[發明專利]一種基于雙極式直流結構的風電變流器

無效

• 申請號: 201410282978.1
• 申請日: 2014-06-23
• 公開（公告）號: CN104079184A
• 公開（公告）日: 2014-10-01
• 發明（設計）人: 周細文;呂笑巖;劉景芝;章輝;陳烘民;王大慶
• 申請（專利權）人: 周細文;江蘇有能新能源有限公司
• 主分類號: H02M5/458
• 分類號: H02M5/458;H02J3/38
• 代理公司: 南京利豐知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 32256
• 代理人: 任立;艾中蘭

技術領域

本發明涉及風力發電領域，特別涉及風力發電中的直驅風電變流器的電路拓撲結構。

背景技術

隨著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。但是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。

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。

如圖1所示，為傳統2MW直驅風電變流器的拓撲結構圖。現在主流的直驅風電多為660V或690V的低壓系統，直流電壓Ud通常為1050V左右，通常容量在2.5MW及以下，需要采用兩套變流器并聯來提高容量。一般

現有的大功率直驅風電變流器由于受到功率器件電流等級的限制，容量提高相對困難，通常3MW及以上的變流器只能采用三套及以上的變流器并聯或者多只功率器件直接并聯的方式來提高變流器的容量。然而，功率器件直接并聯特別是多只功率器件直接并聯的方式容易產生均流問題，并聯IGBT之間電流不一致，從而降低了IGBT的利用率。變流器并聯容易產生環流問題，環流在并聯的變流器之間流動，它的存在增加了損耗，并且降低了系統效率，使功率器件發熱嚴重，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。但是加隔離變壓器造成系統結構復雜龐大，成本加大。而采用適當的控制方式抑制環流通常會使控制和測量系統復雜。另外多套變流器直接并聯方式中如果有一套出現短路故障，其它并聯支路必須保護，從而降低了系統的可靠性。

此外因為交流和直流電壓等級都較低，隨著風電機組容量的增大，所需的直流或者交流傳輸電纜或母排增多，線路損耗和成本也會隨之加大。

發明內容

針對現有技術所存在的缺陷，本發明基于串級風力發電機的應用場合，提供一種新型的風力發電大功率直驅變流器的電路拓撲結構方案，采用簡單的結構減少變流器并聯產生的環流，降低線路損耗，增強系統的可靠性。

本發明具體采用如下技術方案：

一種基于雙極式直流結構的風電變流器，包括相互連接的機側變流器和網側變流器，其特征在于所述機側變流器由至少兩路可控整流回路組成，所述至少兩路可控整流回路在交流輸入側連接串級式風力發電機組，將串級式風力發電機組輸出的三相交流電轉換成雙極性直流電輸出，雙極性直流輸出在直流輸出側的一第一串聯點串聯后接至地；所述網側變流器由至少兩路可控逆變回路組成，將機側變流器輸出的雙極性直流電轉換成三相交流電輸出，雙極性直流輸入在直流輸入側的一第二串聯點串聯后接至地，交流輸出側分兩路連接至雙三相輸入繞組并網變壓器。

本發明的基于雙極式直流結構的風電變流器，其電路拓撲結構由機側變流器（整流器）、網側變流器（逆變器）和直流輸電回路組成。機側變流器由四路或兩路獨立可控整流回路構成，其輸入為三相交流電壓，輸出為雙極性直流電壓。網側變流器也由四路或兩路獨立可控逆變回路組成，其輸入為雙極性直流電壓，輸出為兩路三相交流電壓。可控逆變回路在交流輸出側分為兩路，分別接至雙三相輸入繞組的并網變壓器，經過并網變壓器與電網相連。

雙三相輸入繞組的并網變壓器避免了三套及以上的變流器直接并聯，從而減少了變流器之間的環流。并網變壓器輸出側升壓至10kV或35kV，根據電網電壓確定。系統分為正負兩極，等效提高了直流電壓，降低了電流，并且加強了運行的可靠性，適用于大功率風電變流器。