专利名称：风力发电系统的背靠背变流器及其环流控制方法
技术领域：
本发明涉及风力发电系统的变流器及其环流控制方法。
背景技术：
随着风力发电技术的不断发展，永磁直驱式风力发电系统因其维护成本低、噪声小、 具有较好的低电压穿越能力而受到越来越多的关注，但是由于该系统电力电子变换器需要 将风力发电机输出的功率完全转换到电网侧，所以功率容量要求较高。受到目前电力电子 器件制造工艺的限制，单个背靠背变流器已经不能满足直驱式风力发电系统发展的需要， 所以变流器并联技术便应运而生。
根据三相整流器的平均化模型，在单个三相整流器中，由于不存在零序电流的流通路 径，所以/a， /6和/e之和为零，电路中不会存在零序电流。虽然变换器中存在零序电压分量， 但是它不会影响整流器的输入电流和输出电压及逆变器的输出电流和电压。
当在不加入附加电路隔离逆变器交流侧的情况下，将变流器直接并联起来，利用变流 器的平均化方法建模就会发现，在电路中存在零序电流的回路。如果对零序电流不加以控 制，不仅会增大电路损耗，严重的还可能损坏电路元件。目前常用的抑制环流的方法主要
有三种文献1 (Bin Shi， Giri Venkataramanan. Parallel Operation of Voltage Source Inverters with Minimal Intermodule Reactors[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2004,5(04) 156-162。)和文献2 (Zhihong Ye， Dushan Boroyevich. et al. Control of Circulating Current in Two Parallel Three-Phase Boost Rectifers[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2002,17(5) 609-615.)提出将逆流器的交流侧隔离来阻断环流路径，但是由于这种方法需要 附加的电路元件如变压器，使得成本增加；文献1和2指出增大电路阻抗，利用相间电抗 器提供很大的零序阻抗，但是对低频环流抑制效果不好；另外也有从控制方式上考虑，提 出同步控制的方法，这种方法是把两个并联运行的变流器当作一个变流器加以控制，相当 于器件的并联，但是这种方法不适合进行模块化设计，当需要多个并联时，系统设计和控 制都变得非常复杂。
目前常用的直驱式风力发电系统变流器主要是背靠背结构，电机输出侧与机侧整流器 相连，由整流器来将发电机输出的变压变频的交流电转换为直流电，整流器输出的直流电 经过网侧逆变器接到电网，逆变器输送给电网恒压恒频的工频电，其结构示意图如图1所
示。随着风力发电机技术的发展，单机容量不断增大，原有的单个变流器已经不能满足需 要。发明内容本发明克服了现有并联结构中体积大，成本高的缺点，提出一种新的并联变流器及其 环流控制方法。本发明能够有效减小整个变流器的体积，节省成本费用，以满足目前的大 功率发电的需要。本发明变流器是由两个背靠背变流器直接并联而成，背靠背变流器的控制器中新加了 环流控制器，由第一整流器的控制器担当。每个背靠背变流器由构成。两个电机侧整流器 直接并联后与永磁同步发电机的定子侧输出端子相连，两个电机侧整流器的直流输出端分 别接有两个独立的稳压大电容，经过电容稳压后，每个电容正负端子侧各接有一个逆变器， 逆变器的输出端直接并联后连接到电网。本发明采用数字处理芯片DSP作为控制器的核心，DSP能够实现对釆样信号的实时处 理，并根据控制需要发出相应的控制信号由它实现本发明所提出的环流抑制和空间矢量调 制。外围电路包括采样电路和信号调理电路。采样电路通过电压、电流传感器采集三相电 网电压、电流、以及每个变流器的交流电流、电容两端的直流电压等，送入信号调理电路 进行信号调理，然后送入DSP的AD采样通道。DSP计算出每个开关所需的导通、关断时 间后，由DSP的PWM口发出控制变流器每个开关所需要的开关信号，经过驱动电路放大、 隔离后连接到每个功率器件的驱动门极上，从而控制整流器和逆变器正常工作。现有的并联背靠背变流器均是共用一个直流母线电压，而本发明并联背靠背变流器是 两个独立的直流母线电压。这样，可以单独设计每个背靠背变流器，需要增大容量的时候， 只需并联相应的模块即可，更易于模块化设计。本发明环流控制方法是通过控制SVM中零矢量的作用时间和零矢量"朋的作用时 间之间的比例关系来调节零矢量作用时间，达到抑制背靠背变流器间的零序环流的母的。 由于环流存在于两个背靠背变流器之间，只要控制一个背靠背变流器中的零序电流为零， 即可将另外一个背靠背变流器中的零序电流抑制为零。本发明工作过程如下在额定风速以下，桨距角基本不变以保持风能利用系数最大。风力发电系统根据最大 功率算法得到系统输入到电网的最大功率，由此得到发电机的最佳转速，通过调节并网逆变器的有功电流使得系统的输出功率最大，电机运行在最佳转速。在额定风速之上，通过变桨来保持风能利用系数最大。电机和变流器都运行在额定条 件下，系统输出到电网的功率最大。当风速超过切出风速时，系统停机，输出到电网的功率为零。背靠背变流器中的整流器可以调节发电机输出的无功功率，有效调节电机输出功率因 数，当需要电机输出为单位功率因数时，令无功电流为零，这样可以使电机输出最大有功 功率。同时，由于无功输出可调，使发电机转速范围更宽。电机侧整流器还可以稳定直流 侧电压，给并网逆变器提供稳定的直流电源。网侧逆变器负责调解风力发电系统输入到电 网的有功功率和无功功率，当电网需要超前无功时，设定无功电流为负值；当电网需要滞 后无功时，设定无功电流为正值；当需要输入到电网的有功功率最大，无功功率为零时， 可以设定无功电流为零，网侧功率因数为1。以上为目前常用的直驱式风力发电系统的工作 状态。本发明的并联背靠背变流器装置工作时，两个背靠背变流器相互独立，可同时运行， 也可以只保持其中一个运行。在两个背靠背变流器同时运行时，需要采用本发明中所提出 的环流控制算法来抑制两个背靠背变流器间的零序环流，确保两个变流器独立运行。本发明控制零序环流的工作过程如下-本发明并联背靠背变流器中的一个背靠背变流器的三相电流/。， 4和/c，经过电流传感 器后，进行信号调理，然后送入DSP的AD采样通道，通过控制芯片DSP对三相电流进行 求和，然后与零做差，经过PI调节后，得到参量k， k与SVM中零矢量ppp作用的时间do 求乘积，即可求得为抑制零序环流ppp应该作用的时间kdo，依此来调整空间矢量调制(SVM) 算法中不同零矢量/7/少和n""作用时间的比例。比例确定后，DSP便会自动调整占空比脉 冲来驱动功率器件的导通、关断，达到抑制零序电流的目的。由于零矢量作用时，在并联 背靠背变流器中会形成电流回路，这直接为环流的流通提供了路径，因此，环流的出现和零矢量的作用有很大关系。经过闭环控制得到的不同零矢量作用时间就可以达到控制零序 环流的目的。因为环流在两个背靠背变流器之间流通，控制其中一个整流器的环流就可以 达到抑制整个背靠背变流器的环流。本发明在抑制零序环流时，只是调整了空间矢量调制算法中不同零矢量的作用时间分 配，不会影响电路中其它受控量，对于整流器而言，无功电流和直流侧电压的控制不受影 响；对于逆变器而言，有功电流和无功电流的控制也不会受影响。本发明对环流的抑制是 在单个整流器上实现的，无需附加电路，有利于模块化设计。本发明变流器省去了变压器等辅助的隔离元件，既提高了并联系统的运行可靠性，而 且能够有效减小了电路体积和开关损耗，增大调制比，改善电流波形的总谐波畸变(THD)。
图l直驱式风力发电系统示意图2背靠背变流器控制框图3并联背靠背环流示意图，图中，l整流器、2整流器、3逆变器、4逆变器； 图4环流控制器示意图5带环流控制器的并联背靠背直驱式风力发电系统示意图。
具体实施例方式
下面结合附图详细说明本发明的工作原理和过程。
本发明所涉及的风力发电系统运行时，依据外界风速的大小，主要有三种工作状态
(1) 当风速低于系统工作的额定风速时，桨距角基本不变，以保持风能利用系数最大。 系统根据最大功率算法得到系统输入到电网的最大功率，由此得到发电机的最佳转速，通 过调节并网逆变器的有功电流使得系统的输出功率最大，电机运行在最佳转速。 一般无功 功率给定为零，使得系统工作在最大有功功率输出状态，提高系统的效率。当电网需要无 功支持的时候，可以根据需要向电网发送或者吸收电网的无功功率。有功功率和无功功率 能够实现独立调节。
(2) 当风速高于系统地额定风速时，通过变桨来保持风能利用系数最大。电机和变流 器都运行在额定条件下，系统输出到电网的功率最大。
(3) 当风速超过系统的切出风速时，系统停机，输出到电网的功率为零。 整个风力发电系统的控制框图如图2所示整流器采样电机输出的电流/。， /6， /c,利
用光电码盘或者无速度传感器得到电机的转子位置角《，电流经过派克变换得到电流的内 分量/rf和/" ^c和^c的给定《做差后进行PI调节，输出为^的给定《，/rf给定为f:，由 电机侧功率因数的要求给定， 一般为零，使得电机输出有功功率最大。ig和《作差，^和C作
差后分别进行pi调节后加上各自的补偿项+^)和- ￡9/9就可以得到整流器参考电压
的A分量"rf和tV再经过派克反变换得到^， "v， ww。最后经过SVM算法得到控制信号，
整流器在稳定直流侧电压^c的同时，实现电机输出无功电流/rf的控制。
逆变器采样电网侧电压",。，W^， W,c和输出到电网的电流/,。， &， /sc，经过功率计算单
元得到实际输送到电网的有功功率P和无功功率Q。根据最大功率算法，利用有功功率P 和电机转速必得到电机最佳转速参考w'， w'和fi)做差后经过一个PI环,得到变流器输入到
电网的有功电流参考/;;，无功电流参考。一般给定为零，让变流器输入电网的有功功率最 大，提高系统的效率。有功和无功电流参考和实际的有功无功电流分别做差后经过PI调节
器再加上各自的补偿项必4^d和-《4^得到逆变器的电压参考"^ ，再经过派克反变换得
到w。， ^， "c。最后经过一个SVPWM控制的PWM发生器就能令逆变器工作在电网功率因
数为1。由于有功功率等于电压、电流和功率因数三者的乘积，而功率因数总是小子等于1， 所以，当电网功率因数为l时，输入到电网的有功功率最大。
本发明在图1所示风力发电系统的基础上并联一个背靠背变流器来有效提高系统的功 率等级。如图3所示，上下两个背靠背变流器并联。其中，第一背靠背变流器由电机侧整 流器1和网侧逆变器3构成，第二背靠背变流器由电机侧整流器2和网侧逆变器4构成。 两个电机侧整流器l、 2直接并联后与永磁同步发电机的定子侧输出端子相连，两个电机侧 整流器l、 2的直流输出端分别接有两个独立的稳压大电容C/和C2，经过电容稳压后，每 个电容正负端子侧各接有一个逆变器3、 4，逆变器的输出端直接并联后连接到电网。电机 侧整流器1的直流输出端接大电容C;，电容C/正负端子侧接有逆变器3，电机侧整流器2 的直流输出端接大电容C2，电容G正负端子侧接有逆变器4。电机侧整流器l、 2交流输 入端分别接有三相电感，逆变器3、 4输出端也分别接有三相电感。
在背靠背变流器两端直接并联情况下，如果不加相应的控制措施，两套变流器之间就 会产生环流。环流流过整流器l，逆变器3，整流器2，逆变器4。只要控制其中一个背靠 背变流器的环流为零，即可保证另一个背靠背变流器的环流为零，其控制框图如图4所示: 整流器l的三相电流f。， /6， /c求和后与给定电流(零)作差后，送入PI调节器，得到参考 量k, k与SVM中零矢量ppp作用的时间do求乘积，即可求得为抑制零序环流ppp应该作 用的时间kdo。这样，在SVM算法中每个控制周期内零矢量ppp和nnn的作用时间不再相 等，依据kdo， DSP调节占空比，控制功率器件的导通与关断时间，达到抑制零序环流的目 的。这样整流器2在控制直流侧电压稳定和无功电流为零的同时还可以有效得抑制零序环 流。
图5所示为带零序环流控制器的并联背靠背式风力发电系统结构示意图，是前面介绍 的各部分功能的有机结合。两个电机侧整流器l、 2直接并联后与永磁同步发电机的定子侧 输出端子相连，两个整流器l、 2的直流输出端分别接有两个独立的稳压大电容，经过电容 稳压后，每个电容正负端子侧各接有一个逆变器3、 4，逆变器3、 4的输出端直接并联后 连接到电网。无功电流的给定/〗经过一个均流器后一分为二，作为两个整流器的无功电流 给定。直流侧电压"^与"^的控制与单个背靠背系统一样。整流器2同时还担当环流抑制 的角色，流过整流器2的三相电流之和(/。2 +/A2 +^)与零做差后输入到SVPWM及环流控制
器，输出为开关脉冲s。p,&",&p，&"，&p,&。总的有功电流/;;和无功电流6的二分之一作为
两个逆变器3、 4的有功电流/;,、 /^和无功电流d、 42给定，可以有效控制两套系统平均 分担功率，起到充分利用器件容量，保护电路元件的作用。.
图5所示的整个系统与原来单个背靠背系统的不同在于整个系统的控制多了均流功能 与环流抑制功能。外围电路包括采样、信号调理电路。三相电网电压、电流、以及每个PWM 变流器的交流电流、电容两端的直流电压等量通过电压、电流传感器后，进行信号调理， 然后送入DSP的AD采样通道。由DSP来实现本发明所提出的环流抑制算法和空间矢量调 制方法，计算出每个开关所需的导通、关断时间后，由DSP的PWM口发出控制背靠背变 流器每个开关所需要的开关信号，经过驱动电路放大、隔离后连接到每个背靠背变流器的 开关器件的驱动门极上，从而控制整流器和逆变器正常工作。整流器1的三相电流/。， /6， z'c求和后与给定电流(零)作差后，送入PI调节器，得到参考量k， k与SVM中零矢量ppp 作用的时间do求乘积，即可求得为抑制零序环流ppp应该作用的时间kdo。这样，在SVM 算法中每个控制周期内零矢量ppp和nnn的作用时间不再相等，依据kdo， DSP调节占空比， 控制功率器件的导通与关断时间，达到抑制零序环流的目的。
权利要求
1、 一种风力发电系统的背靠背变流器，包括一个电机侧整流器和网侧逆变器，其特征 在于两个背靠背变流器并联，其中第一背靠背变流器由电机侧整流器(1)和网侧逆变器(3) 构成，第二背靠背变流器由电机侧整流器(2)和网侧逆变器(4)构成；两个电机侧整流 器(1、 2)直接并联后与永磁同步发电机的定子侧输出端子相连；电机侧整流器(1)的直 流输出端接大电容C"电容C/正负端子侧接有逆变器(3)，电机侧整流器(2)的直流输 出端接大电容C2，电容G正负端子侧接有逆变器(4),逆变器(3、 4)的输出端直接并联 后连接到电网；每个电机侧整流器由数字处理芯片DSP控制。
2、 根据权利要求l所述的风力发电系统的背靠背变流器，其特征在于两个背靠背变流 器相互独立，两个背靠背变流器可同时运行，也可以只运行其中一个。
3、 应用权利要求l所述的风力发电系统背靠背变流器控制环流的方法，其特征在于， 两个背靠背变流器同时运行时，抑制两个背靠背变流器间的并联回路环流零序电流为零 第一整流器的三相电流z。， ！、， ！'c求和后与给定电流作差，然后进行PI调节，得到参考量k， k与SVM中零矢量ppp作用的时间do求乘积，即可求得为抑制零序环流ppp应该作用的时 间kdo;依据kdo，控制器DSP调节占空比，控制功率器件的导通与关断时间，达到抑制零 序环流的目的。
全文摘要
一种风力发电系统的背靠背变流器，两个背靠背变流器并联，每个变流器包括一个电机侧整流器和网侧逆变器，两个电机侧整流器并联，其交流输入端与永磁同步发电机的定子侧输出端子相连，两个电机侧整流器的直流输出端分别各连接一个独立的稳压大电容，每个电容正负端子侧各接有一个逆变器，逆变器的输出端并联后连接到电网。每个电机侧整流器由数字处理芯片DSP控制。当两个变流器同时运行时，抑制两个变流器间的并联回路环流零序电流为零，从而减小电路损耗，保护电路元件。
文档编号H02J3/38GK101123352SQ200710121110
公开日2008年2月13日 申请日期2007年8月30日 优先权日2007年8月30日
发明者付勋波, 李建林, 胡书举, 许洪华, 斌 赵 申请人:中国科学院电工研究所;北京科诺伟业科技有限公司