一种全功率风电并网系统及控制方法与流程

本发明属于风力发电技术和矩阵变换器领域，用来实现将大功率风力发电机输出的变频变压电能转换为恒频恒压电能，同时具有最大风能追踪和定功率并网控制功能。

技术背景

随着经济和社会的发展，各国对能源的需求持续增长。风能作为一种可再生、无污染、储量大的能源，受到高度重视。直驱式永磁同步风电机组是一种新型的变速恒频风力发电系统，它直接与低速风力机连接，省去了升速齿轮箱，减少了故障率并可降低维护成本，较容易做到40对以上的极对数，通过全功率换流器并网。由于具有发电效率高、可靠性高、运行及维护成本低、对电网扰动适应能力更强等优点，直驱式永磁同步风电机组近年来得到了国内外科研人员的广泛关注，成为了目前风力发电技术领域的重要发展方向。

作为风力发电机与电网连接的接口，全功率电力电子换流器在整个系统中担负着极为重要的作用。常见的全功率交直交变流器逆变侧一般采用IGBT作为开关器件的PWM型，整流侧可采用以IGBT作为开关器件的全控型、以晶闸管为开关器件的半可控型、以二极管作为开关器件的不可控型和BOOST升压电路等组成。随着风电机组功率等级的提高，常规变流器已经不能满足功率要求，除此之外，常规变流器存在输出电流谐波含量大、功率因数低等缺点。研发适用于高功率等级、高电能质量的直驱式永磁同步风电机组变流器及并网系统变得尤为重要。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种全功率风电并网系统及控制方法，其结构更加紧凑，能实现大功率换流及并网，同时具有良好的输入输出特性，减少对风力发电机的冲击，提高并网电能质量。

为实现上述目的，本发明提出一种全功率风电并网系统，其特征在于包括机侧滤波器、3×6矩阵变换器、网侧滤波器、三绕组变压器、控制部分。

机侧滤波器连接直驱式风机和3×6矩阵变换器，限制输入电流的谐波干扰；

3×6矩阵变换器包括18个双向开关，有一组三相输入端和两组三相输出端，输入端通过机侧滤波器和风机连接，输出端通过网侧滤波器和三绕组变压器连接，实现把风机输出的三相电能转换为两组对应电压相位角分别差30°的三相电能；

网侧滤波器接在3×6矩阵变换器和三绕组变压器之间，主要用来滤除矩阵变换器开关器件产生的高频谐波，并实现定功率并网控制；

三绕组变压器绕组1和绕组2分别通过网侧滤波器和3×6矩阵变换器的六相输出端相连，绕组3和电网连接。其中三绕组变压器的绕组1为Y型接线，绕组2为Δ型接线，绕组3为Y型接线。最终实现风力发电机和电网的并网；

控制部分包括机侧控制模块、网侧控制模块、PWM开关信号生成模块，用来实现风机的最大功率追踪控制和双定有功功率、无功功率的并网控制，并通过控制矩阵变换器的开关信号来实现。

进一步，所述机侧滤波器采用将电容按Y型接法并联在3×6矩阵变换器输入端的方式，主要功能是减少风力发电系统对矩阵变换器的影响，限制输入电流的谐波干扰。

进一步，所述网侧滤波器采用将电感串联在3×6矩阵变换器输出端的方式，用于滤除高频谐波。

进一步，所述矩阵变换器的双向开关为共集电极反向串联型IGBT组合。

同时，针对一种全功率风电并网系统，本发明提出一种全功率风电并网系统的控制方法，其特征在于机侧控制用来实现风机的最大功率追踪控制；网侧采用双定功率控制，实现三绕组变压器绕组1的有功功率、无功功率和绕组2的有功功率、无功功率并网控制，其控制模块产生的3×6矩阵变换器输入电流参考信号和输出电压参考信号生成PWM开关信号，实现对3×6矩阵变换器的控制。

进一步，机侧采用电流闭环的控制方式，通过控制机侧输入电流i_q的值来实现风机转矩控制，从而实现最大功率追踪控制。

进一步，网侧采用功率闭环控制方式，分别通过控制三绕组变压器绕组1和绕组2的输入电流，从而控制绕组1的有功功率、无功功率和绕组2的有功功率、无功功率输入，最终实现并网功率控制。

进一步，3×6矩阵变换器的调制策略采用双SVPWM的方式，由控制模块产生的3×6矩阵变换器输入参考电流信号和输出参考电压信号生成SVPWM开关信号，实现对3×6矩阵变换器的控制。

有益效果：

本发明提出的一种全功率风电并网系统及控制方法，与传统全功率换流及并网系统相比，其有益效果体现在：(1)换流器采用矩阵变换器，具有正弦输入电流和正弦输出电压，减少机侧冲击电流对风机的影响，延长风机的使用寿命；(2)无需直流电容，结构紧凑且体积小；(3)采用3×6矩阵变换器可以提高传输容量，适用于大功率风机发电；(4)降低实际开关频率，提高了等效开关频率，减少了开关损耗；(5)输出两组相位分别差30°的三相电，减少了谐波含量，提高了并入电网的电能质量。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明矩阵变换器双向开关结构示意图。

图3是三绕组变压器的等效接线示意图。

图4是本发明一种全功率风电并网系统的dq等效电路图。

图5是机侧控制示意图。

图6是网侧控制示意图。

附图标号说明：

10、机侧滤波部分，20、3×6矩阵变换器部分，30、网侧滤波部分，40、三绕组变压器，50、控制部分21、双向开关，51、机侧控制模块，52、网侧控制模块，53、PWM模块

具体实施方式

下面结合附图给出本发明一种全功率风电并网系统的具体实施方式，但是本发明的实施不限于以下的实施例。

图1为本发明提供的一种全功率风电并网系统的结构示意图，包括机侧滤波器、3×6矩阵变换器、网侧滤波器、三绕组变压器、控制部分。

机侧滤波器采用将电容按Y型接法并联在风机和3×6矩阵变换器输入端之间，如图1(10)，主要功能是减少风力发电系统对矩阵变换器的影响，限制输入电压的谐波干扰。

3×6矩阵变换器有三相输入端和两组三相输出端，三相输入端和电机三相输出端相连，六相输出端分别和六个电感滤波器的一端相连，如图1(20)。矩阵变换器中的每一个双向开关采用共集电极反向串联型IGBT组合形式，其具体结构如图2所示。3×6矩阵变换器功能是实现把风电机发出的三相电转换为两组电压相位角分别差30°的三相电，从而减少了机侧和网侧的谐波含量。这种变流装置不仅能实现将风机发出的电能转换为恒频恒压的电能，采用六相输出增加了传输容量，更适用于大功率风电机组。以金风82/1500kW风力发电机组为例，直驱永磁同步发电机额定功率1580kW，额定电压690V，额定电流660A，采用3×6矩阵变换器，每个双向开关器件平均只需承受110A的电流和690V的电压。

网侧滤波器采用将电感串联在3×6矩阵变换器和三绕组变压器之间的方式，如图1(30)，主要作用是减少矩阵变换器开关器件产生的谐波对电网产生的影响，使电能质量符合并网要求，同时是实现网侧双有功功率、无功功率并网控制所必须的部分。

三相三绕组变压器的绕组1和绕组2分别和3×6矩阵变换器的六相输出端相连，绕组3和电网相连，如图1(40)。其中绕组1为Y型接线，绕组2为Δ型接线，绕组3为Y型接线，接线示意图见图3。采用这种结构的三相三绕组变压器可以满足本发明中3×6矩阵变换器所输出的相位角差30°的两组三相电能转换为三相电能，最终实现并网；将换流器输出的低电压升至网侧所需的高电压，弥补矩阵变换器电压调制比较低的缺点；换流变压器的漏抗对换流器产生的谐波电流具有一定的抑制作用，减少换流器注入交流系统的谐波；能实现电网和风机组的电气隔离等作用。同时，和其他变压器相比，三相三绕组变压器具有接线布置简单、材料用量最省、占地空间最小、损耗小、投资最省的特点。

针对一种全功率风电并网系统，本发明还提供了一种全功率风电并网系统的控制方法，实现风机的最大功率追踪和双定有功功率、无功功率的并网控制，具体实施例如下。

对本发明提出的一种全功率风电并网系统进行数学建模，并进行Park变换，如下所示：

首先对各个数学符号进行定义如下表所示：

表1

风机和机侧滤波器的dq数学模型为：

3×6矩阵变换器的dq数学模型为：

其中M_p1、M_p2分别为3×6矩阵变换器第一组开关和第二组开关的开关矩阵函数。

网侧滤波器的dq数学模型为：

三绕组变压器和电网的dq数学模型为：

由上述各部分的dq数学模型可得到本发明提出的一种全功率风电并网系统的等效电路图如图4所示。

机侧控制的目的是实现风机的最大功率追踪，可通过控制机侧输入电流i_q的值来实现风机转矩控制，其控制示意图如图5。

首先经过软锁相可得到风电机电角速度和风电机电角位置，其原理为利用系统输出的相位和给定信号相位的差值控制系统输出信号的频率，直到输出信号的相位跟踪上给定信号的频率。其相位差值可根据式(5)和式(6)计算得到。

式(5)和式(6)上标“^”表示估计值，e_sd、e_sq分别为风电机d轴、q轴电动势，其他符号符合表1的物理意义。

MPPT模块是通过控制风电机输出电流的大小，从而达到对风机转矩控制的目的，实现风机的最大功率追踪。设q轴参考电流d轴参考电流根据式(7)计算可得。

其中T_Pmax，T_o分别为风电机参考电磁转矩、风力机最大机械转矩、风电机空载转矩，ρ为空气密度，r为风力机叶片半径，ω_m为电机转子角速度，C_Pmax为最大风能利用系数，ψ_f为转子永磁磁链，n_p为极对数。

得到风机输出电流参考值后，根据式(1)采用电流闭环控制，可得到3×6矩阵变换器输入电流参考信号。

矩阵变换器网侧和电网连接，其控制目标为：1)变换器输出电压与电网电压必须同频；2)由于风速在不断变换，机侧的最大功率追踪控制会导致虚拟直流电压波动，因此需要控制网侧输出电压值稳定；3)根据电网的需要控制有功功率和无功功率。综上所述，网侧可采用双定功率闭环控制系统，图6给出了控制示意图。

根据图6，当得到绕组1和绕组2的并网无功功率、有功功率参考值之后，采用电网电压定向，根据式(8)可计算出绕组1和绕组2的参考电流。

再根据式(3)进行功率闭环控制，从而得到3×6矩阵变换器输出电压参考信号。

3×6矩阵变换器的调制策略可采用双SVPWM的方式，由控制模块产生的3×6矩阵变换器输入电流参考信号和输出电压参考信号生成SVPWM开关信号，实现对3×6矩阵变换器的控制，最终实现风机最大功率跟踪和双定有功功率、无功功率的并网控制。

应当指出，以上叙述中的实施方式仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明结构原理的前提下，还可以对本发明中的矩阵变换器调制策略、控制方法、滤波器设置等做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。