[发明专利]一种垂直轴永磁直驱风电变流器的拓扑结构和控制方法

说明书

本发明涉及一种垂直轴永磁直驱风电变流器的拓扑结构和控制方法，属于风电技术领域。该拓扑结构包括网侧变流器及由维也纳整流器和DC/DC升压变流器组成的机侧变流器，机侧变流器一端与发电机的定子相连，另一端与直流母线相连；直流母线的另一端与网侧变流器相连。该控制方法为：维也纳整流器采用零序分量注入法实现谐波最小化；DC/DC升压变流器实现升压和稳压；网侧变流器采用基于电压定向的控制策略，实现发电机有功功率控制和并网控制。本发明使得定子电流谐波小，无机械振动和扭振现象，克服了高尖峰电压脉冲的缺陷，降低了发电机绝缘要求，使发电机制造成本降低；开关器件承受电压低，尤其适合高电压、大功率场合。

技术领域

本发明涉及一种变流器，尤其是一种垂直轴永磁直驱风电变流器的拓扑结构和控制方法，属于风力发电技术领域。

背景技术

传统的风电机组采用背靠背结构的变流器，它包括机侧变流器和网侧变流器，其中机侧变流器一般采用电压源变流器VSC、不可控整流器+Boost组合等拓扑结构。不可控整流器会造成大量谐波，定子电流中的谐波使得风力发电机转矩波形中含有纹波，而转矩纹波可能会使风电机组产生额外的机械振动和扭振。而对于电压源变流器VSC，虽是可控整流，但它的du/dt引起的高尖峰电压脉冲将对风力发电机的定子绕组绝缘造成极大的威胁，这就使得风力发电机要完全按照高压电机设计，从而增加了绕组的绝缘厚度和电机成本，且使发电机的散热条件变坏。

发明内容

本发明的主要目的在于：针对上述现有技术存在的不足，提供一种谐波含量小、耐压等级高的一种垂直轴永磁直驱风电变流器的拓扑结构和控制方法。

为了达到以上目的，本发明一种垂直轴永磁直驱风电变流器的拓扑结构包括机侧变流器和网侧变流器；所述机侧变流器包括维也纳整流器、DC/DC升压变流器；所述机侧变流器一端与垂直轴永磁直驱风力发电机的定子相连，另一端与直流母线相连；所述直流母线的另一端与网侧变流器相连；所述网侧变流器通过升压工频变压器与电网相连。

所述维也纳整流器的一端与所述垂直轴永磁直驱风力发电机的定子相连，另一端与所述DC/DC升压变流器的一端相连；所述DC/DC升压变流器的另一端与所述直流母线相连。

所述维也纳整流器包括三个滤波电感、六个整流二极管、三个双向开关单元、两个输出电容；所述三个滤波电感分别与所述垂直轴风力发电机的定子三相绕组相连；所述双向开关单元由两个开关管组成，由一路驱动信号控制；所述两个输出电容为串联连接，其中，与所述维也纳整流器的直流输出端正极相连的输出电容称为上电容，与所述维也纳整流器的直流输出端负极相连的输出电容称为下电容。

所述DC/DC升压变流器包括电感L、开关管VT、快速恢复二极管VD、电容C，其作用是：1)将所述维也纳整流器的直流输出电压进行升压，尤其在低风速时；2)稳定所述直流母线的电压。

所述网侧变流器为传统的电压源变流器VSC，包括直流侧电容C_g、6个开关管、1个滤波器，但其作用是：实现垂直轴永磁直驱风力发电机有功功率控制，同时实现逆变并网。

本发明一种垂直轴永磁直驱风电变流器的控制方法，采用以下步骤：

步骤1，所述维也纳整流器采用零序分量注入法实现谐波最小化整流，具体步骤为：