[发明专利]用于大规模海上风电直流送出的高升压比直流变换器

说明书

本发明公开了一种用于大规模海上风电直流送出的高升压比直流变换器，所述高升压比直流变换器采用三相或多相结构，由三相逆变桥、三相变压器和二极管不控整流桥级联而成。该高升压比直流变换器通过有源桥臂与晶闸管阀组、二极管阀组相结合的方案，由有源桥臂主动控制实现电压调控和电流控制，并为晶闸管阀组、二极管阀组提供理想的零压、零流条件；有源桥臂仅需承担中压直流电压或提供用于功率和电压控制的小电压，所需级联的子模块数目显著减少，可实现海上平台的轻量化和小型化设计。

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，涉及一种高升压比直流变换器，具体涉及一种用于大规模海上风电直流送出的高升压比直流变换器。

背景技术

为支撑我国“碳中和”发展目标，缓解西电东送压力，提升可再生能源利用率，海上风电成为了国家能源发展的重要方向。近年来，随着世界各大厂商竞相推出超大型海上风机，海上风电正逐渐向深远海发展。采用中压直流汇集、高压直流送出的全直流海上风电场方案，将成为大规模海上风电的发展趋势。然而，全直流海上风电场面临的最大技术瓶颈是高升压比直流变换器，其特点是：容量需达百兆瓦、中压汇集侧电流达上千安培、高压送出侧电压为数百千伏、电压增益可达十倍、功率单方向流动。

针对高压大容量、高升压比直流变换器，杨杰等人（CN106160463A）提出了基于器件串联和子模块级联结构的非隔离型直流变换器。然而，该变换器因为没有变压器的匹配作用，难以应用在高升压比应用中，子模块既需承担中压汇集的大电流，又要耐受高压直流送出的高电压，功率器件的安装容量将数倍于其传输的额定功率，成本高、损耗大，且不具备电气隔离，难以满足高电压增益下工程绝缘配合的设计要求。

顾先明等人（CN204145305U）公开了一种基于模块化多电平变换器和交替桥臂导通多电平变换器的“面对面”型直流变换器，该拓扑中传输能量需要经过两次全功率变换，功率器件数目较多、损耗大、体积重量较高。

为解决上述问题，李彬彬等人（CN112290801A）提出将中压侧的模块化多电平变换器替换成基于晶闸管的电网换相换流器，将高压侧的一半有源桥臂替换为二极管来减少有源桥臂子模块数目，有效降低变换器体积和成本。然而，有源桥臂需要承担数百千伏的高压直流，导致子模块数目依旧较多，不利于其绝缘设计，制约了海上风电送出平台的紧凑化和小型化设计。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种用于大规模海上风电直流送出的高升压比直流变换器。该高升压比直流变换器通过有源桥臂与晶闸管阀组、二极管阀组相结合的方案，由有源桥臂主动控制实现电压调控和电流控制，并为晶闸管阀组、二极管阀组提供理想的零压、零流条件；有源桥臂仅需承担中压直流电压或提供用于功率和电压控制的小电压，所需级联的子模块数目显著减少，可实现海上平台的轻量化和小型化设计。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

用于大规模海上风电直流送出的高升压比直流变换器，分别记为：1型直流变换器结构~5型直流变换器结构，其共同特征在于采用三相或多相结构，变换器由三相逆变桥、三相变压器和二极管不控整流桥级联而成，其中：

所述三相逆变器桥包括有源桥臂、晶闸管阀组；

所述有源桥臂采用半桥子模块或全桥子模块或半桥和全桥相混合的子模块或其他可行的子模块级联构成，有源桥臂的正极和负极分别为第一个子模块和最后一个子模块的空闲端子；

所述晶闸管阀组由晶闸管串联而成；

所述晶闸管阀组亦可由双向晶闸管或绝缘栅双极晶体管IGBT或注入增强栅晶体管IEGT或集成门级换流晶闸管IGCT等器件串并联构成；

所述三相变压器的一次绕组端子构成三相变压器的一次侧端子且与三相逆变桥的交流输出端子相连，三相变压器的二次绕组端子构成三相变压器的二次侧端子；

所述三相变压器可采用YY或YΔ或ΔΔ或ΔY或其他可能的结构；