[发明专利]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

说明书

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，属于电力电子技术领域。该风力发电变流器采用H桥中点钳位型五电平变换器拓扑，其中风力发电机侧为五电平中点钳位型H桥变换器，电网侧为三个三相三电平中点钳位型并网变换器，其直流侧接入风力发电机侧变流器，电网侧经隔离型四绕组工频升压变压器接入66kV或更高等级电压电网。该拓扑结构能够提高风力发电机电压至8.5kV,可用于20MW及以上功率等级的风力发电系统。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。

技术领域

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

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。

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。

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。

发明内容

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。

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；

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；

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；

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；

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；

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。

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。