专利名称：一种基于开绕组结构的风力发电系统及其容错控制方法
技术领域：
本发明属于风カ发电技术领域，具体涉及ー种基于开绕组结构的风カ发电系统及其容错控制方法。
背景技术：
风能作为ー种清洁的可 再生能源，近年来受到世界各国的高度重视。风能蕴藏量巨大，随着风能的开发利用，全球的风カ发电连续多年来保持快速、持续的增长。永磁直驱式风电机组具有可靠性高、结构简单、维护成本低、并网适应性强等优点，特别适合用作大功率海上风カ发电机组。传统的永磁同步风电系统结构如图I所示，其主要由风カ发电机、机侧变流器以及网侧变流器组成。系统由风轮带动永磁发电机的转子转动，从而实现机械能向电能的转换，直流母线上并联直流母线电容，网侧变流器通过ー组变压器将电能馈入电网。在将捕获的风能以电能的形式馈入电网的过程中，只需要根据要求控制机侧变流器与网侧变流器上的开关器件的导通关断，即可达到控制目的。对于传统的永磁同步风电系统结构来说，需要全功率的变流器才能保证系统的正常运行。在使用两电平的变流器时，一方面会给电流带来一定的谐波分量，另一方面会给开关器件带来较大的电压应力，降低开关器件的寿命。在现有的技术方案里面，有人提出利用开关器件的串联来分担电压应力，但是如何实现器件开通关断的同步性成为ー个很大的技术难题。面对风电机组大容量的增长趋势，多电平技术成为了当前解决该问题的热点研究对象。多电平变流器作为ー种新型的高压大容量功率变流器，从电路拓扑结构入手，在得到高质量的输出波形的同时，不管何种拓扑结构的多电平与两电平相比，都有ー些共同的优点无需输出变压器和动态均压电路，开关频率低，因而开关器件承受的电压应カ小，可避免大的du/dt所导致的各种问题，提高了开关管的工作寿命。但是对于现有的多电平变流器，包括NPC、飞跨电容等结构，他们有着共同的缺点结构过于复杂，成本过高，控制难度大；且若系统在运行的过程中，某一个开关元件突然损坏，原有的控制方法难以维持其继续正常工作。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了ー种基于开绕组结构的风カ发电系统，其能够利用两电平变流器实现三电平的控制效果，进而減少相应的输出电流谐波。一种基于开绕组结构的风カ发电系统，包括一台风カ发电机、两台机侧变流器和一控制器；所述的风力发电机具有三相绕组，所述的机侧变流器为三相六桥臂结构；所述的风力发电机任一相绕组的一端与第一机侧变流器中对应相上下桥臂的中心接点相连，另一端与第二机侧变流器中对应相上下桥臂的中心接点相连；
所述的机侧变流器直流输出侧并联有母线电容単元，所述的母线电容単元由两个电容串联构成；所述的控制器用于采集风カ发电机的端电压和相电流以及各机侧变流器的直流母线电压，井根据这些信号构造出两组PWM(脉冲宽度调制)信号以分别对两台机侧变流器进行控制。优选地，两台机侧变流器的直流输出侧与同一母线电容単元并联；使得系统只需用ー套网侧变流器即能实现直交转换。上述风カ发电系统的容错控制方法，包括如下步骤(I)采集风力发电机的端电压和相电流以及各机侧变流器的直流母线电压；检查机侧变流器是否存在开路故障如无故障，执行步骤(2);若存在故障，将机侧变流器故障相所对应连接的绕组端与机侧变流器的母线电容单元中两电容的中心接点相连，并执行步骤⑵；(2)根据所述的端电压和相电流利用反电势估测法估算出风カ发电机的转速和转子位置角；进而根据所述的转子位置角对相电流进行dq变换(同步旋转坐标变换)，得到相电流的有功轴电流分量和无功轴电流分量；(3)根据所述的转速、有功轴电流分量和无功轴电流分量计算出风カ发电机的实际输出功率、有功轴电压补偿量和无功轴电压补偿量；(4)根据所述的实际输出功率、有功轴电流分量、无功轴电流分量、有功轴电压补偿量和无功轴电压补偿量，通过基于有功轴电流为零的矢量控制算法计算出有功轴电压指令和无功轴电压指令；(5)根据所述的有功轴电压指令、无功轴电压指令以及机侧变流器的故障信息和直流母线电压计算出两台机侧变流器分别对应的两个调制电压指令；进而根据两个调制电压指令分别进行调制，生成两组PWM信号以分别对两台机侧变流器进行控制。所述的步骤(3)中，根据以下公式计算风力发电机的实际输出功率、有功轴电压补偿量和无功轴电压补偿量
权利要求
1.一种基于开绕组结构的风力发电系统，其特征在于，包括一台风力发电机、两台机侧变流器和一控制器；所述的风力发电机具有三相绕组，所述的机侧变流器为三相六桥臂结构； 所述的风力发电机任一相绕组的一端与第一机侧变流器中对应相上下桥臂的中心接点相连，另一端与第二机侧变流器中对应相上下桥臂的中心接点相连； 所述的机侧变流器直流输出侧并联有母线电容单元，所述的母线电容单元由两个电容串联构成； 所述的控制器用于采集风力发电机的端电压和相电流以及各机侧变流器的直流母线电压，并根据这些信号构造出两组PWM信号以分别对两台机侧变流器进行控制。
2.根据权利要求I所述的基于开绕组结构的风力发电系统，其特征在于两台机侧变流器的直流输出侧与同一母线电容单元并联。
3.—种如权利要求I或2所述的风力发电系统的容错控制方法，包括如下步骤 (1)采集风力发电机的端电压和相电流以及各机侧变流器的直流母线电压；检查机侧变流器是否存在开路故障如无故障，执行步骤(2);若存在故障，将机侧变流器故障相所对应连接的绕组端与机侧变流器的母线电容单元中两电容的中心接点相连，并执行步骤(2)； (2)根据所述的端电压和相电流利用反电势估测法估算出风力发电机的转速和转子位置角；进而根据所述的转子位置角对相电流进行dq变换，得到相电流的有功轴电流分量和无功轴电流分量； (3)根据所述的转速、有功轴电流分量和无功轴电流分量计算出风力发电机的实际输出功率、有功轴电压补偿量和无功轴电压补偿量； (4)根据所述的实际输出功率、有功轴电流分量、无功轴电流分量、有功轴电压补偿量和无功轴电压补偿量，通过基于有功轴电流为零的矢量控制算法计算出有功轴电压指令和无功轴电压指令； (5)根据所述的有功轴电压指令、无功轴电压指令以及机侧变流器的故障信息和直流母线电压计算出两台机侧变流器分别对应的两个调制电压指令；进而根据两个调制电压指令分别进行调制，生成两组PWM信号以分别对两台机侧变流器进行控制。
4.根据权利要求3所述的容错控制方法，其特征在于所述的步骤(3)中，根据以下公式计算风力发电机的实际输出功率、有功轴电压补偿量和无功轴电压补偿量
5.根据权利要求3所述的容错控制方法，其特征在于所述的步骤(4)中，通过基于有功轴电流为零的矢量控制算法计算出有功轴电压指令和无功轴电压指令的过程如下 a.使设定的目标输出功率减去所述的实际输出功率，得到功率误差； b.对所述的功率误差进行PI调节，得到无功轴电流指令；并令有功轴电流指令为零； c.使有功轴电流指令和无功轴电流指令分别减去有功轴电流分量和无功轴电流分量，得到有功轴电流误差和无功轴电流误差； d.对有功轴电流误差和无功轴电流误差分别进行PI调节，得到两个输出结果；使有功轴电压补偿量和无功轴电压补偿量分别减去这两个输出结果，得到有功轴电压指令和无功轴电压指令。
6.根据权利要求3所述的容错控制方法，其特征在于所述的步骤(5)中，根据以下公式计算出两台机侧变流器分别对应的两个调制电压指令
全文摘要
本发明公开了一种基于开绕组结构的风力发电系统，包括一台风力发电机、两台机侧变流器和一控制器；风力发电机具有三相绕组，机侧变流器为三相六桥臂结构；风力发电机任一相绕组的一端与第一机侧变流器中对应相上下桥臂的中心接点相连，另一端与第二机侧变流器中对应相上下桥臂的中心接点相连。本发明利用开绕组发电机结构以及两组两电平变流器实现了电机控制三电平的调制效果，减小了输出电流谐波，降低了变流器的容量以及器件的电压应力；与此同时本发明还公开了上述风力发电系统的容错控制方法，保证了系统在变流器器件故障时的正常稳定运行。
文档编号H02J3/01GK102868180SQ20121036361
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月26日 优先权日2012年9月26日
发明者年珩, 周义杰 申请人:浙江大学