一种风电变流器桥臂复用重构控制方法及系统与流程

本发明涉及风电变流器控制技术领域，具体地，涉及一种风电变流器桥臂复用重构控制方法及系统。

背景技术：

目前，可再生能源发展迅速，尤其是风电和光伏。随着风电技术的日益成熟，风电在世界范围内大规模发展。随着陆上风电资源的不断开发，风电开始从陆上向海上发展，海上风电机组大容量化是发展趋势。高可靠性是对海上风电变流器最基本的要求。

为了提升变流器的运行可靠性，可以通过冗余桥臂、虚拟桥臂实现变换器故障后重构运行。变换器发生故障后，先隔离切除故障桥臂，再投入冗余桥臂替代故障桥臂，从而实现变换器故障后的重构。虚拟桥臂利用双向开关将故障相桥臂与直流母线中点相连，利用直流母线虚拟相桥臂实现系统重构，变流器运行在三相四开关模式，从而实现故障后重构控制。冗余桥臂增加了系统成本，虚拟桥臂会造成直流母线电压的波动。申请号为cn201610595829.x的发明专利提出一种基于虚拟桥臂的重构控制技术，并通过各相桥臂电流独立控制的方法实现并联变流器的重构控制，但该方法具有一定的重构约束限制，当并联变换器的同相桥臂均发生故障时，变流器就无法实现重构。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种风电变流器桥臂复用重构控制方法及系统。

根据本发明提供的一种风电变流器桥臂复用重构控制方法，包括：

步骤1：故障发生后，故障相上的双向开关管导通，变换器进入桥臂复用重构模式；

步骤2：网侧变换器采用电压定向控制，机侧变换器采用磁场定向控制，得到机侧、网侧的三相电压给定；

步骤3：采用零序电压注入pwm调制方法，将机侧、网侧的三相电压给定转换为各个正常相桥臂的调制电压，实现桥臂复用重构控制。

优选的，在所述桥臂复用重构模式下，直流母线电压给定变为原来的两倍，变流器半功率运行。

优选的，步骤3包括：

变换器的零序电压为：

其中，j＝g,s；g为网侧变换器，s为机侧变换器，a、b、c为三相；

注入零序电压后变换器的电压为：

vjk＝ujk+vzj

其中，u为电压给定，k＝a,b,c；

调制电压为：

根据本发明提供的一种风电变流器桥臂复用重构控制系统，包括：

双向开关管，连接网侧变换器与机侧变换器之间的同相桥臂，在故障发生后，故障相上的双向开关管导通，变换器进入桥臂复用重构模式；

控制模块，网侧变换器采用电压定向控制，机侧变换器采用磁场定向控制，得到机侧、网侧的三相电压给定；采用零序电压注入pwm调制方法，将机侧、网侧的三相电压给定转换为各个正常相桥臂的调制电压，实现桥臂复用重构控制。

优选的，在所述桥臂复用重构模式下，直流母线电压给定变为原来的两倍，变流器半功率运行。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、通过增加双向开关实现桥臂复用，优化变流器本身的控制技术实现桥臂故障的重构控制；

2、能够实现任意桥臂故障的重构运行，故障容错范围宽；

3、响应速度快。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明风电变流器桥臂复用重构控制系统的结构示意图；

图2为本发明零序注入pwm调制的原理图；

图3为本发明风电变流器桥臂复用重构控制的原理图；

图4为机侧变流器的c相桥臂电流波形图；

图5为网侧变流器的c相桥臂电流波形图；

图6为机侧c相的电流波形图；

图7为网侧c相的电流波形图；

图8为共用桥臂的电流波形图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明针对风电变流器提出一种基于桥臂复用的故障重构控制方法，通过双向开关使得故障相共用背靠背变换器的同相桥臂，实现风电变流器的重构运行，该方法仅需对变流器的控制策略进行修改，并且动态响应快，故障容错范围宽。

由于随着风电技术，尤其是海上风电的发展，风电机组的装机容量越来越大，全功率变换是趋势。图1给出了本发明风电变流器桥臂复用重构控制系统的结构示意图，通过增加双向开关管t1，t2和t3，背靠背变换器可以共用桥臂。

本发明包括：

双向开关管，连接网侧变换器与机侧变换器之间的同相桥臂，在故障发生后，故障相上的双向开关管导通，变换器进入桥臂复用重构模式；

控制模块，网侧变换器采用电压定向控制，机侧变换器采用磁场定向控制，得到机侧、网侧的三相电压给定；采用零序注入pwm调制方法，将机侧、网侧的三相电压给定转换为各个正常相桥臂的调制电压，实现桥臂复用重构控制。

以机侧相桥臂cm故障为例说明本发明提出的桥臂复用重构控制方法。当cm发生故障后，导通双向开关管t3，机侧变换器和网侧变换器共用相桥臂cg。记为csh。此时，共用桥臂csh的电压、电流分别为：

定义正常运行状态下，相桥臂的电压、电流幅值分别为v、i，桥臂复用重构后，共用桥臂csh的电压、电流分别为vsh＝2v、ish＝2i，共用桥臂csh的电压、电流幅值均变为桥臂复用前的两倍，因此复用桥臂的功率器件的电压、电流容量需要提升一倍。为了保证桥臂复用后变流器正常的电压输出，直流母线电压需要提高一倍。因此桥臂复用风电变流器的器件选型需要留有足够的容错运行裕量。

由于背靠背变换器共用一相桥臂，常规的pwm调制策略无法满足复用重构调制的需求。本发明采用零序注入的调制方法实现重构后pwm调制，如图2所示。

变换器的零序电压为：

其中，j＝g,s；g表示网侧变换器，s表示机侧变换器。

注入零序电压后变换器的电压为：

vjk＝ujk+vzj

其中，u为电压给定，k＝a,b,c。

桥臂复用重构后零序注入的调制电压为：

基于桥臂复用的故障重构控制方法，通过双向开关使得故障相共用背靠背变换器的同相桥臂，网侧变换器采用电压定向控制，机侧变换器采用磁场定向控制，得到机侧、网侧的三相电压给定。采用零序注入的调制方法实现重构后pwm调制，从而实现风电变流器的重构运行，基于桥臂复用的故障重构控制策略框图如图3所示。

根据本发明提供的一种风电变流器桥臂复用重构控制方法，包括：

步骤1：故障发生后，故障相上的双向开关管导通，变换器进入桥臂复用重构模式；桥臂复用重构控制下，直流母线电压给定变为原来的两倍，变流器半功率运行；

步骤2：网侧变换器采用电压定向控制，机侧变换器采用磁场定向控制，得到机侧、网侧的三相电压给定；

步骤3：采用零序注入pwm调制方法，将机侧、网侧的三相电压给定转换为各个正常相桥臂的调制电压，实现桥臂复用重构控制。

如图1所示，以3mw/4mva两电平风电变流器为例，其接口电网电压为690v/50hz，变换器的直流母线电容器为38.8mf，直流母线电压给定值为1500v，开关频率为3khz，lcl滤波器参数为：变流器侧电感为100μh、中间滤波电容为668.4μf、电网等效电感为170μh，功率模块采用semikron公司的skiip1814gb17e4-3duw。

根据上述全功率变流器的参数，建立的matlab/simulink3mw永磁同步发电机组仿真平台上。以机侧变流器c相桥臂故障为例验证本发明提出的基于桥臂复用的故障重构控制方法。以1mw工况为例，0.8s时，机侧c相桥臂故障，图4、图5给出了机侧c相桥臂故障重构后机侧、网侧变流器c相桥臂的电流波形。

由图4、图5可知，0.8s时机侧c相桥臂故障，此时机侧c相桥臂切除，其电流变为0。由于双向开关管t3导通，机侧、网侧变流器c相电流均流过网侧c相桥臂，机侧、网侧变流器c相电流的频率不同，所以流过网侧c相桥臂的电流包含两种电流分量，图5给出了机侧c相、网侧c相、共用桥臂的电流波形。

由图6、图7和图8可知，机侧c相、网侧c相电流均为正弦，但由于共用桥臂电流幅值的增加，桥臂复用重构后，变流器实行半功率运行。本文提出的重构控制方法使得变流器故障后继续运行，提高了变流器的可靠性。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。