[发明专利]海上风电场直流汇聚用三电平变换器及其控制方法

说明书

技术领域

本发明公开了海上风电场直流汇聚用三电平变换器及其控制方法，属于电力电子功率变换的技术领域。

背景技术

由于近些年来常规能源逐渐枯竭全世界范围内能源告急，因此越来越多的人将目光转向可再生能源。而在发电领域，风能技术是新能源发电技术中技术最为成熟，最具开发规模的发电方式之一。但是，由于陆上可利用空间和风力资源有限，使得建设大规模的海上风电场成为风力发电的主要发展趋势。我国海上资源丰富海岸线绵长，仅江苏东部黄海上的辐射沙洲，就可以建设总装机容量数倍于三峡水电站的海上风电基地。另外，海上风电场与陆上风电场的比较优势为：节省土地资源、减少噪声及公共视觉冲击、海上风场规模大、海上风能资源优良、风切变较小等。这些优势使得海上风电的发展具有十分重大的经济意义和战略意义。

目前海上风电场现有技术方案为：采用交流技术将风场内各风机输出电能进行汇聚，然后通过高压交流输电（HVAC，High Voltage AC）或者高压直流输电（HVDC，High Voltage DC）方式将海上所汇聚的风电并入陆上交流电网，此为交流方案。交流网方案适用于直接并网的情况，然而，通常海上风电场距陆上并网点都有一段距离，这使得此交流网方案并不适用于海上风场。进而，欧盟一些国家大力主张推广海上直流网技术，即利用直流技术来汇聚风机输出的电能，并进一步利用直流技术将汇聚电能传输至陆上并网点，此为直流方案。直流方案十分适合用于海上风电场的电能汇聚与传输，它避免了使用大容量的50或60Hz的变压器，转而代替工频变压器的是体积小重量轻的中频变压器，这也就省去了建立海上平台，从而降低了安装和维护的成本。

现有直流方案中存在的技术不足为：该方案中的核心部件是高压大容量的DC/DC变换器，在DC/DC变换器内目前沿用较多的是两电平变流器，但是两电平输出谐波含量大波形较差，开关需承受的电压是全部直流侧电压，因此电压的变化率大，容易引起电磁干扰。为此发展了多电平技术，电平数的增加显著的改善了输出电压波形，使之更趋近于正弦波，也使得所需滤波电容、电感更小，降低了系统成本的同时减少了系统的体积。另外，由于开关需承受的电压为直流侧电压的一半，从而减小了变化率，减轻了电磁干扰。但是电平数增加也会使电路所用器件增加驱动电路复杂，因此在权衡电路的成本、复杂性和对输出波形的要求后，大多采用三电平DC/DC变换器。但是，目前DC/DC变换器最新的设计是采用二极管钳位的三电平变换器，然而该变换器有以下几个缺点：1、由于开关损耗是变流器损耗的主要来源，因此每个桥臂靠外部的两个开关管的损耗较内侧开关管更高，因此发热更严重，使用寿命也更短。这是二极管钳位的固有缺陷，在不改进拓扑的前提下很难完全解决这一问题。2、拓扑结构复杂应用大量的开关器件，造成开关损耗和传输损耗严重，能量传输效率低。3、开关串联，当两个串联的IGBT同时关断时，瞬间的动作可能引起电压分配不均衡，从而不能进行正负电平的直接变换。

上述技术不足使得整个DC/DC变换器的开关损耗和传输损耗很大，并且器件过多，造成变换器效率降低成本过高。为此，急需一个开关频率高、器件少、损耗小、效率高、易于控制的应用于海上风电场的DC/DC变换器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了海上风电场直流汇聚用三电平变换器及其控制方法。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

海上风电场直流汇聚用三电平变换器，包括依次连接的输入电容分压支路、单相全桥逆变电路，中频隔离变压器，与中频隔离变压器副边绕组连接的输出整流滤波电路，所述输入电容分压支路两端分别接正负电平、中点接零电平，所述高压大功率变换场合直流汇聚母线用变换器还包括第一双向开关、第二双向开关，其中：

所述第一双向开关的一端、第二双向开关的一端分别与输入电容分压电路中点连接，所述第一双向开关的另一端、所述中频隔离变压器原边绕组的一个端子分别与所述单相全桥逆变电路一个桥臂的中点连接；所述第二双向开关的另一端、所述中频隔离变压器原边绕组的另一个端子分别与所述单相全桥逆变电路另一个桥臂的中点连接。

所述的海上风电场直流汇聚用三电平变换器中，第一双向开关、第二双向开关均有两个共射极连接或者共基极连接的全控功率器件构成。

所述海上风电场直流汇聚用三电平变换器的控制方法中，第一开关管和第三开关管互补导通，第四开关管和第二开关管互补导通，第五开关管和第七开关管互补导通，第八开关管和第六开关管互补导通，以输入电容分压支路电压平衡点为参考点，采取半波周期电位平衡法控制开关管的导通。