风力发电系统中的并联型永磁直驱风电变流器及其控制方法

文档序号:7436909阅读:234来源:国知局
专利名称:风力发电系统中的并联型永磁直驱风电变流器及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种风力发电系统中的并联型永磁直驱风电变流器及其控制方法,属于电力电子技术领域。
背景技术
随着能源的日益紧缺、环境问题的突出和电力电子技术及器件的进步,风力发电 得到了不断的发展。在风力发电的各种方案中,永磁直驱风力发电方式以其优越的性能,日 益成为研究及应用的热点。它省去了齿轮箱和滑环,减小了系统噪声,并使系统的体积大大 的减小,成本降低,同时使系统可靠性提高,维护成本大大降低;由于采用永磁体励磁,不存 在转子铜损,又提高了发电效率。永磁直驱风力发电机和电网之间通过变流器连接,解决了 低电压的穿越问题,通过最大功率点追踪(maximum power point tracking,MPPT)技术,能 够充分的利用风能,使发电效率进一步提高。目前风力发电机的发电功率已达到近10丽,由于永磁直驱风力发电系统中,发电 机需要通过全功率变流器进行并网,受到电力电子器件容量的限制,单套变流器的输送能 力不能满足发电机的能量传送需求,将其输送到电网。为突破这一限制,变流器的并联技术 在风力发电系统中成为了研究热点。它在不增加单个功率开关电流应力的条件下,采用并 联技术使传送的总电流成倍增加,使研发更高功率等级的风电变流器成为现实。这种并联 技术,在风机功率一定的情况下,可以采用功率等级更低的功率开关器件传送电流,大大降 低生产成本。同时,这种并联技术的方案便于模块化设计,它能拓宽功率模块的使用范围, 又能缩短生产周期。与载波相移(carrier phase shift, CPS)技术相结合,还能使并联后 总电流的谐波大大降低,这样就可以采用小容量的滤波器,进一步降低生产成本。变流器的 并联技术使得N+1冗余设计成为现实,它使系统的可靠性大大提高,与热拔插技术相结合, 使系统具有更大的优势。在单套变流器系统中,由于不产生零序环流通道,不存在环流问题,而在并联型变 流器系统中,会产生严重的环流问题。环流在并联的变流器之间流动,它的存在增加了损 耗,降低了系统效率,使功率器件发热严重,甚至烧毁。环流导致的不均流问题,使功率器件 承受的电流应力不均衡,影响其使用寿命,限制整套系统容量的增加;环流还会使三相电流 产生畸变,使总谐波畸变率(total harmonic distortion, THD)增大,导致风电系统不能 满足并网要求。此外,高频环流还会带来严重的电磁干扰(electromagnetic interface, EMI)。对于并联变流器系统中环流问题的解决主要有两种方式一是在硬件上消除环 流通道,二是采用适当的控制方法来抑制环流。通常采用硬件方式消除环流的方法为加 隔离变压器,隔离变压器能够阻断交流侧的环流回路,消除环流,同时,采用不同形式的副 边结构的隔离变压器,可以消除特定次谐波,降低对电网的污染。由于在工频下工作,通 常隔离变压器的体积、重量都很大,它会造成系统成本的增加,所以不适合用于大功率的永磁直驱风电系统中。文献(李建林,高志刚,胡书举,等.并联背靠背PWM变流器在直 驱型风力发电系统的应用[J]·电力系统自动化,2008,32(5) 59-62)提出了独立直流母 线的拓扑结构,它在硬件上消除了环流通道,解决了环流问题,系统控制相对简单,但使 用场合受限,只能用于具有电气隔离作用的六相电机,当电机为常用的三相电机时仍存在 严重的环流问题,且机侧环流与网侧环流相互耦合。同时由于这种拓扑结构的直流母线 分开,必须对两母线电压分别加以控制,使得系统的体积增大,不利于模块化设计。文献 (Yoshihiro Komatsuzaki. Cross currentcontrol for parallel operating three phase inverter[C]. PowerElectronics Specialists Conference,Taipei,China,1994)禾口文献 (SFukudaiK Matsushita. A control method for parallel-connected multipleinverter systems. Power Electronics and Variable Speed Drive,London,England,1998)将并联 变流器当作一个整体来控制,它从控制方法上抑制了并联变流器的环流,但存在控制复杂 的缺陷,当更多模块并联时很难实现对其控制。

发明内容
本发明的目的是为了解决现有并联变流器在解决环流问题时造成的系统体积增 大及控制方法复杂的问题,提供一种风力发电系统中的并联型永磁直驱风电变流器及其控 制方法。本发明的一种风力发电系统中的并联型永磁直驱风电变流器,它包括第一背靠背 PWM变流器模块和第二背靠背PWM变流器模块,它还包括第一输入侧三相电抗器,第一输出 侧三相电抗器,第二输入侧三相电抗器,第二输出侧三相电抗器,第一背靠背PWM变流器模块和第二背靠背PWM变流器模块并联连接在直流母线 上,第一背靠背PWM变流器模块的机侧输入端和所述变流器的三相风力发电输入端之间串 联有第一输入侧三相电抗器,第二背靠背PWM变流器模块的机侧输入端和所述变流器的三 相风力发电输入端之间串联有第二输入侧三相电抗器;第一背靠背PWM变流器模块的网侧 输出端与所述变流器的三相电网信号输出端之间串联有第一输出侧三相电抗器,第二背靠 背PWM变流器模块的网侧输出端与所述变流器的三相电网信号输出端之间串联有第二输 出侧三相电抗器;第一背靠背PWM变流器模块由第一机侧整流器、第一网侧逆变器和第一电容器组 成,第一机侧整流器、第一电容器和第一网侧逆变器并联连接,第一机侧整流器的输入端为 第一背靠背PWM变流器模块的机侧输入端,第一网侧逆变器的输出端为第一背靠背PWM变 流器模块的网侧输出端;第二背靠背PWM变流器模块由第二机侧整流器、第二网侧逆变器和第二电容器组 成,第二机侧整流器、第二电容器和第二网侧逆变器并联连接,第二机侧整流器的输入端为 第二背靠背PWM变流器模块的机侧输入端,第二网侧逆变器的输出端为第二背靠背PWM变 流器模块的网侧输出端。本发明所述的基于上述装置的控制方法,是基于下述风力发电系统实现的,该风 力发电系统中所述变流器的三相风力发电输入端与永磁同步发电机的三相发电信号输出 端相连接,所述变流器的三相电网信号输出端与电网的三相电源信号输入端相连接;所述风力发电系统中的并联型永磁直驱风电变流器的控制方法为
采集第一输入侧三相电抗器输入端的三相电流值igal、igbl和igel,由机侧Clack变 换单元对其进行变换,得到机侧两相静止坐标系下的电流值igal和igM,将机侧两相静止坐标系下的电流值igal、igM和永磁同步发电机的转子位置角eg 输入给机侧Park变换单元,并经其变换后,得到机侧同步旋转坐标系下的第一 d轴电流值 igdl、第一 q轴电流值igil和第一 ζ轴电流值igzl ;将第一机侧整流器的d轴电流给定值igdlMf和q轴电流给定值igilref与机侧同步 旋转坐标系下的第一 d轴电流值igdl和第一 q轴电流值igil输入给机侧第一电流环控制器, 经其分别进行PI调节并补偿后,得到机侧同步旋转坐标系下的第一 d轴电压值Ugdl和第一 q轴电压值Ugtll,机侧同步旋转坐标系下的第一 d轴电压值Ugdl、第一 q轴电压值Ugtll和永磁同步发 电机的转子位置角θ g共同输入给机侧第一 Park逆变换单元,并经其进行逆变换后,得到 机侧两相静止坐标系下的第一电压值Ugal和UgM,将机侧两相静止坐标系下的第一电压值Ugal和ugM通过机侧第一空间矢量脉宽 调制单元调制后生成第一机侧整流器的初始三相占空比信号dgal ‘ ,dgbl'和dg。/,将第一机侧整流器的初始三相占空比信号dgal'、dgbl'和dg。/分别与第一机侧 整流器的三相占空比补偿量作差后,得到第一机侧整流器的三相占空比信号dgal、dgbl和 dgc;1,将其分别作用于第一机侧整流器的三相功率开关管,实现对第一机侧整流器的控制;采集第二机侧整流器输入端的三相电流值iga2、igb2和ig。2,并与永磁同步发电机的 转子位置角θ 8共同输入给机侧abc/dqz变换单元,,得到机侧同步旋转坐标系下的第二 d 轴电流值igd2和第二 q轴电流值igi2 ;将第二机侧整流器的d轴电流给定值igd&rf和q轴电流给定值igi2ref与机侧同步 旋转坐标系下的第二 d轴电流值igd2和第二 q轴电流值igi2输入给机侧第二电流环控制器, 经其分别进行PI调节并补偿后,得到机侧同步旋转坐标系下的第二 d轴电压值Ugd2和第二 q轴电压值Um2,机侧同步旋转坐标系下的第二 d轴电压值Ugd2、第二 q轴电压值Um2和永磁同步发 电机的转子位置角θ g共同输入给机侧第二 Park逆变换单元,得到机侧两相静止坐标系下
的第二电压值Uga2和Ug02,将机侧两相静止坐标系下的第二电压值Uga2和Ug02通过机侧第二空间矢量脉宽 调制单元调制后生成第二机侧整流器的三相占空比信号dga2、(!gb2和dg。2,将其分别作用于第 二机侧整流器的三相功率开关管,实现对第二机侧整流器的控制;采集第一网侧逆变器输出端的三相电流值ilal、ilbl和,将其与电网角度θ工共 同输入给网侧第一 abc/dqz变换单元,得到网侧同步旋转坐标系下的第一 d轴电流值ildl、 第一 q轴电流值ilql和第一 ζ轴电流值ilzl ;将第一网侧逆变器的d轴电流给定值ildlMf和q轴电流给定值与网侧同步旋转坐标系下的第一 d轴电流值ildl和第一 q轴电流值ilql输入给网侧第一电流环控制器, 经其分别进行PI调节并补偿后,得到网侧同步旋转坐标系下的第一 d轴电压值Uldl和第一 q轴电压值Ultll,网侧同步旋转坐标系下的第一 d轴电压值Uldl、第一 q轴电压值Ultll和θ工共同输 入给网侧第一 Park逆变换单元,并经其进行逆变换后,得到网侧两相静止坐标系下的第一电压值Ulal和U101,网侧两相静止坐标系下的第一电压值Ulal和U101通过网侧第一空间矢量脉宽调 制单元调制后生成第一网侧逆变器的初始三相占空比信号dlal‘ ,dlbl'和屯。/,第一网侧逆变器的初始三相占空比信号dlal'、dlbl'和屯。/分别与第一网侧逆 变器的三相占空比补偿量作差后,得到第一网侧逆变器的三相占空比信号dlal、dlbl和dlc;1, 将其分别作用于第一网侧逆变器的三相功率开关管,实现对第一网侧逆变器的控制;采集第二网侧逆变器输出端的三相电流值ila2、ilb2和ile2,将其与电网角度θ工共 同输入给网侧第二 abc/dqz变换单元,得到网侧同步旋转坐标系下的第二 d轴电流值ild2和 第二 q轴电流值ilq2;将第二网侧逆变器的d轴电流给定值和q轴电流给定值ilq2ref与网侧同步 旋转坐标系下的第二 d轴电流值ild2和第二 q轴电流值ilq2输入给网侧第二电流环控制器, 经其分别进行PI调节并补偿后,得到网侧同步旋转坐标系下的第二 d轴电压值Uld2和第二 q轴电压值u1(l2,网侧同步旋转坐标系下的第二 d轴电压值Uld2、第二 q轴电压值Ultl2和θ工共同输 入给网侧第二 Park逆变换单元,并经其进行逆变换后,得到网侧两相静止坐标系下的第二 电压值Ula2禾口 U102,网侧两相静止坐标系下的第二电压值Ula2和U102通过网侧第二空间矢量脉宽调 制单元调制后生成第二网侧逆变器的三相占空比信号dla2、(!lb2和dlc;2,将其分别作用于第二 网侧逆变器的三相功率开关管,实现对第二网侧逆变器的控制。本发明的优点是本发明提出了一种适用于永磁直驱风电系统的变流器,该变流 器的机侧变换器与网侧变换器共直流母线,实现了模块化设计,缩短了生产周期,并设计了 整套控制方法,抑制了环流,其控制方法简单,同时大大降低了系统的体积、重量及成本,并 提高了系统的效率和可靠性,大大拓宽了其应用范围。由于对相并联的两个机侧整流器和相并联的两个网侧逆变器可分别独立控制,因 此电流可进行不均等分配,在增加风电变流器功率等级的同时,提高了风电变流器生产的 灵活性。同时抑制了环流,解决了波形畸变等问题。


图1为本发明并联型永磁直驱风电变流器的拓扑结构图;图2为本发明控制方法 的信号走向示意图;图3为第一机侧整流器和第二机侧整流器的零轴平均模型图;图4为 第一网侧逆变器和第二网侧逆变器的零轴平均模型图。
具体实施例方式具体实施方式
一下面结合图1说明本实施方式,本实施方式包括第一背靠背PWM 变流器模块1和第二背靠背PWM变流器模块2,它还包括第一输入侧三相电抗器Lgl,第一输 出侧三相电抗器L11,第二输入侧三相电抗器Lg2,第二输出侧三相电抗器L12,第一背靠背PWM变流器模块1和第二背靠背PWM变流器模块2并联连接在直流母 线上,第一背靠背PWM变流器模块1的机侧输入端和所述变流器的三相风力发电输入端之 间串联有第一输入侧三相电抗器Lgl,第二背靠背PWM变流器模块2的机侧输入端和所述变流器的三相风力发电输入端之间串联有第二输入侧三相电抗器Lg2 ;第一背靠背PWM变流器 模块1的网侧输出端与所述变流器的三相电网信号输出端之间串联有第一输出侧三相电 抗器L11,第二背靠背PWM变流器模块2的网侧输出端与所述变流器的三相电网信号输出端 之间串联有第二输出侧三相电抗器L12 ;第一背靠背PWM变流器模块1由第一机侧整流器1-1、第一网侧逆变器1-2和第一 电容器1-3组成,第一机侧整流器1-1、第一电容器1-3和第一网侧逆变器1-2并联连接,第 一机侧整流器1-1的输入端为第一背靠背PWM变流器模块1的机侧输入端,第一网侧逆变 器1-2的输出端为第一背靠背PWM变流器模块1的网侧输出端;第二背靠背PWM变流器模块2由第二机侧整流器2-1、第二网侧逆变器2_2和第二 电容器2-3组成,第二机侧整流器2-1、第二电容器2-3和第二网侧逆变器2-2并联连接,第 二机侧整流器2-1的输入端为第二背靠背PWM变流器模块2的机侧输入端,第二网侧逆变 器2-2的输出端为第二背靠背PWM变流器模块2的网侧输出端。所述第一机侧整流器1-1、第一网侧逆变器1-2、第二机侧整流器2-1和第二网侧 逆变器2-2由绝缘栅双极型晶体管的功率开关管组成。本实施方式中,每套背靠背PWM变流器模块内直流母线上都并接有电容器,它起 到滤波和稳压的作用,第一输入侧三相电抗器Lgl和第二输入侧三相电抗器Lg2起到滤波、防 止母线短路的作用;第一输出侧三相电抗器L11和第二输出侧三相电抗器L12在起滤波、防 止母线短路作用的同时还起升压的作用。
具体实施方式
二 下面结合图2至图4说明本实施方式,本实施方式为基于实施方 式一所述风力发电系统中的并联型永磁直驱风电变流器的控制方法,所述控制方法基于下 述风力发电系统实现,该风力发电系统中所述变流器的三相风力发电输入端与永磁同步发 电机3的三相发电信号输出端相连接,所述变流器的三相电网信号输出端与电网4的三相 电源信号输入端相连接;所述风力发电系统中的并联型永磁直驱风电变流器的控制方法为采集第一输入侧三相电抗器Lgl输入端的三相电流值igal、igbl和igel,由机侧Clack 变换单元5对其进行变换,得到机侧两相静止坐标系下的电流值igal和igM,将机侧两相静止坐标系下的电流值igal、igM和永磁同步发电机3的转子位置角 θ g输入给机侧Park变换单元6,并经其变换后,得到机侧同步旋转坐标系下的第一 d轴电 流值igdl、第一 q轴电流值iMl和第一 ζ轴电流值igzl ;将第一机侧整流器1-1的d轴电流给定值igdlref和q轴电流给定值igilref与机侧 同步旋转坐标系下的第一 d轴电流值igdl和第一 q轴电流值igil输入给机侧第一电流环控 制器9,经其分别进行PI调节并补偿后,得到机侧同步旋转坐标系下的第一 d轴电压值Ugdl 和第一 q轴电压值Ugtll,机侧同步旋转坐标系下的第一 d轴电压值Ugdl、第一 q轴电压值Ugtll和永磁同步发 电机3的转子位置角θ g共同输入给机侧第一 Park逆变换单元10,并经其进行逆变换后, 得到机侧两相静止坐标系下的第一电压值Ugal和UgM,将机侧两相静止坐标系下的第一电压值Ugal和ugM通过机侧第一空间矢量脉宽调制单元11调制后生成第一机侧整流器1-1的初始三相占空比信号dgal ‘ ,dgbl ‘和dgc;1‘,将第一机侧整流器1-1的初始三相占空比信号dgal' , dgbl'和dg。/分别与第一机侧整流器1-1的三相占空比补偿量作差后,得到第一机侧整流器1-1的三相占空比信号 dgal、(!gbl和dgc;1,将其分别作用于第一机侧整流器1-1的三相功率开关管,实现对第一机侧整 流器1-1的控制;
采集第二机侧整流器2-1输入端的三相电流值iga2、igb2和ig。2,并与永磁同步发电 机3的转子位置角θ 8共同输入给机侧abc/dqz变换单元12,,得到机侧同步旋转坐标系下 的第二 d轴电流值igd2和第二 q轴电流值igi2 ;将第二机侧整流器2-1的d轴电流给定值igd2ref和q轴电流给定值igi2ref与机侧 同步旋转坐标系下的第二 d轴电流值igd2和第二 q轴电流值igi2输入给机侧第二电流环控 制器13,经其分别进行PI调节并补偿后,得到机侧同步旋转坐标系下的第二 d轴电压值Ugd2 和第二 q轴电压值ug(l2,机侧同步旋转坐标系下的第二 d轴电压值Ugd2、第二 q轴电压值Um2和永磁同步发 电机3的转子位置角θ g共同输入给机侧第二 Park逆变换单元14,得到机侧两相静止坐标 系下的第二电压值Uga2和Ug02,将机侧两相静止坐标系下的第二电压值Uga2和Ug02通过机侧第二空间矢量脉宽 调制单元15调制后生成第二机侧整流器2-1的三相占空比信号dga2、dgb2和dg。2,将其分别 作用于第二机侧整流器2-1的三相功率开关管,实现对第二机侧整流器2-1的控制;采集第一网侧逆变器1-2输出端的三相电流值ilal、ilbl和ilel,将其与电网角度θ i 共同输入给网侧第一 abc/dqz变换单元16,得到网侧同步旋转坐标系下的第一 d轴电流值 ildl、第一 q轴电流值ilql和第一 ζ轴电流值ilzl ;将第一网侧逆变器1-2的d轴电流给定值ildlref和q轴电流给定值与网侧 同步旋转坐标系下的第一 d轴电流值ildl和第一 q轴电流值ilql输入给网侧第一电流环控 制器17,经其分别进行PI调节并补偿后,得到网侧同步旋转坐标系下的第一 d轴电压值Uldl 和第一 q轴电压值Ultll,网侧同步旋转坐标系下的第一 d轴电压值Uldl、第一 q轴电压值Ultll和θ工共同输 入给网侧第一 Park逆变换单元18,并经其进行逆变换后,得到网侧两相静止坐标系下的第 一电压值Ulal和U101,网侧两相静止坐标系下的第一电压值Ulal和U101通过网侧第一空间矢量脉宽调 制单元19调制后生成第一网侧逆变器1-2的初始三相占空比信号dlal‘ ,dlbl'和dlcl',第一网侧逆变器1-2的初始三相占空比信号dlal' ,dlbl'和屯。/分别与第一网侧 逆变器1-2的三相占空比补偿量作差后,得到第一网侧逆变器1-2的三相占空比信号dlal、 dlbl和dlc;1,将其分别作用于第一网侧逆变器1-2的三相功率开关管,实现对第一网侧逆变 器1-2的控制;采集第二网侧逆变器2-2输出端的三相电流值ila2、ilb2和ile2,将其与电网角度θ工 共同输入给网侧第二 abc/dqz变换单元20,得到网侧同步旋转坐标系下的第二 d轴电流值 Iid2和第二 q轴电流值ilq2;将第二网侧逆变器2-2的d轴电流给定值ild2ref和q轴电流给定值ilq2ref与网侧 同步旋转坐标系下的第二 d轴电流值ild2和第二 q轴电流值ilq2输入给网侧第二电流环控 制器21,经其分别进行PI调节并补偿后,得到网侧同步旋转坐标系下的第二 d轴电压值Uld2 和第二 q轴电压值u1(l2,
网侧同步旋转坐标系下的第二 d轴电压值Uld2、第二 q轴电压值Ultl2和θ工共同输入给网侧第二 Park逆变换单元22,并经其进行逆变换后,得到网侧两相静止坐标系下的第
二电压值Ula2和U102,网侧两相静止坐标系下的第二电压值Ula2和U102通过网侧第二空间矢量脉宽调 制单元23调制后生成第二网侧逆变器2-2的三相占空比信号dla2、dlb2和dlc;2,将其分别作 用于第二网侧逆变器2-2的三相功率开关管,实现对第二网侧逆变器2-2的控制。所述永磁同步发电机3的转子位置角θ g可以采用现有方法获得,例如,可采用下 述方法获得由转子位置观测器24根据机侧两相静止坐标系下的电流值iga Pig01,机侧两 相静止坐标系下的第一电压值ugal、ugM通过多重化滑模算法得到。所述第一机侧整流器1-1的q轴电流给定值igilMf和第二机侧整流器2-1的q轴 电流给定值igi2Mf可以为现有永磁直驱风电系统中为实现发电目的而预先设定的电流值, 该电流值可以采用下述方法确定采用最大功率点追踪单元7对永磁同步发电机3所能捕 获的最大风能进行追踪采集,并输出机侧q轴电流给定值ig_f,再经机侧电流权重分配单 元8将其分配为第一机侧整流器1-1的q轴电流给定值和第二机侧整流器2-1的q 轴电流给定值igi2Mf ;所述第一机侧整流器1-1的d轴电流给定值igdlref和第二机侧整流器 2-1的d轴电流给定值igd2ref为给定值。所述第一机侧整流器1-1的三相占空比补偿量可以采用下述方法获取采用机侧 环流控制器25对机侧同步旋转坐标系下的第一 ζ轴电流值igzl和第一机侧整流器1-1的ζ 轴电流给定值igzlMf进行PI调节,得到第一机侧整流器1-1的三相占空比补偿量。所述电网角度θ i可以采用下述方法获得由软件锁相环26根据电网4输入端的 三相电压值ula、Ulb和Ule计算得到。所述第一网侧逆变器1-2的d轴电流给定值ildlMf和第二网侧逆变器2-2的d轴 电流给定值ild&ef可以采用下述方法获取采用电压环控制器28对直流母线电压Udc和直 流母线电压给定值Udcref进行PI调节,输出网侧d轴电流给定值ildMf,再经网侧电流权重分 配单元27将其分配为第一网侧逆变器1-2的d轴电流给定值ildlMf和第二网侧逆变器2-2 的d轴电流给定值ild2ref ;所述第一网侧逆变器1-2的q轴电流给定值和第二网侧逆 变器2-2的q轴电流给定值i1(l2Mf为给定值。所述第一网侧逆变器1-2的三相占空比补偿量可以采用下述方法获取采用网侧 环流控制器29对网侧同步旋转坐标系下的第一 ζ轴电流值ilzl和第一网侧逆变器1-2的ζ 轴电流给定值ilzlMf进行PI调节,得到第一网侧逆变器1-2的三相占空比补偿量。将第一机侧整流器1-1、第二机侧整流器2-1与永磁同步发电机 3permanentmagnet synchronous generator,PMSG)所在的一侧作为机侧,第一网侧逆变器 1-2、第二网侧逆变器2-2和电网4所在的一侧作为网侧,本实施方式中的变流器的机侧环 流与网侧环流互相独立,可分别控制,它的工作过程如下对于机侧由于第一机侧整流器1-1和第二机侧整流器2-1的环流之和为零,因此 只要抑制其中一个整流器的环流,另一整流器的环流就自然得到抑制。由电流传感器测量 得到第一机侧整流器1-1输入端的三相电流值igal、Igbl和igc;1,由变换矩阵T<formula>formula see original document page 12</formula>
经计算获得到机侧ζ轴电流信号igzl,此时ω取PMSG转子角速度,即%=l,将
igzl送入机侧环流控制器25作为反馈信号,将第一机侧整流器1-1的ζ轴电流给定值igzlref 设定为0,经机侧环流控制器25进行PI调节后的输出分别补偿到第一机侧整流器1-1的 三相占空比上,从而调整第一机侧整流器1-1三相占空比的零轴分量,达到抑制机侧环流 的目的。在补偿第一机侧整流器1-1三相占空比的零轴分量时,应满足补偿量小于TcZH 为空间矢量脉宽调制SVPWM方式中一个开关周期内零矢量的作用时间,以保证在抑制机侧 环流的同时不影响其它控制量。PMSG的转子位置角θ g通过转子位置观测器24由多重化滑模算法得到。为最大 捕获风能,使用最大功率点追踪单元7的最大功率点追踪MPPT技术,将其输出经过权重分 配后,分别作为第一机侧整流器1-1的q轴电流给定值和第二机侧整流器2-1的q轴 电流给定值igi2ref,两整流器的d轴电流给定一般为零,以保证在容量一定的情况下两机侧 整流器向直流侧输出有功功率的能力最大,并减低PMSG损耗,提高发电效率。对于网侧由于第一网侧逆变器1-2和第一网侧逆变器1-2的环流之和为零,因此 只要抑制网侧其中一个逆变器的环流,另一网侧逆变器的环流就自然得到抑制。由电流传 感器测量得到第一网侧逆变器1-2输出的三相电流值ilal、ilbl和ilc;1,由式(一)所示变换
矩阵可以得到网侧ζ轴电流信号ilzl,此时ω取电网同步角速度,即岣,将ilzl送入网
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侧环流控制器29作为反馈信号,将第一网侧逆变器1-2的ζ轴电流给定值ilzlMf设定为0, 经网侧环流控制器29进行PI调节后的输出分别补偿到第一网侧逆变器1-2的三相占空比 上,从而调整第一网侧逆变器1-2三相占空比的零轴分量,达到抑制网侧环流的目的。在补 偿第一网侧逆变器1-2三相占空比的零轴分量时,同样应满足补偿量小于1;/4,以保证在抑 制网侧环流的同时不影响其它控制量。两网侧逆变器使用共同的电压外环、各自单独的电流内环,即由电压传感器测得 的直流母线电压信号Udc送到电压环控制器28内部的AD单元,转换为数字信号后作为反 馈量与直流母线电压给定值Utorf—同送入电压环控制器28,其输出经权重分配后,分别作 为第一网侧逆变器1-2的d轴电流给定值ildlMf和第二网侧逆变器2-2的d轴电流给定值 Ild2ref ;第一网侧逆变器1-2的q轴电流给定值和第二网侧逆变器2-2的q轴电流给 定值ili2ref—般为零,以保证在容量一定的情况下网侧逆变器向电网馈送有功功率的能力 最大,并实现单位功率因数并网,网侧q轴电流给定值和也可由电网对无功的 需求给出,以实现永磁直驱风电变流器对电网的无功补偿。图3所示,图中dgzl、dgz2分别为第一机侧整流器1-1和第二机侧整流器2-1三相 占空比的零轴分量,Rgl> Rg2分别为第一机侧整流器1-1和第二机侧整流器2-1包含电感电 阻在内的三相线路电阻,igz为所述机侧的环流,机侧同步旋转坐标系下的第一 ζ轴电流值 igzl为第一机侧整流器1-1的环流,igz2为第二机侧整流器2-1的环流。
图4所示,图中dlzl、dlz2分别为第一网侧逆变器1-2和第二网侧逆变器2-2三相占空比的零轴分量,R11 > R12分别为第一网侧逆变器1-2和第二网侧逆变器2-2包含电感电 阻在内的三相线路电阻,ilz为所述网侧的环流,网侧同步旋转坐标系下的第一 ζ轴电流值 ilzl为第一网侧逆变器1-2的环流,ilz2为第二网侧逆变器2-2的环流。从图3和图4可知,机侧环流igz是由第一机侧整流器1-1和第二机侧整流器2-1 三相占空比的零轴分量dgzl、(!gz2不一致造成的,即dgzl Φ dgz2,通过调节dgzl或dgz2可以达到 调节机侧环流的目的;网侧环流ilz是由第一网侧逆变器1-2和第二网侧逆变器2-2三相占 空比的零轴分量dlzl、(!lz2不一致造成的,即dlzl Φ dlz2,通过调节dlzl或dlz2可以达到调节网 侧环流的目的。机侧环流可表示为<formula>formula see original document page 13</formula>
网侧环流可表示为
<formula>formula see original document page 13</formula>
由图3、图4和式(二)、(三)可以看出,在直流母线电压一定的情况下,机侧环 流igz只与机侧三相线路电阻、进线电感和占空比的零轴分量有关,与网侧控制量无关;同 理网侧环流ilz只与网侧三相线路电阻、进线电感和占空比的零轴分量有关,与机侧控制量 无关,因此机侧环流igz与网侧环流ilz是互相独立的,在设计机侧环流控制器和网侧环流控 制器时可独立考虑。对于机侧环流,由于igz = igzl = _igz2,只要抑制机侧其中一个整流器的环流,另一 机侧整流器的环流就自然得到抑制,本实施方式中针对第一机侧整流器1-1设计了环流控 制器。首先电流传感器测量第一机侧整流器1-1的三相电流igal、igbl、igc;1,经坐标变换得到 零轴电流信号igzl,送入机侧环流控制器25后与设定为0的ζ轴电流给定值igzlref经PI调 节后补偿到第一机侧整流器1-1的初始三相占空比上,得到第一机侧整流器1-1的三相占 空比信号dgal、dgbl、dgc;1,从而调整dgzl,达到抑制机侧环流的目的。由三相占空比信号dgal、 dgbl>dgcl,生成6路PWM波,经光纤隔离后送到驱动板,最终得到第一机侧整流器1-1的6路 PWM驱动信号。由第二机侧整流器2-1的三相占空比信号dga2、(!gb2和dg。2,同样生成6路PWM 波,经光纤隔离后送到驱动板,最终得到第二机侧整流器2-1的6路PWM驱动信号。对于网侧环流,首先电流传感器测量第一网侧逆变器1-2的三相电流ilal、ilbl、 ,经坐标变换得到零轴电流信号ilzl,送入网侧环流控制器29后与设定为0的ζ轴电流
给定值ilzlMf经PI调节后补偿到第一网侧逆变器1-2的初始三相占空比上,得到第一网侧 逆变器1-2的三相占空比信号dlal、dlbl、dlc;1,从而调整dlzl,达到抑制网侧环流的目的。由第 一网侧逆变器1-2的三相占空比信号dlal、dlbl和dlc;1,生成6路PWM波,经光纤隔离后送到 驱动板,最终得到第一网侧逆变器1-2的6路PWM驱动信号。由第二网侧逆变器2-2的三 相占空比信号dla2、(!lb2和dlc;2,同样生成6路PWM波,经光纤隔离后送到驱动板,最终得到第 二网侧逆变器2-2的6路PWM驱动信号。
本实施方式中,相并联的两个机侧整流器和相并联的两个网侧逆变器可分别独立 控制,对其进行电流不均等分配,以实现不同功率等级变换器的并联。
权利要求
一种风力发电系统中的并联型永磁直驱风电变流器,它包括第一背靠背PWM变流器模块(1)和第二背靠背PWM变流器模块(2),其特征在于它还包括第一输入侧三相电抗器(Lg1),第一输出侧三相电抗器(Ll1),第二输入侧三相电抗器(Lg2),第二输出侧三相电抗器(Ll2),第一背靠背PWM变流器模块(1)和第二背靠背PWM变流器模块(2)并联连接在直流母线上,第一背靠背PWM变流器模块(1)的机侧输入端和所述变流器的三相风力发电输入端之间串联有第一输入侧三相电抗器(Lg1),第二背靠背PWM变流器模块(2)的机侧输入端和所述变流器的三相风力发电输入端之间串联有第二输入侧三相电抗器(Lg2);第一背靠背PWM变流器模块(1)的网侧输出端与所述变流器的三相电网信号输出端之间串联有第一输出侧三相电抗器(Ll1),第二背靠背PWM变流器模块(2)的网侧输出端与所述变流器的三相电网信号输出端之间串联有第二输出侧三相电抗器(Ll2);第一背靠背PWM变流器模块(1)由第一机侧整流器(1-1)、第一网侧逆变器(1-2)和第一电容器(1-3)组成,第一机侧整流器(1-1)、第一电容器(1-3)和第一网侧逆变器(1-2)并联连接,第一机侧整流器(1-1)的输入端为第一背靠背PWM变流器模块(1)的机侧输入端,第一网侧逆变器(1-2)的输出端为第一背靠背PWM变流器模块(1)的网侧输出端;第二背靠背PWM变流器模块(2)由第二机侧整流器(2-1)、第二网侧逆变器(2-2)和第二电容器(2-3)组成,第二机侧整流器(2-1)、第二电容器(2-3)和第二网侧逆变器(2-2)并联连接,第二机侧整流器(2-1)的输入端为第二背靠背PWM变流器模块(2)的机侧输入端,第二网侧逆变器(2-2)的输出端为第二背靠背PWM变流器模块(2)的网侧输出端。
2.根据权利要求1所述的风力发电系统中的并联型永磁直驱风电变流器,其特征在 于所述第一机侧整流器(1-1)、第一网侧逆变器(1-2)、第二机侧整流器(2-1)和第二网侧 逆变器(2-2)由绝缘栅双极型晶体管的功率开关管组成。
3.一种基于权利要求1所述的风力发电系统中的并联型永磁直驱风电变流器的控制 方法,其特征在于所述控制方法基于下述风力发电系统实现,该风力发电系统中所述变流 器的三相风力发电输入端与永磁同步发电机(3)的三相发电信号输出端相连接,所述变流 器的三相电网信号输出端与电网⑷的三相电源信号输入端相连接;所述风力发电系统中的并联型永磁直驱风电变流器的控制方法为 采集第一输入侧三相电抗器(Lgl)输入端的三相电流值igal、igbl和igel,由机侧Clack 变换单元(5)对其进行变换,得到机侧两相静止坐标系下的电流值igal和igM,将机侧两相静止坐标系下的电流值igal、igM和永磁同步发电机(3)的转子位置角eg 输入给机侧Park变换单元(6),并经其变换后,得到机侧同步旋转坐标系下的第一 d轴电流 值igdl、第一 q轴电流值iMl和第一 ζ轴电流值igzl ;将第一机侧整流器(1-1)的d轴电流给定值igdlref和q轴电流给定值与机侧同 步旋转坐标系下的第一 d轴电流值igdl和第一 q轴电流值iMl输入给机侧第一电流环控制 器(9),经其分别进行PI调节并补偿后,得到机侧同步旋转坐标系下的第一 d轴电压值Ugdl 和第一 q轴电压值Ugtll,机侧同步旋转坐标系下的第一 d轴电压值Ugdl、第一 q轴电压值Ugtll和永磁同步发电机 (3)的转子位置角θ g共同输入给机侧第一 park逆变换单元(10),并经其进行逆变换后, 得到机侧两相静止坐标系下的第一电压值Ugal和UgM,将机侧两相静止坐标系下的第一电压值Ugal和Ug01通过机侧第一空间矢量脉宽调制 单元(11)调制后生成第一机侧整流器(1-1)的初始三相占空比信号dgal‘ ,dgbl‘和dgc;1‘, 将第一机侧整流器(1-1)的初始三相占空比信号dgal' , dgbl'和dg。/分别与第一机 侧整流器(1-1)的三相占空比补偿量作差后,得到第一机侧整流器(1-1)的三相占空比信 号(1_、dgbl和dgc;1,将其分别作用于第一机侧整流器(1-1)的三相功率开关管,实现对第一 机侧整流器(1-1)的控制; 采集第二机侧整流器(2-1)输入端的三相电流值iga2、igb2和ig。2,并与永磁同步发电机 (3)的转子位置角98共同输入给机侧abc/dqz变换单元(12),得到机侧同步旋转坐标系 下的第二 d轴电流值igd2和第二 q轴电流值igi2 ;将第二机侧整流器(2-1)的d轴电流给定值igd2ref和q轴电流给定值与机侧同 步旋转坐标系下的第二 d轴电流值igd2和第二 q轴电流值igi2输入给机侧第二电流环控制 器(13),经其分别进行PI调节并补偿后,得到机侧同步旋转坐标系下的第二 d轴电压值Ugd2 和第二 q轴电压值ug(l2,机侧同步旋转坐标系下的第二 d轴电压值Ugd2、第二 q轴电压值Um2和永磁同步发电机 (3)的转子位置角θ g共同输入给机侧第二 park逆变换单元(14),得到机侧两相静止坐标 系下的第二电压值Uga2和Ug02,将机侧两相静止坐标系下的第二电压值Uga2和Ug02通过机侧第二空间矢量脉宽调制 单元(15)调制后生成第二机侧整流器(2-1)的三相占空比信号dga2、dgb2和dg。2,将其分别 作用于第二机侧整流器(2-1)的三相功率开关管,实现对第二机侧整流器(2-1)的控制;采集第一网侧逆变器(1-2)输出端的三相电流值ilal、ilbl和ilc;1,将其与电网角度θ工 共同输入给网侧第一 abc/dqz变换单元(16),得到网侧同步旋转坐标系下的第一 d轴电流 值ildl、第一 q轴电流值ilql和第一 ζ轴电流值ilzl ;将第一网侧逆变器(1-2)的d轴电流给定值ildlref和q轴电流给定值与网侧同 步旋转坐标系下的第一 d轴电流值ildl和第一 q轴电流值ilql输入给网侧第一电流环控制 器(17),经其分别进行PI调节并补偿后,得到网侧同步旋转坐标系下的第一 d轴电压值Uldl 和第一 q轴电压值Ultll,网侧同步旋转坐标系下的第一 d轴电压值Uldl、第一 q轴电压值Ultll和θ工共同输入给 网侧第一 Park逆变换单元(18),并经其进行逆变换后,得到网侧两相静止坐标系下的第一 电压值Ulal和U101,网侧两相静止坐标系下的第一电压值Ulal和U101通过网侧第一空间矢量脉宽调制单 元(19)调制后生成第一网侧逆变器(1-2)的初始三相占空比信号dlal‘ ,dlbl'和dlcl',第一网侧逆变器(1-2)的初始三相占空比信号dlal'、dlbl'和dlcl'分别与第一网侧 逆变器(1-2)的三相占空比补偿量作差后,得到第一网侧逆变器(1-2)的三相占空比信号 dlal、(!lbl和dlc;1,将其分别作用于第一网侧逆变器(1-2)的三相功率开关管,实现对第一网侧 逆变器(1-2)的控制;采集第二网侧逆变器(2-2)输出端的三相电流值ila2、ilb2和ilc;2,将其与电网角度θ工 共同输入给网侧第二 abc/dqz变换单元(20),得到网侧同步旋转坐标系下的第二 d轴电流 值ild2和第二 q轴电流值11(12 ; 将第二网侧逆变器(2-2)的d轴电流给定值ild2ref和q轴电流给定值i1(l2Mf与网侧同步旋转坐标系下的第二 d轴电流值ild2和第二 q轴电流值ilq2输入给网侧第二电流环控制 器(21),经其分别进行PI调节并补偿后,得到网侧同步旋转坐标系下的第二 d轴电压值Uld2 和第二 q轴电压值u1(l2,网侧同步旋转坐标系下的第二 d轴电压值Uld2、第二 q轴电压值Ultl2和θ工共同输入给 网侧第二 Park逆变换单元(22),并经其进行逆变换后,得到网侧两相静止坐标系下的第二 电压值Ula2禾口 U102, 网侧两相静止坐标系下的第二电压值Ula2和U102通过网侧第二空间矢量脉宽调制单 元(23)调制后生成第二网侧逆变器(2-2)的三相占空比信号dla2、dlb2和dlc;2,将其分别作 用于第二网侧逆变器(2-2)的三相功率开关管,实现对第二网侧逆变器(2-2)的控制。
4.根据权利要求3所述的风力发电系统中的并联型永磁直驱风电变流器的控制方法, 其特征在于所述永磁同步发电机⑶的转子位置角θ g的获得方法为由转子位置观测器 (24)根据机侧两相静止坐标系下的电流值igal、igM,机侧两相静止坐标系下的第一电压值 ugal、ug01通过多重化滑模算法得到。
5.根据权利要求3所述的风力发电系统中的并联型永磁直驱风电变流器的控制方法, 其特征在于所述第一机侧整流器(1-1)的q轴电流给定值igilref和第二机侧整流器(2-1) 的q轴电流给定值igi2ref的获取方法为采用最大功率点追踪单元(7)对永磁同步发电机 (3)所能捕获的最大风能进行追踪采集,并输出机侧q轴电流给定值,再经机侧电流权 重分配单元(8)将其分配为第一机侧整流器(1-1)的q轴电流给定值igilMf和第二机侧整 流器(2-1)的q轴电流给定值ig(l2Mf ;所述第一机侧整流器(1-1)的d轴电流给定值igdlref 和第二机侧整流器(2-1)的d轴电流给定值igd&rf为给定值。
6.根据权利要求3所述的风力发电系统中的并联型永磁直驱风电变流器的控制方法, 其特征在于所述第一机侧整流器(1-1)的三相占空比补偿量的获取方法为采用机侧环 流控制器(25)对机侧同步旋转坐标系下的第一 ζ轴电流值igzl和第一机侧整流器(1-1)的 ζ轴电流给定值igzlref进行PI调节,得到第一机侧整流器(1-1)的三相占空比补偿量。
7.根据权利要求3所述的风力发电系统中的并联型永磁直驱风电变流器的控制方法, 其特征在于所述电网角度θ工的获得方法为由软件锁相环(26)根据电网(4)输入端的 三相电压值ula、Ulb和Ule计算得到。
8.根据权利要求3所述的风力发电系统中的并联型永磁直驱风电变流器的控制方法, 其特征在于所述第一网侧逆变器(1-2)的d轴电流给定值ildlref和第二网侧逆变器(2-2) 的d轴电流给定值的获取方法为采用电压环控制器(28)对直流母线电压Udc和直 流母线电压给定值Udcref进行PI调节,输出网侧d轴电流给定值ildMf,再经网侧电流权重分 配单元(27)将其分配为第一网侧逆变器(1-2)的d轴电流给定值ildlMf和第二网侧逆变器 (2-2)的d轴电流给定值;所述第一网侧逆变器(1-2)的q轴电流给定值和第 二网侧逆变器(2-2)的q轴电流给定值i1(l2Mf为给定值。
9.根据权利要求3所述的风力发电系统中的并联型永磁直驱风电变流器的控制方法, 其特征在于所述第一网侧逆变器(1-2)的三相占空比补偿量的获取方法为采用网侧环 流控制器(29)对网侧同步旋转坐标系下的第一 ζ轴电流值ilzl和第一网侧逆变器(1-2)的 ζ轴电流给定值ilzlref进行PI调节,得到第一网侧逆变器(1-2)的三相占空比补偿量。
全文摘要
风力发电系统中的并联型永磁直驱风电变流器及其控制方法,属于电力电子技术领域。它解决了现有并联变流器在解决环流问题时造成的系统体积增大及控制方法复杂的问题。它的并联型永磁直驱风电变流器由两套背靠背PWM变流器模块、两个输入侧三相电抗器和两个输出侧三相电抗器组成;每套背靠背PWM变流器模块由整流器、逆变器和电容器组成;它的控制方法为在机侧采用机侧环流控制器,将其输出补偿到第一机侧整流器的初始三相占空比上;在网侧采用网侧环流控制器,将其输出补偿到第一网侧逆变器的初始三相占空比上,从而分别调整背靠背PWM变流器模块的三相占空比信号,达到抑制环流的目的。本发明用于将更大功率发电机的能量输送到电网。
文档编号H02M5/458GK101826804SQ201010178989
公开日2010年9月8日 申请日期2010年5月21日 优先权日2010年5月21日
发明者徐壮, 徐殿国, 李广军, 李 瑞 申请人:哈尔滨工业大学
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