[发明专利]一种兆瓦级直驱式风电并网软开关变流器

说明书

所属技术领域：

本发明涉及一种兆瓦级功率等级的风力发电用全功率并网变流器，特别是兆瓦级直驱式 风电并网软开关变流器，属于风电新能源技术领域。

背景技术：

随着能源问题的日趋严重，能源和环境问题已成为全球可持续发展所面临的主要问题， 日益引起国际社会的广泛关注。大力发展新能源成为了解决上述问题的根本途径。其中，风 力发电是目前新能源中技术比较成熟、最具规模开发条件和商业化发展前景的发电方式，具 有占地少、无污染、建设周期短、装机规模灵活等优点，受到世界各国的广泛关注，在整个 世界电力市场上呈现出强劲的发展势头。为了推动并网型风力发电的发展，国家发改委组织 制定的《可再生能源中长期发展规划》中明确要求，2020年全国风电装机容量达到3000万千 瓦。众所周知，并网型风力发电系统主要包括直驱式风力发电系统和非直驱式风力发电系统 两种形式。其中，变速恒频交流励磁双馈电机风力发电系统和直驱多极永磁电机风力发电系 统是这两种风力发电系统的典型代表，也是最有前景的风力发电方案，目前已经成为兆瓦级 风电机组的首选方案，同时也是我国风电设备制造业进军兆瓦级风电市场的主攻方向。

非直驱式风力发电系统的风轮通过增速齿轮箱接发电机，然后通过变压器并入电网。而 直驱式风力发电系统中风轮直接接发电机，然后通过变流器并入电网。很显然，直驱式风力 发电系统与非直驱式风力发电系统相比，省去了增速齿轮箱，这样不但减少了风力发电机的 体积和重量，而且减少了对齿轮箱的日常维护工作，降低了风电系统的噪声、提高了机组寿 命和低风速时高效率等多种优点，所以直驱式风力发电系统成了现代风力发电系统的发展趋 势，而作为其并网核心部件的并网变流器性能的好坏对整个系统的正常运行起着至关重要的 作用，因此直驱式并网变流器的研究成为了风电科技领域的研究热点。

直驱式风力发电机组的并网变流器的功率等级与发电机组相当，发电机发出的电能全部 通过变流器转换为频率、电压恒定的交流电馈入电网，并通过对电机侧变流器电流的控制而 控制电磁转矩，使之实现最大功率输出。与非直驱式风力发电系统相比，变流器在发电机组 与电网之间使用，实现了发电机组与电网的隔离，转速与电网频率之间的耦合问题获得了很 好的解决，也在一定程度上避免了因电网波动对发电机组稳定运行所带来的不利影响。欧美 国家在风电技术上长期处于领先地位，很多风电设备制造商，如Enercon、ABB、Siemens等 都推出了2MW～5MW的相关产品。其中德国风电设备巨头Enercon公司采用如图1所示的主电路 拓扑结构。这是一种技术最为成熟、运行最为可靠，适应范围广泛的技术方案。但其控制系 统较为复杂，没有考虑功率开关器件的开关损耗问题，而在MW级领域，功率开关器件的开关 损耗问题是一个不容忽视的问题，随着功率等级的越来越大，其危害越来越严重甚至能导致 器件的烧毁。为了减少功率器件的开关损耗，ABB公司采用三电平的主电路结构应用在兆瓦 级以上的风电系统中，该系统能大大降低每个开关器件的开关损耗，产生很低的电流电压谐 波畸变率，需要的滤波装置容量小。但是与两电平的主电路结构相比功率开关器件的用量增 加了一倍，大大的增大了成本。

目前，国内在兆级风力发电用功率变流器的研究和制造方面总体上处于起步阶段，特别 是在2MW及以上功率等级变流器方面还完全处于空白阶段，严重制约了我国风电设备制造业 国产化的顺利进行。

发明内容：

本发明目的是提供一种兆瓦级直驱式风电并网软开关变流器，电路结构简单，降低风电 设备的成本，解决背景技术中存在的上述问题。

本发明的技术方案是：

兆瓦级直驱式风电并网软开关变流器，它包含电机侧三相滤波电容单元、整流单元、升 压斩波单元、软开关单元、逆变单元、网侧三相滤波电容单元，各单元之间依次匹配连接， 其特别之处是：所述的整流单元由至少一个三相不控二极管整流单元构成或多个三相不控二 极管整流单元并联连接构成；所述的升压斩波单元由至少一个升压斩波单元构成或多个升压 斩波单元并联连接构成；所述逆变单元由至少一个逆变单元构成或多个逆变单元并联连接构 成。

本发明采用软开关技术来控制来解决功率开关器件损耗大的问题。

本发明中主电路采用的功率开关器件可以为IGCT，但不限于IGCT。