專利名稱：基于mmc的無變壓器風力發(fā)電并網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風力發(fā)電機并網(wǎng)技術(shù)，特別是一種基于MMC模塊化多電平逆變器 (Modular Multilevel Converter)的無變壓器的風力發(fā)電并網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
我國的風能資源十分豐富，根據(jù)國家氣象局估計，我國IOm高度以內(nèi)可開發(fā)利 用的地表風電能源約為10億kW，其中陸地2.5億kW，海上7.5億kW，如果擴展到50 60m以上高度，風力資源將有望擴展到20 25億kW。因此，風力發(fā)電是我國能源可持 續(xù)發(fā)展的現(xiàn)實而重要的選擇。風力發(fā)電機基本上都是通過通用變頻器，使本身相位與電網(wǎng)相同。最后再用升 壓變壓器與電網(wǎng)并網(wǎng)。這樣導致每個風力發(fā)電機都需要一個升壓變壓器，升壓變壓器體 積大，質(zhì)量重，成本高，結(jié)構(gòu)復雜化。并且使每個風力發(fā)電機只有3電平，諧波含量很 大，多電網(wǎng)污染嚴重。而且對于每個風力發(fā)電機需要單獨控制，控制難度大，控制繁 瑣，不易形成大型、超大型風力電場控制。風力發(fā)電輸出的都是兩電平或三電平，諧波含量大，升壓后不能直接并入電 網(wǎng)，需要加輸出濾波裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于MMC的無變壓器風力發(fā)電并網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，通過功 率單元串聯(lián)的方法，輸出高壓；省去了通用風力發(fā)電并網(wǎng)時的升壓變壓器，節(jié)約了大量 成本。另外，由于采用多單元串聯(lián)功率單元輸出高壓，可以通過調(diào)制算法輸出多電平波 形，減少輸出諧波含量，減少風力發(fā)電對電網(wǎng)的污染。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)基于MMC的無變壓器風力發(fā)電并網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，包括風力發(fā)電機組、整流模塊、 逆變模塊，風力發(fā)電機組產(chǎn)生低壓交流電，經(jīng)整流模塊整流后得到直流電壓，該直流電 壓作為逆變模塊功率單元的直流側(cè)電壓供電電源；逆變模塊將直流電壓逆變后的交流電 壓經(jīng)功率單元串聯(lián)成交流高壓從交流側(cè)經(jīng)緩沖電感輸出，并入電網(wǎng)。所述的逆變模塊為三相，每相由偶數(shù)η個功率單元串聯(lián)而成，分為上下兩組， 每組的功率單元個數(shù)為η/2個，輸出相電壓電平階梯數(shù)為n/2+l，線電壓電平數(shù)為η+1; 每相的輸出端為兩組單元的中點處，且輸出端與每組單元之間以耦合或非耦合緩沖電感 連接；在輸出端為兩組單元的中點處輸出交流高壓。所述的功率單元為半橋結(jié)構(gòu)，開關(guān)器件IGBTl和IGBT2相串聯(lián)，再并聯(lián)直流電 容C，并且開關(guān)器件IGBTl和IGBT2分別反并聯(lián)二極管Dl、D2 ； IGBTl與IGBT2的公
共端，電容C與IGBT2的公共端作為每個單元的輸出端，與其他單元相連。所述的整流模塊由二極管不可控全橋組成。風力發(fā)電機組產(chǎn)生低壓交流電，經(jīng)整流模塊整流后得到直流電壓，該直流電壓作為逆變模塊功率單元的直流側(cè)電壓供電電源；逆變模塊將直流電壓逆變后的直流電壓 經(jīng)功率單元串聯(lián)成直流高壓從直流側(cè)輸出，并入電網(wǎng)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是1)輸入端無變壓器，進而使風電并網(wǎng)拓撲體積減小，占地減少，重量減輕，成 本降低；同時可以降低變壓器能耗，使制造工藝簡單化，生產(chǎn)周期減少；2)風力發(fā)電機直接連接到功率單元整流側(cè)，對風力發(fā)電機無特殊要求，減少電 機成本；3)調(diào)制方法采用載波移相的方法，可以產(chǎn)生多階梯正弦波，以較小的開關(guān)頻率 獲得較好的輸出電壓波形；4)可以把整個風力發(fā)電場串聯(lián)成交流高壓，直接從交流側(cè)輸出；5)可以把整個風力發(fā)電場串聯(lián)成直流高壓，直接從直流側(cè)輸出；6)在大功率、多電機系統(tǒng)中應(yīng)用前景廣泛。


圖1是基于MMC的無變壓器風力發(fā)電并網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)圖；圖2基于MMC的無變壓器風力發(fā)電并網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)的基本功率單元結(jié)構(gòu)圖；圖3-1是功率單元輸出狀態(tài)為0狀態(tài)的電流流向圖；圖3-2是功率單元輸出狀態(tài)為0狀態(tài)的電流流向圖；圖3-3是功率單元輸出狀態(tài)為1狀態(tài)的電流流向圖；圖3-4是功率單元輸出狀態(tài)為1狀態(tài)的電流流向圖。
具體實施例方式見圖1，基于MMC的無變壓器風力發(fā)電并網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，包括風力發(fā)電機組、整 流模塊、逆變模塊，風力發(fā)電機組產(chǎn)生低壓交流電，經(jīng)整流模塊整流后得到直流電壓， 該直流電壓作為逆變模塊功率單元的直流側(cè)電壓供電電源；逆變模塊將直流電壓逆變后 的交流電壓經(jīng)功率單元串聯(lián)成交流高壓，從交流U、V、W側(cè)經(jīng)緩沖電感L輸出，并入電 網(wǎng)。逆變模塊也可以將直流電壓逆變后的直流電壓經(jīng)功率單元串聯(lián)成直流高壓直接 從直流A、B側(cè)輸出直流高壓，并入電網(wǎng)。該拓撲結(jié)構(gòu)逆變模塊為三相，每相由偶數(shù)η個功率單元串聯(lián)而成，共包括3η個 功率單元，每個功率單元由一個風力發(fā)電機M通過三相不可控全橋整流給功率單元電容
C 供電 O逆變模塊的每一相由偶數(shù)η個功率單元串聯(lián)而成，分為上下兩組，每組的功率 單元個數(shù)為η/2個，輸出相電壓電平階梯數(shù)為n/2+l，線電壓電平數(shù)為η+l;每相的輸出 端為兩組單元的中點處，且輸出端與每組單元之間以耦合或非耦合緩沖電感連接；在輸 出端為兩組單元的中點處輸出交流高壓。見圖2，功率單元逆變側(cè)為半橋結(jié)構(gòu)，開關(guān)器件IGBTl和IGBT2相串聯(lián)，再并 聯(lián)直流電容C，并且開關(guān)器件IGBTl和IGBT2分別反并聯(lián)二極管Dll、D22 ； IGBTl與 IGBT2的公共端，電容C與IGBT2的公共端作為每個單元的輸出端，與其他單元相連。整流側(cè)由二極管Dl、D2、D3、D4、D5、D6組成不可控全橋。該拓撲利用風力發(fā)電機作為能源中繼池，給單元直流母線供電，結(jié)合一定的調(diào) 制方法，產(chǎn)生需要的多電平可變正弦波。逆變模塊由三相組成，每相由偶數(shù)η個功率單 元串聯(lián)而成。串聯(lián)單元個數(shù)稱為單元級數(shù)。串聯(lián)可以直接在A、B側(cè)直接輸出直流高壓， 也可以在U、V、W側(cè)輸出交流高壓。對從交流U、V、W側(cè)輸出的交流高壓來說，交 流高壓含有更少的諧波，對電網(wǎng)污染更小?？刂艻GBT的柵極電壓使其導通或者關(guān)斷，可以使單元具有不同的電路狀態(tài)。見圖3-1，電流經(jīng)IGBT2從A流向B，采用半橋式逆變電路的功率單元輸出電平 "0，，。見圖3-2，電流經(jīng)續(xù)流二極管D2從B流向Α，采用半橋式逆變電路的功率單元 輸出電平“0”。見圖3-3，電流經(jīng)續(xù)流二極管Dl，再通過直流側(cè)電容C，從A流向B，采用半橋 式逆變電路的功率單元輸出電平“1”。見圖3-4，電流經(jīng)IGBT1，再通過直流側(cè)電容C，從B流向Α，采用半橋式逆變 電路的功率單元輸出電平“1”。若功率單元級數(shù)選擇適當，輸出電壓可達到電網(wǎng)級別，可根據(jù)電網(wǎng)電壓發(fā)出與 電網(wǎng)同步的電壓波形，并且輸出諧波滿足要求，則可以直接并網(wǎng)發(fā)電。
權(quán)利要求
1.基于MMC的無變壓器風力發(fā)電并網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括風力發(fā)電機組、 整流模塊、逆變模塊，風力發(fā)電機組產(chǎn)生低壓交流電，經(jīng)整流模塊整流后得到直流電 壓，該直流電壓作為逆變模塊功率單元的直流側(cè)電壓供電電源；逆變模塊將直流電壓逆 變后的交流電壓經(jīng)功率單元串聯(lián)成交流高壓從交流側(cè)經(jīng)緩沖電感輸出，并入電網(wǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MMC的無變壓器風力發(fā)電并網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，其特征在 于，所述的逆變模塊為三相，每相由偶數(shù)η個功率單元串聯(lián)而成，分為上下兩組，每組 的功率單元個數(shù)為η/2個，輸出相電壓電平階梯數(shù)為n/2+l，線電壓電平數(shù)為η+l;每 相的輸出端為兩組單元的中點處，且輸出端與每組單元之間以耦合或非耦合緩沖電感連 接；在輸出端為兩組單元的中點處輸出交流高壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于MMC的無變壓器風力發(fā)電并網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，其特征在 于，所述的功率單元為半橋結(jié)構(gòu)，開關(guān)器件IGBTl和IGBT2相串聯(lián)，再并聯(lián)直流電容 C，并且開關(guān)器件IGBTl和IGBT2分別反并聯(lián)二極管Dl、D2 ； IGBTl與IGBT2的公共 端，電容C與IGBT2的公共端作為每個單元的輸出端，與其他單元相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無變壓器水輪發(fā)電機發(fā)電并網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，其特征在于， 所述的整流模塊由二極管不可控全橋組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的基于MMC的無變壓器風力發(fā)電并網(wǎng)拓撲結(jié) 構(gòu)，其特征在于，風力發(fā)電機組產(chǎn)生低壓交流電，經(jīng)整流模塊整流后得到直流電壓，該 直流電壓作為逆變模塊功率單元的直流側(cè)電壓供電電源；逆變模塊將直流電壓逆變后的 直流電壓經(jīng)功率單元串聯(lián)成直流高壓從直流側(cè)輸出，并入電網(wǎng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于MMC的無變壓器風力發(fā)電并網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，包括風力發(fā)電機組、整流模塊、逆變模塊，風力發(fā)電機組產(chǎn)生低壓交流電，經(jīng)整流模塊整流后得到直流電壓，該直流電壓作為逆變模塊功率單元的直流側(cè)電壓供電電源；逆變模塊將直流電壓逆變后的交流電壓經(jīng)功率單元串聯(lián)成交流高壓從交流側(cè)經(jīng)緩沖電感輸出，并入電網(wǎng)。優(yōu)點是通過功率單元串聯(lián)的方法，輸出高壓；省去了通用風力發(fā)電并網(wǎng)時的升壓變壓器，節(jié)約了大量成本。另外，由于采用多單元串聯(lián)功率單元輸出高壓，可以通過調(diào)制算法輸出多電平波形，減少輸出諧波含量，減少風力發(fā)電對電網(wǎng)的污染。
文檔編號H02J3/38GK102013694SQ201010233699
公開日2011年4月13日 申請日期2010年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月22日
發(fā)明者張坤, 張躍平, 李太峰, 楊洋, 王振, 胡濤, 趙淑玉, 魏西平 申請人:榮信電力電子股份有限公司