张跃平 (中国辽宁省鞍山市高新区科技路108号, Liaoning 1, 114051, CN)
LI, Taifeng (No.108, Keji Rd. High-Tech Distric, Anshan Liaoning 1, 114051, CN)
李太峰 (中国辽宁省鞍山市高新区科技路108号, Liaoning 1, 114051, CN)
WEI, Xiping (No.108, Keji Rd. High-Tech Distric, Anshan Liaoning 1, 114051, CN)
魏西平 (中国辽宁省鞍山市高新区科技路108号, Liaoning 1, 114051, CN)
YANG, Yang (No.108, Keji Rd. High-Tech Distric, Anshan Liaoning 1, 114051, CN)
杨洋 (中国辽宁省鞍山市高新区科技路108号, Liaoning 1, 114051, CN)
荣信电力电子股份有限公司 (中国辽宁省鞍山市高新区科技路108号, Liaoning 1, 114051, CN)
ZHANG, Yueping (No.108, Keji Rd. High-Tech Distric, Anshan Liaoning 1, 114051, CN)
张跃平 (中国辽宁省鞍山市高新区科技路108号, Liaoning 1, 114051, CN)
LI, Taifeng (No.108, Keji Rd. High-Tech Distric, Anshan Liaoning 1, 114051, CN)
李太峰 (中国辽宁省鞍山市高新区科技路108号, Liaoning 1, 114051, CN)
WEI, Xiping (No.108, Keji Rd. High-Tech Distric, Anshan Liaoning 1, 114051, CN)
魏西平 (中国辽宁省鞍山市高新区科技路108号, Liaoning 1, 114051, CN)
YANG, Yang (No.108, Keji Rd. High-Tech Distric, Anshan Liaoning 1, 114051, CN)
| 权 利 要 求 书 1、 基于 MMC的无变压器风力发电并网拓扑结构， 其特征在于， 包括风力发电机组、 整流模块、 逆变模块， 风力发电机组产生低压交流电， 经整流模块整流后得到直流电压， 该 直流电压作为逆变模块功率单元的直流侧电压供电电源；逆变模块将直流电压逆变后的交流 电压经功率单元串联成交流高压从交流侧经缓冲电感输出， 并入电网。 2、根据权利要求 1所述的基于 MMC的无变压器风力发电并网拓扑结构，其特征在于， 所述的逆变模块为三相， 每相由偶数 n个功率单元串联而成， 分为上下两组， 每组的功率单 元个数为 n/2个， 输出相电压电平阶梯数为 n/2+l， 线电压电平数为 n+1 ; 每相的输出端为两 组单元的中点处， 且输出端与每组单元之间以耦合或非耦合缓冲电感连接； 在输出端为两组 单元的中点处输出交流高压。 3、根据权利要求 2所述的基于 MMC的无变压器风力发电并网拓扑结构，其特征在于， 所述的功率单元为半桥结构， 开关器件 IGBT1和 IGBT2相串联， 再并联直流电容 C， 并且 开关器件 IGBT1和 IGBT2分别反并联二极管 Dl、 D2; IGBT1与 IGBT2的公共端， 电容 C 与 IGBT2的公共端作为每个单元的输出端， 与其他单元相连。 4、根据权利要求 1所述的基于 MMC的无变压器风力发电并网拓扑结构，其特征在于， 所述的整流模块由二极管不可控全桥组成。 5、根据权利要求 1所述的基于 MMC的无变压器风力发电并网拓扑结构，其特征在于， 风力发电机组产生低压交流电， 经整流模块整流后得到直流电压， 该直流电压作为逆变模块 功率单元的直流侧电压供电电源；逆变模块将直流电压逆变后的直流电压经功率单元串联成 直流高压从直流侧输出， 并入电网。 |
技术领域
本发明涉及风力发电机并网技术， 特别是一种基于 MMC 模块化多电平逆变器 (Modular Multilevel Converter) 的无变压器的风力发电并网拓扑结构。 背景技术
我国的风能资源十分丰富，根据国家气象局估 计，我国 10 m高度以内可开发利用的地表 风电能源约为 10 亿 kW，其中陆地 2.5亿 kW，海上 7.5亿 kW，如果扩展到 50〜60 m 以上高 度，风力资源将有望扩展到 20〜25 亿 kW。因此，风力发电是我国能源可持续发展的 实而重 要的选择。
风力发电机基本上都是通过通用变频器，使本 身相位与电网相同。最后再用升压变压器 与电网并网。这样导致每个风力发电机都需要 一个升压变压器，升压变压器体积大，质量重 ， 成本高， 结构复杂化。并且使每个风力发电机只有 3电平， 谐波含量很大， 多电网污染严重。 而且对于每个风力发电机需要单独控制， 控制难度大， 控制繁琐， 不易形成大型、 超大型风 力电场控制。
风力发电输出的都是两电平或三电平， 谐波含量大， 升压后不能直接并入电网， 需要加 输出滤波装置。 发明内容
本发明的目的是提供一种基于 MMC的无变压器风力发电并网拓扑结构， 通过功率单元 串联的方法， 输出高压； 省去了通用风力发电并网时的升压变压器， 节约了大量成本。另外， 由于采用多单元串联功率单元输出高压， 可以通过调制算法输出多电平波形， 减少输出谐波 含量， 减少风力发电对电网的污染。
为实现上述目的， 本发明通过以下技术方案实现：
基于 MMC的无变压器风力发电并网拓扑结构， 包括风力发电机组、 整流模块、 逆变模 块， 风力发电机组产生低压交流电， 经整流模块整流后得到直流电压， 该直流电压作为逆变 模块功率单元的直流侧电压供电电源；逆变模 块将直流电压逆变后的交流电压经功率单元串 联成交流高压从交流侧经缓冲电感输出， 并入电网。
所述的逆变模块为三相， 每相由偶数 n个功率单元串联而成， 分为上下两组， 每组的功 率单元个数为 n/2个， 输出相电压电平阶梯数为 n/2+l， 线电压电平数为 n+1 ; 每相的输出端 为两组单元的中点处， 且输出端与每组单元之间以耦合或非耦合缓冲 电感连接； 在输出端为 两组单元的中点处输出交流高压。
所述的功率单元为半桥结构， 开关器件 IGBT1和 IGBT2相串联， 再并联直流电容 C， 并且开关器件 IGBT1和 IGBT2分别反并联二极管 Dl、 D2; IGBT1与 IGBT2的公共端， 电 容 C与 IGBT2的公共端作为每个单元的输出端， 与其他单元相连。
所述的整流模块由二极管不可控全桥组成。
风力发电机组产生低压交流电， 经整流模块整流后得到直流电压， 该直流电压作为逆变 模块功率单元的直流侧电压供电电源；逆变模 块将直流电压逆变后的直流电压经功率单元串 联成直流高压从直流侧输出， 并入电网。
与现有技术相比， 本发明的有益效果是：
1 ) 输入端无变压器， 进而使风电并网拓扑体积减小， 占地减少， 重量减轻， 成本降低； 同时可以降低变压器能耗， 使制造工艺简单化， 生产周期减少；
2) 风力发电机直接连接到功率单元整流侧， 对风力发电机无特殊要求， 减少电机成本;
3 ) 调制方法采用载波移相的方法， 可以产生多阶梯正弦波， 以较小的开关频率获得较 好的输出电压波形；
4) 可以把整个风力发电场串联成交流高压， 直接从交流侧输出；
5 ) 可以把整个风力发电场串联成直流高压， 直接从直流侧输出；
6) 在大功率、 多电机系统中应用前景广泛。 附图说明
图 1是基于 MMC的无变压器风力发电并网拓扑结构图；
图 2基于 MMC的无变压器风力发电并网拓扑结构的基本功 率单元结构图；
图 3-1是功率单元输出状态为 0状态的电流流向图；
图 3-2是功率单元输出状态为 0状态的电流流向图；
图 3-3是功率单元输出状态为 1状态的电流流向图；
图 3-4是功率单元输出状态为 1状态的电流流向图。 具体实施方式
见图 1， 基于 MMC的无变压器风力发电并网拓扑结构，包括风 力发电机组、整流模块、 逆变模块， 风力发电机组产生低压交流电， 经整流模块整流后得到直流电压， 该直流电压作 为逆变模块功率单元的直流侧电压供电电源； 逆变模块将直流电压逆变后的交流电压经功率 单元串联成交流高压， 从交流 U、 V、 W侧经缓冲电感 L输出， 并入电网。
逆变模块也可以将直流电压逆变后的直流电压 经功率单元串联成直流高压直接从直流
A、 B侧输出直流高压， 并入电网。
该拓扑结构逆变模块为三相，每相由偶数 n个功率单元串联而成，共包括 3η个功率单元， 每个功率单元由一个风力发电机 Μ通过三相不可控全桥整流给功率单元电容 C供电。
逆变模块的每一相由偶数 η个功率单元串联而成， 分为上下两组， 每组的功率单元个数 为 η/2个， 输出相电压电平阶梯数为 η/2+1， 线电压电平数为 η+1 ; 每相的输出端为两组单元 的中点处， 且输出端与每组单元之间以耦合或非耦合缓冲 电感连接； 在输出端为两组单元的 中点处输出交流高压。
见图 2， 功率单元逆变侧为半桥结构， 开关器件 IGBT1和 IGBT2相串联， 再并联直流电 容 C， 并且开关器件 IGBT1和 IGBT2分别反并联二极管 Dll、 D22; IGBT1与 IGBT2的公 共端， 电容 C与 IGBT2的公共端作为每个单元的输出端， 与其他单元相连。 整流侧由二极 管 Dl、 D2、 D3、 D4、 D5、 D6组成不可控全桥。
该拓扑利用风力发电机作为能源中继池， 给单元直流母线供电， 结合一定的调制方法， 产生需要的多电平可变正弦波。 逆变模块由三相组成， 每相由偶数 n个功率单元串联而成。 串联单元个数称为单元级数。 串联可以直接在 、 B侧直接输出直流高压， 也可以在 U、 V、 w侧输出交流高压。对从交流 u、 V、 W侧输出的交流高压来说， 交流高压含有更少的谐波， 对电网污染更小。
控制 IGBT的栅极电压使其导通或者关断， 可以使单元具有不同的电路状态。
见图 3-1， 电流经 IGBT2从 A流向 B， 采用半桥式逆变电路的功率单元输出电平 "0"。 见图 3-2， 电流经续流二极管 D2从 B流向 A，采用半桥式逆变电路的功率单元输出电平 "0"。
见图 3-3， 电流经续流二极管 Dl， 再通过直流侧电容 C， 从 A流向 B， 采用半桥式逆变 电路的功率单元输出电平 " 1 "。
见图 3-4， 电流经 IGBT1 , 再通过直流侧电容 C， 从 B流向 A， 采用半桥式逆变电路的 功率单元输出电平 " 1 "。
若功率单元级数选择适当， 输出电压可达到电网级别， 可根据电网电压发出与电网同步 的电压波形， 并且输出谐波满足要求， 则可以直接并网发电。
所述的 n (n为偶数） 是由要求输出的电压等级决定的。 输出 3kV的电网电压， 对应的 n=6;输出 6kV的电网电压，对应的 n=12或 14;输出 10kV的电网电压，对应的 n=20或 22; 输出 20kV的电网电压， 对应的 n=40或 48; 输出 35kV的电网电压， 对应的 n=72或 80。