基于mmc結(jié)構(gòu)的永磁同步電機變流器裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及高壓變流器，尤其是基于MMC結(jié)構(gòu)的永磁同步電機變流器裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)代新能源風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展趨勢是風(fēng)機單臺容量越來越大，而永磁同步電機與雙 饋異步電機相比，具有明顯的優(yōu)勢。它效率高、功率因素高、能力指標(biāo)好、體積小、重量輕、溫 升低、技能效果顯著，較好地提高了電網(wǎng)的品質(zhì)因素。
[0003] 目前海上風(fēng)電永磁同步發(fā)電機最大單機容量已經(jīng)達(dá)到6. 5MW，并且容量有越來越 大趨勢。但是現(xiàn)有風(fēng)機出口電壓一般為600-700V左右，導(dǎo)致電機最大出口電流3000-6000A 左右。過大的電機額定電流使得風(fēng)機繞線截面積大、繞線數(shù)量多、制造工藝難度大、生產(chǎn)成 本高。現(xiàn)有永磁同步發(fā)電機配套的全功率風(fēng)電變流器主要是升壓斬波+三相全橋逆變器結(jié) 構(gòu)（如圖1、圖2)，或者是背靠背三相全橋+三相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)由于開關(guān)管額定 電壓性能限制，變流器出口電壓偏低，無法與高壓永磁同步發(fā)電機配套。
[0004] 因此，提高風(fēng)電機組的出口電壓，降低額定電流是未來的技術(shù)發(fā)展趨勢。 【實用新型內(nèi)容】
[0005] 為解決上述技術(shù)問題，本實用新型的目的是提供一種基于MMC結(jié)構(gòu)的永磁同步電 機變流器裝置。
[0006] 本實用新型采用的技術(shù)方案是：
[0007] 基于MMC結(jié)構(gòu)的永磁同步電機變流器裝置，包括順次連接整流模塊和逆變模塊； 該整流模塊輸入端用于連接永磁同步發(fā)電機的定子側(cè)，該逆變模塊的輸出端用于連接交流 電網(wǎng)，所述整流模塊和逆變模塊的單元結(jié)構(gòu)相同且整流模塊的直流輸出端與逆變模塊的直 流輸入端連接，整流模塊和逆變模塊均分成三相，每相由多個鏈?zhǔn)組MC單元串聯(lián)組成。
[0008] 所述每相由偶數(shù)N個鏈?zhǔn)組MC子單元串聯(lián)而成并分為上下兩組，每組子單元個數(shù) 為N/2個；每相的輸出端為上下兩組子單元的中點處，且輸出端與上下兩組子單元之間以 緩沖電感連接。
[0009] 所述鏈?zhǔn)組MC子單元的結(jié)構(gòu)為半橋結(jié)構(gòu)，包括兩個IGBT開關(guān)器件Tl、T2和一個直 流電容C，該開關(guān)器件Tl的發(fā)射極與開關(guān)器件T2的集電極連接，該開關(guān)器件T2的發(fā)射極與 開關(guān)器件Tl的集電極之間串接所述直流電容C。
[0010] 所述永磁同步電機變流器裝置還包括串接在逆變模塊輸入端與交流電網(wǎng)之間的 電阻充電回路，該電阻充電回路包括并聯(lián)著的充電電阻和旁路開關(guān)。
[0011] 所述永磁同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子側(cè)用于連接風(fēng)機葉片變槳系統(tǒng)。
[0012] 本實用新型的有益效果：
[0013] 本實用新型變流器裝置能夠承受很高額定電壓，能夠方便靈活地與高壓永磁同步 發(fā)電機配套，與同等容量6.5MW/690V風(fēng)力發(fā)電機組相比，6KV電壓等級風(fēng)力發(fā)電機組額定 電流下降接近90%，因為額定電流的下降，大大簡化風(fēng)機的工藝、結(jié)構(gòu)，提高可靠性，降低成 本。
【附圖說明】
[0014] 下面結(jié)合附圖對本實用新型的【具體實施方式】做進(jìn)一步的說明。
[0015] 圖1是永磁同步發(fā)電機+全功率風(fēng)電變流器結(jié)構(gòu)圖；
[0016] 圖2是逆變器的三相全橋結(jié)構(gòu)圖；
[0017] 圖3是本實用新型永磁同步電機變流器裝置的接入方式示意圖；
[0018] 圖4是本實用新型永磁同步電機變流器裝置整流和逆變模塊結(jié)構(gòu)圖；
[0019] 圖5是MMC單元的示意圖；
[0020] 圖6基于MMC技術(shù)的多電平電壓波形生成原理圖。
【具體實施方式】
[0021] 本實用新型涉及一種新的基于MMC的風(fēng)電變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。MMC是Modular MultilevelConverter-模塊化多電平變流器的簡稱；該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用模塊化鏈?zhǔn)酱?lián)結(jié) 構(gòu)，如圖3所示，整流側(cè)模塊閥組直接與永磁同步發(fā)電機定子側(cè)連接；整流側(cè)與逆變側(cè)直接 背靠背相連，逆變側(cè)通過充電回路連接升壓變壓器低壓側(cè)，變壓器高壓側(cè)直接與電網(wǎng)連接。 該結(jié)構(gòu)其優(yōu)點在于提高了風(fēng)電變流器出口電壓等級，增加容量，同時單元結(jié)構(gòu)簡單、拆卸容 易、接線方便。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：
[0022] 基于MMC的高壓風(fēng)電變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，整流和逆變模塊均采用鏈?zhǔn)侥K串聯(lián)多電 平結(jié)構(gòu)，由多個子單元串聯(lián)而成，該拓?fù)湔鬏斎雮?cè)直接與高壓永磁同步發(fā)電機連接；整流 側(cè)將高壓交流電轉(zhuǎn)化成直流；逆變側(cè)與交流電網(wǎng)連接，將直流電轉(zhuǎn)換成交流電送到電網(wǎng)； 該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可實現(xiàn)四象限能量回饋。
[0023] 如圖4所示，所述的整流、逆變模塊完全相等，分成三相，每相由偶數(shù)N個子單元串 聯(lián)而成分為上下兩組，每組子單元個數(shù)為N/2個；每相的輸出端為兩組子單元的中點處，且 輸出端與子單元之間以緩沖電感連接；
[0024] 如圖5所示鏈?zhǔn)組MC子單元的結(jié)構(gòu)為半橋結(jié)構(gòu)，包括兩個IGBT開關(guān)器件T1、T2和 一個直流電容C，該開關(guān)器件Tl的發(fā)射極與開關(guān)器件T2的集電極連接，該開關(guān)器件T2的發(fā) 射極與開關(guān)器件Tl的集電極之間串接所述直流電容C。
[0025] 基于MMC的風(fēng)電變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由多個鏈?zhǔn)組MC單元串聯(lián)組成，每個單 元采用半橋結(jié)構(gòu)。如圖5所示，兩個開關(guān)器件T1、T2串聯(lián)，再與直流電容C并聯(lián)。并且開關(guān) 器件Tl、T2分別反并聯(lián)二極管；Tl與T2的公共端，電容C與T2的公共端作為每個單元的 輸出端，與其他單元相連。Tl與T2必須互補導(dǎo)通，當(dāng)Tl導(dǎo)通T2截止時，單元輸出高電平； 當(dāng)T2導(dǎo)通Tl截止時，單元輸出0電平；當(dāng)Tl、T2都截止時，單元處于閉鎖狀態(tài)，一般在故障 與啟動時使用。其邏輯關(guān)系如下表：

[0027] 正常運行時，首先接入電力系統(tǒng)，電力系統(tǒng)通過充電電阻給每個功率模塊充電。如 果沒有充電電阻，裝置直接接入電力系統(tǒng)，會產(chǎn)生過大的充電電流導(dǎo)致功率模塊損壞。當(dāng)功 率模塊直流電壓達(dá)到一定數(shù)值(該數(shù)值可以設(shè)定）以后，旁路開關(guān)閉合，充電電阻相當(dāng)于短 接，裝置達(dá)到并網(wǎng)運行狀態(tài)。在并網(wǎng)運行狀態(tài)，每個子模塊工作在全電壓或零電壓狀態(tài)。為 敘述方便，定義子模塊處于全電壓狀態(tài)為開通，零電壓狀態(tài)為關(guān)斷。于是，變頻器單個相單 元可以等效為圖6 (a)的結(jié)構(gòu)。為了分析模塊化多電平變頻器技術(shù)的波形生成原理，不妨 以a相為例進(jìn)行說明。（a)中uao表示變頻器a相單元輸出的相電壓，ual、ua2分別代表a 相單元上、下橋臂電壓，Udc是直流電壓。因為MMC結(jié)構(gòu)變頻器將電容器分散安裝在每個子 模塊內(nèi)，為了維持直流電壓恒定，每個相單元的上、下兩橋臂總的導(dǎo)通模塊個數(shù)恒定。圖6 (b)清晰地展現(xiàn)了變頻器相電壓波形的合成原理，從圖中可以形象地看出各相單元上、下橋 臂導(dǎo)通的模塊數(shù)呈現(xiàn)此消彼長的變化趨勢。變頻器中三個相單元具有嚴(yán)格的對稱性，每相 橋臂可通過子模塊的投切控制橋臂輸出電壓，故每相橋臂均可等效為一個可控電壓源，如 圖6 (c)，橋臂電壓ual和ua2的波形關(guān)于Udc/2對稱，這表明任意時刻二者之和恒為Udc。
[0028] 忽略變頻器中橋臂電抗器的壓降，可得：
[0032] 由上述兩式可以得出，模塊化多電平變頻器正常運行時每相單元中處于投入狀態(tài) 的子模塊數(shù)在任意時刻都相等且不變，通過對每相上、下橋臂中處于投入狀態(tài)的子模塊數(shù) 進(jìn)行分配來實現(xiàn)變頻器交流側(cè)輸出多電平波形。
[0033] 由于模塊化多電平變頻器中三個相單元具有嚴(yán)格的對稱性，相單元中的上、下橋 臂也具有嚴(yán)格的對稱性，因此直流電流Idc在三個相單元間均分，a相的輸出端電流在上、 下橋臂均分為兩部分。因此，可以得到a相上、下橋臂電流為：
[0035] 根據(jù)上述原理，當(dāng)a相上橋臂中所有N個子模塊都切除時ual=0,這時a相下橋臂 所有的N個子模塊都要投入，才能得到直流電壓Udc。又因為相單元中處于投入狀態(tài)的子模 塊數(shù)是一個不變的量，所以一般情況下，每個相單元中處于投入狀態(tài)的子模塊數(shù)為N個，是 該相單元中全部子模塊數(shù)2N的一半(不考慮冗余)。這樣，單個橋臂處于投入狀態(tài)的子模塊 數(shù)可以是0，1，2，…，N，也就是說模塊化多電平變頻器最多能輸出的電平數(shù)為N+1。
[0036] 以上所述僅為本實用新型的優(yōu)先實施方式，本實用新型并不限定于上述實施方 式，只要以基本相同手段實現(xiàn)本實用新型目的的技術(shù)方案都屬于本實用新型的保護(hù)范圍之 內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 基于MMC結(jié)構(gòu)的永磁同步電機變流器裝置，其特征在于：包括順次連接整流模塊和 逆變模塊；該整流模塊輸入端用于連接永磁同步發(fā)電機的定子側(cè)，該逆變模塊的輸出端用 于連接交流電網(wǎng)，所述整流模塊和逆變模塊的單元結(jié)構(gòu)相同且整流模塊的直流輸出端與逆 變模塊的直流輸入端連接，整流模塊和逆變模塊均分成三相，每相由多個鏈?zhǔn)組MC單元串 聯(lián)組成。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MMC結(jié)構(gòu)的永磁同步電機變流器裝置，其特征在于：所 述每相由偶數(shù)N個鏈?zhǔn)組MC子單元串聯(lián)而成并分為上下兩組，每組子單元個數(shù)為N/2個； 每相的輸出端為上下兩組子單元的中點處，且輸出端與上下兩組子單元之間以緩沖電感連 接。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于MMC結(jié)構(gòu)的永磁同步電機變流器裝置，其特征在于：所 述鏈?zhǔn)組MC子單元的結(jié)構(gòu)為半橋結(jié)構(gòu)，包括兩個IGBT開關(guān)器件Tl、T2和一個直流電容C， 該開關(guān)器件Tl的發(fā)射極與開關(guān)器件T2的集電極連接，該開關(guān)器件T2的發(fā)射極與開關(guān)器件 Tl的集電極之間串接所述直流電容C。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MMC結(jié)構(gòu)的永磁同步電機變流器裝置，其特征在于：其 還包括串接在逆變模塊輸入端與交流電網(wǎng)之間的電阻充電回路，該電阻充電回路包括并聯(lián) 著的充電電阻和旁路開關(guān)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MMC結(jié)構(gòu)的永磁同步電機變流器裝置，其特征在于：所 述永磁同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子側(cè)用于連接風(fēng)機葉片變槳系統(tǒng)。
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于模塊化多電平變流器（Modular Multilevel Converter，簡稱MMC）結(jié)構(gòu)的背靠背永磁同步風(fēng)電變流器裝置。該裝置整流模塊和逆變模塊均采用MMC結(jié)構(gòu)，由多個子單元串聯(lián)而成。裝置整流模塊輸入側(cè)直接與永磁同步電機相連，將高壓交流電轉(zhuǎn)化成直流電輸入逆變模塊；逆變模塊通過充電電阻與電網(wǎng)相連，將直流電轉(zhuǎn)化成交流電；同時該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為四象限型，可以實現(xiàn)能量回饋。其優(yōu)點在于提升了風(fēng)電變流器的單機容量和使用功能，降低了裝置成本，拓展了使用功能。
【IPC分類】H02M5/458
【公開號】CN204696934
【申請?zhí)枴緾N201520252997
【發(fā)明人】周治國, 周立專, 黎林
【申請人】廣東明陽龍源電力電子有限公司
【公開日】2015年10月7日
【申請日】2015年4月23日