CN110120681A - 一种用于海上风电的大功率变流器电路拓扑 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于海上风电的大功率变流器电路拓扑，包括发电机、箱变以及若干组变流器单元；所述变流器单元包括机侧变流模块和网侧变流模块，机侧变流模块和网侧变流模块均采用中点钳位型三电平拓扑结构，所述若干组变流器单元相并联，每组变流器单元输入端与发电机定子的一个绕组连接，输出端与箱变连接，所述发电机输出功率与投入变流器单元的组数相匹配,通过功率协同方式实现启停逻辑和调节功率分配。本发明变流器电路拓扑通过功率协同方式实现启停逻辑和功率分配，根据发电机输出的功率大小来决定投入的变流器单元的组数，每个变流器单元可以独立工作，尤其在故障情况下，变流器单元可以减载工作，提高利用率，降低发电量损失。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，特别是涉及一种用于海上风电的大功率变流器电路拓扑。
背景技术
当前，海上风电已成为全球风电发展的研究热点，世界各国都把海上风电作为可再生能源发展的重要方向，我国也将其划入战略性新兴产业的重要组成部分。与陆上风场建设不同，由于海上风场施工难度大，基础建设成本高，风机设备只占风场建设总成本的40%左右，而海上施工、吊装、维护、海底电缆等其他成本占60%左右，因此更大功率且高可靠性的海上风电机组，由于相对建设成本低、经济型更好，风电机组大型化趋势也日渐明显。由于海上风电建设和维护成本过高，海上风电变流器正向着大功率、低成本、高效率、高性能、高可靠、高利用率方向发展。海上风电变流器面临的问题包括：1）、海上变流器单机容量的增加，会带来对塔筒承重有较高要求，扭缆问题严重； 2）、海上风电建设成本贵，成本压力较大，变流器降低成本非常重要；3）、海上风电变流器年利用小时数高，变流器处于高负载功率运行，对利用率有了更高的要求；4）、海上风电变流器维护困难，要求器件可靠性高。
目前海上风电变流器以传统型的690V电压等级的为主，也有部分采用改进型的3300V的中压变流器，两种方案各有优劣。传统型的690V电压等级的海上风电变流器，采用两电平拓扑结构，控制简单且技术成熟；采用多台低压变流器并联方式，并联方式简单，无独立工作功能和缺少功率协同控制；采用低压IGBT模块和电气元器件，器件成本低且供应链成熟；IGBT器件开关频率较高（1700V电压等级的IGBT模块，开关频率2kHz以上），低压穿越和电流谐波等性能指标较好，在陆上风电有运行经验且技术成熟度高；但是由于海上变流器容量的增加，电流会显著提高，变流器与发电机之间的动力电缆数量多且电缆重，存在扭缆问题，还会线缆损耗大降低整机效率。改进型的3300V电压等级的海上风电变流器，变流器采用三电平拓扑结构，控制复杂；采用单台变流器，不能独立运行，故障后停机，利用率有一定降低；采用中压IGCT模块和中压电气元器件，器件成本高且供应链不成熟；IGCT器件开关频率低（4500V的IGCT模块，开关频率500Hz左右），低压穿越和电流谐波等性能很难控制且技术难度高，器件绝缘要求高、维护不方便等；采用3300V电压等级，相比690V电压等级，电流下降到低压的四分之一，变流器与发电机之间的动力电缆数量少，无扭缆问题，整机效率高。
发明内容
本发明的目的在于解决海上变流器成本、技术实现、效率以及可靠性之间不能兼顾的问题，提供了一种用于海上风电的大功率变流器电路拓扑。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种用于海上风电的大功率变流器电路拓扑，包括发电机、箱变以及若干组变流器单元；所述变流器单元包括机侧变流模块和网侧变流模块，机侧变流模块和网侧变流模块均采用中点钳位型三电平拓扑结构，所述若干组变流器单元相并联，每组变流器单元输入端与发电机定子的一个绕组连接，输出端与箱变连接，所述发电机输出功率与投入变流器单元的组数相匹配, 通过功率协同方式实现启停逻辑和调节功率分配。
作为优选，所述变流器单元的工作电压为950~1150V。
作为优选，所述机侧变流模块和网侧变流模块均采用低压绝缘栅双极型晶体管的中点钳位型三电平拓扑结构，低压绝缘栅双极型晶体管电压等级为1700V。
作为优选，所述机侧变流模块输入端依次与机侧电抗器、定子隔离开关、发电机定子绕组连接；所述网侧变流模块输出端依次与网侧电抗器、网侧断路器、箱变连接；所述机侧变流模块输出端与网侧变流模块输入端连接，机侧变流模块输出端与网侧变流模块输入端之间设有CHOPPER单元。
作为优选，所述机侧电抗器和定子隔离开关之间设有第一滤波单元。
作为优选，所述网侧电抗器和网侧断路器之间设有第二滤波单元。
作为优选，所述变流器单元均采用低压器件。
与现有技术相比，本发明的实质性效果如下：（1）变流器单元选用成本低且供应链成熟的器件，降低了变流器单元的整体成本，维护更换也更加方便；（2）变流器电路拓扑通过功率协同方式实现启停逻辑和功率分配，根据发电机输出的功率大小来决定投入的变流器单元的组数，通过这种功率协同的方式大大扩宽了可输出功率的范围，满足不同用电需求；每个变流器单元还可以独立工作，尤其在故障情况下，变流器单元可以减载工作，提高利用率，降低发电量损失；（3）变流器单元的工作电压有所提高，有利于降低变流器单元的输出电流，相比于690V电压等级的变流器，在相同功率下输出电流减少到原有的60%，电流降低，塔筒线缆和变流器的损耗降低，整机效率提高，扭缆风险减小。
附图说明
图1是本发明实施例的大功率变流器拓扑示意图。
附图标记说明如下：
10、定子隔离开关，11、机侧电抗器，12、机侧du/dt滤波电阻，13、机侧du/dt滤波电容，14、机侧变流器，15、CHOPPER单元，16、网侧变流器，17、网侧滤波电容，18、网侧电抗器，19、网侧断路器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
实施例：
一种用于海上风电的大功率变流器电路拓扑，包括发电机G1、箱变T1以及4组结构相同的变流器单元，变流器单元1——变流器单元4，如图1所示，4组变流器单元相并联。发电机G1的定子包含有4个绕组，并且每个绕组分别与一个变流器单元连接，4个变流器单元相互并联，与箱变T1连接，发电机G1通过4个并联的变流器单元把电能馈入电网。这种连接方式的优点在于每个变流器单元可以独立工作，尤其在故障情况下，变流器单元可以减载工作，提高利用率，降低发电量损失。
变流器单元1包括机侧变流模块和网侧变流模块，机侧变流模块输入端依次与机侧电抗器（11）、定子隔离开关（10）、发电机定子绕组连接；网侧变流模块输出端依次与网侧电抗器（18）、网侧断路器（19）、箱变连接，变流器单元1通过隔离开关（10）和网侧断路器（19）来实现正常工作切入和停机切出等功能。机侧变流模块输出端与网侧变流模块输入端连接，机侧变流模块输出端与网侧变流模块输入端之间设有CHOPPER单元，在低压穿越和高压穿越等故障条件下，CHOPPER单元（15）用于防止直流母线过电压问题。
机侧电抗器（11）和定子隔离开关（10）之间设有第一滤波单元，第一滤波单元由机侧du/dt滤波电阻（12）和机侧du/dt滤波电容（13）组成，用于实现限制变流器出口端du/dt的限制功能，降低发电机侧尖峰电压，延长发动机寿命。网侧电抗器（18）和网侧断路器（19）之间设有第二滤波单元，第二滤波单元为网侧滤波电容（17），网侧滤波电容（17）和网侧电抗器（18）串联，网侧滤波电容（17）和网侧电抗器（18）对网侧变流模块输出的电压和电流进行滤波，降低电网侧电流谐波。
机侧变流模块和网侧变流模块均采用低压绝缘栅双极型晶体管的中点钳位型三电平拓扑结构，采用低压器件的三电平拓扑结构，明显提高了变流器单元的工作电压，相比于传统的两电平拓扑，三电平拓扑具有输出电压和输出电流谐波小，工作电压提高有利于降低损耗和提高整机效率，扭缆风险减小；变流器低压穿越和转矩响应更快等优势。变流器单元均选用低压器件，机侧变流模块和网侧变流模块选用低压绝缘栅双极型晶体管，成本低且供应链成熟，器件体积小、更换维护方便。例如对于5.0MW发电机G1，变流器单元额定工作电压1150V，输出功率为1.25MW，机侧变流模块和网侧变流模块采用1700V电压等级的IGBT模块，而其他电气器件均有相应的型号，整体而言变流器所选用的器件成本低且供应链成熟，工作电压的提高也有利于降低变流器单元的输出电流，相比于690V电压等级的变流器，在相同功率下输出电流减少到原有的60%，电流降低，塔筒线缆和变流器的损耗降低，整机效率提高，扭缆风险减小。
发电机输出功率与投入变流器单元的组数相匹配，通过功率协同方式实现启停逻辑和调节功率分配,根据发电机输出的功率大小来决定投入的变流器单元的组数，当发电机输出功率为额定功率的25%时，选择投入一组变流器单元；当发电机输出功率为额定功率的50%时，选择投入两组变流器单元；当发电机输出功率为额定功率的75%时，选择投入三组变流器单元；当发电机输出功率为额定功率的100%时，选择投入四组变流器单元。通过这种功率协同的方式大大扩宽了可输出功率的范围，满足不同用电需求。
变流器单元在负载较小时效率低，额定负载时效率最高，而过载时效率降低，例如变流器单元效率曲线如下表1：
表1：单个变流器单元效率曲线示意表
| 负载（%） | 效率 |
| 110% | ≥96.5% |
| 100% | ≥97% |
| 75％ | ≥96.7% |
| 50％ | ≥95% |
| 25％ | ≥93% |
四组独立的变流器单元组成的变流器电路拓扑结构，每组变流器单元具有相同的效率曲线，变流器单元根据当前负载的大小，通过功率协同方式实现启停逻辑和调节功率分配，改进后的变流器效率曲线如下表2：
表2：并联的变流器单元效率曲线示意表
| 负载（%） | 启停逻辑 | 效率 |
| 110% | 四台工作 | ≥96.5% |
| 100% | 四台工作 | ≥97% |
| 75％ | 三台工作 | ≥97% |
| 50％ | 两台工作 | ≥97% |
| 25％ | 一台工作 | ≥97% |
通过功率协同方式实现启停逻辑和调节功率分配的特点在于，在变流器单元效率不变的条件下，并联的变流器单元整体效率得到提高。由于海上风电机组年发电量在4000小时左右，在低功率段运行时间较长，提升整体变流器的低功率段的效率曲线，可以有效提高海上风电机组的发电量。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (7)
1.一种用于海上风电的大功率变流器电路拓扑，包括发电机和箱变，其特征在于，还包括若干组变流器单元，所述变流器单元包括机侧变流模块和网侧变流模块，机侧变流模块和网侧变流模块均采用中点钳位型三电平拓扑结构，所述若干组变流器单元相并联，每组变流器单元输入端与发电机定子的一个绕组连接，输出端与箱变连接，所述发电机输出功率与投入变流器单元的组数相匹配, 通过功率协同方式实现启停逻辑和调节功率分配。
2.如权利要求1所述的一种用于海上风电的大功率变流器电路拓扑，其特征在于，所述变流器单元的工作电压为950~1150V。
3.如权利要求1所述的一种用于海上风电的大功率变流器电路拓扑，其特征在于，所述机侧变流模块和网侧变流模块均采用低压绝缘栅双极型晶体管的中点钳位型三电平拓扑结构，低压绝缘栅双极型晶体管电压等级为1700V。
4.如权利要求3所述的一种用于海上风电的大功率变流器电路拓扑，其特征在于，所述机侧变流模块输入端依次与机侧电抗器（11）、定子隔离开关（10）、发电机定子绕组连接；所述网侧变流模块输出端依次与网侧电抗器（18）、网侧断路器（19）、箱变连接；所述机侧变流模块输出端与网侧变流模块输入端连接，机侧变流模块输出端与网侧变流模块输入端之间设有CHOPPER单元。
5.如权利要求4所述的一种用于海上风电的大功率变流器电路拓扑，其特征在于，所述机侧电抗器（11）和定子隔离开关（10）之间设有第一滤波单元。
6.如权利要求5所述的一种用于海上风电的大功率变流器电路拓扑，其特征在于，所述网侧电抗器（18）和网侧断路器（19）之间设有第二滤波单元。
7.如权利要求1所述的一种用于海上风电的大功率变流器电路拓扑，其特征在于，所述变流器单元均采用低压器件。
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