专利名称：一种高电压冗余的双馈风力发电机变流器及其低电压穿越控制方法
技术领域：
本发明涉及一种连接电网的应用于双馈风力发电机(DFIG)的部分功率双向电力 电子变流器系统方案，主要应用于风力发电机驱动领域。本发明与传统变流器方案相比采 用了更大的电压冗余范围，能够更好地满足电网故障时系统的运行要求。
背景技术：
目前主流风电市场采用的双馈变流器的模块的输出三相电压为690伏，硬件拓扑 如图1所示，主要由电网侧变流器(1)、电机侧变流器O)、直流环节(3)、泄荷电路(4)和转 子短路保护(crowbar)电路(5)组成。电网侧变流器(1)的控制目的是有效传递来自电机侧变流器的有功功率，保持直 流环节(3)上直流电压的稳定，并且根据电网要求输出无功功率，维持电网的稳定运行。电机侧变流器(2)的控制器的目的是控制双馈风力发电机(6)的转速，从而最终 控制系统的有功功率输入。电机侧变流器O)的控制器同时需要控制定子侧的无功功率， 使整个系统在发电的同时满足入网要求。双馈风力发电机(6)的定子和电网(7)直接连接， 转子通过电刷和电机侧变流器( 相连接。相对于全功率的风力发电方案，仅仅约1/3到 1/2的风力发电机功率的流入或者流出变流器，从而可以大大降低变流器的容量和损耗，降 低了变流器的成本，提高了整个系统的工作效率。电网侧变流器⑴与电机侧变流器(2)均由三相共6个电力电子模块(绝缘型门 级双极性晶体管(IGBT) (9) +二极管(Diode) (10))组成，如图2所示。为了保证690V的输 出电压，通常直流母线电压会选择1100V左右。考虑变流器运行中的电压波动以及器件运 行寿命等因素，通常主流变流器会选用耐压值在1700V的IGBT以及Diode。业界的主要双 馈变流器大多采用以上的变流器方案。为了保证风电场电网的稳定运行，世界各国的都对风机的低电压穿越能力提出了 特定要求，主要包括1.风机在低电压故障下在短时间内继续保持联网运行；2.风机在短时间低电压故障下能够输出一定无功电流以支持电网运行。如图3所述，采用传统拓扑的变流器会有一系列的动作以保证风机的低电压穿越 过程能力。在检测到低电压故障后，变流器及其控制器会进入低电压穿越状态。进入低电压穿越状态后，风机控制器需要控制双馈风力发电机(6)和风桨(8)的 运行状态，降低通过整个变流器的有功功率，即降低对于直流环节⑶的压力。电网端变流器(1)要求输出电网要求的无功电流，与此同时，控制有功电流维持 直流母线电压稳定在Iioov左右。受到电网侧变流器(1)电流容量的限制，电网侧变流器 (1)将限制变流器的有功电流输出以保证电网要求的无功电流。但是，由于交流电网电压的 降低以及输出交流电流的限制，电机侧变流器( 输入直流环节(3)的能量通常并不能完 全通过电网侧变流器(1)送入交流电网(7)，因而直流母线电压可能超过1100V，因此需要采用泄荷电路(4)将能量释放在直流泄荷电阻上。泄荷电路由一个或多个泄荷电阻以 及一个或多个开关器件组成，泄荷电阻和开关期间的暂态功率必须满足暂态的泄荷能量要 求，具体要求的能量范围与风力发电机控制特性以及电网要求有关。电网侧变流器(1)同 时需要限制电网侧的负序电流。进入低电压穿越状态后，电机侧变流器( 要求控制双馈风力发电机(6)的有功 功率和无功功率，并且限制转子侧的负序电流。由于电机侧变流容量O)的限制，在低电压故障发生的瞬间，电机侧变流容量⑵ 难以输出足够的电压，因此需要打开crowbar电路(5)来释放多余的瞬间能量。上述方法的主要的问题为1.泄荷电路(4)给系统带来额外的成本以及可靠性的问题，另外由于泄荷电阻的 能量要求，泄荷电路通常体积较大，对于变流器的整体体积以及能量密度都有相当程度的影响。2.变流器的crowbar电路(5)由三相双向晶闸管和三相保护电阻组成。大容量的 crowbar电路给系统带来额外的成本、发热、体积以及可靠性的问题。3.由于风电的不稳定性，世界各国对于风机的上网要求越来越高，中国在《风电接 入电网技术规定》中也明确给出了低电压穿越要求。欧洲各国的电网标准对于低电压穿越 的要求更为严格，德国的Eon、英国的National Grid以及丹麦的电力机构都分别在各自的 电网标准中明确给出了低电压穿越的要求，而且目前要求也在逐年提高。另外，据统计数据 表明，由于低电压穿越失败而损坏的变流器中的大多数是因为穿越反冲电压击穿电力电子 器件而损毁。因此风电变流器在20%过电压甚至更高的电压下的支撑能力将成为未来风机 的必要要求。然而根据上述的目前风电变流器的传统方案，当直流母线电压在1100V时，考 虑死区时间、最小开关时间、器件压降等一些列因素，传统方案变流器的额定输出为690V， 最大支撑电压为745V。而+20%的过电压能力则要求变流器能够支撑690X 1. 2 = 828V的 能力。因此传统变流方案无法满足日益严格的过电压要求。4.无论是电网(7)侧的负相序还是电机(6)侧的负相序补偿都因为受到变流器容 量限制而很难完全补偿。负相序的存在会降低输入电网的电流质量，增加谐波以及滤波器 的设计难度。一般采用的方法是放弃对于转矩和有功功率的控制而优先控制负序电流和无 功电流，但是这样可能导致转速的失控而不断升高，甚至超过可控速度范围而关机。
发明内容
本发明的目的是提供一种高电压冗余的风电变流器解决方案，使得变流器具备如下新的特性1.提供20%甚至更高的反冲电压支撑能力；2.可以省略泄荷电路，同时节省crowbar电路的容量；3.额外的负序列补偿能力；4.额外的无功补偿能力。为达到上述目的，发明的构思是采用比传统变流器高冗余的电压，使用2500V耐压的IGBT或者采用两个1200V的 IGBT的串联方案，这样可以将直流电压值最高提高到1700V左右。正常工作状态时，选择较低的固定的直流母线电压，如1250V，并且采用传统的控制方法。在低电压穿越故障中，允许 直流母线电压上升到最大1700V，利用电容在两个电压之间的储能能力来达到暂时吸收由 于低电压故障而无法送入电压的多余的风机能量的作用，因此本发明不需要使用额外的泄 荷电路⑷。在带负载条件下，相对于传统变流器，当低电压故障发生时，高冗余特性提供了更 高的交流输出电压(最大可以超过1000V)，使得转子侧的负相序电流可以更好地得到补 偿，提高了电机侧变流器O)的安全性，从而采用小容量的crowbar电路。由于选择了耐压更高的电力电子器件以及低电压穿越中更高的直流母线电压，本 发明能够提供更高的反冲电压支撑能力。出于各种实际情况的限制，风机的多数时间并不工作在额定输出状态，这些时间 内变流器剩余的电流输出能力可以为电网提供无功支撑能力，由于选用的电力电子器件的 额外耐压能力，本发明具备额外的无功输出能力，在变流器运行的同时可以根据电网的需 求提供补偿无功功率的补偿。尽管选用高耐压器件或者串联器件会部分提高变流器成本，然而本发明采用了小 容量的crowbar电路，并且取消了泄荷电路，并且其无功补偿能力可以降低整个风场在无 功补偿中投入的成本，在系统角度补偿了由于采用高耐压器件的额外成本。根据上述的发明构思，本发明的技术方案如下本发明的硬件模块的拓扑结构如图4所示，模块在传统变流器的基础上省去了泄 荷电路G)，原本的1700V耐压的电力电子器件由2500V高电压器件或者两个耐压为1200V 器件串联代替。相对于图1的硬件拓扑结构，本发明采用较小容量的crowbar电路(11)。本发明的控制算法如图5所示。在系统检测到低电压后，发电机控制端与风机主控制器将共同动作迅速降低发电 机端有功输入。在电网侧变流器(1)端，普通工作状态下，变流器的直流环节C3)母线电压设定为 1250V，略高于传统变流器方案，这样可以获得更高的灵活性和冗余度。此时的控制算法和 传统的算法相同。在低电压穿越发生时，电网侧变流器会控制有功电流的输出，将直流环节 (3)母线电压参考值提高到1700V。假设直流母线电容为lOOmF，在直流母线从1250V提高 到1700V的过程中，变流器提供的额外储能能力为E = ^CV12 -^CV22 =132 KJ在有功输入降低之前，发电机有功输入与电网输出的能量差由电容的额外储能能 力承担，因此节约了泄荷电路0)。系统同时输出根据低电压的降低幅度计算出电网规范所 要求的无功参考电流。电机侧变流器O)需要进行无功功率和有功功率的控制，同时需要抑制负序电 流。在低电压穿越发生时，由于变流器的直流母线快速上升到了 1700V，因此可以大幅度提 高电机侧变流器O)的输出电压，从而可以更大程度上通过算法平衡转子的瞬间感应电动 势，节省了 crowbar电路(11)的容量。当电网从低电压过程中恢复时，变流器的直流母线1700V的高电压继续维持一段 时间，根据其电压输出能力，可以在690V电网电压的150%过电压保持变流器联机运行，能够符合任何电网标准的电压要求。当低电压恢复时发生的电压过冲过去之后，变流器的直 流母线恢复到1250V的低电压，恢复到正常的控制状态。本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的实质性特点和显著优点1.高电压冗余的变流器在具有低电压穿越的能力的同时不需要泄荷电路，并且节 省了 crowbar电路(11)的容量，降低了变流器系统的所占空间，提高了变流器的能量密度， 并且可能降低整个系统的成本。2.与传统变流器相比，过电压支持能力提高到了 150%，可以符合世界任何电网 标准的过电压要求。3.在日常运行中可以持续提供无功功率补偿，减少了电网的无功补偿成本，在系 统角度弥补了本发明采用了高电压器件或者串联器件的额外成本。
图1是传统变流器功率模块硬件系统框图；图2是组成电机端或者电流端变流器的三相全桥硬件图；图3是传统变流器的低电压穿越流程图；图4是本发明变流器功率模块的硬件系统框图；图5是本发明的低电压穿越算法结构图；图6是本发明实施范例的的磁链角度观测器；图7是本发明实施范例的电机侧变流器算法图；图8是本发明实施范例的电机侧变流器的控制外环算法图；图9是本发明实施范例的电机侧变流器的控制内环算法图；图10是本发明的crowbar实现图；图11是本发明实施范例的电网侧变流器算法图；图12是本发明实施范例的电网侧变流器的控制外环算法图；图13是本发明实施范例的电网侧变流器的控制内环算法具体实施例方式本发明的优选实施范例结合附图详述如下实施范例的目标标准为功率3丽、电机端电压690V。图6为本发明的定子磁链角度观测器的算法实现。磁链观测器的目的在于分别获 得正坐标和负坐标同步坐标系的角度。观测器首先将双馈风力发电机(6)的电压和电流从 三相系统转换成静止的α β轴，转换矩阵为
权利要求
1.一种连接电网的高电压冗余的双馈风力发电机的变流器及其低电压穿越控制方法。 其特征在于包括一个背靠背结构的双向全控变流器，此变流器采用高冗余的母线电压，和低容量的转 子保护电路(crowbar)，并且省略了泄荷电路。一个新型的磁链观测器，可以同时观测双馈风力发电机的正序定子磁链和负序定子磁链。一个新型的电机侧变流器的低电压穿越控制方法，采用基于正序定子磁链同步坐标系 的矢量控制算法控制双馈风力发电机的转速和定子侧无功功率，采用基于负序定子磁链同 步坐标系的矢量控制算法控制负序电流。一个新型的电网侧变流器的控制方法，采用新基于定子磁链同步坐标系的矢量控制算 法控制直流母线电压和无功电流。采用基于负序定子磁链同步坐标系的矢量控制算法控制 负序电流。一个crowbar控制电路，保护电机侧变流器的安全。
2.按照权利要求1所述的双向全控变流器，其特征在于包括电机侧变流器、电网侧变 流器、直流环节和crowbar电路。
3.按照权利要求1所述的磁链观测器，其特征在于3—α β变换模块、积分模块、正负 序剥离模块和α β —…0变换模块。
4.按照权利要求1所述的电机侧变流器，其特征在于控制方法由控制外环、控制内环、 dq_ — dq+变换模块和dq+ — 3变换模块组成。
5.按照权利要求1所述的电网侧变流器，其特征在于控制方法由控制外环、控制内环、 dq_ — dq+变换模块和dq+ — 3变换模块组成。
6.按照权利要求1所述的corwbar电路，其特征在于滞回控制电路和双向晶闸管。
7.按照权利要求3所述的电机侧变流器的控制外环，其特征在于有功功率环、无功功 率环和电流限幅环节。
8.按照权利要求3所述的电机侧变流器的控制内环，其特征在于正序电流环、正序电 机解耦电路、负序电流环和负序电机解耦电路。
9.按照权利要求4所述的电网侧变流器的控制外环，其特征在于有功功率环、无功功 率环和电流限幅环节。
10.按照权利要求4所述的电网侧变流器的控制内环，其特征在于正序电流环、正序电 网解耦电路、负序电流环和负序电网解耦电路。
全文摘要
一种连接电网的高电压冗余双馈变流器系统及其低电压穿越控制方法，包括一个高电压冗余变流器、电机侧变流器的低电压穿越控制方法和电网侧变流器的低电压穿越控制方法。本发明采用较高的直流母线电压，因此减小了转子短路保护电路(crowbar)的容量，节省了直流泄荷电路，并且能提供额外的负序抑制和无功功率的输出能力。
文档编号H02J3/18GK102122827SQ20111002357
公开日2011年7月13日 申请日期2011年1月21日 优先权日2011年1月21日
发明者乌云翔, 邵诗逸 申请人:乌云翔, 邵诗逸