一种海上风电可控整流器拓扑、控制方法和整流器

1.本发明涉及多电平电力电子换流器领域，具体涉及一种海上风电可控整流器拓扑、控制方法和整流器。


背景技术：

2.海上风电风电具有风能相对稳定、风能储量大、清洁无污染的优点。随着海上风电向着高电压、大容量、深远海发展，如何实现海上风电平台轻型化成为一个热点问题。目前大容量海上风电平台换流器主要采用模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter,mmc)，但由于mmc中含有大量子模块，每个子模块中均包含重量较大的电容，大大提高了海上风电平台的重量和体积。
3.二极管整流器(dioderectifier,dr)采用器件少、运行方式简单，重量和体积远低于同等容量下的mmc，非常适合用于海上风电平台。然而，二极管整流器无法主动调节功率，必须通过改变风电场海上交流汇集电网电压才能实现变功率输出。海上交流汇集电网电压的频繁波动会影响海上风电其他设备的正常工作。因此，提出一种海上风电可控整流器拓扑、控制方法和整流器。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提出了一种海上风电可控整流器拓扑、控制方法和整流器,在不改变海上交流汇集电网电压的情况下，通过控制级联子模块的电压，改变二极管整流桥交流侧输入电压，进而实现直流电压控制，最终实现功率控制。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
6.本技术第一方面公开一种海上风电可控整流器拓扑，包括级联子模块和二极管整流桥；
7.其中级联子模块为abc三相结构，每相均包含n个串联全桥子模块，n的取值由风电场集电母线电压等级计算确定；级联子模块的三相功率流入端连接至电网，级联子模块的三相功率流出端连接至二极管整流桥交流侧，其中a相功率流出端连接至二极管整流桥a相上桥臂和a相下桥臂二极管支路中点，b相功率流出端连接至二极管整流桥b相上桥臂和b相下桥臂二极管支路中点，c相功率流出端连接至二极管整流桥c相上桥臂和c相下桥臂二极管支路中点；
8.二极管整流桥为三相不控桥式整流电路，每相均包含相同的上桥臂和下桥臂，二极管整流桥的每相的上桥臂和下桥臂均由m个二极管串联组成，m的取值由直流电压计算确定；二极管整流桥的交流侧连接至级联子模块的三相功率流出端，二极管整流桥的直流侧连接至直流输电线路。
9.在一些实施例中，全桥子模块包括第一至第四igbt和第一电解电容；
10.其中，第一igbt的发射极连接第二igbt的集电极，并以连接点作为该全桥子模块的正端；第一igbt的集电极分别连接第三igbt的集电极和第一电解电容的正极，第三igbt
的发射极连接第四igbt的集电极，并以连接点作为该全桥子模块的负端；第四igbt的发射极、第一电解电容的负极、第二igbt的发射极相连接。
11.在一些实施例中，第一至第四igbt均连接有反接二极管。
12.在一些实施例中，由风电场集电母线电压等级计算确定n的取值的方法是：首先，根据风电场集电母线电压计算级联子模块承受的最大相电压峰值u
sml_max
；然后，根据fb-sm的额定电容电压计算出所需要的fb-sm的个数n。计算公式为：
[0013][0014]
在一些实施例中，由直流电压计算确定m的取值的方法是：首先，根据直流电压最大值计算二极管整流桥任一桥臂承受的最大反压u
dr_f_max
；然后，根据u
dr_f_max
和二极管的反向额定电压计算出所需要的二极管的个数m。具体计算公式为：
[0015][0016]
本技术第二方面公开一种应用如第一方面所述的海上风电可控整流器拓扑的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0017]
当级联子模块输出正电压时，全桥子模块中的第一igbt、第二igbt互补运行，第三igbt保持导通，第四igbt保持关断；当级联子模块输出负电压时，全桥子模块中的第一igbt、第二igbt互补运行，第三igbt保持关断，第四igbt保持导通。
[0018]
在一些实施例中，控制直流电压的方法是：
[0019]
直流电压可以表达为：
[0020]udc
＝2.34u
dr
①
[0021]
公式
①
中，u
dc
为直流电压平均值，u
dr
为二极管整流桥交流电压有效值；
[0022]
二极管整流桥交流电压有效值可以表达为：
[0023][0024]
其中，为二极管整流桥交流电压矢量，为海上交流汇集电网电压矢量，为级联子模块电压矢量；
[0025]
向全桥子模块发出指令改变控制进而控制直流电压u
dc
。
[0026]
本技术第三方面公开一种海上风电可控整流器，包括如第一方面所述的海上风电可控整流器拓扑。
[0027]
本发明的有益效果：
[0028]
本发明提出的基于级联子模块和二极管的海上风电可控整流器拓扑及其控制方法，可以在保持海上交流汇集电网电压不变的情况下，通过控制级联子模块的电压，改变二极管整流桥交流侧输入电压，进而实现直流电压控制，最终实现功率控制。
[0029]
本发明提出的基于级联子模块和二极管的海上风电可控整流器拓扑及其控制方法，其重量和体积低于现有的海上风电平台，能大幅降低海上风电平台的建设成本。
[0030]
本发明提出的基于级联子模块和二极管的海上风电可控整流器拓扑及其控制方法，可以减小二极管整流器换流重叠角，减少无功需求。
附图说明
[0031]
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
[0032]
图1为本技术实施例的海上风电可控整流器结构示意图；
[0033]
图2为本技术实施例的全桥子模块拓扑结构示意图；
[0034]
图3为本技术实施例的电压矢量控制示意图。
具体实施方式
[0035]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0036]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0037]
本发明针对子模块故障下模块化多电平换流器损耗优化问题，提出了一种子模块故障下模块化多电平换流器损耗优化控制方法；其中基于级联子模块和二极管的海上风电可控整流器拓扑如图1所示，级联子模块所采用的全桥子模块结构如图2所示，电压矢量控制示意图如图3所示。
[0038]
如图1所示，一种基于级联子模块和二极管的海上风电可控整流器拓扑，所述的可控整流器拓扑由级联子模块和二极管整流桥组成；级联子模块为abc三相结构，每相均包含n个串联全桥子模块，n的取值由风电场集电母线电压等级计算确定；级联子模块的三相功率流入端连接至海上交流汇集电网，三相功率流出端连接至二极管整流桥交流侧，其中a相功率流出端连接至二极管整流桥a相上桥臂和a相下桥臂二极管支路中点，b相功率流出端连接至二极管整流桥b相上桥臂和b相下桥臂二极管支路中点，c相功率流出端连接至二极管整流桥c相上桥臂和c相下桥臂二极管支路中点；
[0039]
二极管整流桥为三相不控桥式整流电路，每相均包含相同的上桥臂和下桥臂，上、下桥臂均由m个二极管串联组成，m的取值由直流电压计算确定；二极管整流桥交流侧连接至级联子模块三相功率流出端，直流侧连接至直流输电线路。
[0040]
如图2所示，上述全桥子模块包括第一至第四igbt和第一电解电容，其中，第一igbt的发射极连接第二igbt的集电极，并以连接点作为该全桥子模块的正端；第一igbt的集电极分别连接第三igbt的集电极和第一电解电容的正极，第三igbt的发射极连接第四igbt的集电极，并以连接点作为该全桥子模块的负端；第四igbt的发射极、第一电解电容的负极、第二igbt的发射极相连接。上述第一至第四igbt均连接有反接二极管。
[0041]
由风电场集电母线电压等级计算确定n的取值的方法是：首先，根据风电场集电母线电压计算级联子模块承受的最大相电压峰值u
sml_max
；然后，根据fb-sm的额定电容电压计算出所需要的fb-sm的个数n。计算公式为：
[0042][0043]
二极管整流桥每相均包含相同的上桥臂和下桥臂，上、下桥臂均由m个二极管串联组成，由直流电压计算确定m的取值的方法是：首先，根据直流电压最大值计算二极管整流桥任一桥臂承受的最大反压u
dr_f_max
；然后，根据u
dr_f_max
和二极管的反向额定电压计算出所需要的二极管的个数m。具体计算公式为：
[0044][0045]
在正常运行时进行如下控制：
[0046]
当级联子模块输出正电压时，全桥子模块中的第一igbt、第二igbt互补运行，第三igbt保持导通，第四igbt保持关断；当级联子模块输出负电压时，全桥子模块中的第一igbt、第二igbt互补运行，第三igbt保持关断，第四igbt保持导通；
[0047]
控制直流电压的方法是：
[0048]
直流电压可以表达为：
[0049]udc
＝2.34u
dr
①
[0050]
公式
①
中，u
dc
为直流电压平均值，u
dr
为二极管整流桥交流电压有效值。
[0051]
如图3所示，二极管整流桥交流电压有效值可以表达为：
[0052][0053]
其中，为二极管整流桥交流电压矢量，为海上交流汇集电网电压矢量，为级联子模块电压矢量。向全桥子模块发出指令改变控制进而控制直流电压u
dc
。
[0054]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。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。

技术特征：
1.一种海上风电可控整流器拓扑，其特征在于，包括级联子模块和二极管整流桥；其中级联子模块为abc三相结构，每相均包含n个串联全桥子模块；级联子模块的三相功率流入端连接至电网，级联子模块的三相功率流出端连接至二极管整流桥交流侧，其中a相功率流出端连接至二极管整流桥a相上桥臂和a相下桥臂二极管支路中点，b相功率流出端连接至二极管整流桥b相上桥臂和b相下桥臂二极管支路中点，c相功率流出端连接至二极管整流桥c相上桥臂和c相下桥臂二极管支路中点；二极管整流桥为三相不控桥式整流电路，每相均包含相同的上桥臂和下桥臂，二极管整流桥的每相的上桥臂和下桥臂均由m个二极管串联组成；二极管整流桥的交流侧连接至级联子模块的三相功率流出端，二极管整流桥的直流侧连接至直流输电线路。2.根据权利要求1所述的海上风电可控整流器拓扑，其特征在于，全桥子模块包括第一至第四igbt和第一电解电容；其中，第一igbt的发射极连接第二igbt的集电极，并以连接点作为该全桥子模块的正端；第一igbt的集电极分别连接第三igbt的集电极和第一电解电容的正极，第三igbt的发射极连接第四igbt的集电极，并以连接点作为该全桥子模块的负端；第四igbt的发射极、第一电解电容的负极、第二igbt的发射极相连接。3.根据权利要求2所述的海上风电可控整流器拓扑，其特征在于，第一至第四igbt均连接有反接二极管。4.根据权利要求1所述的海上风电可控整流器拓扑，其特征在于，n的取值满足：其中，u
sml_max
为根据风电场集电母线电压计算的级联子模块承受的最大相电压峰值；u
n_sm
为根据fb-sm的额定电容电压计算出所需要的fb-sm的个数n。5.根据权利要求1所述的海上风电可控整流器拓扑，其特征在于，m的取值满足：其中，u
dr_f_max
为二极管整流桥任一桥臂承受的最大反压；u
n_dr
为二极管的反向额定电压。6.一种应用如权利要求1至5任意一项所述的海上风电可控整流器拓扑的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：当级联子模块输出正电压时，全桥子模块中的第一igbt、第二igbt互补运行，第三igbt保持导通，第四igbt保持关断；当级联子模块输出负电压时，全桥子模块中的第一igbt、第二igbt互补运行，第三igbt保持关断，第四igbt保持导通。7.根据权利要求6所述的海上风电可控整流器拓扑的控制方法，其特征在于，控制直流电压的方法是：直流电压可以表达为：u
dc
＝2.34u
dr
①
公式
①
中，u
dc
为直流电压平均值，u
dr
为二极管整流桥交流电压有效值；二极管整流桥交流电压有效值可以表达为：
其中，为二极管整流桥交流电压矢量，为海上交流汇集电网电压矢量，为级联子模块电压矢量；向全桥子模块发出指令改变控制进而控制直流电压u
dc
。8.一种海上风电可控整流器，其特征在于，包括如权利要求1至7任意一项所述的海上风电可控整流器拓扑。

技术总结
本发明公开了一种海上风电可控整流器拓扑、控制方法和整流器，属于多电平电力电子换流器领域，所述的可控整流器拓扑由级联子模块和二极管整流桥组成；级联子模块为ABC三相结构，每相均包含N个串联全桥子模块，级联子模块的三相功率流入端连接至海上交流汇集电网，三相功率流出端连接至二极管整流桥交流侧；二极管整流桥为三相不控桥式整流电路，二极管整流桥交流侧连接至级联子模块三相功率流出端，直流侧连接至直流输电线路。此种技术方案可通过调节级联子模块电压控制二极管交流侧电压，进改变节二极管整流桥功率，同时可以大幅降低海上风电平台的重量和体积。上风电平台的重量和体积。上风电平台的重量和体积。


技术研发人员：邓富金 伊浩然
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2023.07.19
技术公布日：2023/10/20