[发明专利]一种基于双极式直流结构的风电变流器

说明书

技术领域

本发明涉及风力发电领域，特别涉及风力发电中的直驱风电变流器的电路拓扑结构。

背景技术

随着风电机组的功率不断加大，目前大功率风力发电机多采用六相电机，输出两组三相电压（错相或不错相），每组容量为电机容量的一半。在风力发电的各种方案中，直驱风力发电方式以其优越的性能，日益成为研究及应用的热点。但是现有的大容量直驱风力发电机，由于受叶尖速比的限制，容量的增大会导致发电机转速的下降，而低转速大容量直驱风力发电机的直径等尺寸将变得很大，这给发电机的制造、运输和吊装带来极大困难，对此，行业内已有相关研究，一种解决方法是使用两台相同的直驱发电机同轴串联使用，即串级式发电机，这种结构增大了直驱风力发电机的容量，有效压缩了大容量发电机的尺寸。

直驱风力发电机和电网之间通过变流器连接，风电变流器是风力发电机组不可缺少的能量变换环节，其主要作用是将风力发电机的电压频率、幅值浮动不定的电能转换为频率、幅值稳定、符合电网要求的电能，解决了低电压的穿越问题，通过最大功率点追踪技术，能够充分的利用风能，进一步提高发电效率。

如图1所示，为传统2MW直驱风电变流器的拓扑结构图。现在主流的直驱风电多为660V或690V的低压系统，直流电压Ud通常为1050V左右，通常容量在2.5MW及以下，需要采用两套变流器并联来提高容量。一般

现有的大功率直驱风电变流器由于受到功率器件电流等级的限制，容量提高相对困难，通常3MW及以上的变流器只能采用三套及以上的变流器并联或者多只功率器件直接并联的方式来提高变流器的容量。然而，功率器件直接并联特别是多只功率器件直接并联的方式容易产生均流问题，并联IGBT之间电流不一致，从而降低了IGBT的利用率。变流器并联容易产生环流问题，环流在并联的变流器之间流动，它的存在增加了损耗，并且降低了系统效率，使功率器件发热严重，甚至烧毁。目前研究中常采用两种方式解决并联变流器系统中环流问题：一是在硬件上消除环流通道，二是采用适当的控制方法来抑制环流。通常采用硬件方式消除环流的方法为加隔离变压器，隔离变压器能够阻断交流侧的环流回路，消除环流，同时，采用不同形式的副边结构的隔离变压器，可以消除特定次谐波，降低对电网的污染。但是加隔离变压器造成系统结构复杂庞大，成本加大。而采用适当的控制方式抑制环流通常会使控制和测量系统复杂。另外多套变流器直接并联方式中如果有一套出现短路故障，其它并联支路必须保护，从而降低了系统的可靠性。

此外因为交流和直流电压等级都较低，随着风电机组容量的增大，所需的直流或者交流传输电缆或母排增多，线路损耗和成本也会随之加大。

发明内容

针对现有技术所存在的缺陷，本发明基于串级风力发电机的应用场合，提供一种新型的风力发电大功率直驱变流器的电路拓扑结构方案，采用简单的结构减少变流器并联产生的环流，降低线路损耗，增强系统的可靠性。

本发明具体采用如下技术方案：

一种基于双极式直流结构的风电变流器，包括相互连接的机侧变流器和网侧变流器，其特征在于所述机侧变流器由至少两路可控整流回路组成，所述至少两路可控整流回路在交流输入侧连接串级式风力发电机组，将串级式风力发电机组输出的三相交流电转换成双极性直流电输出，双极性直流输出在直流输出侧的一第一串联点串联后接至地；所述网侧变流器由至少两路可控逆变回路组成，将机侧变流器输出的双极性直流电转换成三相交流电输出，双极性直流输入在直流输入侧的一第二串联点串联后接至地，交流输出侧分两路连接至双三相输入绕组并网变压器。

本发明的基于双极式直流结构的风电变流器，其电路拓扑结构由机侧变流器（整流器）、网侧变流器（逆变器）和直流输电回路组成。机侧变流器由四路或两路独立可控整流回路构成，其输入为三相交流电压，输出为双极性直流电压。网侧变流器也由四路或两路独立可控逆变回路组成，其输入为双极性直流电压，输出为两路三相交流电压。可控逆变回路在交流输出侧分为两路，分别接至双三相输入绕组的并网变压器，经过并网变压器与电网相连。

双三相输入绕组的并网变压器避免了三套及以上的变流器直接并联，从而减少了变流器之间的环流。并网变压器输出侧升压至10kV或35kV，根据电网电压确定。系统分为正负两极，等效提高了直流电压，降低了电流，并且加强了运行的可靠性，适用于大功率风电变流器。