[发明专利]风能变流器

说明书

技术领域

本发明涉及风能变流器领域，更特别地，涉及多相中压风能变流器。

背景技术

风能变流器通常利用交流-直流-交流转换技术，其中，采用电压或电流直流链（DC-link）。

图1图示说明具有电压直流链的传统风能变流器理论上的拓扑结构。根据图1，风能变流器1包括风力发电机10、风能变流器11和电网12。风能变流器11转换由风力发电机10产生的电能并将转换的电能提供给电网12。风能变流器11进一步包括三相两电平整流器110、直流链电容器111和三相逆变器112。三相两电平整流器110包括六个二极管D1到D6，每个二极管与功率开关反向并联连接。三相逆变器112包括六个功率开关S1到S6。理论上，三相两电平整流器中每个二极管或三相逆变器112中每个功率开关的击穿电压的值应当至少在直流链电容器111端电压的值之上。所期望的向电网的输出电压的值越高，所需要的击穿电压的值越高。随着击穿电压上升，半导体成本急剧增加，因此这带来高成本。

从工程的角度，技术人员应当考虑在击穿电压的值与向电网的输出电压和提供的电能品质之间取得折中。图2图示说明具有电压直流链、三电平中点箝位型拓扑结构（3-level NPC）的传统风能变流器。根据图2，风能变流器2包括风力发电机20、风能变流器21和电网22。风能变流器21转换由风力发电机20产生的电能并将转换的电能提供给电网22。风能变流器21进一步包括三相三电平整流器210、两个串联连接的直流链电容器211和三相三电平逆变器212。三相三电平变流器210包括十二个二极管D1到D12，每个二极管与功率开关反向并联连接，加上额外的二极管Da到Df，如图2所示。三相逆变器212包括十二个功率开关S1到S12，加上Dg到Dl，如图2所示。通过具有这种结构，二极管或功率开关击穿电压的值可以至少在任一个直流链电容器的端电压之上。击穿电压所需的值被降低，而功率半导体的数量增加，因此后者带来的成本增加在一定程度上减轻了前者带来的成本降低。如果对于更高的电压，半导体成本的问题同样存在。此外，拓扑结构也变得复杂，增加了风能变流器中功率器件间的耦合。

发明内容

因此，本发明的目的是降低成本，同时提高提供的电能的品质。

根据本发明实施例，风能变流器包括：多个相功率变流器，每个相功率变流器适于将从风力发电机的相应相输出的功率转换至电网相应的相；每个相功率变流器包括：全波整流器、电容器和全波有源逆变器，全波整流器适于整流经由第一端子和第二端子从风力发电机的相应相输入的功率，电容器适于由被全波整流器整流的功率充电，全波有源逆变器适于逆变储存在电容器中的功率并通过第三端子和第四端子将逆变的功率输出到电网相应的相；其中，第一端子或第二端子连接到第一虚拟中点，第三端子或第四端子连接到第二虚拟中点。通过具有这种拓扑结构，用作功率转换模块的每个相功率变流器彼此独立，因此，消除了任两个相功率变流器之间的电耦合。下文将对相功率变流器进行详细描述。

附图说明

下文将参考附图中示出的优选的示例性实施例对本发明的主题进行更详细的说明，其中：

图1图示说明具有电压直流链的传统风能变流器理论上的拓扑结构；

图2图示说明具有电压直流链、三电平中点箝位型拓扑结构（3-level NPC）的传统风能变流器；

图3示出根据本发明实施例的风能变流器的拓扑结构；

图4示出根据本发明实施例的级联连接的两个功率转换模块的拓扑结构；

图5示出根据本发明另一个实施例的级联连接的三个功率转换模块的拓扑结构；

图6示出根据本发明实施例的功率转换模块的拓扑结构；

图7示出箝位电路（clamp circuit）在导通状态和断开状态之间的操作；

图8示出吸收电能的卸载单元（unload unit）的操作；

图9示出根据本发明实施例的风能变流器的拓扑结构；

图10A示出根据本发明实施例的有源全波整流器操作的升压模式的阶段-Ⅰ；

图10B示出根据本发明实施例的有源全波整流器操作的升压模式的阶段-Ⅱ；

图11和图12分别示出根据图4和图5的基于功率转换模块的拓扑结构的基于设备的实施；

图13A示出根据本发明实施例的有源全波整流器操作的升压模式的阶段-Ⅰ；

图13B示出根据本发明实施例的有源全波整流器操作的升压模式的阶段-Ⅱ；