基于mmc和雙極式直流傳輸結構的直驅風電變流結構的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于MMC和雙極式直流傳輸結構的直驅風電變流結構，包括兩臺直驅風力發電機、機側變流器、網側變流器和并網變壓器，機側變流器由兩路獨立整流電路組成，每個整流電路包括du/dt濾波器、可控整流器、直流電容；網側變流器主要由三組模塊化多電平換流器（MMC）組成，本裝置共包括12個標準功率單元子模塊（SM）；本發明所設計的基于MMC和雙極式直流傳輸結構的直驅風電變流結構采用雙極性直流結構，在直流線路發生單極直流故障時，故障極整流側換流器閉鎖，則故障極整流側輸出的直流電流降為零，即不會產生直流故障的過電流。
【專利說明】基于MMC和雙極式直流傳輸結構的直驅風電變流結構

【技術領域】
[0001]本發明涉及風力發電領域，特別是一種基于MMC和雙極式直流傳輸結構的直驅風電變流結構。

【背景技術】
[0002]風電機組的功率不斷加大，目前大功率風力發電機多采用六相(雙繞組)電機，輸出兩組三相電壓(錯相或不錯相)，每組容量為電機容量的一半；在風力發電的各種方案中，直驅風力發電方式以其優越的性能，日益成為研究及應用的熱點；現有的大容量直驅風力發電機，由于受葉尖速比的限制，容量的增大會導致發電機轉速的下降，而低轉速大容量直驅風力發電機的直徑等尺寸將變得很大，這給發電機的制造、運輸和吊裝帶來極大困難，對此，行業內已有相關研究，一種解決方法是使用兩臺相同的直驅發電機同軸串聯使用，即串級式發電機，這種結構增大了直驅風力發電機的容量，有效壓縮了大容量發電機的尺寸；與此相對應，并網變流器的容量要求增大，因此本發明正好符合這種串級發電機的并網需求。
[0003]直驅風力發電機和電網之間通過變流器連接，風電變流器是風力發電機組不可缺少的能量變換環節，其主要作用是將風力發電機的電壓頻率、幅值浮動不定的電能轉換為頻率、幅值穩定，符合電網要求的電能，解決了低電壓的穿越問題，通過最大功率點追蹤技術，能夠充分的利用風能，進一步提高發電效率。
[0004]目前風力發電機的發電功率已達到近10麗，由于直驅風力發電系統中，發電機需要通過全功率變流器進行并網，受到電力電子器件容量的限制，單套變流器的輸送能力不能滿足發電機的能量傳輸需求，為突破這一限制，變流器的并聯技術在風力發電系統中成為了研究熱點；并聯技術在風機功率一定的情況下，可以采用功率等級更低的功率開關器件傳送電流，大大降低生產成本。
[0005]并聯型變流器系統中，會產生嚴重的環流問題；環流在并聯的變流器之間流動，它的存在增加了損耗，降低了系統效率，是功率器件發熱嚴重，甚至燒毀；目前研究中常采用兩種方式解決并聯變流器系統中環流問題:一是在硬件上消除環流通道，二是采用適當的控制方法來抑制環流；通常采用硬件方式消除環流的方法為加隔離變壓器，隔離變壓器能夠阻斷交流側的環流回路，消除環流，同時，采用不同形式的副邊結構的隔離變壓器，可以消除特定次諧波，降低對電網的污染；由于在工頻下工作，通常隔離變壓器的體積、重量都很大，它會造成系統成本的增加，所以不適合用于大功率的永磁或電勵磁直驅風電系統中。


【發明內容】

[0006]本發明所要解決的技術問題是，克服現有技術的缺點，提供一種基于MMC和雙極式直流傳輸結構的直驅風電變流結構采用雙極性直流結構，在直流線路發生單極直流故障時，故障極整流側換流器閉鎖，則故障極整流側輸出的直流電流降為零，即不會產生直流故障的過電流，
為了解決以上技術問題，本發明提供一種基于MMC和雙極式直流傳輸結構的直驅風電變流結構，包括兩臺直驅風力發電機，即第一、第二直驅風力發電機，兩臺直驅風力發電機之間通過設置一電容形成同軸聯接，即串級使用；
兩臺直驅風力發電機的三相繞組獨立設置且每套三相繞組的輸出端均依次串聯一 du/dt濾波器及一整流器，第一直驅風力發電機所連接的整流器的正直流輸出端串聯第一直流電阻后通過正直流傳輸線接入網側變流器，第二直驅風力發電機所連接的整流器的負直流輸出端串聯第二直流電阻后通過負直流傳輸線接入網側變流器，第一直驅風力發電機所連接的整流器的負直流輸出端與第二直驅風力發電機所連接的整流器的正直流輸出端共同接地；每個整流器正負直流輸出端之間還設有一直流支撐電容；
網側變流器為三相交流輸出結構，即網側變流器包括在正、負直流傳輸線之間并聯設置的三組模塊化多電平換流器，每組模塊化多電平換流器由4臺串聯設置的標準功率子模塊組成，沿正、負直流傳輸線位置方向依次為第一至第四標準功率子模塊，其中，第二、第三標準功率子模塊之間還串聯設置有兩個電感，還包括一臺三相濾波電容組，三相濾波電容組的輸入端連接每組模塊化多電平換流器中兩個電感之間的中點，其輸出端經并網變壓器后為電網提供三相電壓；
技術效果:上述技術方案中，機側變流器輸出雙極性直流電壓，為網側變流器提供直流電源，網側變流器將機側變流器整流出的直流電壓調制成交流的三相電壓，通過對逆變輸出三相電壓幅值、相位和頻率的控制，經過并網變壓器，輸出符合電網要求的三相電壓，較好的完成風力發電的并網功能。
[0007]本發明進一步限定的技術方案是:
進一步的，前述的基于MMC和雙極式直流傳輸結構的直驅風電變流結構，風力發電機為單繞組直驅風力發電機且每套三相繞組獨立設置，每套三相繞組的輸出端均依次串聯一du/dt濾波器及一整流器，即每臺單繞組直驅風力發電機連接一臺du/dt濾波器和一臺整流器；
第一單繞組直驅風力發電機所連接的整流器的正直流輸出端串聯第一直流電阻后通過正直流傳輸線接入網側變流器，第二單繞組直驅風力發電機所連接的整流器的負直流輸出端串聯第二直流電阻后通過負直流傳輸線接入網側變流器，第一直驅風力發電機所連接的整流器的負直流輸出端與第二直驅風力發電機所連接的整流器的正直流輸出端共同接地；每個整流器正負直流輸出端之間還設有一直流支撐電容。
[0008]前述的基于MMC和雙極式直流傳輸結構的直驅風電變流結構，直驅風力發電機為雙繞組直驅風力發電機且其每套三相繞組獨立設置，每套三相繞組的輸出端均依次串聯一du/dt濾波器及一整流器，即每臺雙繞組直驅風力發電機連接兩臺du/dt濾波器和兩臺整流器；
第一雙繞組直驅風力發電機所連接的兩臺整流器的正直流輸出端共同串聯第一直流電阻后通過正直流傳輸線接入網側變流器，第二雙繞組直驅風力發電機所連接的兩臺整流器的負直流輸出端共同串聯第二直流電阻后通過負直流傳輸線接入網側變流器，第一直驅風力發電機所連接的兩臺整流器的負直流輸出端與第二直驅風力發電機所連接的兩臺整流器的正直流輸出端共同接地；每個整流器正負直流輸出端之間還設有一直流支撐電容。
[0009]前述的基于MMC和雙極式直流傳輸結構的直驅風電變流結構，單個標準功率子模塊為半橋結構，包括2個絕緣柵雙極晶體管和I個直流儲能電容組成，第一絕緣柵雙極晶體管的源極接第二絕緣柵雙極晶體管的漏極，直流儲能電容的兩端分別接第一絕緣柵雙極晶體管的漏極和第二絕緣柵雙極晶體管的源極，每個絕緣柵雙極晶體管分別并聯一個二極管且二極管的正、負極分別接絕緣柵雙極晶體管的源極和漏極，2個二極管的正極分別作為標準功率子模塊的連接端。
[0010]前述的基于MMC和雙極式直流傳輸結構的直驅風電變流結構，直驅風力發電機為電勵磁直驅風力發電機或永磁直驅風力發電機。
[0011]前述的基于MMC和雙極式直流傳輸結構的直驅風電變流結構，電感為耦合或非耦合電感。
[0012]與現有技術相比:
1.本發明適合于風力發電機串級使用的場合，使得單個直驅電機尺寸小、便于制造、運輸和吊裝，同時成本低，節省空間，結構簡單，反應速度快；
2.網側模塊化多電平換流器(MMC)拓撲結構簡單，具有很大的靈活性，控制策略簡單可罪，能夠實現有功和無功功率的控制，能夠有效的減小開關器件開關頻率和承受:應力，能夠達到更高電平來逼近正弦波；MMC具有開關損耗較低、故障穿越能力強等特點；
3.本發明中變流器的各橋臂以功率單元子模塊串聯方式構成，避免了開關器件的直接串聯，而且工作時不需要同一橋臂上的所有串聯的開關器件同時開關，對變流器的制造工藝要求相對較低，提高了變流器的可靠性；
4.本發明便于變流器采用網側和機側分置方案，即網側逆變器置于塔底和機側變頻器置于塔頂，中間長距離直流母線傳輸，類似輕型直流輸電的拓樸結構，從而更有效的節省發電機側的交流電纜長度，降低因電壓反射而引起的過電壓可能性，并且能夠減少因高頻交流電流的集膚效應引起的電纜發熱現象；
綜上所述，采用單極性的直流傳輸技術，相比于交流傳輸能夠節省25%左右的電纜，本變流器因為采用中點接地(塔架)的雙極式結構，直流電壓為土Ud，直流電流為單極式的50%，因而總的傳輸電纜能夠降低60%以上。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發明接單繞組直驅風力發電機時的系統原理圖；
圖2為本發明接雙繞組直驅風力發電機時的系統原理圖；
圖3為本發明總標準功率子模塊的結構圖。

【具體實施方式】
[0014]現有技術中，單臺使用的低轉速大容量直驅風力發電機的直徑等尺寸較大，這給發電機的制造、運輸和吊裝帶來極大困難；
現有直驅風電變流器中，存在如下一些問題，如整流橋輸入側電流畸變很嚴重，諧波含量比較大，因而使發電機功率因數降低，發電機轉矩發生振蕩；其直流側電壓也難以實現平衡控制，電容電壓的波動必定會影響裝置的整體輸出性能；并聯型變流器系統中，采用硬件方式消除環流的方法為加隔離變壓器，由于在工頻下工作，通常隔離變壓器的體積、重量都很大，它會造成系統成本的增加，所以不適合用于大功率的永磁或電勵磁直驅風電系統中；下面結合附圖對本發明做進一步的詳細說明: 實施例1
如圖1所示，本實施例提供了一種基于MMC和雙極式直流傳輸結構的直驅風電變流結構，包括兩臺直驅風力發電機、機側變流器、網側變流器和并網變壓器，機側變流器由兩路獨立整流電路組成，每個整流電路包括du/dt濾波器、可控整流器、直流電容，整流輸入端分別與串級使用的兩臺單繞組電勵磁直驅風力發電機連接，將風力發電機發出的三相交流電整流成直流電壓，四路整流回路中同電機的兩路輸出并聯，然后再串聯接地，從而整個機側變流器輸出雙極性直流電壓；
網側變流器主要由三組模塊化多電平換流器(MMC)組成，本裝置共包括12個標準功率單元子模塊(SM);網側變流器三相，每個相單元由上、下2個橋臂組成，每個橋臂由2個子模塊和I個橋臂電抗組成，輸出相電壓三電平，線電壓為五電平；網側變流器將機側變流器整流出的直流電壓調制成交流的三相電壓，通過控制器對逆變輸出三相電壓幅值、相位和頻率的控制，經過并網變壓器，輸出符合電網要求的三相電壓，較好的完成風力發電的并網功倉泛。
[0015]本發明機側變流器采用雙極性直流結構，在直流線路發生單極直流故障時，故障極整流側換流器閉鎖，則故障極整流側輸出的直流電流降為零，即不會產生直流故障的過電流。
[0016]實施例2
如圖2所示，本實施例提供了一種基于MMC和雙極式直流傳輸結構的直驅風電變流結構，包括兩臺直驅風力發電機、機側變流器、網側變流器和并網變壓器，直驅風力發電機為雙繞組直驅風力發電機且其每套三相繞組獨立設置，每套三相繞組的輸出端均依次串聯一du/dt濾波器及一整流器，即每臺雙繞組直驅風力發電機連接兩臺du/dt濾波器和兩臺整流器；
第一雙繞組直驅風力發電機所連接的兩臺整流器的正直流輸出端共同串聯第一直流電阻后通過正直流傳輸線接入網側變流器，第二雙繞組直驅風力發電機所連接的兩臺整流器的負直流輸出端共同串聯第二直流電阻后通過負直流傳輸線接入網側變流器，第一直驅風力發電機所連接的兩臺整流器的負直流輸出端與第二直驅風力發電機所連接的兩臺整流器的正直流輸出端共同接地；每個整流器正負直流輸出端之間還設有一直流支撐電容；網側變流器主要由三組模塊化多電平換流器(MMC)組成，本裝置共包括12個標準功率單元子模塊(SM);網側變流器三相，每個相單元由上、下2個橋臂組成，每個橋臂由2個子模塊和I個橋臂電抗組成，輸出相電壓三電平，線電壓為五電平。
[0017]實施例3
如圖3所示，本實施例中，SM子模塊采用半橋結構，由2個絕緣柵雙極晶體管IGBT和I個直流儲能電容組成，并且IGBT分別并聯一個反接二極管VD，通過控制VTl和VT2的開通和關斷可以實現子模塊的投入、切出和閉鎖的狀態。更進一步推理，任意時刻通過調整上、下橋臂投入的子模塊數來調節交流電壓的輸出，同時每個相單元投入的子模塊數保持η個不變，以維持直流電壓的恒定，如此MMC輸出電平數為η+1 ;逆變器將機側變流器整流出的直流電壓調制成交流的三相電壓，通過控制各個功率單元開關器件的導通與關斷，實現三相交流電壓的合成，通過并網變壓器接入電網。
[0018]以上實施例僅為說明本發明的技術思想，不能以此限定本發明的保護范圍，凡是按照本發明提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本發明保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種基于MMC和雙極式直流傳輸結構的直驅風電變流結構，包括兩臺直驅風力發電機，即第一、第二直驅風力發電機，其特征在于，兩臺直驅風力發電機之間通過設置一電容形成同軸聯接，即串級使用； 兩臺直驅風力發電機的三相繞組獨立設置且每套三相繞組的輸出端均依次串聯一 du/dt濾波器及一整流器，所述第一直驅風力發電機所連接的整流器的正直流輸出端串聯第一直流電阻后通過正直流傳輸線接入網側變流器，所述第二直驅風力發電機所連接的整流器的負直流輸出端串聯第二直流電阻后通過負直流傳輸線接入網側變流器，第一直驅風力發電機所連接的整流器的負直流輸出端與第二直驅風力發電機所連接的整流器的正直流輸出端共同接地；每個整流器正負直流輸出端之間還設有一直流支撐電容； 所述網側變流器為三相交流輸出結構，即網側變流器包括在正、負直流傳輸線之間并聯設置的三組模塊化多電平換流器，每組模塊化多電平換流器由4臺串聯設置的標準功率子模塊組成，沿正、負直流傳輸線位置方向依次為第一至第四標準功率子模塊，其中，第二、第三標準功率子模塊之間還串聯設置有兩個電感，還包括一臺三相濾波電容組，所述三相濾波電容組的輸入端連接每組模塊化多電平換流器中兩個電感之間的中點，其輸出端經并網變壓器后為電網提供三相電壓。
2.根據權利要求1所述的基于MMC和雙極式直流傳輸結構的直驅風電變流結構，其特征在于，所述風力發電機為單繞組直驅風力發電機且每套三相繞組獨立設置，每套三相繞組的輸出端均依次串聯一 du/dt濾波器及一整流器，即每臺單繞組直驅風力發電機連接一臺du/dt濾波器和一臺整流器； 所述第一單繞組直驅風力發電機所連接的整流器的正直流輸出端串聯第一直流電阻后通過正直流傳輸線接入網側變流器，所述第二單繞組直驅風力發電機所連接的整流器的負直流輸出端串聯第二直流電阻后通過負直流傳輸線接入網側變流器，第一直驅風力發電機所連接的整流器的負直流輸出端與第二直驅風力發電機所連接的整流器的正直流輸出端共同接地；每個整流器正負直流輸出端之間還設有一直流支撐電容。
3.根據權利要求1所述的基于MMC和雙極式直流傳輸結構的直驅風電變流結構，其特征在于，所述風力發電機為雙繞組直驅風力發電機且其每套三相繞組獨立設置，每套三相繞組的輸出端均依次串聯一 du/dt濾波器及一整流器，即每臺雙繞組直驅風力發電機連接兩臺du/dt濾波器和兩臺整流器； 所述第一雙繞組直驅風力發電機所連接的兩臺整流器的正直流輸出端共同串聯第一直流電阻后通過正直流傳輸線接入網側變流器，所述第二雙繞組直驅風力發電機所連接的兩臺整流器的負直流輸出端共同串聯第二直流電阻后通過負直流傳輸線接入網側變流器，第一直驅風力發電機所連接的兩臺整流器的負直流輸出端與第二直驅風力發電機所連接的兩臺整流器的正直流輸出端共同接地；每個整流器正負直流輸出端之間還設有一直流支撐電容。
4.根據權利要求1至3中任意一項權利要求所述的基于MMC和雙極式直流傳輸結構的直驅風電變流結構，其特征在于，所述單個標準功率子模塊為半橋結構，包括2個絕緣柵雙極晶體管和I個直流儲能電容組成，所述第一絕緣柵雙極晶體管的源極接第二絕緣柵雙極晶體管的漏極，直流儲能電容的兩端分別接第一絕緣柵雙極晶體管的漏極和第二絕緣柵雙極晶體管的源極，每個絕緣柵雙極晶體管分別并聯一個二極管且所述二極管的正、負極分別接絕緣柵雙極晶體管的源極和漏極，2個二極管的正極分別作為標準功率子模塊的連接端。
5.根據權利要求4中任意一項權利要求所述的基于MMC和雙極式直流傳輸結構的直驅風電變流結構，其特征在于，所述直驅風力發電機為電勵磁直驅風力發電機或永磁直驅風力發電機。
6.根據權利要求5中任意一項權利要求所述的基于MMC和雙極式直流傳輸結構的直驅風電變流結構，其特征在于，所述電感為耦合或非耦合電感。
【文檔編號】H02M5/458GK104242341SQ201410467096
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月12日 優先權日:2014年9月12日
【發明者】周細文, 呂笑巖, 劉景芝, 章輝, 陳烘民, 黃慶利 申請人:周細文, 江蘇有能新能源有限公司