永磁同步风力发电机的整流电压的控制方法及控制装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种永磁同步风力发电机的整流电压的控制方法及控制装置，其中，控制方法包括：电压检测步骤：检测变流器的二极管整流单元整流后的实测整流电压；变桨控制调整步骤：将所述实测整流电压与预设的小于或等于直流母线电压的目标整流电压进行比较，如果所述实测整流电压大于所述目标整流电压，则调整风力发电机的变桨控制，使风力发电机的转速降低。通过本发明的永磁同步风力发电机的整流电压的控制方法及控制装置，将变流器中整流后的整流电压控制在不超过直流母线电压的范围内，从而避免出现斩波升压电路不受控的情形，进而避免了风力发电机组实际馈入功率大于设定的给定功率的情形。
【专利说明】永磁同步风力发电机的整流电压的控制方法及控制装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种电压的控制方法及控制装置，尤其涉及永磁同步风力发电机的整 流电压的控制方法及控制装置。
【背景技术】
[0002] 如图1所示，其为现有技术的永磁同步风力发电机系统的结构示意图，该系统包 括永磁同步发电机（PMSG) 01、滤波器02、变流器03和变压器04,变流器03包括机侧变流 模块（AC/DC单元）031、直流母线电容032和网侧变流模块（DC/AC单元）033。永磁同步风 力发电系统的永磁同步发电机01产生的三相交流电经由滤波器02处理进入变流器03,通 过机侧变流模块031将三相交流电整流成直流电，转换后的电能存储在直流母线电容032 上，然后再通过网侧变流器033进行逆变，将直流母线电容032上的电能转换成电网可以接 受的三相交流电，之后经由变压器04处理将三相交流电输送到电网，整个过程实现了发电 机的机械能到电网的电能的转换。在永磁同步风力发电机系统中，发电机的变流器大多数 采用背靠背双脉宽调制变流器，背靠背双脉宽调制变流器的基本结构为交直交（AC-DC-AC) 的拓扑结构。
[0003] 如图2所示，其为现有技术的变流器的机侧变流模块的结构示意图，机侧变流模 块（AC/DC单元）包括二极管整流单元011和斩波升压电路（也称作boost电路）012,其 中，二极管整流单元011可连接多个斩波升压电路012,图2中只示出了一个斩波升压电路 012,斩波升压电路012包括电抗器L和绝缘栅双体晶体管（IGBT)单元013,而每个IGBT单 元包括IGBT上管0131和IGBT下管0132。在实际变流器中，可将多组相同的斩波升压电 路并联使用。图2中的Ur为二极管整流后的整流电压，为了与下文中的目标整流电压区分 开，将Ur称作实测整流电压，而Udc为直流母线电压，在本发明中，所说的直流母线电压Udc 是指在变流器正常工作的情况下，直流母线电容上的电压。
[0004] 在实现上述发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：
[0005] 当风力发电机组转速升高时，会导致发电机侧的电压升高，基于上述变流器的拓 扑结构，发电机产生的三相交流电通过机侧变流模块031中二极管011整流后得到实测整 流电压Ur，当实测整流电压Ur超过直流母线电压Udc时，会发生斩波升压电路不受控，从而 使得风力发电机组向电网馈入的功率会增加，导致风力发电机组实际馈入功率大于设定的 给定功率，出现功率比较错误和超发功率的现象，进而出现风力发电机组报出机组故障。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种永磁同步风力发电机的整流电压的控制方法及控制 装置，实现将变流器中整流后的实测整流电压控制在不超过直流母线电压的范围内，从而 避免出现斩波升压电路不受控的情形。
[0007] 为达到上述目的，本发明提供了一种永磁同步风力发电机的整流电压的控制方 法，包括：电压检测步骤：检测变流器的二极管整流单元整流后的实测整流电压；变桨控制 调整步骤：将所述实测整流电压与预设的小于或等于直流母线电压的目标整流电压进行比 较，如果所述实测整流电压大于所述目标整流电压，则调整风力发电机的变桨控制，使风力 发电机的转速降低。
[0008] 本发明还提供了一种永磁同步风力发电机的整流电压的控制装置，包括：电压检 测模块，其检测变流器的二极管整流单元整流后的实测整流电压；变桨调整模块，其将所述 实测整流电压与预设的小于或等于直流母线电压的目标整流电压进行比较，如果所述实测 整流电压大于所述目标整流电压，则调整风力发电机的变桨控制，使风力发电机的转速降 低。
[0009] 通过本发明的永磁同步风力发电机的整流电压的控制方法及控制装置，将变流器 中整流后的实测整流电压控制在不超过直流母线电压的范围内，从而避免出现斩波升压电 路不受控的情形，进而避免了风力发电机组实际馈入功率大于设定的给定功率的情形。
【专利附图】
【附图说明】
[0010] 图1为现有技术的永磁同步风力发电机系统的结构示意图。
[0011] 图2为现有技术的变流器的机侧变流模块的结构示意图。
[0012] 图3为通用的风力发电机的主变桨控制系统的结构示意图。
[0013] 图4为本发明实施例三的永磁同步风力发电机的整流电压的控制装置的结构示 意图。
[0014] 图5为本发明实施例四的永磁同步风力发电机的整流电压的控制装置的结构示 意图一。
[0015] 图6为本发明实施例四的永磁同步风力发电机的整流电压的控制装置的结构示 意图二。
[0016] 图7为本发明实施例四的永磁同步风力发电机的整流电压的控制装置的结构示 意图三。
[0017] 图8为本发明实施例五的永磁同步风力发电机的整流电压的控制装置的结构示 意图。
[0018] 图9为本发明实施例六的永磁同步风力发电机的整流电压的控制装置的结构示 意图。
[0019] 附图标号说明：
[0020] 01-永磁同步发电机（PMSG) ;02_滤波器；03-变流器；04-变压器；031-机侧变 流模块；032-直流母线电容；033-网侧变流器；011-二极管整流单元；012-斩波升压电 路；013-绝缘栅双体晶体管（IGBT)单元；0131-IGBT上管；0132-IGBT下管；1-电压检测模 块；2-变桨调整模块；21-电压差值计算模块；22-变桨调整值计算模块；3-主变桨控制系 统；221-第一限幅器；222-电压差值比例积分控制器；4-比例系数调整模块；41-除法器； 42-第二限幅器；43-变化率比例积分控制器；44-第四限幅器；223-第三限幅器。
【具体实施方式】
[0021] 下面结合附图对本发明的实施例进行详细描述。
[0022] 实施例一
[0023] 如图2所示，在永磁同步风力发电机的机侧变流模块中，经过二极管整流单元整 流后的实测整流电压Ur将作用于斩波升压电路上，如果实测整流电压Ur高于直流母线电 压Udc的话，将会造成斩波升压电路的失控。
[0024] 对此，本实施例提供了一种永磁同步风力发电机的整流电压的控制方法，包括如 下步骤：电压检测步骤：检测变流器的二极管整流单元整流后的实测整流电压；变桨控制 调整步骤：将实测整流电压与预设的小于或等于直流母线电压的目标整流电压进行比较， 如果实测整流电压大于目标整流电压，则调整风力发电机的变桨控制，使风力发电机的转 速降低。
[0025] 在本实施例中，设置了一个小于或等于直流母线电压的目标整流电压作为变桨调 整的目标，考虑到变桨控制对于整流电压的变化存在一定的滞后性，因此，优选地将目标整 流电压设置得小于直流母线电压为宜。
[0026] 通过上述的控制方法，以调节变桨控制作为调节手段，间接地控制经过二极管整 流单元整流后的实测整流电压Ur，使其能够不超过直流母线电压Udc，这个变桨控制方法 形成一个闭环反馈控制，从而将实测整流电压Ur稳定在小于直流母线电压Udc的范围内， 从而保证斩波升压电路处于受控状态，稳定向电网的馈入功率，避免出现功率比较错误和 超发功率等现象。
[0027] 实施例二
[0028] 本实施例对实施例一的控制方法进行了具体地展开，其中，利用了现有的通用的 主变桨控制系统来进行发电机的转速调整，通过向主变桨控制系统输入变桨调整值，来改 变主变桨控制系统中的相关参数，由此，来调节变桨控制，从而调整发电机转速。
[0029] 具体地，在变桨控制调整中，计算目标整流电压与实测整流电压的电压差值，如果 该电压差值小于零（即实测整流电压大于目标整流电压），则根据该电压差值计算变桨调 整值，然后将该变桨调整值输出到主变桨控制系统，调整变桨控制，使风力发电机的转速降 低。在具体应用中，可以采用比例积分控制器，根据电压差值来计算变桨调整值。需要说明 的是，如果该电压差值大于或等于零（即如果实测整流电压小于或等于目标整流电压），说 明实测整流电压不需要进行调整，因此，可以不进行任何调整操作。
[0030] 其中，主变桨控制系统可以采用现有技术中通用的变桨控制系统，例如，如图3所 示，其为通用的风力发电机的主变桨控制系统的结构示意图，图中的各个参数的含义如下： c〇_set为发电机设定转速，c〇_gen为发电机实际转速，Δω为发电机设定转速与发电机 实际转速的转速差值，9_ref为变桨设定角度值；Θ为当前变桨角度值，△ Θ为变桨控制 器输出设定角度值与当前变桨角度值之差，Ζ?为矢量电压，用于控制变桨电机进行变桨 角度调整，^为变桨执行机构的数学模型，变桨执行机构主要包括变桨电机以及相关传动 机构等，其中，τ是变桨执行机构的等效惯性时间常数，s表示复域变量。该主变桨控制系 统以发电机设定转速《_set和发电机实际转速c〇_gen为输入，通过两个比例积分控制器 (也称作PI控制器）生成电压矢量值V，输出给变桨电机，通过变桨电机调整变桨角，调整 后的当前变桨角以及发电机实际转速再反馈回到系统中，从而实现反馈控制。该系统包括 的两个比例积分控制器分别为第一变桨比例积分控制器和第二变桨比例积分控制器。对于 比例积分控制器而言，主要涉及两个控制参数kp和| ^其中，kp为比例系数为积分系数。 第一变桨比例积分控制器建立了 Λω与0_ref之间的关系，而0_ref与反馈回来的θ 作差后输入到第二变桨比例积分控制器中。第二变桨比例积分控制器建立了 Λ Θ与交之间 的关系，然后将交输入到变桨电机中，对叶片的变桨角进行调节，在图3中表示为将f输入 到变桨电机数学模型中。
[0031] 在上述的控制方法中，充分利用了现有的主变桨控制系统的功能，将根据电压差 值计算的变桨调整值直接输入到主变桨控制系统，调节相应的参数，从而实现了对发电机 转速的调整，而不需要额外设置发电机转速控制系统。
[0032] 在上述的变桨控制调整中，变桨调整值可以是变桨角度调整值或者转速调整值 等，也可以是其他能够影响主变桨控制系统的控制结果的参数值等，只要是能够起到调整 电机转速的作用即可。通过变桨调整值对主变桨控制系统中的相应参数进行调整，从而影 响或调整变桨控制。当变桨调整值为变桨角度调整值时，将该转速调整值叠加到主变桨控 制系统中的变桨设定角度值Θ _ref上，以改变该变桨设定角度值Θ _ref ;当变桨调整值为 转速调整值时，则将该转速调整值叠加到主变桨控制系统中的发电机设定转速与实际转速 的转速差值Λ ω上，以改变该转速差值Λ ω。
[0033] 从图3中可以看出，在主变桨控制系统中，在控制链路上，第一变桨比例积分控制 器的输出值Θ _ref距离变桨电机数学模型G较近，从反馈链路上看，处在第一变桨比例积 分控制器和第二变桨比例积分控制器之间，位于发电机实际转速《_ gen的反馈路径以内， 处于主变桨控制系统的内环中，因此，针对9_ref进行调整能过获得较为迅速的调整结 果，整流后的实测整流电压Ur变化灵敏。而发电机设定转速与实际转速的转速差值Λ ω 处于第一变桨比例积分控制器的输入端上，位于发电机实际转速《_gen的反馈路径以外， 距离变桨电机数学模型+较远，处于主变桨控制系统的外环中，因此，针对Λ ω相比针对 Θ _ref的调整的速度较慢，但整流后的电压Ur的变化较为平稳。
[0034] 如上面，在具体应用中，可以采用比例积分控制器，来根据电压差值来计算变桨调 整值，优选地，还可以根据电压差值的变化率来控制比例积分控制器的比例系数，从而可以 控制变桨调整值的变化幅度。具体地，变桨控制调整步骤还可以包括：计算电压差值的变化 率，如果该变化率大于零，则根据变化率相应地增大比例积分控制器的比例系数，如果该变 化率小于零，则根据变化率相应地减小比例积分控制器的比例系数或者将比例积分控制器 的比例系数保持为预先设定的默认值。
[0035] 在本实施例中，根据电压差值的变化率调整比例积分控制器的比例系数，能够更 加合理地调整变桨调整值，从而使得电机转速的变化能够与实测整流电压的变化相匹配， 进一步减小实测整流电压的波动。
[0036] 实施例三
[0037] 如图4所示，其为本发明实施例三的永磁同步风力发电机的整流电压的控制装置 的结构示意图，该控制装置包括：电压检测模块1，其检测变流器的二极管整流单元整流后 的实测整流电压；变桨调整模块2,其将实测整流电压与预设的小于或等于直流母线电压 的目标整流电压进行比较，如果实测整流电压大于目标整流电压，则调整风力发电机的变 桨控制，使风力发电机的转速降低。
[0038] 在上述的整流电压的控制装置中，通过变桨调整模块对风力发电机的变桨控制进 行调整，间接地控制经过二极管整流单元整流后的实测整流电压Ur，使其能够不超过直流 母线电压Udc，这个变桨控制装置能够形成一个闭环反馈控制，从而将实测整流电压Ur稳 定在小于直流母线电压Udc的范围内，从而保证斩波升压电路处于受控状态，稳定向电网 的馈入功率，避免出现功率比较错误和超发功率等现象。
[0039] 具体地，变桨调整模块可以进一步包括：电压差值计算模块21，其计算目标整流 电压与实测整流电压的电压差值；变桨调整值计算模块22,其在电压差值小于零的情况 下，根据该电压差值计算变桨调整值，然后将该变桨调整值输出到主变桨控制系统，以调整 变桨控制，使风力发电机的转速降低。
[0040] 在上述的控制装置中，利用变桨调整值计算模块根据电压差值计算出了变桨调整 值，并将该变桨调整值输入到例如图3所示的通用的主变桨控制系统中，对变桨控制进行 调节，由此，充分利用了现有的主变桨控制系统的结构，不需要额外增加变桨控制模块。
[0041] 实施例四
[0042] 本实施例对实施例三的永磁同步风力发电机的整流电压的控制装置的的结构进 行了进一步细化。
[0043] 如图5所示，其为本发明实施例四的永磁同步风力发电机的整流电压的控制装置 的结构示意图一，在本实施例中，各参数的含义如下=Uset为目标整流电压，Ur为二极管整 流单元整流后实测整流电压，Ur可以通过电压检测模块测得，AUr_set为Uset与Ur的电 压差值。其中，变桨调整值计算模块22进一步包括：第一限幅器221，其对电压差值AUr_ set进行判断，如果电压差值AUr_set小于零，则将电压差值AUr_set输入到电压差值比 例积分控制器的输入端，如果电压差值AUr_set大于或等于零，则向电压差值比例积分控 制器222的输入端输入零；电压差值比例积分控制器222,其根据输入端的输入值计算变桨 调整值，将计算得到的变桨调整值输出到主变桨控制系统3中，以调整变桨控制。对于电压 差值比例积分控制器222而言，如果输入值小于零，则计算出的变桨调整值也小于零，如果 输入值等于零，则计算出的变桨调整值为零。
[0044] 在上述结构中，使用了比例积分控制器来根据电压差值Λ Ur_set计算变桨调整 值，比例积分控制器能够通过比例项快速响应输入的变化，而通过积分项能够消除控制的 稳态误差，从而保证系统调节的稳定。
[0045] 使用比例积分控制器来计算变桨调整值还需要合理确定比例积分控制器的比例 系数kp和积分系数^^参数的确定方式可以采用理论计算整定法和工程整定法等。理论计 算整定法主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。工程整定方法主要 依赖工程经验，通过在实际的系统试验中确定变桨调整值与电压差值Λ Ur_set之间的合 理的映射关系，从而通过试验来确定出合理的控制器参数&和今 >这种方法简单、易于掌握。 在实际的应用中一般采用工程整定方法。
[0046] 此外，对于控制器的参数1^和|，也可以在执行控制的过程，根据电压差值的变化 率进行调整。如图6所示，其为本发明实施例四的永磁同步风力发电机的整流电压的控制 装置的结构示意图二，与图5相比，变桨调整值计算模块还可以包括：比例系数调整模块4， 其计算电压差值的变化率，如果该变化率大于零，则根据变化率相应地增大电压差值比例 积分控制器的比例系数kp，如果该变化率小于零，则根据变化率相应地减小比例积分控制 器的比例系数kp或者将比例积分控制器的比例系数kp设定为预先设定的默认值。该默认 值可以为上述的通过理论计算整定法或工程整定法确定的电压差值比例积分控制器的比 例系数。
[0047] 通过在控制装置中加入比例系数调整模块能够根据电压差值的变化率合理地调 节电压差值比例积分控制器的比例系数，当发现电压差值的变化率存在波动时，能够及时 对电压差值比例积分控制器进行调整，使得电压差值比例积分控制器的调整速度与电压的 波动情况匹配从而使得实测整流电压Ur更加稳定。
[0048] 进一步地，该比例系数调整模块可以通过图6中所示的除法器、第二限幅器和变 化率比例积分控制器来实现，因此，比例系数调整模块4可以包括：
[0049] 除法器41，其计算规定的时间间隔的电压差值的变化量，并将该变化量除以该时 间间隔，得到电压差值的变化率；
[0050] 第二限幅器42,其对变化率进行判断，如果该变化率大于或等于零，则将变化率输 入到变化率比例积分控制器的输入端；如果该变化率小于零，则将变化率输入到变化率比 例积分控制器的输入端或者向变化率比例积分控制器的输入端输入零；
[0051] 变化率比例积分控制器43,其根据输入端的输入值计算比例系数调整值，并将该 比例系数调整值输出到电压差值比例积分控制器中对电压差值比例积分控制器的比例系 数进行调整。对于该变化率比例积分控制器43而言，如果输入值小于零，则计算出的比例 系数调整值也小于零，如果输入值等于零，则计算出的比例系数调整值为零，如果输入值大 于零，则计算出的比例系数调整值也大于零。
[0052] 通过引入变化率比例积分控制器43,能够合理地建立电压差值的变化率与比例系 数调整值之间的关系，可以更加精确和稳定地对电压差值比例积分控制器的比例系数进行 调整。
[0053] 为了对电压差值的变化率调整比例系数的进行详细说明，定义如下了参数和公 式：
[0054] d Δ Ur_set = Δ Ur_set_Tn- Δ Ur_set_Tn+1............式(I)
[0055] 其中，Δ Ur_set_Tn 为 Δ Ur_set 第 n 时刻的值，Δ Ur_set_Tn+1 为 Δ Ur_set 第 n+1 时刻的值，从n时刻到n+1时刻的固定间隔为T，对应于上述的规定的时间间隔。d Λ Ur_ set为在T时间内电压差值Λ Ur_set的变化量，而
【权利要求】
1. 一种永磁同步风力发电机的整流电压的控制方法，其特征在于，包括： 电压检测步骤：检测变流器的二极管整流单元整流后的实测整流电压； 变桨控制调整步骤：将所述实测整流电压与预设的小于或等于直流母线电压的目标整 流电压进行比较，如果所述实测整流电压大于所述目标整流电压，则调整风力发电机的变 桨控制，使风力发电机的转速降低。
2. 根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述变桨控制调整步骤具体为：计算 所述目标整流电压与所述实测整流电压的电压差值，如果该电压差值小于零，根据所述电 压差值计算变桨调整值，然后将该变桨调整值输出到主变桨控制系统，以调整变桨控制，使 风力发电机的转速降低。
3. 根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，根据该电压差值计算变桨调整值，然 后将该变桨调整值输出到主变桨控制系统，调整变桨控制具体为： 根据所述电压差值计算变桨角度调整值，将该变桨角度调整值叠加到主变桨控制系统 中的变桨设定角度值上，减小变桨设定角度值。
4. 根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，根据该电压差值计算变桨调整值，然 后将该变桨调整值输出到主变桨控制系统，调整变桨控制具体为： 根据所述电压差值计算转速调整值，并将该转速调整值叠加到主变桨控制系统中的发 电机设定转速与实际转速的转速差值上，减小该转速差值。
5. 根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述根据该电压差值计算变桨调整 值具体为：使用比例积分控制器来根据该电压差值计算所述变桨调整值。
6. 根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，变桨控制调整步骤还包括：计算所述 电压差值的变化率，如果该变化率大于零，则根据所述变化率相应地增大所述比例积分控 制器的比例系数，如果该变化率小于零，则根据所述变化率相应地减小所述比例积分控制 器的比例系数或者将所述比例积分控制器的比例系数保持为预先设定的默认值。
7. -种永磁同步风力发电机的整流电压的控制装置，其特征在于，包括： 电压检测模块，其检测变流器的二极管整流单元整流后的实测整流电压； 变桨调整模块，其将所述实测整流电压与预设的小于或等于直流母线电压的目标整流 电压进行比较，如果所述实测整流电压大于所述目标整流电压，则调整风力发电机的变桨 控制，使风力发电机的转速降低。
8. 根据权利要求7所述的控制装置，其特征在于，所述变桨调整模块包括： 电压差值计算模块，其计算所述目标整流电压与所述实测整流电压的电压差值； 变桨调整值计算模块，其在所述电压差值小于零的情况下，根据该电压差值计算变桨 调整值，然后将该变桨调整值输出到主变桨控制系统，以调整变桨控制，使风力发电机的转 速降低。
9. 根据权利要求8所述的控制装置，其特征在于，变桨调整值计算模块包括： 第一限幅器，其对所述电压差值进行判断，如果所述电压差值小于零，则将所述电压差 值输入到比例积分控制器的输入端，如果所述电压差值大于或等于零，则向所述电压差值 比例积分控制器的输入端输入零； 所述电压差值比例积分控制器，其根据输入端的输入值计算所述变桨调整值，将计算 得到的变桨调整值输出到主变桨控制系统，以调整变桨控制。
10. 根据权利要求9所述的控制装置，其特征在于，所述变桨调整值为变桨角度调整 值，所述电压差值比例积分控制器根据输入端的输入值计算变桨角度调整值，将该变桨角 度调整值叠加到主变桨控制系统中的变桨设定角度值上。
11. 根据权利要求9所述的控制装置，其特征在于，所述变桨调整值为转速调整值，所 述电压差值比例积分控制器根据输入端的输入值计算转速调整值，将该转速调整值叠加到 主变桨控制系统中的发电机设定转速与实际转速的差值上。
12. 根据权利要求9所述的控制装置，其特征在于，变桨调整值计算模块还包括： 比例系数调整模块，其计算所述电压差值的变化率，如果该变化率大于零，则根据所述 变化率相应地增大所述电压差值比例积分控制器的比例系数；如果该变化率小于零，则根 据所述变化率相应地减小所述电压差值比例积分控制器的比例系数或者将所述电压差值 比例积分控制器的比例系数保持为预先设置的默认值。
13. 根据权利要求12所述的控制装置，其特征在于，比例系数调整模块包括： 除法器，其计算规定的时间间隔的电压差值的变化量，并将该变化量除以该时间间隔， 得到电压差值的变化率； 第二限幅器，其对所述变化率进行判断，如果该变化率大于或等于零，则将所述变化率 输入到变化率比例积分控制器的输入端；如果该变化率小于零，则将所述变化率输入到变 化率比例积分控制器的输入端或者向变化率比例积分控制器的输入端输入零； 所述变化率比例积分控制器，其根据输入端的输入值计算比例系数调整值，并将该比 例系数调整值输出到所述电压差值比例积分控制器中对所述电压差值比例积分控制器的 比例系数进行调整。
【文档编号】H02P9/04GK104320030SQ201410482276
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年9月19日 优先权日:2014年9月19日
【发明者】尹进峰, 郭锐 申请人:北京天诚同创电气有限公司