CN112072704B - 一种中压大容量风力发电变流器拓扑 - Google Patents

一种中压大容量风力发电变流器拓扑 Download PDF

Info

Publication number
CN112072704B
CN112072704B CN202010950823.6A CN202010950823A CN112072704B CN 112072704 B CN112072704 B CN 112072704B CN 202010950823 A CN202010950823 A CN 202010950823A CN 112072704 B CN112072704 B CN 112072704B
Authority
CN
China
Prior art keywords
phase
converter
bridge
voltage
capacitor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010950823.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112072704A (zh
Inventor
张永磊
原熙博
彭新
朱朋
魏琛
伍小杰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
China University of Mining and Technology CUMT
Original Assignee
China University of Mining and Technology CUMT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by China University of Mining and Technology CUMT filed Critical China University of Mining and Technology CUMT
Priority to CN202010950823.6A priority Critical patent/CN112072704B/zh
Publication of CN112072704A publication Critical patent/CN112072704A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112072704B publication Critical patent/CN112072704B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
    • H02J3/381—Dispersed generators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/33569—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements
    • H02M3/33576—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements having at least one active switching element at the secondary side of an isolation transformer
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/487—Neutral point clamped inverters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2300/00—Systems for supplying or distributing electric power characterised by decentralized, dispersed, or local generation
    • H02J2300/20—The dispersed energy generation being of renewable origin
    • H02J2300/28—The renewable source being wind energy
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/76—Power conversion electric or electronic aspects

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Eletrric Generators (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

一种中压大容量风力发电变流器拓扑，属于一种中压大容量风力发电变流器拓扑。风力发电变流器拓扑采用模块化结构，由多个相同的功率变换模块构成；每一个功率模块包含三个单元：机侧H桥整流器单元，直流侧四端口隔离DC/DC变换器单元以及网侧三相并网逆变单元；每一个功率变换模块均有三相输入端，输入端按相序串联后接入中压风力发电机；每一个功率变换模块均有三相输出端，输出端按相序并联后经过升压变压器接入高压电网，构成中压大容量风电变流器拓扑。优点：引入四端口隔离DC/DC变换器单元实现电气隔离，且具有低频波动功率的汇聚与抵消功能，无需低频多绕组变压器，大幅减小直流侧所需电容容值，体积小、功率密度高、可靠性高。

Description

一种中压大容量风力发电变流器拓扑
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，特别是一种中压大容量风力发电变流器拓扑。
背景技术
在风力发电系统领域，提高单机容量有助于降低系统整体制造、运营和维护的成本，显著提高风电度电成本。近20年来，全球风电制造商不断推进风电单机容量的提升，风电的单机容量获得迅猛增加，单机风电变流器功率已突破10MW。传统的风力风电系统中风机电压一般为690V交流电压，通过多台低压两电平背靠背变换器并联接入交流电网。随风力发电单机容量达到10MW级，上述方案存在风机和变流器电流过大问题，导致风力发电机损耗、电缆损耗、重量和成本大幅提高，严重制约风力发电系统成本的降低。
提升风力发电机工作电压从而降低整体电流是解决上述问题的有效思路。例如，提升风力发电机电压至10kV，风机和变流器电流均可大幅度降低。此时传统的低压两电平背靠背并网变流器拓扑无法满足高电压变换要求。多电平变流器可在采用低压功率器件条件下输出高电压，兼具等效开关频率高、损耗小的优势，国内外学者提出多种多电平大容量风电变流器方案。
图1为现有技术典型的级联H桥风力发电变流器拓扑结构，该拓扑具有开关频率低、开关损耗小、模块化和低成本的优势，是高压电机驱动领域常用拓扑。但级联H桥风力发电变流器系统存在多个浮动直流侧，需采用体积庞大的低频多绕组变压器来实现系统电气隔离，此外，风力发电机工作频率较低，风电变流器直流侧存在低频波动问题，需安装多个大容量直流电容来实现直流侧电压稳定。低频多绕组变压器会导致整机体积庞大，功率密度较低。多个大容量直流侧高压直流电容不仅导致整机体积大、功率密度低，且故障率较高，可靠性差，会进一步增加系统的维护成本，降低可靠性。如何减小直流电容容值是级联H桥风力发电变流器在未来获得广泛工业应用的关键问题之一。
发明内容
本发明的目的是要提供一种中压大容量风力发电变流器拓扑，解决现有中压大容量风力发电变流器技术中采用低频多绕组变压器和大容量直流电容导致的体积庞大、功率密度低和可靠性差的问题。
本发明的目的是这样实现的：风力发电变流器拓扑为模块化结构，由多个相同的功率变换模块组成，每一个功率变换模块均有三相输入端，输入端按相序串联后接入中压风力发电机；每一个功率变换模块均有三相输出端，输出端按相序并联后经过升压变压器接入高压电网，构成中压大容量风电变流器拓扑。
所述的功率变换模块均包含三部分：机侧H桥整流单元，直流侧四端口隔离DC/DC变换器单元以及网侧三相逆变单元；其中：
机侧H桥整流单元由三个单独的单相H桥变换器构成，每一个单独的单相H桥变换器的输入端接入一相交流电源；
网侧三相逆变单元由三相逆变器构成，三相逆变器输出三相交流电源；
直流侧四端口隔离DC/DC变换器单元由三个单相H桥输入变换器，一个四绕组高频变压器和一个单相输出变换器组成，四绕组高频变压器分别于三个单相H桥输入变换器和单相输出变换器的交流侧连接；
直流侧四端口隔离DC/DC变换器单元共有四个直流端口，其中三个单相H桥输入变换器的直流端口分别作为输入端口，通过直流电容C1，C2和C3与机侧H桥整流单元的三个直流输出端相连，单相输出变换器的直流端口作为输出端口通过直流电容C4与单相输出变流器与网侧三相逆变器单元的直流输入端相连接。
所述的功率变换模块中三个直流输入端口的直流电容C1，C2和C3的工作电压完全相等，直流输出端口处直流电容C4的工作电压可根据网侧三相并网变流器电压等级、单相输出变换器拓扑具体形式和功率器件耐压等级来选取，常规工况下为保证所有功率器件耐压等级一致，可设置为三个输入端口直流电压的一倍或两倍。
所述的网侧三相逆变单元有两种拓扑形式：第一种拓扑形式为标准的三相两电平变流器；第二种拓扑形式为标准的三相中点钳位型三电平并网变流器单元。
所述的直流侧四端口隔离DC/DC变换单元：三个H桥输入变换器的额定功率完全相等；单相输出变换器的额定功率为三个H桥输入变换器的额定功率之和。
单相输出变换器有两种可选的拓扑形式：第一种为标准的单相H桥变换器，共有四个功率开关器件，每两个功率开关器件串联成一个桥臂，两个桥臂并联组合而成；
第二种为二极管中点钳位型五电平H桥变换器组成，共有八个功率开关器件和四个钳位二极管，其中四个功率开关器件串联成为一个桥臂，桥臂中点通过一个钳位二极管接入电容C4的中点，两个桥臂结构相同，并联组成所述二极管中点钳位型五电平H桥变换器。
所述的风力发电变流器拓扑采用常规的控制方法即可实现风力发电运行，同时消除级联机侧H桥整流单元的H桥侧直流电容的低频功率波动，具体控制方法如下：
机侧级联H桥多电平变流器采用矢量控制策略实现永磁同步风力发电机转速和风速调节，同时将风机发出的三相交流电变换为多个稳定的直流电；
四端口隔离DC/DC变换器单元控制直流侧电容C1、电容C2、电容C3三个端口的直流电压为固定值，电容C1、电容C2和电容C3的波动能量通过四绕组高频隔离变压器磁路进行自动抵消，完全消除直流侧电容C1、电容C2和电容C3电压的波动；
网侧三相逆变器单元的三相逆变控制时采用传统的并网逆变器控制方法控制直流侧电容C4电压为固定值。
有益效果，由于采用了上述方案，风力发电变流器拓扑采用模块化结构，共由n个相同的模块组成，每个模块包含三部分：机侧H桥变换器单元，直流侧四端口隔离DC/DC变流器单元以及网侧三相并网逆变单元；n个模块输入侧串联输出侧并联后形成完整拓扑；其中机侧H桥变换单元串联后形成级联H桥多电平变流器与中压风力发电机相连接，网侧三相并网逆变单元并联后通过升压变压器接入高压电网，直流侧四端口变流器用于实现机侧与网侧能量交互及隔离。
所述中压大容量风力发电变流器拓扑可自动实现低频波动功率汇聚抵消，具体为：级联H桥变换器工作本质为单相变流器，当交流侧电压、电流均为正弦波形时，直流侧必然存在低频波动功率，导致机侧H桥变流器需采用大容量直流电容来稳定直流电压；但值得注意的是三相机侧H桥整流单元的波动功率分量的相位并不相同，依次相差240度，如将上述三个机侧H桥整流单元的输入功率叠加，三相机侧H桥整流单元的波动功率分量可完全相互抵消。直流侧四端口隔离DC/DC变换器单元本身可将三个直流输入端口的能量传输至第四个直流输入端口，因此通过控制四端口隔离DC/DC变换器的直流电压稳定，且保证电压环在低频波动频率点有足够的环路增益，即可可自动将机侧三个H桥整流单元的低频波动功率通过四绕组高频变压器的磁路进行抵消，从而完全消除低频功率波动，减小机侧H桥整流单元所需直流电容容值。
该风力发电变流器拓扑相较于现有级联H桥风电变流器拓扑具有如下显著优势：
1)通过四绕组高频变压器进行隔离，无需设置体积庞大的低频多绕组变压器，可大幅降低整机体积，提高功率密度。
2)通过四端口隔离DC/DC变换器提供低频波动功率汇聚抵消的路径，结合常规的控制方法可自动消除直流侧低频功率波动，从而大幅减小直流侧所需高压电容容值，只需采用多个低容值高压薄膜电容来实现能量缓冲即可；考虑大容量电容体积庞大、可靠性差、故障率高，减小电容容值能进一步降低系统体积、提高功率密度，并能提高系统可靠性，减小风力发电系统维护成本。
优点：通过引入四端口隔离DC/DC变换器单元实现电气隔离，且具有低频波动功率的汇聚与抵消功能，在保留级联H桥风力发电变流器，高压、多电平和模块化优势的前提下，无需低频多绕组变压器，大幅降低直流侧所需电容容值，体积小、功率密度高、可靠性高。
附图说明
图1为现有技术的级联H桥风电变流器拓扑电路图。
图2为本发明的一种中压大容量风电变流器拓扑电路图。
图3为本发明的网侧三相逆变器的第一种拓扑电路图。
图4为本发明的网侧三相逆变器的第二种拓扑电路图。
图5为本发明直流侧四端口隔离DC/DC变换器的第一种拓扑电路图。
图6为本发明直流侧四端口隔离DC/DC变换器的第二种拓扑电路图。
具体实施方式
风力发电变流器拓扑为模块化结构，由多个相同的功率变换模块组成，每一个功率变换模块均有三相输入端，输入端按相序串联后接入中压风力发电机；每一个功率变换模块均有三相输出端，输出端按相序并联后经过升压变压器接入高压电网，构成中压大容量风电变流器拓扑。
所述的功率变换模块均包含三部分：机侧H桥整流单元，直流侧四端口隔离DC/DC变换器单元以及网侧三相逆变单元；其中：
机侧H桥整流单元由三个单独的单相H桥变换器构成，每一个单独的单相H桥变换器的输入端接入一相交流电源；
网侧三相逆变单元由三相逆变器构成，三相逆变器输出三相交流电源；
直流侧四端口隔离DC/DC变换器单元由三个单相H桥输入变换器，一个四绕组高频变压器和一个单相输出变换器组成，四绕组高频变压器分别于三个单相H桥输入变换器和单相输出变换器的交流侧连接；
直流侧四端口隔离DC/DC变换器单元共有四个直流端口，其中三个单相H桥输入变换器的直流端口分别作为输入端口，通过直流电容C1，C2和C3与机侧H桥整流单元的三个直流输出端相连，单相输出变换器的直流端口作为输出端口通过直流电容C4与单相输出变流器与网侧三相逆变器单元的直流输入端相连接。
三个直流输入端口的直流电容C1，C2和C3的工作电压完全相等，直流输出端口处直流电容C4的工作电压可根据网侧三相并网变流器电压等级、单相输出变换器拓扑具体形式和功率器件耐压等级来选取，常规工况下为保证所有功率器件耐压等级一致，可设置为三个输入端口直流电压的一倍或两倍。
所述的网侧三相逆变单元有两种拓扑形式：第一种拓扑形式为标准的三相两电平变流器；第二种拓扑形式为标准的三相中点钳位型三电平并网变流器单元。
所述的直流侧四端口隔离DC/DC变换单元：三个H桥输入变换器的额定功率完全相等；单相输出变换器的额定功率为三个H桥输入变换器的额定功率之和。
单相输出变换器有两种可选的拓扑形式：第一种为标准的单相H桥变换器，共有四个功率开关器件，每两个功率开关器件串联成一个桥臂，两个桥臂并联组合而成；
第二种为二极管中点钳位型五电平H桥变换器组成，共有八个功率开关器件和四个钳位二极管，其中四个功率开关器件串联成为一个桥臂，桥臂中点通过一个钳位二极管接入电容C4的中点，两个桥臂结构相同，并联组成所述二极管中点钳位型五电平H桥变换器。
所述的风力发电变流器拓扑采用常规的控制方法即可实现风力发电运行，同时消除级联机侧H桥整流单元的H桥侧直流电容的低频功率波动，具体控制方法如下：
机侧级联H桥多电平变流器采用矢量控制策略实现永磁同步风力发电机转速和风速调节，同时将风机发出的三相交流电变换为多个稳定的直流电；
四端口隔离DC/DC变换器单元控制直流侧电容C1、电容C2、电容C3三个端口的直流电压为固定值，电容C1、电容C2和电容C3的波动能量通过四绕组高频隔离变压器磁路进行自动抵消，完全消除直流侧电容C1、电容C2和电容C3电压的波动；
网侧三相逆变器单元的三相逆变控制时采用传统的并网逆变器控制方法控制直流侧电容C4电压为固定值。
结合附图和具体实施方案对本发明做进一步的说明。
实施例1：以下详述本发明功率电路的工作过程。
(1)总体电路结构
如图2所示，本发明提供了一种中压大容量风力发电变流器拓扑，该拓扑为模块化结构，共有n个相同的模块组成，包含机侧H桥整流单元，直流侧四端口隔离DC/DC变换器单元以及网侧三相逆变单元；其中：
机侧H桥整流单元由三个单相H桥变换器组成；机侧n个模块的机侧H桥整流单元串联后形成级联机侧H桥整流单元可直接与中压(如10kV)永磁同步风力发电机相连接；
网侧三相逆变单元为标准的三相逆变器单元；n个模块的网侧变流器并联后可直接经过升压变压器接入高压电网(如35kV)；
直流侧四端口隔离DC/DC变换器单元共有四个直流端口和一个四绕组隔离变压器，四个直流端口分别接入三个机侧H桥整流单元和网侧三相逆变单元的直流侧，实现机侧与网侧变流器的能量交互与电气隔离；
每个模块共有四个直流电容C1～C4用于实现四个直流端口的能量缓冲,电容C1、电容C2、电容C3两端电压相等，且为稳定的直流电压，电容C4电压可根据网侧三相逆变单元和功率器件耐压等级来综合需要选取工作电压值；
(2)网侧三相逆变单元
网侧三相逆变器单元用于将变流器直流电接入交流电网，具有两种可选拓扑形式，第一种拓扑形式为标准的三相两电平变流器，如图3所示。第二种拓扑形式为标准的三相中点钳位型三电平并网变流器单元，如图4所示。两种拓扑形式均可满足风电变流器应用，但第二种拓扑结构可减小功率器件的电压或电流等级。
(3)直流侧四端口隔离DC/DC变换器单元
直流侧四端口隔离DC/DC变换器单元的前三个端口采用三个三相H桥变换器分别与机侧三个机侧H桥整流单元的三个直流端口连接，第四个端口采用一个输出变换器与网侧三相逆变单元的直流侧连接；通过四绕组变压器的隔离，直流侧四端口隔离DC/DC变换器单元可将风力发电机侧发出能量传输至网侧三相逆变单元的直流侧，实现风力发电机输出电能向电网传输。
三个直流输入端口即端口1、端口2和端口3的额定功率完全相等，采用单相H桥变换器进行能量变换；
输出端口4的额定功率为端口1、端口2和端口3的功率之和，单相输出变换器有两种可选的拓扑形式，第一种为单相H桥变换器，如图5所示；第二种为单相中点钳位型五电平H桥变换器，如图6所示，。
(4)直流侧低频波动功率消除原理
机侧级联H桥变换器工作本质为三个单相变流器，在交流侧电压、电流均为正弦信号时，直流侧必然存在低频功率波动。假设初始状态的输入三相级联机侧H桥整流单元的电压与电流均为同频正弦信号，
Figure BDA0002676812760000051
为风力发电机功率因数角，三相风力发电机向级联机侧H桥整流单元传输的功率可以表示为：
设uU，uV，uW分别为机侧H桥整流变换器三相交流相电压，iU，iV，iW分别为机侧H桥整流单元三相交流电流，则三个H桥变换器的的顺时功率pU，pV，pW分别为：
Figure BDA0002676812760000061
其中Φ为风力发电机功率因数角，ω0为风力发电机频率，Pavg为平均功率幅值。
由上式可知，每个机侧H桥整流单元的输出功率均包含直流分量及波动功率分量(波动频率为风力发电机输出电压频率的二倍)，且它们的幅值相等，输入功率的二倍频波动会引起直流母线电压波动。上述波动功率是导致直流侧电容容值过大的本质原因。但值得注意的是三相机侧H桥整流单元的波动功率分量的相位并不相同，依次相差240度，如将上述三个机侧H桥整流单元的输入功率叠加，三相机侧H桥整流单元的波动功率可完全抵消。
所述风电变流器拓扑结构中，直流侧四端口隔离DC/DC变换器单元不仅能将级联机侧H桥整流单元的电能传输至网侧逆变单元，且可将三相机侧H桥整流单元波动功率通过四绕组高频变压器磁路进行汇聚、抵消，从而完全消除低频功率波动。通过所述的中压大容量风力发电变流器拓扑，能够大幅减小直流侧所需电容容值。
(5)运行原理
所述拓扑采用常规的控制策略即可在实现风力发电运行的同时完全消除级联H桥侧直流电容的低频功率波动，具体如下：
级联机侧H桥整流单元采用矢量控制策略实现永磁同步风力发电机转速和风速调节，同时将风机发出三相交流电变换为多个稳定的直流电；
n个直流侧四端口隔离DC/DC变换器单元控制直流侧电容C1、电容C2、电容C3三个端口的直流电压为固定值，即可将机侧H桥整流单元直流侧输入功率传输至网侧变流器直流侧，电容C1、电容C2和电容C3的波动能量可通过四绕组高频变压器磁路进行自动抵消；此时不再需要采用大容量直流电容来抑制直流端口的波动，只需要采用较小容值的电容来缓冲能量即可。
网侧三相逆变器控制时采用传统的并网逆变器控制方法控制直流侧电容C4电压为固定值，即可将直流侧传输的能量变化至电网。

Claims (6)

1.一种中压大容量风力发电变流器拓扑，其特征是：整体采用模块化结构，由多个相同的功率变换模块组成，每一个功率变换模块均有三相输入端，输入端按相序串联后接入中压风力发电机；每一个功率变换模块均有三相输出端，输出端按相序并联后经过升压变压器接入高压电网，构成中压大容量风电变流器拓扑；
所述的每一个功率变换模块均包含三部分：机侧H桥整流单元，直流侧四端口隔离DC/DC变换器单元以及网侧三相逆变单元；其中：
机侧H桥整流单元由三个单独的单相H桥变换器构成，每一个单独的单相H桥变换器的输入端接入一相交流电源；
网侧三相逆变单元由三相逆变器构成，三相逆变器输出三相交流电源；
直流侧四端口隔离DC/DC变换器单元由三个单相H桥输入变换器，一个四绕组高频变压器和一个单相输出变换器组成，四绕组高频变压器分别于三个单相H桥输入变换器和单相输出变换器的交流侧连接；
直流侧四端口隔离DC/DC变换器单元共有四个直流端口，其中三个单相H桥输入变换器的直流端口分别作为输入端口，通过直流电容C1，C2和C3与机侧H桥整流单元的三个直流输出端相连，单相输出变换器的直流端口作为输出端口通过直流电容C4与单相输出变流器与网侧三相逆变器单元的直流输入端相连接。
2.根据权利要求1所述的一种中压大容量风力发电变流器拓扑，其特征是：所述的功率变换模块中，三个直流输入端口的直流电容C1，C2和C3的工作电压完全相等，直流输出端口处直流电容C4的工作电压可根据网侧三相并网变流器电压等级、单相输出变换器拓扑具体形式和功率器件耐压等级来选取，常规工况下为保证所有功率器件耐压等级一致，可设置为三个输入端口直流电压的一倍或两倍。
3.根据权利要求1所述的一种中压大容量风力发电变流器拓扑，其特征是：所述的网侧三相逆变单元有两种拓扑形式：第一种拓扑形式为标准的三相两电平变流器；第二种拓扑形式为标准的三相中点钳位型三电平并网变流器单元。
4.根据权利要求1所述的一种中压大容量风力发电变流器拓扑，其特征是：所述的直流侧四端口隔离DC/DC变换单元：三个H桥输入变换器的额定功率完全相等；单相输出变换器的额定功率为三个H桥输入变换器的额定功率之和。
5.根据权利要求1所述的一种中压大容量风力发电变流器拓扑，其特征是：所述的直流侧四端口隔离DC/DC变换器单元中的单相输出变换器有两种可选的拓扑形式：第一种为标准的单相H桥变换器，共有四个功率开关器件，每两个功率开关器件串联成一个桥臂，两个桥臂并联组合而成；
第二种为二极管中点钳位型五电平H桥变换器组成，共有八个功率开关器件和四个钳位二极管，其中四个功率开关器件串联成为一个桥臂，桥臂中点通过一个钳位二极管接入电容C4的中点，两个桥臂结构相同，并联组成所述二极管中点钳位型五电平H桥变换器。
6.基于权利要求1所述的一种中压大容量风力发电变流器拓扑的控制方法，其特征是：所述的风力发电变流器拓扑采用常规的控制方法即可实现风力发电运行，同时消除级联机侧H桥整流单元的H桥侧直流电容的低频功率波动，大幅降低直流侧所需电容容值，具体控制方法如下：
机侧级联H桥多电平变流器采用矢量控制策略实现永磁同步风力发电机转速和风速调节，同时将风机发出的三相交流电变换为多个稳定的直流电；
四端口隔离DC/DC变换器单元控制直流侧电容C1、电容C2、电容C3三个端口的直流电压为固定值，电容C1、电容C2和电容C3的波动能量通过四绕组高频隔离变压器磁路进行自动抵消，完全消除直流侧电容C1、电容C2和电容C3电压的波动；
网侧三相逆变器单元的三相逆变控制时采用传统的并网逆变器控制方法控制直流侧电容C4电压为固定值。
CN202010950823.6A 2020-09-11 2020-09-11 一种中压大容量风力发电变流器拓扑 Active CN112072704B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010950823.6A CN112072704B (zh) 2020-09-11 2020-09-11 一种中压大容量风力发电变流器拓扑

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010950823.6A CN112072704B (zh) 2020-09-11 2020-09-11 一种中压大容量风力发电变流器拓扑

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112072704A CN112072704A (zh) 2020-12-11
CN112072704B true CN112072704B (zh) 2022-03-01

Family

ID=73695349

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010950823.6A Active CN112072704B (zh) 2020-09-11 2020-09-11 一种中压大容量风力发电变流器拓扑

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112072704B (zh)

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107425767B (zh) * 2017-07-31 2019-06-18 上海交通大学 级联h桥中压风电变流器故障重构优化控制方法
CN111277159A (zh) * 2020-02-29 2020-06-12 潘尚智 一种模块化三相光伏逆变器及其拓扑系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN112072704A (zh) 2020-12-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Grandi et al. A new multilevel conversion structure for grid-connected PV applications
EP2400619B1 (en) Low cost current source converters for power generation application
CN101345423B (zh) 用于风力发电系统的五电平h桥级联背靠背变流器
Pires et al. A grid connected photovoltaic system with a multilevel inverter and a Le-Blanc transformer
TW201310876A (zh) 一種用於可再生能源系統的功率補償裝置及其方法
CN107895962B (zh) 一种电流源型高压直流输电系统及其运行方法
CN110247421B (zh) 一种模块化双有源桥变流器系统及电气量均衡控制方法
Xu et al. The modular current-fed high-frequency isolated matrix converters for wind energy conversion
CN108631355A (zh) 变流器、电控系统和风电场输电系统
CN108923450B (zh) 电流源型高压直流输电系统的控制及运行方法
CN109449990B (zh) 一种永磁直驱风力发电系统及控制方法
CN114498711A (zh) 一种低频输电系统及其控制方式
CN202405797U (zh) 电励磁同步发电机用全功率风电变流器
CN106356889A (zh) 永磁风力发电机组
Gjerde et al. A transformerless generator-converter concept making feasible a 100 kV low weight offshore wind turbine Part II-The converter
CN112838769A (zh) 一种无变压器隔离的星接中高压变频调速系统及控制方法
CN112072704B (zh) 一种中压大容量风力发电变流器拓扑
CN109361206B (zh) 一种基于多端dc-dc变换器的船舶中压电网结构的能量控制方法
CN107947621B (zh) 多通道96脉冲瞬时值反馈的大功率pwm并网逆变电路
WO2019128145A1 (zh) 用于风电场输电系统的变流器、电控系统和输电系统
Yan et al. A multiphase generator grid connection topology based on MMC access and its control method
Gjerde et al. The best suitable multilevel converters for offshore wind power generators without transformers
Zhu et al. DC-Link current optimal control of current source PWM converter
CN112737352B (zh) 一种基于六角星接模块化多电平的三相交交变换器
Hao et al. A Modular Multi-Level High Power Motor Drive Topology with Minimum Power Decoupling Capacitance

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant