专利名称：：一种采用直接功率控制的模块化多电平风电变流器的制作方法
技术领域：
：本实用新型涉及海上风电的变流
技术领域：
，尤其涉及一种采用直接功率控制的模块化多电平风电变流器。
背景技术：
：海上风能等可再生能源的大规模并网已成为未来电力系统及智能电网应用的发展方向。基于电压源变流器的柔性直流输电(voltagesourceconverter-highvoltagedirectcurrenttransmission,VSC-HVDC)技术，应用于海上风电场远距离传输已成为当前研究热点之一。VSC-HVDC系统对电压源变流器的容量和电压等级提出了极高要求。模块化多电平变流器(modularmultilevelconverter,MMC)具备级联式变流器的特点,容易实现较多电平数目和模块化设计，并能实现直流侧的背靠背连接，是一种适用于VSC-HVDC的多电平拓扑结构。基于MMC结构的风电变流器目前主要有两种一、采用基于VSCHVDC系统线性模型的电压定向双闭环控制(voltageorientedcontrol,V0C)的变流器。二、采用基于VSC-HVDC系统非线性模型的查询开关表直接功率控制(Look-up-tabledirectpowercontrol,LUT-DPC)的变流器。在目前公开的文献中所提出的采用电压定向双闭环控制的变流器主要是通过同步转速旋转坐标变换将三相交流电流转换，分解为同步旋转坐标系中的有功、无功功率电流分量，然后经过比例-积分(PI)调节器实施对有功、无功功率电流的独立控制，从而实现对MMC瞬时有功、无功功率的解耦控制。但是，该变流器存在以下不足一、PI调节器设计参数过多，调整困难。采用工程整定法大都基于系统传递函数，但该类系统较为复杂，采用简化传递函数等效计算方式得到的PI参数大都偏差较大，需在现场依赖人工经验调整，系统性能无法得到保证。二、对系统参数有一定的依赖性，采用内环前馈结构要用到系统电感等参数，在实际系统中这些参数的准确性难以保证，有时偏差较大，且随着系统运行工况的不同，会有一定的变化，因此，往往造成按照标称系统参数设计的PI调节器的实际运行性能与期望性能存在偏差。三、轻型直流输电系统数学模型本身存在强耦合、非线性等特征，而PI调节器是按照系统稳态线性化模型设计的，因此，无法保证系统动态性能，调节效果不可能达到最优。在目前公开的文献中所提出的采用查询开关表直接功率控制的变流器源于交流电机直接转矩控制的思想，并应用于采用MMC的柔性直流输电系统中。该变流器工作的基本原理是在一个采样周期内根据瞬时有功、无功的误差以及电网位置信号，在事先确定的电压矢量开关表中选取合适的变流器输出电压矢量，使得输出功率能够快速、精确地跟踪其给定值。相对于V0C，LUT-DPC的优点主要是动态响应快，具有较高的鲁棒性。然而，其明显不足是变流器开关频率不稳定，稳态特性不如V0C，同时，还因使用了较多的传感器，造成系统成本增加和体积庞大，且由于实际应用中丢失传感器信号，以及受到噪声干扰，造成系统性能降低。
实用新型内容针对上述技术问题，本实用新型的目的在于提供一种采用直接功率控制的模块化多电平风电变流器，其通过虚拟磁链计算有功、无功功率，无需电网电压传感器，无需设计电流内环，不仅动态响应快，开关频率恒定，而且具有更好的稳态特性。为达此目的，本实用新型采用以下技术方案一种采用直接功率控制的模块化多电平风电变流器，包括模块化多电平变流器(modularmultilevelconverter,MMC)、功率给定单元、信号采集单元、虚拟磁链计算单元、功率解耦单元、坐标变换单元、均压控制单元以及触发脉冲生成单元；其中，所述模块化多电平变流器与信号采集单元、触发脉冲生成单元连接，所述信号采集单元与功率给定单元、虚拟磁链计算单元连接，所述触发脉冲生成单元与均压控制单元连接，所述功率给定单元与功率解稱单元连接，所述虚拟磁链计算单元与功率解I禹单元、坐标变换单元连接,所述均压控制单元与触发脉冲生成单元、坐标变换单元连接,所述坐标变换单元与功率解耦单元连接。特别地，所述模块化多电平变流器中的功率器件选用绝缘栅双极性晶体管。特别地，所述模块化多电平变流器的直流侧采用电容稳压，其交流侧设置有电抗器。特别地，所述信号采集单元包括霍尔电流传感器、霍尔电压传感器及信号调理电路。特别地，所述功率给定单元、虚拟磁链计算单元、功率解耦单元、坐标变换单元及均压控制单均选用德州仪器(TI)公司的DSP28335。特别地，所述触发脉冲生成单元选用瑞士莱姆(LEM)公司的现场可编程门阵(Field—ProgrammableGateArray,FPGA)。本实用新型通过虚拟磁链计算有功、无功功率，实现对模块化多电平变流器的直接功率控制，与采用电压定向双闭环控制的变流器相比，本实用新型的无需设计电流内环且动态响应快；与采用查询开关表直接功率控制的变流器相比，本实用新型无需网侧电压传感器，不仅动态响应快，开关频率恒定，而且具有更好的稳态特性。[0016]结构图[0022][0023]图1为本实用新型实施例提供的海上风电VSC-HVDC系统结构图2a为本实用新型实施例提供的模块化多电平变流器拓扑结构图2b为本实用新型实施例提供的变流器中子模块结构图3a为本实用新型实施例提供的采用直接功率控制的模块化多电平风电变流器图3b为本实用新型实施例提供的功率解耦控单元原理图4a为本实用新型实施例提供的VSC-HVDC系统有功功率和无功功率响应曲线；图4b为本实用新型实施例提供的VSC-HVDC系统输出响应曲线；图4c为本实用新型实施例提供的电力系统出现故障时的系统输出响应曲线。具体实施方式为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。请参照图1所示，图1为本实用新型实施例提供的海上风电VSC-HVDC系统结构图。图中，VSC1为风场侧变流器，VSC2为网侧变流器。C1、C2均为直流电容。Tl为升压变压器，将风场出口电压升高至所需数值后送入风场侧变流器。T2为隔离变压器，网侧变流器通过该隔离变压器接入电网，发挥隔离和电压匹配的作用。其中，风场侧变流器和网侧变流器均为模块化多电平变流器，其中的功率器件采用基于绝缘栅双极性晶体管(IGBT)的MCC结构。传输功率Prc的传输方向为由风场侧输送至网侧。需要说明的是，在所述变流器的交流侧还设置有进线电抗器，起到平波和直流侧电容电压泵升的作用。如图2a所示，图2a为本实用新型实施例提供的模块化多电平变流器拓扑结构图。以网侧变流器VSC2为例。由虚拟磁链概念，可将网侧电源看做一个虚拟交流电机，如图中虚线框中的部分所示。其中，Rtl为所述虚拟交流电机的定子电阻，Ltl为所述虚拟交流电机的电感，ia、ib和i。为网侧电流，u'rb>u'A及u'rc该变流器的交流侧电压，ura>Urb及Ulx变流器的桥臂电压。模块化多电平变流器的子模块SMn(η为正整数)结构图，如图2b所/Jnο如图3a所示，图3a为本实用新型实施例提供的采用直接功率控制的模块化多电平变流器结构图。本实施例中采用直接功率控制的模块化多电平风电变流器包括模块化多电平变流器301、功率给定单元302、信号采集单元303、虚拟磁链计算单元304、功率解耦单元305、坐标变换单元306、均压控制单元307以及触发脉冲生成单元308。其中，所述模块化多电平变流器301与信号采集单元303、触发脉冲生成单元308连接，所述信号采集单元303与功率给定单元302、虚拟磁链计算单元304连接，所述触发脉冲生成单元308与均压控制单元307连接，所述功率给定单元302与功率解耦单元305连接，所述虚拟磁链计算单元304与功率解耦单元305、坐标变换单元306连接，所述均压控制单元307与触发脉冲生成单元308、坐标变换单元306连接，所述坐标变换单元306与功率解耦单元305连接。本实施例中所述模块化多电平变流器301中的功率器件选用绝缘栅双极性晶体管(IGBT)。所述模块化多电平变流器301的直流侧采用电容C稳压，其交流侧设置有电抗器。所述信号采集单元303包括霍尔电流传感器、霍尔电压传感器及信号调理电路。所述信号调理电路采用运算放大器TL074构成的运算电路。所述功率给定单元302、虚拟磁链计算单元304、功率解耦单元305、坐标变换单元306及均压控制单均选用德州仪器(TI)公司的DSP28335，型号为XC5VLX330。所述触发脉冲生成单元308选用瑞士莱姆(LEM)公司的现场可编程门阵(Field—ProgrammableGateArray,FPGA)。其中，所述运算放大器TL074为常用四运放集成电路。以一台系统容量为40kVA，电压等级690V的基于模块化多电平变流器301的VSC-HVDC系统为例，该模块化多电平变流器301的每个桥臂设置四个子模块，风场侧变流器VSCl控制直流电压，网侧变流器VSC2控制有功功率。本实施例中采用直接功率控制的模块化多电平风电变流器的具体工作过程如下[0032]步骤S101、根据VSC-HVDC系统结构，建立模块化多电平变流器301的数学模型。功率给定单元302通过PI调节器处理直流电压给定值Vje与模块化多电变流器的直流电压检测值Vdc的误差，获得有功电流给定值Id并将该有功电流给定值与直流电压检测值Vdc的乘积作为有功功率给定值Ρ%其中，无功功率给定值q*在单位功率因数运行时为零。在该数学模型中，风场部分用同步发电机E等效，网侧采用理想电压源，风场侧变压器为升压变压器，将风场出口电压升高至所需数值后送入风场侧变流器。网侧变流器经隔离变压器接入电网，这一侧变压器的作用为隔离和电压匹配。风场侧变流器和网侧变流器的直流侧以长距离输电电缆连接，电缆模型采用η型等效电路模拟。风场侧变流器和网侧变流器交流侧三相电抗器采用三相电感模块模拟。模块化多电平变流器301的数学模型如公式(I)所示权利要求1.一种采用直接功率控制的模块化多电平风电变流器，其特征在于，包括模块化多电平变流器、功率给定单元、信号采集单元、虚拟磁链计算单元、功率解耦单元、坐标变换单元、均压控制单元以及触发脉冲生成单元；其中，所述模块化多电平变流器与信号采集单元、触发脉冲生成单元连接，所述信号采集单元与功率给定单元、虚拟磁链计算单元连接，所述触发脉冲生成单元与均压控制单元连接，所述功率给定单元与功率解稱单元连接，所述虚拟磁链计算单元与功率解稱单元、坐标变换单元连接，所述均压控制单元与触发脉冲生成单元、坐标变换单元连接，所述坐标变换单元与功率解稱单元连接。2.根据权利要求1所述的采用直接功率控制的模块化多电平风电变流器，其特征在于，所述模块化多电平变流器中的功率器件选用绝缘栅双极性晶体管。3.根据权利要求2所述的采用直接功率控制的模块化多电平风电变流器，其特征在于，所述模块化多电平变流器的直流侧采用电容稳压，其交流侧设置有电抗器。4.根据权利要求3所述的采用直接功率控制的模块化多电平风电变流器，其特征在于，所述信号采集单元包括霍尔电流传感器、霍尔电压传感器及信号调理电路。5.根据权利要求4所述的采用直接功率控制的模块化多电平风电变流器，其特征在于，所述功率给定单元、虚拟磁链计算单元、功率解耦单元、坐标变换单元及均压控制单均选用德州仪器(TI)公司的DSP28335。6.根据权利要求5所述的采用直接功率控制的模块化多电平风电变流器，其特征在于，所述触发脉冲生成单元选用瑞士莱姆(LEM)公司的现场可编程门阵(Field—ProgrammableGateArray,FPGA)。专利摘要本实用新型公开一种采用直接功率控制的模块化多电平风电变流器，该变流器通过功率给定单元、信号采集单元、虚拟磁链计算单元、功率解耦单元、坐标变换单元、均压控制单元以及触发脉冲生成单元对模块化多电平变流器中的功率器件进行控制。与采用电压定向双闭环控制的变流器相比，本实用新型的无需设计电流内环且动态响应快；与采用查询开关表直接功率控制的变流器相比，本实用新型无需网侧电压传感器，不仅动态响应快，开关频率恒定，而且具有更好的稳态特性。文档编号H02M7/483GK202872383SQ20122054904公开日2013年4月10日申请日期2012年10月24日优先权日2012年10月24日发明者蒋辰晖,王志新,吴杰申请人:无锡清源电气科技有限公司