一種基于單級變流的大容量直流風電變流器

本發明涉及風力發電，尤其是指一種基于單級變流的大容量直流風電變流器。

背景技術：

1、海上風電是實現能源轉型最關鍵的清潔能源之一。我國正加快建設多個大型沙戈荒新能源基地以及海上風電基地。由于大規模沙戈荒新能源基地及海上風電基地區域廣闊并缺乏常規電源支撐，當風電采用常規的交流變流方式進行組網送出時，面臨無功補償困難，電壓支撐強度不足，穩定性水平脆弱等問題，嚴重制約其進一步發展。相較之下，全直流組網送出系統具備更優的穩定性，不存在無功補償等問題，在匯集區域大、傳輸距離遠的新能源匯集送出應用場景下具有顯著技術經濟優勢。當大規模新能源基地采用全直流組網送出形式時，大容量直流風電變流器是其中關鍵部件。

2、現有直流風力發電變流器方案大多采用了前級ac-dc和后級dc-dc的兩級全控變換方式，從而均采用了大量有源全控器件，導致很高成本和較大體積，在低成本化和高功率密度化方面面臨極大挑戰。

技術實現思路

1、為此，本發明所要解決的技術問題在于克服現有技術中變流器成本高和體積大的問題。

2、為解決上述技術問題，本發明提供了一種大容量直流風電變流器，包括：

3、機側二極管整流器，其交流輸入端與發電機的三相輸出連接，用于將交流電壓轉換為直流電壓；

4、中間直流升壓換流器，其直流輸入端與所述機側二極管整流器的直流輸出端連接，用于根據控制器輸出的觸發脈沖對接收到的直流電壓進行升壓；

5、網側單變比直流升壓換流器包括低壓側混合閥，中間交流變壓器和中壓側混合閥，其輸入端與所述中間直流升壓換流器的直流輸出端連接，用于對接受到的直流電壓進行升壓。

6、優選地，所述機側二極管整流器可以采用多相化配置。

7、優選地，所述中間直流升壓換流器采用拓撲電路,所述拓撲電路包括boost拓撲電路和buck-boost拓撲電路。

8、優選地，所述控制器的控制流程包括：

9、根據發電機的轉速參考值和轉速測量值獲取直流輸出電流的參考值；

10、根據所述直流輸出電流的參考值和直流輸出電流的實際測量值獲取直流輸出電壓的參考值；

11、根據所述直流輸出電壓的參考值和直流輸出電壓的實際測量值獲取調制占空比；

12、根據所述占空比進行直流斬波調制，得到所述中間直流升壓換流器的觸發脈沖。

13、優選地，所述低壓側混合閥的每個橋臂均為一串級聯的具有反并聯二極管的晶閘管。

14、優選地，所述低壓側混合閥每個橋臂上的晶閘管采用適配風機額定容量的器件，所述低壓側混合閥每個橋臂上的二極管采用適配風機黑啟動容量的器件。

15、優選地，所述中壓側混合閥的每個橋臂均為一串級聯的具有反并聯晶閘管的二極管，并且每個橋臂上還串聯有多個雙向電壓輸出的非對稱型全橋子模塊，所述非對稱型全橋子模塊中對應中壓側混合閥橋臂上二極管流通電流方向的器件采用適配風機額定容量的器件，所述非對稱型全橋子模塊中對應中壓側混合閥橋臂上晶閘管流通電流方向的器件采用適配風機黑啟動容量的器件。

16、優選地，所述中壓側混合閥每個橋臂上的二極管采用適配風機額定容量的器件，所述中壓側混合閥每個橋臂上的晶閘管采用適配風機黑啟動容量的器件。

17、優選地，所述低壓側混合閥和所述中壓側混合閥中的各晶閘管按照序號每隔60度同時電觸發一次導通。

18、優選地，當所述中壓側混合閥某一橋臂的晶閘管處于換流開通階段時，則當直流電流方向為正時，與其串聯的非對稱型全橋子模塊輸出自身的額定正壓以輔助所處橋臂的二極管和低壓側對應序號橋臂的晶閘管的開通，反之輸出額定負壓以輔助所處橋臂的晶閘管和低壓側對應序號橋臂的二極管的開通；

19、當所述中壓側混合閥某一橋臂的晶閘管處于換流關斷階段時，則當直流電流方向為正時，與其串聯的非對稱型全橋子模塊輸出自身的額定負壓以輔助所處橋臂二極管和低壓側對應序號橋臂的晶閘管的關斷，反之輸出額定正壓以輔助所處橋臂的晶閘管和低壓側對應序號橋臂的二極管的關斷；

20、當所述中壓側混合閥某一橋臂的晶閘管處于穩定導通階段時，與其串聯的非對稱型全橋子模塊調節輸出電壓以平衡自身電容電壓；

21、當所述中壓側混合閥某一橋臂的晶閘管處于穩定關斷階段時，與其串聯的非對稱型全橋子模塊閉鎖脈沖。

22、本發明的上述技術方案相比現有技術具有以下優點：

23、本發明所述的大容量直流風電變流器，在整個變流過程中，僅中間直流升壓換流器一級采用全控變換方式，具備對輸出直流電壓的主動調控能力，從而實現對直流電流和直流功率的控制，最終實現最大風能跟蹤。而機側二極管整流器和網側單變比直流升壓換流器僅完成基本的整流功能，以及單純的直流電壓升壓功能，并無調節直流電流和直流功率的能力。因此所提出的基于單級變流的大容量直流風電變流器可以大幅減少全控電力電子器件數目、子模塊數目，降低電容儲能需求，極大降低了系統成本和體積，具備高效率、低成本、緊湊化等優勢。

技術特征：

1.一種大容量直流風電變流器，其特征在于，包括：

2.根據權利要求1所述的大容量直流風電變流器，其特征在于，所述機側二極管整流器可以采用多相化配置。

3.根據權利要求1所述的大容量直流風電變流器，其特征在于，所述中間直流升壓換流器采用拓撲電路,所述拓撲電路包括boost拓撲電路和buck-boost拓撲電路。

4.根據權利要求1所述的大容量直流風電變流器，其特征在于，所述控制器的控制流程包括：

5.根據權利要求1所述的大容量直流風電變流器，其特征在于，所述低壓側混合閥的每個橋臂均為一串級聯的具有反并聯二極管的晶閘管。

6.根據權利要求5所述的大容量直流風電變流器，其特征在于，所述低壓側混合閥每個橋臂上的晶閘管采用適配風機額定容量的器件，所述低壓側混合閥每個橋臂上的二極管采用適配風機黑啟動容量的器件。

7.根據權利要求5所述的大容量直流風電變流器，其特征在于，所述中壓側混合閥的每個橋臂均為一串級聯的具有反并聯晶閘管的二極管，并且每個橋臂上還串聯有多個雙向電壓輸出的非對稱型全橋子模塊，所述非對稱型全橋子模塊中對應中壓側混合閥橋臂上二極管的流通電流方向的器件采用適配風機額定容量的器件，所述非對稱型全橋子模塊中對應中壓側混合閥橋臂上晶閘管的流通電流方向的器件采用適配風機黑啟動容量的器件。

8.根據權利要求7所述的大容量直流風電變流器，其特征在于，所述中壓側混合閥每個橋臂上的二極管采用適配風機額定容量的器件，所述中壓側混合閥每個橋臂上的晶閘管采用適配風機黑啟動容量的器件。

9.據權利要求7或8所述的大容量直流風電變流器，其特征在于，所述低壓側混合閥和所述中壓側混合閥中的各晶閘管按照序號每隔60度電同時觸發一次。

10.據權利要求9所述的大容量直流風電變流器，其特征在于，當所述中壓側混合閥某一橋臂處于換流開通階段時，則當直流電流方向為正時，與其串聯的非對稱型全橋子模塊輸出自身的額定正壓以輔助所處橋臂的二極管和低壓側對應序號橋臂的晶閘管的開通，反之輸出額定負壓以輔助所處橋臂的晶閘管和低壓側對應序號橋臂的二極管的開通；

技術總結
本發明涉及風力發電技術領域，尤其是指一種基于單級變流的大容量直流風電變流器。本發明所述的大容量直流風電變流器，在整個變流過程中，僅中間直流升壓換流器一級采用全控變換方式，具備對輸出直流電壓的主動調控能力，從而實現對直流電流和直流功率的控制，最終實現最大風能跟蹤。而機側二極管整流器和網側單變比直流升壓換流器僅完成基本的整流功能，以及單純的直流電壓升壓功能，并無調節直流電流和直流功率的能力。因此所提出的基于單級變流的大容量直流風電變流器可以大幅減少全控電力電子器件數目、子模塊數目，降低電容儲能需求，極大降低了系統成本和體積，具備高效率、低成本、緊湊化等優勢。

技術研發人員：宋強,余宙,余占清,趙彪,曾嶸,李政軒,劉文華
受保護的技術使用者：清華大學
技術研發日：
技術公布日：2024/10/21