专利名称：一种变流器直流侧卸荷电路的控制方法
技术领域：
本发明涉及一种用于风力发电变流器的直流侧卸荷电路的控制方法。
背景技术：
随着风电装机容量的增加，风力并网发电系统对电网的影响越来越大，从维持电力系统稳定的角度出发，要求风电机组在电网电压跌落时能够保持不脱网运行。目前，GB/T9963-2011《风电场接入电力系统技术规定》提出了风电场低电压穿越(LVRT)能力的要求，要求风电变流器具备LVRT能力。对于基于同步发电机的全功率变流器，当电网电压发生跌落故障时，为保持输出功率不变，网侧变流器输出电流增加，当达到最大限制时，全功率变流器电机侧输入功率会大于电网侧输出功率，直流母线电压升高。对于基于双馈感应发电机的双馈变流器，由于故障瞬间双馈异步发电机磁链不能突变，定子电流增大，由于定子、转子的强耦合关系，使得转子产生巨大的能量冲击，并通过转子侧变流器流入直流母线，由于电网电压跌落限制了网侧变流器的功率输送能力，导致直流母线电压迅速升高。所以需要采取一定措施抑制直流母线电压升高，保证变流器不间断运行。在直流母线并联卸荷装置是一种常用的方法。卸荷电路通常由功率开关器件和卸荷电阻构成，通过功率器件控制卸荷电阻的投入与切出，抑制直流母线过电压。目前常用卸荷电路控制方式仅以直流母线电压作为卸荷投切的判定条件，未考虑实际工况下卸荷电阻卸荷能力上限，电网电压跌落故障频繁发生时容易导致卸荷电阻因频繁工作而烧毁。CN201774451U《双馈风电变流器直流卸荷电路》给出了硬件卸荷电路的实现方式，但未提供卸荷电路的控制方法和卸荷电阻的保护方法。CNlOl 136582A《一种全功率变流器直流侧卸荷电路的控制方法》提出一种通过采集输入有功功率、输出无功功率和直流侧电压，求取功率的偏差作为输入量，通过PI调节控制卸荷投入占空比的方案，此种方式改善了卸荷动作对母线电压的影响，但是响应速度慢，并且同样没有对卸荷电阻提供必要的保护。
发明内容
为了克服现有变流器直流侧卸荷电路控制方法无法有效保护卸荷电阻，导致卸荷电阻寿命缩短乃至烧毁的问题。本发明提出一种变流器直流侧卸荷电路的控制方法，实现卸荷电阻的保护。本发明可应用于基于同步发电机的全功率变流器和基于双馈感应发电机的双馈变流器。当电网发生电压跌落故障导致母线电压上升时，网侧变流器的直流母线电压外环调节器作用，通过增大网侧向电网输出的有功电流，抑制母线电压升高。但是，因母线电压外环响应速度慢，或当母线电压外环调节器已经饱和后，母线电压会不受控制地上升。此时就需要直流侧卸荷电路参与，通过卸荷电阻释放母线上的一部分能量，以抑制母线电压。本发明使用卸荷控制器对由卸荷开关和卸荷电阻构成的卸荷电路进行控制。卸荷控制器采集直流母线电压值，所采集的直流母线电压值首先经过低通滤波器滤除直流母线电压中的高频纹波成分，然后输入电压滞环比较器，电压滞环比较器的输出值作为卸荷开关状态控制条件一。同时，卸荷控制器读取当如卸荷开关状态，并根据当如卸荷开关状态计算卸荷电阻的能量累积值，能量累积值的计算结果作为能量滞环比较器的输入，能量滞环比较器的输出值作为卸荷开关状态控制条件二。当同时满足卸荷开关状态控制条件一和条件二时，由控制器输出控制信号，投入卸荷电阻，否则切出卸荷电阻。所述的低通滤波器可以是共用变流器控制器的模拟滤波器，也可以是数字滤波器。所述的低通滤波器为巴特沃兹低通滤波器，截至频率的选择以可以滤除电网侧和电机侧变流器的开关频率附近纹波为目标。所述的电压滞环比较器的滞环范围可根据实际情况进行调整，滞环上限最大值受母线电容和电网侧电机侧变流器功率器件耐压值限制，需留有足够余量，滞环下线最小值必须大于变流器正常运行时的母线电压值，同样要保留余量。通常情况下，滞环应尽可能窄，以减小卸荷电路动作时母线电压的波动范围。
所述的能量累积值的计算方法如下首先计算一个控制周期T内卸荷电阻累加或者减少的能量值。卸荷处于投入状态时，母线电压vd。通过卸荷开关加在卸荷电阻R两端，因为卸荷电流很大，卸荷电流在卸荷电阻R上产生的能量远大于卸荷电阻自然散热释放的能量，故卸荷单周期累加的能量值Qin近似为
V4 2Q11 = -X/'
h卸荷处于切出状态时，卸荷电阻通过辐射、传导及强制冷却方式进行散热。当已知卸荷电阻所能承受的最大能量冲击Qmax和最大能量冲击后恢复至初始温度所需的时间Tinterval,即可计算出卸荷单周期变化能量的近似值Qtjut为Oout =XT
interval假设卸荷电阻能量为Q·，且变流器上电初始时为0，则差分形式描述为Qsum (n) =Qsum(n-l) + AQ式中，Qsim(η)表示当前控制周期能量值，QSUffl(n-l)表示前一控制周期能量值，AQ表示单周期能量的变化值。当本周期卸荷开关处于导通状态时，有QSUffl(n)=Qsim(n-l)+Qin，当本周期卸荷开关处于截止状态时，有Qsum(nkQ-fc-D+Q-，最后对卸荷电阻能量值限幅
O^ Qsum ^ Qmax。能量滞环比较器滞环上限最大值受卸荷电阻能量极限限制，需小于Qmax，最小值根据实际需要保证可穿越最恶劣情况下的电网跌落故障即可。滞环下线最小值为O。卸荷开关状态的控制条件一和条件二的并列条件组合使用与门逻辑实现。本发明所述的控制方法可以有效准确地控制直流侧卸荷电路的投切，防止直流母线过压，延长直流侧电容和直流侧卸荷电阻的使用寿命。特别是对于大功率的风电机组，尤其是全功率变流器，低电压穿越过程中直流侧功率不平衡时，主要由卸荷电路吸收多余的功率，如单纯增加变流器直流侧卸荷电阻的功率，必然导致卸荷电路所占空间增大，同时成本上升。本控制方法可全部由数字控制器实现，无需额外增加硬件，安全可靠。同时通过调整两个滞环比较器的滞环范围，可以很容易实现母线波动效果的调节和各种功率等级的变化。
图1为总体控制方案示意图；图2为卸荷控制器算法框图。
具体实施例方式以下结合附图和具体实施方式
进一步说明本发明。总体控制方案如图1所示，由卸荷控制器102对变流器的卸荷电路101进行控制。首先根据卸荷电阻厂商提供的卸荷电阻所能承受的最大能量冲击Qmax和最大能量冲击后恢复至初始温度所需的时间TintOTval。即可求出单个控制周期T中卸荷电阻减少的能量近似值Qrat为Qaat=-1nterval对于卸荷单周期累加能量值Qin近似值根据当前母线电压Vd。以及卸荷电阻阻值R得出
V 2O =」^·χΓ 一"R卸荷控制器算法框图如图2所示。卸荷控制器采集直流原始母线电压Ud。，通过低通滤波器201滤除直流母线电压中的高频纹波成分，得到滤波后的直流母线电压Vd。，分别输入电压滞环比较器202和能量累积计算模块204。电压滞环比较器202的逻辑为
鄭)=1啄(〃)=私(》-1)Kutos <Vdc <Vcutm SSM = Q Vic < Kmos其中SSv(η)表示当前控制周期输出值，SSv(n-ι)表示前一控制周期输出值，Vcutin表不滞环下限电压值，Veuttjff表不滞环上限电压值。电压滞环比较器202的输出值作为与门206的第一个输入值。同时，卸荷控制器从与门206输出端读取当前卸荷开关状态，经过延迟环节203得到前一个控制周期的卸荷开关状态，输入至 能量累积计算模块204。能量累积计算模块204分别对开关状态O和状态I计数，当开关状态为I时，则卸荷电阻能量值Qsum累加一次Qin值，当开关状态为O时，则使Qsum累加一次Qwt值。Qsum经过O < Qsum < Qmax的限幅输入至能量滞环比较器205，其逻辑为
■哪=0UOlisQen < Qimn < Qdis SSq(n) = l H其中SSq(Ii)表示当前控制周期输出值，SSq (n-1)表示前一控制周期输出值，Qm表示滞环下限能量值，Qdis表示滞环上限能量值。能量滞环比较器205输出值作为与门206的第二个输入值。最终由与门206输出值驱动卸荷开关动作，投入或切出卸荷电阻。与门206输出值为I时，卸荷开关导通，为O时卸荷开关截止。
权利要求
1.一种变流器直流侧卸荷电路的控制方法，其特征在于所述的方法通过以下步骤实现卸荷控制器实时采集直流母线电压值，所采集的直流母线电压值首先经过低通滤波器滤除直流母线电压中的高频纹波成分，然后输入电压滞环比较器(202)，电压滞环比较器(202)的输出值作为卸荷控制条件一；卸荷控制器读取当前卸荷开关状态，并根据当前卸荷开关状态计算卸荷电阻的能量累积值，能量累积值的计算结果作为能量滞环比较器(205)的输入，能量滞环比较器(205)的输出作为卸荷控制条件二 ；当同时满足卸荷开关状态控制条件一和条件二时，由控制器输出控制信号，投入卸荷电阻，否则切出卸荷电阻。
2.根据权利要求1所述的变流器直流侧卸荷电路的控制方法，其特征在于所述电压 滞环比较器(202)的逻辑为
3.根据权利要求1所述的变流器直流侧卸荷电路的控制方法，其特征在于卸荷电阻能量累积值的计算公式为QSUffl(n)=QSUffl(n_l) + AQ;式中，Qsum(η)表示当前控制周期能量值，QSUffl(n-l)表示前一控制周期能量值，AQ表示单周期能量变化值。
4.根据权利要求1或3所述的变流器直流侧卸荷电路的控制方法，其特征在于所述的单周期能量变化值AQ，在卸荷投入状态为
5.根据权利要求1所述的变流器直流侧卸荷电路的控制方法，其特征在于所述的能 量滞环比较器(205)的逻辑为
6.根据权利要求1所述的变流器直流侧卸荷电路的控制方法，其特征在于所述的低通滤波器为巴特沃兹低通滤波器。
全文摘要
一种变流器直流侧卸荷电路的控制方法，通过母线电压和卸荷电阻累积能量控制卸荷开关状态，实现卸荷电阻的保护。卸荷电路主要由卸荷开关器件和卸荷电阻组成。卸荷控制器采集直流母线电压值，滤波后，经过电压滞环比较器，得到卸荷控制条件一；结合母线电压值、前一控制周期卸荷开关状态和卸荷电阻的固有参数，计算卸荷电阻能量累积值，经过能量滞环比较器，得到卸荷控制条件二；由卸荷控制条件一和条件二逻辑与，得到卸荷开关状态，控制卸荷电阻的投入与切出。本发明能够在电网出现电压跌落等故障时，抑制母线电压的上升，实现变流器的低电压穿越，同时通过实时监测直流侧卸荷电阻的当前能量，对直流侧卸荷电阻进行有效保护。
文档编号H02M1/32GK103023296SQ20121058189
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月27日 优先权日2012年12月27日
发明者董志然, 吕佃顺, 林资旭, 李海东, 许洪华, 赵斌, 赵栋利, 武鑫 申请人:北京科诺伟业科技有限公司, 保定科诺伟业控制设备有限公司