[发明专利]基于混合MMC及矩阵变换器的风机并网系统

说明书

基于混合MMC及矩阵变换器的风机并网系统，包括风力发电机、混合型模块化多电平换流器（MMC）、DC/AC逆变结构、高频变压器、矩阵变换器。本发明的有益效果为：（1）节省开关器件数量，兼顾了故障隔离和经济性的优势；（2）降低了运输成本和安装难度，还减小系统损耗，提高系统能量利用率；（3）使用单相MMC换流器，相对于三相MMC换流器能够减小2个桥臂的成本；（4）矩阵变换器具有能量双向流动的功能更适合电机的四象限运动，能实现功率因数可调并与输出负载电流无关，输出电压幅值、相位和频率均可独立的调节，更重要的是不需要存在直流环节的有源元件。

技术领域

本发明涉及基于混合MMC及矩阵变换器的风机并网系统

背景技术

能源是国民经济发展和人民生活赖以生存的物质基础，在过去的几十年里，建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料基础上的能源体系极大地推动了人类社会的发展。但是在人类使用化石燃料的同时，对地球的环境和生态系统也造成了巨大的破坏。近年来，世界各国逐渐认识到清洁能源对人类的重要性，采取多种方式治理日益恶化的环境，并将开发利用可再生能源作为可持续发展的重要内容。

随着风力发电容量的日益扩大，风力发电越来越多的接入电网，风电的并网运行成为了大规模利用风能的最有效方式，。常规交流输电方式为，风电机组将发出的三相交流电能通过AC-DC-AC变频器变换，再通过三相工频变压器升压，最后将电并入电网中。而常规的变流器结构为三相全桥结构，其开关耐压性差，开关频率较大，同时带来的开关损耗大，系统利用率低。最主要的是带来的谐波含量太高，易造成大量谐波交流电馈入电网，造成不必要的损失。

电力变压器作为电压变换和电气隔离的基础设备，是电力系统中网络连接的核心，在输配电领域均有应用。目前系统中采用较多的是铁芯油浸式变压器，伴随着用户需求越来越高，供电可靠性和电能质量标准也随之提高，此时传统铁芯式变压器的缺陷和不足突显，主要有：体积和重量大，绝缘油泄露会带来环境问题；电网侧电压发生跌落、闪变、不平衡或含有谐波时都将耦合到负载侧，而负载侧产生电流谐波和无功功率时，会直接反馈到电网侧对电网造成污染；不能隔离负载侧的故障，从而导致故障扩大到电网侧，所以需要专口的继电保护设备；由于无能量储存能力，无法维持变压器负载侧电压恒定，负载迅速变化或不平衡运行时负载侧电压波动大。

对于MMC侧的直流故障处理有配置交流侧断路器、采用具有直流故障穿越能力的换流器两种方式。由于交流侧断路器是机械开关，动作速度慢，不利于抑制故障电流与交直流系统的恢复；而具有故障穿越能力基于全桥子模块的模块化多电平换流器，存在器件过多经济性较差的问题，基于箝位双子模块的模块化多电平换流器虽然降低了器件数量，但结构上存在并联耦合，闭锁IGBT后桥臂电容出现了串并联两种不同充电状态。

发明内容

发明目的：

本发明提供一种基于混合MMC及矩阵变换器的风机并网系统，其目的是解决以往所存在的问题。本发明提出了基于混合MMC及矩阵变换器的风机并网系统，该系统使用混合MMC，矩阵变换器，不使用工频变压器、设计灵活、可控性高。适合于风力发电系统且传输效率高，结构简单，同时解决了直流侧故障。

技术方案：

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

交流电力变换器是采用电力电子器件按照一定电路拓扑构成的交-交电力变换装置。20世纪80年代以来,随着IGBT、功率MOSFET、IGCT等高性能电力电子器件的出现,交流电力变换器取得了长足的进步。矩阵变换器是一种输入、输出特性好,不需要直流的储能环节,能量能够双向流动,可实现真正的四象限运行的“绿色”变频器,既可以产生节能的重大经济效益,又避免了因谐波污染带来的电力系统环保等问题,同时也非常适合交流励磁发电系统的需求,因此研究意义深远。