、所述直流滤波电路的直流端口busn相互连接；

7、所述网侧变换器的第一交流端口gac1、第二交流端口gac2、第三交流端口gac3、定子回路的三相电网连接端口gsac1、gsac2、gsac3与外部电网连接端口连接。

8、优选地，所述机侧变换器的单相电容嵌位三电平变换器包括四个半导体开关、四个二极管、一个嵌位电容c1，所述四个半导体开关为：第一半导体开关t1、第二半导体开关t2、第三半导体开关t3、第四半导体开关t4,四个二极管为：第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3、第四二极管d4，各个所述半导体开关包括三个极：电流输入端口t_1、电流输出端口t_2、半导体开关控制端口t_g，各个所述二极管包括两个极：电流输出端口d_1、电流输入端口d_2，所述嵌位电容c1包括两个极：c1_1和c1_2,所述序号相同的半导体开关t与二极管d并联连接，所述并联连接是指各个半导体开关的电流输入端口t_1与对应的二极管的电流输出端口d_1连接，各个所述半导体开关的电流输出端口t_2与对应二极管的电流输入端口d_2连接，所述第一半导体开关t1、第二半导体开关t2、第三半导体开关t3及第四半导体开关t4依次串联连接，所述串联连接是指第一半导体开关t1的电流输出端口t1_2与第二半导体开关t2的电流输入端口t2_1连接，第二半导体开关t2的电流输出端口t2_2与第三半导体开关t3的电流输入端口t3_1连接，第三半导体开关t3的电流输出端口t3_2与第四半导体开关t4的电流输入端口t4_1连接，所述第二半导体开关t2的电流输出端口t2_2及第三半导体开关t3的电流输入端口t3_1的连接点与单相电容嵌位三电平变换器的mac相连，所述第一半导体开关t1的电流输入端口t1_1与单相电容嵌位三电平变换器的mbusp相连，所述四半导体开关t4的电流输出端口t4_2与单相电容嵌位三电平变换器的mbusn相连，所述嵌位电容c1的c1_1端与第一半导体开关t1的电流输出端口t1_2连接，所述嵌位电容c1的c1_2端与第三半导体开关t3的电流输出端口t3_2连接。

9、优选地，所述网侧变换器的单相半导体嵌位三电平变换器为二极管中点嵌位三电平变换器，各个所述单相半导体嵌位三电平变换器包括四个半导体开关、六个二极管，所述四个半导体开关为：第五半导体开关t5、第六半导体开关t6、第七半导体开关t7、第八半导体开关t8,六个二极管为：第五二极管d5、第六二极管d6、第七二极管d7、第八二极管d8、第九二极管d9、第十二极管d10，各个所述半导体开关包括三个极：电流输入端口t_1、电流输出端口t_2，半导体开关的控制端口t_g，各个所述二极管包括两个极：电流输出端口d1_1，电流输入端口d1_2，所述序号相同的半导体开关t与二极管d并联连接，所述并联连接是指各个半导体开关的电流输入端口t_1与对应的二极管的电流输出端口d_1连接，各个所述半导体开关的电流输出端口t_2与对应二极管的电流输入端口d_2连接，所述第五半导体开关t5、第六半导体开关t6、第七半导体开关t7及第八半导体开关t8依次串联连接，所述串联连接是指第五半导体开关t5的电流输出端口t5_2与第六半导体开关t6的电流输入端口t6_1连接，第六半导体开关t6的电流输出端口t6_2与第七半导体开关t7的电流输入端口t7_1连接，第七半导体开关t7的电流输出端口t7_2与第八半导体开关t8的电流输入端口t8_1连接，第九二极管d9的电流输出端口d9_1与第五半导体开关t5的电流输出端口t5_2连接，第十二极管d10的电流输入端口d10_2与第七半导体开关t7的电流输出端口t7_2连接，所述第六半导体开关t6的电流输出端口t6_2及第七半导体开关t7的电流输入端口t7_1的连接点与二极管中点嵌位三电平变换器的gac相连，所述第五半导体开关t5的电流输入端口t5_1与二极管中点嵌位三电平变换器的gbusp相连，所述第八半导体开关t8的电流输出端口t8_2与二极管中点嵌位三电平变换器的gbusn相连，所述第九二极管d9的电流输入端口d9_2、所述第十二极管d10的电流输出端口d10_1及二极管中点嵌位三电平变换器gbuso相互连接。

10、优选地，所述网侧变换器的单相半导体嵌位三电平变换器为主动中点嵌位三电平变换器，各个所述单相半导体嵌位三电平变换器包括六个半导体开关、六个二极管，所述六个半导体开关为：第五半导体开关t5、第六半导体开关t6、第七半导体开关t7、第八半导体开关t8、第九半导体开关t9、第十半导体开关t10，六个二极管为：第五二极管d5、第六二极管d6、第七二极管d7、第八二极管d8、第九二极管d9、第十二极管d10，各个所述半导体开关包括三个极：电流输入端口t_1、电流输出端口t_2，半导体开关的控制端口t_g，各个所述二极管包括两个极：电流输出端口d1_1，电流输入端口d1_2，所述序号相同的半导体开关t与二极管d并联连接，所述并联连接是指各个半导体开关的电流输入端口t_1与对应的二极管的电流输出端口d_1连接，各个所述半导体开关的电流输出端口t_2与对应二极管的电流输入端口d_2连接，所述第五半导体开关t5、第六半导体开关t6、第七半导体开关t7及第八半导体开关t8依次串联连接，

11、所述串联连接是指第五半导体开关t5的电流输出端口t5_2与第六半导体开关t6的电流输入端口t6_1连接，第六半导体开关t6的电流输出端口t6_2与第七半导体开关t7的电流输入端口t7_1连接，第七半导体开关t7的电流输出端口t7_2与第八半导体开关t8的电流输入端口t8_1连接，第九半导体开关t9的电流输入端口t9_1与第五半导体开关t5的电流输出端口t5_2连接，第十半导体开关t10的电流输出端口t10_2与第七半导体开关t7的电流输出端口t7_2连接，所述第六半导体开关t6的电流输出端口t6_2及第七半导体开关t7的电流输入端口t7_1的连接点与二极管中点嵌位三电平变换器的gac相连，所述第五半导体开关t5的电流输入端口t5_1与二极管中点嵌位三电平变换器的gbusp相连，所述第八半导体开关t8的电流输出端口t8_2与二极管中点嵌位三电平变换器的gbusn相连，

12、所述第九半导体开关t9的电流输出端口t9_2、所述第十半导体开关t10的电流输入端口t10_1及主动中点嵌位三电平变换器gbuso相互连接。

13、优选地，所述直流滤波电路还包括正电容组c2、负电容组c3，所述正电容组c2包括两个极：c2_1和c2_2，所述负电容组包括两个极：c3_1和c3_2，所述正电容组的c2_1与直流端口busp相连，所述正电容组c2的c2_2、所述负电容组c3的c3_1及直流端口buso相互连接，所述负电容组c3的c3_2与直流端口busn相连。

14、为解决上述技术问题，本实用新型还公开了一种发电机组，所述风力发电机组包括上述的机侧采用电容嵌位三电平变换的双馈风电变流器。

15、采用本实用新型的结构之后，机侧采用电容嵌位三电平变换的双馈风电变流器包括一个机侧变换器、一个网侧变换器、一个直流滤波电路和一个双馈变流器定子回路；所述双馈变流器定子回路包括三相电机连接端口msac1、msac2、msac3和三相电网连接端口gsac1、gsac2、gsac3；所述机侧变换器包括至少一个由三个单相电容嵌位三电平变换器组成的三相变换器，所述单相电容嵌位三电平变换器包括一个交流端口mac、直流端口mbusp、直流端口mbusn及电容嵌位三电平桥臂电路，各个所述电容嵌位三电平桥臂电路由若干半导体开关、若干二极管、电容组成，所述三个单相电容嵌位三电平变换器的三个交流端口为机侧变换器的第一交流端口mac1、第二交流端口mac2、第三交流端口mac3，所述三个单相电容嵌位三电平变换器的三个直流端口mbusp相互连接为机侧变换器的直流端口mbusp，所述三个单相电容嵌位三电平变换器的三个直流端口mbusn相互连接为机侧变换器的直流端口mbusn，所述网侧变换器包括至少一个由三个单相半导体嵌位三电平变换器组成的三相变换器，所述单相半导体嵌位三电平变换器包括一个交流端口gac、一个直流端口gbusp、一个直流端口gbuso、一个直流端口gbusn及半导体嵌位三电平桥臂电路，各个所述半导体嵌位三电平桥臂电路包括若干半导体开关、若干二极管，所述三个半导体嵌位三电平变换器的三个交流端口为网侧变换器的第一交流端口gac1、第二交流端口gac2、第三交流端口gac3，所述三个单相半导体嵌位三电平变换器的三个直流端口gbusp相互连接为网侧变换器的直流端口gbusp，所述三个单相半导体嵌位三电平变换器的三个直流端口gbuso相互连接为网侧变换器的直流端口gbuso，所述三个单相半导体嵌位三电平变换器的三个直流端口gbusn相互连接为网侧变换器的直流端口gbusn；所述直流滤波电路包括直流端口busp、直流端口buso、直流端口busn及若干滤波电容；所述机侧变换器的直流端口mbusp、所述网侧变换器的直流端口gbusp、所述直流滤波电路的直流端口busp相互连接，所述网侧变换器的直流端口gbuso、所述直流滤波电路的直流端口buso相互连接；所述机侧变换器的直流端口mbusn、所述网侧变换器的直流端口gbusn、所述直流滤波电路的直流端口busn相互连接；所述网侧变换器的第一交流端口gac1、第二交流端口gac2、第三交流端口gac3、定子回路的三相电网连接端口gsac1、gsac2、gsac3与外部电网连接端口连接；该机侧采用电容嵌位三电平变换的双馈风电变流器克服现有三电平双馈变流器电路应用于双馈风力发电机组时正负母线不平衡的缺陷，使用电容嵌位三电平的方法提升了双馈变流器的机侧变换器的交流输出端口电压，网侧使用半导体嵌位三电平的方法提升了变流器的网侧变换器的交流端口输出电压及定子回路的电压。