一种永磁直驱型中高压大功率风力发电变流器及控制方法

1.本发明涉及电力电子技术领域，特别是一种永磁直驱型中高压大功率风力发电变流器及控制方法。


背景技术：

2.在过去的20年，风力发电规模快速增长，风力发电机的功率等级的不断提高，目前单机容量已经达到14mw，20wm及以上功率等级的风力发电机正在研发探索中。大型风力发电机组的传动系统结构主要为永磁直驱结构和双馈 齿轮箱结构，其中永磁发电机 全功率变流器的直驱结构无需结构复杂的齿轮箱，可靠性高且易于维护，已成为大型的风力发电机的首选选择，因此对于稳定性要求较高，功率等级在10mw及以上的海上风电机组，大多采用直驱结构。
3.传统的风力发电机主要采用低压两电平背靠背并联变流器方案，存在额定电流小、并联单元数量过多、风力发电机电流过大、扭缆困难等问题，难以应用于大型风力发电机系统中。提升风力发电机电压等级并采用中压风电变流器是解决上述问题的重要方法。随着功率等级的不断提升，整个系统可以使用更小的电缆，更小的转换器和更轻的重量。
4.近年来基于中点钳位型三电平变换器的中压风电变流器可提升风力发电机电压等级至3.3kv，从而降低风机电流，提高整体效率，此类变换器拓扑在在7～10mw功率等级的风力发电系统中具有较多的优势。但受限于功率器件的功率等级，中点钳位型三电平变换器单机容量有限，实现20mw及以上功率等级风力发电系统时还需要采用器件并联或变流器并联方式，存在结构复杂、环流和均流控制等问题，限制了大型风力发电系统的发展。随着我国“碳中和和碳达峰”战略目标的提出，研发20mw及以上功率等级的风力发电系统，对于提升我国风电装备的研发制造水平，促进风力发电技术的发展具有重要意义和应用前景。


技术实现要素：

5.本发明的目的是要提供一种永磁直驱型中高压大功率风力发电变流器及控制方法，解决当前主流并联型变流器在提升功率时存在结构复杂、控制繁琐的缺陷，无法适用于 20mw及以上功率等级风力发电系统的问题。
6.为了实现上述技术目的，本发明的目的是这样实现的：一种永磁直驱型中高压风力发电变流器的拓扑结构，变流器的拓扑结构采用h桥中点钳位型五电平变换器拓扑，包括： h桥变换器、并网变换器和电网侧升压变压器；
7.h桥变换器在风力发电机侧，为五电平中点钳位型的h桥变换器，h桥变换器的输入端直接连接永磁同步发电机的定子端；
8.并网变换器在电网侧，为三相三电平中点钳位型的并网变换器，并网变换器的输出端与电网侧升压变压器的初级连接；
9.电网侧升压变压器为隔离型四绕组工频升压变压器，电网侧升压变压器的高压侧与电网直接连接；
10.h桥变换器与并网变换器的直流端相互连接构成背靠背结构，构成永磁直驱型中高压大功率风力发电变流器；
11.从永磁同步发电机的定子侧发出的电能通过功率等级匹配的风力发电变流器后经电网侧升压变压器接入电网。
12.所述的h桥变换器由三个中点钳位型单相h桥变换器构成，结构相同；所述的中点钳位型单相h桥变换器有两个桥臂，每一个桥臂是一个三电平中点钳位型结构，由八个功率开关器件和相应的八个反并联二极管连接构成；每个桥臂连接有两个钳位二极管，两个钳位二极管与直流侧的两个串联直流电容的中点连接。
13.所述的并网变换器由三个中点钳位型变换器构成，结构相同，一个中点钳位型变换器由十二个功率开关器件和相对应的十八个钳位二极管连接构成；所述的中点钳位型变换器有三个桥臂，每一个桥臂与中点钳位型单相h桥变换器的桥臂的器件组成结构相同。
14.所述的电网侧升压变压器为四绕组工频升压变压器；低压侧为三个绕组，低压侧绕组的输入端分别连接电网侧的三个并网变换器，高压侧为一个绕组，高压侧绕组的输出端接入电网。
15.永磁直驱型中高压大功率风力发电变流器的具体控制方法如下：
16.永磁同步发电机的发电电压为8.5kv；
17.h桥变换器和并网变换器使用6kv、6ka igct器件，并网变换器的单个中点钳位型变换器的容量为7mw及以上，并网变换器的容量为20mw及以上；
18.h桥变换器采用矢量控制策略实现永磁同步发电机转速和风速调节，实现最大功率点跟踪(mppt)，永磁同步发电机发出的三相不断变化的交流电经过h桥变换器变换为固定电压值的直流电；
19.并网变换器并网运行时，采用传统的电压、电流双闭环控制方法，控制直流侧电容电压为固定值，控制并网变换器每一个变换器的中点电位平衡，直流侧的电能经过并网变换器变换为电网频率下的三相稳定交流电能；
20.三相稳定交流电能通入电网侧升压变压器的低压侧的三个绕组，经电网侧升压变压器升压至66kv及以上后，通过高压侧绕组的输出端接入电网。
21.有益效果，由于采用了上述方案，h桥变换器输入端直接连接永磁同步发电机的定子端，并网变换器的输出经过电网侧升压变压器接入中高压电网，构成永磁直驱型中高压大功率风力发电变流器。风力发电变流器拓扑采用常规的控制方法实现了风力发电运行，与传统并联型风力发电变流器相比其控制和电容电压平衡得到了大大的简化。
22.与传统的风力发电机侧三电平中点钳位型变换器相比，h桥变换器采用五电平中点钳位型h桥变换器，交流电压幅值是传统的风力发电机侧三电平中点钳位型变换器的两倍，因此该拓扑结构能够提高风力发电机电压至8.5kv。
23.所述的电网侧升压变压器为电网侧隔离型四绕组工频升压变压器，能够将电网侧三个中点钳位型变换器的交流输出电能汇集，经过电网侧升压变压器升压后实现并网，电网侧升压变压器的高压侧能够接入额定66kv及以上电网，电网侧升压变压器是隔离型变压器，消除了低压侧和电网侧三个中点钳位型变换器之间的环流效应。
24.解决当前主流并联型变流器在提升功率时存在结构复杂、控制繁琐的缺陷，无法适用于20mw及以上功率等级风力发电系统的问题，达到了本发明的目的。
25.优点：本发明适合中高压、大功率场合，特别是未来海上单机20mw以上的风电系统，与传统风电变流器相比，具有额定电压高、功率器件数量少、无需器件或变流器并联、单机容量大、扭缆简单、电缆损耗小、谐波特性好、容错性高、结构简单，易于控制等优点，在中高压大功率海上系统中具有重要应用前景。
26.该风力发电变流器拓扑相较于现有传统的并联型风力发电变流器拓扑具有如下显著优势：
27.1)结构简单，功率器件数量少，变流器整体容量大，不需要并联方式去增加容量，功率等级可以提升至20mw以上，额定电压等级高，能够提高风力发电机电压至8.5kv，电缆损耗小。
28.2)控制方便，由于不再采用并联方式提升容量，并且采用隔离型变压器，因此不存在环流与均流问题，采用常规的控制即可实现并网运行。
附图说明：
29.图1为本发明的永磁直驱型中压大功率风力发电变流器拓扑结构图。
30.图2为本发明的h桥变换器结构图。
31.图3为本发明的风力发电机侧单相中点钳位型h桥变换器结构图。
32.图4为本发明的并网变换器结构图。
33.图5为本发明的电网侧隔离型四绕组升压变压器单元结构图。
34.图6(a)为本发明的永磁同步发电机定子侧三相输出电流仿真图。
35.图6(b)为本发明的机侧五电平中点钳位型h桥变换器交流侧输出电压仿真图。
36.图6(c)为本发明的电网侧升压变压器高压侧三相电网电流仿真图。
37.图6(d)为本发明的永磁直驱型中压大功率风力发电变流器直流侧电压仿真图。
38.图1中，1、永磁同步发电机；2、h桥变换器；3、并网变换器；4、电网侧升压变压器；5、电网。
39.图5中，4-1、低压侧；4-2、高压侧。
具体实施方式
40.一种永磁直驱型中高压风力发电变流器的拓扑结构，变流器的拓扑结构采用h桥中点钳位型五电平变换器拓扑，包括：h桥变换器2、并网变换器3和电网侧升压变压器4；
41.h桥变换器2在风力发电机侧，为五电平中点钳位型的h桥变换器，h桥变换器2的输入端直接连接永磁同步发电机1的定子端；
42.并网变换器3在电网侧，为三相三电平中点钳位型的并网变换器，并网变换器3的输出端与电网侧升压变压器4的初级连接；
43.电网侧升压变压器4为隔离型四绕组工频升压变压器，电网侧升压变压器4的高压侧与电网5直接连接；
44.h桥变换器2与并网变换器3的直流端相互连接构成背靠背结构，构成永磁直驱型中高压大功率风力发电变流器；
45.从永磁同步发电机1的定子侧发出的电能通过功率等级匹配的风力发电变流器后经电网侧升压变压器4接入电网5。
46.所述的h桥变换器2由三个中点钳位型单相h桥变换器构成，结构相同；所述的中点钳位型单相h桥变换器有两个桥臂，每一个桥臂是一个三电平中点钳位型结构，由八个功率开关器件和相应的八个反并联二极管连接构成；每个桥臂连接有两个钳位二极管，两个钳位二极管与直流侧的两个串联直流电容的中点连接。
47.所述的并网变换器3由三个中点钳位型变换器构成，结构相同，一个中点钳位型变换器由十二个功率开关器件和相对应的十八个钳位二极管连接构成；所述的中点钳位型变换器有三个桥臂，每一个桥臂与中点钳位型单相h桥变换器的桥臂的器件组成结构相同。
48.所述的电网侧升压变压器4为四绕组工频升压变压器；低压侧为三个绕组，低压侧绕组的输入端分别连接电网侧的三个并网变换器3，高压侧为一个绕组，高压侧绕组的输出端接入电网。
49.永磁同步发电机1的发电电压为8.5kv；
50.h桥变换器2和并网变换器3使用6kv、6ka igct器件，并网变换器3的单个中点钳位型变换器的容量为7mw及以上，并网变换器3的容量为20mw及以上；
51.h桥变换器2采用矢量控制策略实现永磁同步发电机1转速和风速调节，实现最大功率点跟踪(mppt)，永磁同步发电机1发出的三相不断变化的交流电经过h桥变换器2 变换为固定电压值的直流电；
52.并网变换器3并网运行时，采用传统的电压、电流双闭环控制方法，控制直流侧电容电压为固定值，控制并网变换器3每一个变换器的中点电位平衡，直流侧的电能经过并网变换器3变换为电网频率下的三相稳定交流电能；
53.三相稳定交流电能通入电网侧升压变压器4的低压侧的三个绕组，经电网侧升压变压器4升压至66kv及以上后，通过高压侧绕组的输出端接入电网。结合附图和具体实施方案对本发明做进一步的说明。
54.实施例1：以下详述本发明功率电路的拓扑结构及工作过程。
55.永磁直驱型中高压大功率风力发电变流器采用h桥中点钳位型五电平变换器结构，h 桥变换器输入端直接连接永磁同步电机的定子端，并网变换器的输出经过电网侧升压变压器接入中高压电网，构成永磁直驱型中高压大功率风力发电变流器。
56.所述的一种永磁直驱型中高压风力发电变流器的拓扑结构包括：h桥变换器2、并网变换器3和电网侧升压变压器4；
57.其中，h桥变换器2为五电平中点钳位型h桥变换器，h桥变换器2的交流侧接入永磁同步发电机，直流侧接入电网侧三个中点钳位型变换器；
58.电网侧三个中点钳位型变换器为三个三相三电平中点钳位型并网变换器，电网侧三个中点钳位型变换器的交流侧分别接入电网侧升压变压器的三个低压绕组；
59.电网侧升压变压器为隔离型四绕组工频升压变压器，网侧升压变压器的高压侧与电网直接连接，并把电能传输至电网。
60.所述的h桥变换器由三个中点钳位型单相h桥变换器组成，中点钳位型单相h桥变换器的每一个桥臂是一个三电平中点钳位型结构，每一个中点钳位型单相h桥变换器需要8个功率开关器件和相应的8个反并联二极管，另外直流侧的两个串联直流电容的中点需要连接各个桥臂的两个钳位二极管，所以共需要12个二极管；
61.与传统的风力发电机侧三电平中点钳位型变换器相比，h桥变换器采用五电平中
点钳位型h桥变换器，交流电压幅值是传统的风力发电机侧三电平中点钳位型变换器的两倍，因此该拓扑结构能够提高风力发电机电压至8.5kv；
62.所述的h桥变换器的直流环节上下两个稳压电容容值相同，共同保证中点电位的平衡，但是由于h桥变换器由三个中点钳位型单相h桥变换器组成，其纹波受基频输出功率的影响，因此，所需的电容大于传统的风力发电机侧三相三电平中点钳位型变换器；
63.所述的电网侧三个中点钳位型变换器为三个相同规格的变换器，变换器的每一个半桥臂与h桥变换器的半桥臂的器件组成相同，电网侧单个中点钳位型变换器需要12个功率开关器件和相应的18个二极管；
64.所述的电网侧升压变压器为电网侧隔离型四绕组工频升压变压器，能够将电网侧三个中点钳位型变换器的交流输出电能汇集，经过电网侧升压变压器升压后实现并网，电网侧升压变压器的高压侧能够接入额定66kv及以上电网，由于采用的是隔离型变压器，因此低压侧连接的电网侧三个中点钳位型变换器之间的环流问题得到解决。
65.所述的，永磁直驱型中高压大功率风力发电变流器的具体控制方法如下：
66.(1)总体电路结构
67.如图1所示：本发明提供一种永磁直驱型中高压大功率风力发电变流器，该拓扑采用 h桥中点钳位型五电平变换器结构，包括h桥变换器2、并网变换器3，为了实现并网传输能量，还需要电网侧升压变压器4，其中：
68.其中，h桥变换器2为五电平中点钳位型h桥变换器，h桥变换器的交流侧接永磁同步发电机，直流侧接入电网侧三个中点钳位型变换器3；
69.电网侧三个中点钳位型变换器3为三个三相三电平中点钳位型并网变换器，电网侧三个中点钳位型变换器的交流侧分别接入电网侧升压变压器4的三个低压绕组；
70.电网侧升压变压器4为隔离型四绕组工频升压变压器，电网侧升压变压器的高压侧与电网5直接连接，并把电能传输至电网。
71.(2)h桥变换器
72.h桥变换器用于将永磁同步发电机定子侧发出的低频交流电整流成固定电压值的直流电，拓扑结构如图2所示，其中h桥变换器由三个中点钳位型单相h桥变换器组成，每个中点钳位型单相h桥变换器如图3所示，中点钳位型单相h桥变换器的每一个桥臂是一个三电平中点钳位型结构，每个中点钳位型单相h桥变换器需要8个功率开关器件(如6kv、6ka igct)和相应的8个反并联二极管，其中直流侧的两个串联直流电容的中点需要连接到各个桥臂的两个钳位二极管，所以共需要12个二极管；
73.h桥变换器的交流侧与永磁同步发电机的定子侧连接，由于h桥变换器采用五电平中点钳位型h桥变换器，交流电压幅值是传统的风力发电机侧三电平中点钳位型变换器的两倍，因此该拓扑结构能够提高风力发电机电压至8.5kv；例如图2中当使用6kv、6kaigct器件时，交流侧电压可达8.5kv，功率可以提升至20mw以上。
74.(3)并网变换器
75.电网侧三个中点钳位型变换器用于将h桥变换器整定的固定电压值的直流电变换为符合电网频率的交流电，拓扑结构如图4所示，电网侧三个中点钳位型变换器为三个相同规格的变换器，变换器的每一个桥臂与机侧中点钳位型h桥变换器的桥臂的器件组成相同，电网侧单个中点钳位型变换器需要12个功率开关器件和相应的18个二极管，图4 中并网变
换器采用与图2中h桥变换器相同规格的6kv、6ka igct器件时，单个变换器的容量可达到7mw以上，电网侧三个中点钳位型变换器的容量可达到20mw以上；
76.(4)电网侧升压变压器
77.电网侧升压变压器的低压交流侧需要与电网侧三个中点钳位型变换器的交流输出相连，拓扑结构如图5所示，低压侧为三绕组输入，单绕组高压输出，电网侧隔离型四绕组工频升压变压器能够将电网侧三个中点钳位型并网变换器的输出电压提升至66kv及以上，并能够实现各绕组之间的电气隔离，避免电网侧三个中点钳位型变换器之间的环流问题，当前级电网侧三个中点钳位型变换器的容量达到20mw以上时，其额定功率也需要达到 20mw以上。
78.(5)控制方式
79.h桥变换器采用矢量控制策略实现永磁同步发电机转速和风速调节，实现最大功率点跟踪(mppt)，永磁同步发电机发出的三相不断变化的交流电经过h桥变换器变换为固定电压值的直流电；
80.电网侧三个中点钳位型变换器并网运行时，采用传统的电压电流双闭环控制方法，控制直流侧电容电压为固定值，直流侧的电能经过电网侧三个中点钳位型变换器能够变换为电网频率下的三相稳定交流电能，控制电网侧三个中点钳位型并网变换器时还必须保证每一个变换器的中点电位平衡。
81.(6)工作原理
82.永磁直驱型中高压大功率风力发电变流器拓扑能够在中高压、大功率场合应用，具体为：h桥变换器的交流输入端接入永磁同步发电机定子端，由于h桥变换器采用五电平中点钳位型h桥变换器，交流侧电压幅值提升至传统的三电平中点钳位型变换器的两倍，当使用6kv、6ka igct器件时，该拓扑能够提高永磁同步发电机电压至8.5kv，h桥变换器采用矢量控制策略实现永磁同步发电机转速和风速调节，实现最大功率点跟踪(mppt)，永磁同步发电机发出的三相不断变化的交流电经过h桥变换器变换为固定电压值的直流电；电网侧三个中点钳位型变换器的直流端与h桥变换器的直流侧连接形成背靠背结构，三相h桥变换器共需与三个网侧中点钳位型变换器连接，当单个电网侧中点钳位型并网变换器的容量达到7mw以上，电网侧三个中点钳位型变换器的容量可达到20mw以上，电网侧三个中点钳位型变换器并网运行时，采用传统的电压电流双闭环控制方法，控制直流侧电容电压为固定值，直流侧的电能经过电网侧三个中点钳位型变换器能够变换为电网频率下的三相稳定交流电能，控制电网侧三个中点钳位型并网变换器时还必须保证每一个变换器的中点电位平衡；电网侧升压变压器为电网侧隔离型四绕组升压变压器，能够将电网侧三个中点钳位型变换器的交流输出电能汇集，经过电网侧升压变压器升压后实现并网，电网侧升压变压器的高压侧接入额定66kv以上的电网，并且当前级电网侧三个中点钳位型变换器的容量达到20mw以上时，其额定功率也需要达到20mw以上，由于采用的是隔离型变压器，因此低压侧连接的电网侧三个中点钳位型变换器之间的环流问题得到解决。
83.(7)仿真验证
84.利用matlab/simulink仿真软件模拟永磁直驱型中高压大功率风力发电变流器在 20mw功率等级下的运行情况，其中功率开关器件采用6kv的igct，永磁直驱型中高压大功率风力发电变流器直流侧电容为30mf，永磁同步发电机定子侧输出频率为15hz，幅值为8.5kv
的三相交流电压，仿真结果如图6所示。其中图6(a)为永磁同步发电机定子侧三相输出电流，可以得到利用矢量控制的h桥变换器能够控制永磁同步发电机发出三相对称正弦的交流电流；图6(b)是机侧五电平中点钳位型h桥变换器交流侧输出的九电平线 (相对相)电压；图6(c)是经过电网侧升压变压器向电网(66kv)输入的三相电网电流，三相电网电流保持三相对称且正弦度高，谐波含量低；图6(d)是电网侧三个中点钳位型变换器采用电压电流双闭环控制下的直流电压(6500v)，采用电压电流双闭环控制下的电网侧三个中点钳位型变换器直流侧电压稳定，直流环节受基频输出功率的影响有明显的低频波动，其中波动频率(30hz)为发电机频率(15hz)的两倍。仿真结果表明，风力发电机侧五电平中点钳位型h桥变换器采用矢量控制，电网侧三个三相三电平中点钳位型并网变换器采用电压电流双闭环控制下的永磁直驱型中高压大功率风力发电变流器能够在功率等级为 20mw，永磁同步发电机定子侧输出电压为8.5kv的风电系统中良好运行。