CN109474008A - 基于混合mmc及矩阵变换器的风机并网*** - Google Patents
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Abstract
基于混合MMC及矩阵变换器的风机并网***,包括风力发电机、混合型模块化多电平换流器(MMC)、DC/AC逆变结构、高频变压器、矩阵变换器。本发明的有益效果为:(1)节省开关器件数量,兼顾了故障隔离和经济性的优势;(2)降低了运输成本和安装难度,还减小***损耗,提高***能量利用率;(3)使用单相MMC换流器,相对于三相MMC换流器能够减小2个桥臂的成本;(4)矩阵变换器具有能量双向流动的功能更适合电机的四象限运动,能实现功率因数可调并与输出负载电流无关,输出电压幅值、相位和频率均可独立的调节,更重要的是不需要存在直流环节的有源元件。
Description
技术领域
本发明涉及基于混合MMC及矩阵变换器的风机并网***
背景技术
能源是国民经济发展和人民生活赖以生存的物质基础,在过去的几十年里,建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料基础上的能源体系极大地推动了人类社会的发展。但是在人类使用化石燃料的同时,对地球的环境和生态***也造成了巨大的破坏。近年来,世界各国逐渐认识到清洁能源对人类的重要性,采取多种方式治理日益恶化的环境,并将开发利用可再生能源作为可持续发展的重要内容。
随着风力发电容量的日益扩大,风力发电越来越多的接入电网,风电的并网运行成为了大规模利用风能的最有效方式,。常规交流输电方式为,风电机组将发出的三相交流电能通过AC-DC-AC变频器变换,再通过三相工频变压器升压,最后将电并入电网中。而常规的变流器结构为三相全桥结构,其开关耐压性差,开关频率较大,同时带来的开关损耗大,***利用率低。最主要的是带来的谐波含量太高,易造成大量谐波交流电馈入电网,造成不必要的损失。
电力变压器作为电压变换和电气隔离的基础设备,是电力***中网络连接的核心,在输配电领域均有应用。目前***中采用较多的是铁芯油浸式变压器,伴随着用户需求越来越高,供电可靠性和电能质量标准也随之提高,此时传统铁芯式变压器的缺陷和不足突显,主要有:体积和重量大,绝缘油泄露会带来环境问题;电网侧电压发生跌落、闪变、不平衡或含有谐波时都将耦合到负载侧,而负载侧产生电流谐波和无功功率时,会直接反馈到电网侧对电网造成污染;不能隔离负载侧的故障,从而导致故障扩大到电网侧,所以需要专口的继电保护设备;由于无能量储存能力,无法维持变压器负载侧电压恒定,负载迅速变化或不平衡运行时负载侧电压波动大。
对于MMC侧的直流故障处理有配置交流侧断路器、采用具有直流故障穿越能力的换流器两种方式。由于交流侧断路器是机械开关,动作速度慢,不利于抑制故障电流与交直流***的恢复;而具有故障穿越能力基于全桥子模块的模块化多电平换流器,存在器件过多经济性较差的问题,基于箝位双子模块的模块化多电平换流器虽然降低了器件数量,但结构上存在并联耦合,闭锁IGBT后桥臂电容出现了串并联两种不同充电状态。
发明内容
发明目的:
本发明提供一种基于混合MMC及矩阵变换器的风机并网***,其目的是解决以往所存在的问题。本发明提出了基于混合MMC及矩阵变换器的风机并网***,该***使用混合MMC,矩阵变换器,不使用工频变压器、设计灵活、可控性高。适合于风力发电***且传输效率高,结构简单,同时解决了直流侧故障。
技术方案:
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
交流电力变换器是采用电力电子器件按照一定电路拓扑构成的交-交电力变换装置。20世纪80年代以来,随着IGBT、功率MOSFET、IGCT等高性能电力电子器件的出现,交流电力变换器取得了长足的进步。矩阵变换器是一种输入、输出特性好,不需要直流的储能环节,能量能够双向流动,可实现真正的四象限运行的“绿色”变频器,既可以产生节能的重大经济效益,又避免了因谐波污染带来的电力***环保等问题,同时也非常适合交流励磁发电***的需求,因此研究意义深远。
基于混合MMC及矩阵变换器的风机并网***包括风力发电机、混合型模块化多电平换流器(MMC)、DC/AC逆变结构、高频变压器、矩阵变换器其中,风力发电机连接到AC/DC整流器上,风力发电机将风能转换为三相交流形式的电能,工频输入的交流信号经过整流转化为直流,直流经过逆变结构调制为高频方波,完成一次升频,调制后的信号加至高频隔离变压器的一次侧,耦合到二次侧,传来的高频交流电经过矩阵变换器转变为工频的交流输出,最后将输出的交流电馈入到电网。
混合MMC中,每个桥臂既包含有全桥子模块(FBSM)又包含有半桥子模块(HBSM)这种拓扑结构既有半桥子模块经济性的优势,又同时利用到了全桥子模块隔离双极短路故障的能力。
半桥子模块是一个IGBT并联一个二极管形成一个组,半桥子模块的两个组之间的IGBT串联,两个IGBT串联之后形成一个电路,然后这个电路再与电容C并联,半桥子模块正常情况下有2种工作模式。全桥子模块有4个IGBT,4个二极管,它的结构与半桥子模块连接关系雷同,每个电容C对应并联一个两两串联的IGBT电路,与半桥子模块连接关系雷同,全桥子模块正常情况下有3种工作模式;当直流侧发生故障时,闭锁所有IGBT,则子模块进入故障工作模式;故障工作模式下,在全桥子模块中,故障电流必须经过电容C才能构成通路,而半桥子模块中,单向流通的电流可不必经过电容C;通过电容C,全桥子模块可以隔离短路故障。
DC/AC逆变结构为单相MMC变换器。
高频变压器相对于工频变压器体积小、效率高、高功率密度、成本低、有极好的热耗散特性,不但有低的泄漏电感,而且极好的高频特性,绝缘强度高。
矩阵变换器是一种AC/AC变换器,省略了原本的高频变压器二次侧的整流器和逆变器,简化了结构。
混合型模块化多电平换流器作为***的整流器。
高频变压器的高压侧连接在逆变器器形成的桥式电路的中点。
矩阵变换器拓扑结构是三相-三相矩阵变换器。
正常运行时半桥子模块的工作模式如下:
正常工作时全桥子模块所有的工作模式如下:
优点效果:
本发明的有益效果为:
(1)混合型MMC结合半桥子模块和全桥子模块各自的优势,在换流阀的6个桥臂分别设置一定数量的半桥型和全桥型子模块,构成子模块混合型换流阀。这种换流阀既可以实现隔离直流侧双极短路故障的功能,同时又可以节省开关器件数量,兼顾了故障隔离和经济性的优势;
(2)由于逆变器可将电能变换为高频交流电,因此该变压器可以采用体积小、重量轻的中高频升压变压器。降低了运输成本和安装难度,还减小***损耗,提高***能量利用率;
(3)逆变器由单相MMC换流器等拓扑构成,对于分散小容量风电场可使用单相MMC换流器节约成本,较大容量风电场可使用三相MMC逆变器,对于分散小容量风电场,单相MMC换流器即能满足功率传输需求。使用单相MMC换流器,相对于三相MMC换流器能够减小2个桥臂的成本;
(4)矩阵变换器具有能量双向流动的功能更适合电机的四象限运动,能实现功率因数可调并与输出负载电流无关,输出电压幅值、相位和频率均可独立的调节,更重要的是不需要存在直流环节的有源元件。
附图说明
图1为风机并网***整体方案图
图2为风机并网***的混合MMC的拓扑图
图3为风机并网***单相MMC与高频变压器的连接图
图4为风机并网***中矩阵变换器的电路拓扑图
图5风机并网***中混合MMC、单相MMC、高平变压器和矩阵变换器的连接图
具体实施方式
本发明涉及一种新的基于混合MMC及矩阵变换器的风电变流器拓扑结构MMC是Modular Multilevel Converter--模块化多电平变流器的简称。该拓扑结构采用模块化链式串联结构,如图1所示,整流侧模块阀组直接与发电机定子侧连接。整流侧与逆变侧通过直流母线连接,逆变侧连接高频变压器的一次侧,变压器的二次侧与矩阵变换器相连接,矩阵变换器直接连接电网。该***的优点是环境友好,结构简单,占地小,无变压器油,污染少;原副方电压幅值可保持恒定,不因负载切换而发生大幅波动;高低压侧交流波形谐波畸变率小,基本为正弦,功率因数控制灵活,基本实现单位因数传输;可实现断路器的部分功能,瞬间关断故障电流,继电保护装置较传统变压器相对简化;能够抑制谐波的双向流动,而且开关频率更低,开关损耗更小,***利用率更高。为实现上述目的,本发明通过以下技术方案实现:
基于混合MMC及矩阵变换器的风机并网***,其特征在于:该***包括风力发电机、混合MMC、DC/AC逆变结构(单向MMC)、高频变压器和矩阵变换器,其中风力发电机连接到混合MMC上,混合MMC连接单向MMC,单向MMC通过高频变压器连接至矩阵变换器,矩阵变换器连接电网。
风力发电机连接到AC/DC整流器上,风力发电机将风能转换为三相交流形式的电能,工频输入的交流信号经过整流转化为直流,直流经过逆变结构调制为高频方波,完成一次升频,调制后的信号加至高频隔离变压器的一次侧,耦合到二次侧,传来的高频交流电经过矩阵变换器转变为工频的交流输出,最后将输出的交流电馈入到电网。
混合MMC中,每个桥臂既包含有全桥子模块(FBSM)又包含有半桥子模块(HBSM)。
半桥子模块是一个IGBT并联一个二极管形成一个组,半桥子模块的两个组之间的IGBT串联,两个IGBT串联之后形成一个电路,然后这个电路再与电容C并联,半桥子模块正常情况下有2种工作模式。
全桥子模块有4个IGBT,4个二极管,它的结构与半桥子模块连接关系雷同,每个电容C对应并联一个两两串联的IGBT电路,与半桥子模块连接关系雷同,全桥子模块正常情况下有3种工作模式;当直流侧发生故障时,闭锁所有IGBT,则子模块进入故障工作模式;故障工作模式下,在全桥子模块中,故障电流必须经过电容C才能构成通路,而半桥子模块中,单向流通的电流可不必经过电容C;通过电容C,全桥子模块可以隔离短路故障。
如图2所示:设每个桥臂有N个子模块,其中半桥子模块有N/2个,全桥子模块有N/2个;根据MMC的工作原理,该MMC为N+1电平变流器。参照图2全桥子模块和半桥子模块电路图,表1列出正常运行时半桥子模块所有的工作模式,表2列出正常工作时全桥子模块所有的工作模式:(每个桥臂既包含有全桥子模块(FBSM)又包含有半桥子模块(HBSM))
表1半桥子模块工作模式
表2全桥子模块工作模式
半桥子模块含2个IGBT,2个二极管,正常情况下有2种工作模式;全桥子模块有4个IGBT,4个二极管,正常情况下有3种工作模式。当直流侧发生故障时,闭锁所有IGBT,则子模块进入故障工作模式。故障工作模式下,在全桥子模块中,故障电流必须经过电容C才能构成通路,而半桥子模块中,单向流通的电流可不必经过电容C;通过电容C,全桥子模块可以隔离短路故障。
如图3所示:逆变器由单相MMC换流器等拓扑构成,对于分散小容量风电场可使用单相MMC换流器节约成本。
对于分散小容量风电场,单相MMC换流器即能满足功率传输需求。使用单相MMC换流器,相对于三相MMC换流器能够减小2个桥臂的成本。
由于逆变器可将电能变换为高频交流电,因此该变压器可以采用体积小、重量轻的高频变压器。降低了运输成本和安装难度,还减小***损耗,提高***能量利用率。
三相输入到三相输出的矩阵变换器电路结构和拓扑如图4所示,其中S1-S4为四象限功率开关,用于阻断任意方向的电压和电流。对矩阵变换器进行控制时,首先要检测三相输入电压,然后根据所需要的输出电压大小计算出各个功率开关的导通时间,去控制各个开关管,从而得到输出电压。矩阵变换器是一种采用高频PWM技术将任意频率和电压的多相电源直接转换成另一种电源的AC/AC变换器,具有输入电流波形好、功率因数高、双向功率流、无中间储能环节、输出电压频率可高于或低于输入电压频率、控制复杂等特点。
如图5所示:***的整流和逆变模块均采用链式模块串联多电平结构,由多个子单元串联而成,整流侧将低压交流电转化成直流,逆变侧与高频变压器连接,将直流电转化为高频的交流电,将高频变压器与矩阵变换器连接至电网,该拓扑可实现单位因数传输;可实现断路器的部分功能,瞬间关断故障电流,开关频率更低,开关损耗更小,***利用率更高。其中高频变压器替换了传统变压器,使变压器的体积减小了很多,矩阵变换器的使用代替了整流、逆变两个环节,为***简化了步骤,同时也为***提高了效率。
Claims (6)
1.基于混合MMC及矩阵变换器的风机并网***,其特征在于:该***包括风力发电机、混合MMC、DC/AC逆变结构(单向MMC)、高频变压器和矩阵变换器,其中风力发电机连接到混合MMC上,混合MMC连接单向MMC,DC/AC逆变结构(单向MMC)通过高频变压器连接至矩阵变换器,矩阵变换器连接电网。
2.根据权利要求1所述的基于混合MMC及矩阵变换器的风机并网***,其特征在于:风力发电机连接到AC/DC整流器上,风力发电机将风能转换为三相交流形式的电能,工频输入的交流信号经过整流转化为直流,直流经过逆变结构调制为高频方波,完成一次升频,调制后的信号加至高频隔离变压器的一次侧,耦合到二次侧,传来的高频交流电经过矩阵变换器转变为工频的交流输出,最后将输出的交流电馈入到电网。
3.根据权利要求1或2所述的基于混合MMC及矩阵变换器的风机并网***,其特征在于:混合MMC中,每个桥臂既包含有全桥子模块(FBSM)又包含有半桥子模块(HBSM)。
半桥子模块是一个IGBT并联一个二极管形成一个组,半桥子模块的两个组之间的IGBT串联,两个IGBT串联之后形成一个电路,然后这个电路再与电容C并联,半桥子模块正常情况下有2种工作模式。
全桥子模块有4个IGBT,4个二极管,它的结构与半桥子模块连接关系雷同,每个电容C对应并联一个两两串联的IGBT电路,与半桥子模块连接关系雷同,全桥子模块正常情况下有3种工作模式;当直流侧发生故障时,闭锁所有IGBT,则子模块进入故障工作模式;故障工作模式下,在全桥子模块中,故障电流必须经过电容C才能构成通路,而半桥子模块中,单向流通的电流可不必经过电容C;通过电容C,全桥子模块可以隔离短路故障。
4.根据权利要求3所述的基于混合MMC及矩阵变换器的风机并网***,其特征在于:正常运行时半桥子模块的工作模式如下:
正常工作时全桥子模块所有的工作模式如下:
。
5.根据权利要求1所述的基于混合MMC及矩阵变换器的风机并网***,其特征在于:DC/AC逆变结构为单相MMC变换器。
6.根据权利要求1所述的基于混合MMC及矩阵变换器的风机并网***,其特征在于:矩阵变换器是一种AC/AC变换器。
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