[发明专利]一种高电压冗余的风力发电机变流器

说明书

技术领域：

本发明涉及一种连接电网的双向电力电子变流器系统方案，主要应用于风力发电机驱动领域。本发明与传统变流器方案相比具有更大的电压冗余范围。

背景技术：

目前主流风电市场采用的全馈变流器通常由多个电力电子功率模块并联而成，每个模块的功率约为1MW左右，模块的输出电压为690V。每个模块的基本硬件拓扑如图1所示，主要由网络桥(1)、电机桥(3)、直流环节(2)和泄荷电路(4)组成。网络桥与电机桥均由三相供6个电力电子模块(IGBT+Diode)组成。为了保证690V的输出电压，通常直流母线电压会选择1100V左右。考虑变流器运行中的电压波动以及器件运行寿命等因素，通常主流变流器会选用耐压值在1700V的IGBT以及Diode。业界主要的全馈风机变流器大多采用以上的变流器方案。

为了保证风电场电网的稳定运行，世界各国的都对风机的低电压穿越能力提出了特定要求，具体主要包括：

风机在短时间低电压故障下继续保持联网运行；

风机在短时间低电压故障下能够输出一定无功电流以支持电网运行；

风机对在低电压故障恢复后的反冲电压具有穿越以及支持能力(可选)。

如图2所述，变流器会有一系列的动作以保证风机的低电压穿越能力。变流器在检测到低电压故障后，会进入低电压穿越状态。进入低电压穿越状态之后，变流器补偿负序电流，并且输出电网要求的无功电流。受到变流器电流容量的限制，控制器将限制变流器的有功电流输出以保证电网要求的无功电流。由于输出电压以及输出有功电流的降低，变流器的输出功率快速下降，在电机侧功率输入不变的情况，直流电压将迅速上升而导致变流器停机甚至损毁。因此，低电压穿越过程中，在网络桥动作的同时，变流器电机桥将和风机主控制器共同动作以降低风力发电机的能量输入。然而由于风机的机械速度限制，变流器电机侧的输入功率下降的速度低于变流器网络侧输出功率的速度，因此会造成暂态的直流电压尖峰，当直流电压超过一定范围时，变流器的泄荷电路(4)将打开将多余的能量导入并消耗在泄荷电阻上，并将直流电压限制在安全范围内。

泄荷电路由一个或多个泄荷电阻以及一个或多个开关器件组成，泄荷电阻和开关期间的暂态能量必须满足暂态的泄荷能量要求，具体要求的能量范围与风力发电机控制特性以及电网要求有关。泄荷电路虽然能够满足变流器低电压穿越的要求，然而泄荷电路本身给系统带来了成本以及可靠性问题，另外电网故障中风机的多余能量需要以热量的形式消耗在泄荷电阻上，因此泄荷电路通常体积较大，影响了变流器的整体体积以及在低电压故障穿越过程中的效率。

由于风电的不稳定性，世界各国对于风机上网的要求越来越高，中国在《风电接入电网技术规定》中明确给出了低电压穿越要求。欧洲各国的电网标准对于低电压穿越的要求更为严格，德国的Eon、英国的National Grid以及丹麦的电力机构都分别在各自的电网标准中明确给出了低电压穿越的要求，并且具体要求正在逐年提高。英国和丹麦的电网要求不仅对于低电压穿越的幅值以及无功输出有了明确要求，并且对低电压故障恢复后的能够承受的反冲电压也有了相应标准，在丹麦大学给出的欧洲电网标准分析报告[1]中总结了欧洲反冲电压的标准，在最坏情况下电网标准要求风机能够承受+20％的穿越反冲电压，英国National Grid在最近的电网标准修改工作会议报告[2]也明确表明会在其电网标准中列入暂态穿越反冲电压具体要求以及评定标准。在反冲电压超过一定范围时，电网电压就有可能通过二极管推高直流端电压导致变流器器件损毁。在这个瞬间，直流端电压由电网反冲幅度决定，泄荷电路对直流端电压起不到有效的限制作用。据统计数据表明，由于低电压穿越失败而损坏的大多数变流器是因为反冲电压击穿电力电子器件而造成。因此风电变流器在20％过电压甚至更高的电压下的支撑能力将成为未来风机的必要要求。

然而根据上述的目前风电变流器的传统方案，当直流母线电压在1100V时，考虑死区时间、最小开关时间、器件压降等一些列因素，传统方案变流器的最大支撑电压为V_{rms_max}＝745V，而+20％的过电压能力则要求变流器能够支撑690·1.2＝828V的能力。当然变流器可以通过提高直流母线电压以获得更高的输出电压，由于受到器件耐压值的限制，变流器的寿命和故障率都会受到一定程度的影响。

发明内容

本发明的目的是：

提供一种高电压冗余的风电变流器解决方案，使得变流器在具备要求低电压穿越能力以及+20％甚至更高的反冲电压支撑能力的同时可以省去泄荷电路。同时，本发明可以提供额外的无功补偿能力。