[发明专利]一种用于海上风电的大功率变流器电路拓扑

说明书

本发明涉及一种用于海上风电的大功率变流器电路拓扑，包括发电机、箱变以及若干组变流器单元；所述变流器单元包括机侧变流模块和网侧变流模块，机侧变流模块和网侧变流模块均采用中点钳位型三电平拓扑结构，所述若干组变流器单元相并联，每组变流器单元输入端与发电机定子的一个绕组连接，输出端与箱变连接，所述发电机输出功率与投入变流器单元的组数相匹配,通过功率协同方式实现启停逻辑和调节功率分配。本发明变流器电路拓扑通过功率协同方式实现启停逻辑和功率分配，根据发电机输出的功率大小来决定投入的变流器单元的组数，每个变流器单元可以独立工作，尤其在故障情况下，变流器单元可以减载工作，提高利用率，降低发电量损失。

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，特别是涉及一种用于海上风电的大功率变流器电路拓扑。

背景技术

当前，海上风电已成为全球风电发展的研究热点，世界各国都把海上风电作为可再生能源发展的重要方向，我国也将其划入战略性新兴产业的重要组成部分。与陆上风场建设不同，由于海上风场施工难度大，基础建设成本高，风机设备只占风场建设总成本的40%左右，而海上施工、吊装、维护、海底电缆等其他成本占60%左右，因此更大功率且高可靠性的海上风电机组，由于相对建设成本低、经济型更好，风电机组大型化趋势也日渐明显。由于海上风电建设和维护成本过高，海上风电变流器正向着大功率、低成本、高效率、高性能、高可靠、高利用率方向发展。海上风电变流器面临的问题包括：1）、海上变流器单机容量的增加，会带来对塔筒承重有较高要求，扭缆问题严重； 2）、海上风电建设成本贵，成本压力较大，变流器降低成本非常重要；3）、海上风电变流器年利用小时数高，变流器处于高负载功率运行，对利用率有了更高的要求；4）、海上风电变流器维护困难，要求器件可靠性高。

目前海上风电变流器以传统型的690V电压等级的为主，也有部分采用改进型的3300V的中压变流器，两种方案各有优劣。传统型的690V电压等级的海上风电变流器，采用两电平拓扑结构，控制简单且技术成熟；采用多台低压变流器并联方式，并联方式简单，无独立工作功能和缺少功率协同控制；采用低压IGBT模块和电气元器件，器件成本低且供应链成熟；IGBT器件开关频率较高（1700V电压等级的IGBT模块，开关频率2kHz以上），低压穿越和电流谐波等性能指标较好，在陆上风电有运行经验且技术成熟度高；但是由于海上变流器容量的增加，电流会显著提高，变流器与发电机之间的动力电缆数量多且电缆重，存在扭缆问题，还会线缆损耗大降低整机效率。改进型的3300V电压等级的海上风电变流器，变流器采用三电平拓扑结构，控制复杂；采用单台变流器，不能独立运行，故障后停机，利用率有一定降低；采用中压IGCT模块和中压电气元器件，器件成本高且供应链不成熟；IGCT器件开关频率低（4500V的IGCT模块，开关频率500Hz左右），低压穿越和电流谐波等性能很难控制且技术难度高，器件绝缘要求高、维护不方便等；采用3300V电压等级，相比690V电压等级，电流下降到低压的四分之一，变流器与发电机之间的动力电缆数量少，无扭缆问题，整机效率高。

发明内容

本发明的目的在于解决海上变流器成本、技术实现、效率以及可靠性之间不能兼顾的问题，提供了一种用于海上风电的大功率变流器电路拓扑。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种用于海上风电的大功率变流器电路拓扑，包括发电机、箱变以及若干组变流器单元；所述变流器单元包括机侧变流模块和网侧变流模块，机侧变流模块和网侧变流模块均采用中点钳位型三电平拓扑结构，所述若干组变流器单元相并联，每组变流器单元输入端与发电机定子的一个绕组连接，输出端与箱变连接，所述发电机输出功率与投入变流器单元的组数相匹配, 通过功率协同方式实现启停逻辑和调节功率分配。

作为优选，所述变流器单元的工作电压为950~1150V。

作为优选，所述机侧变流模块和网侧变流模块均采用低压绝缘栅双极型晶体管的中点钳位型三电平拓扑结构，低压绝缘栅双极型晶体管电压等级为1700V。