基于九开关变换器的双馈风力发电低电压穿越系统的制作方法

本实用新型属于风力发电技术领域，具体涉及一种基于九开关变换器的双馈风力发电低电压穿越系统。

背景技术：

目前，双馈型风力发电机组在风力发电市场上占有较大份额，提高双馈风力发电机的低电压穿越能力是双馈风力发电系统的关键技术之一。典型的双馈风力发电系统通常采用背靠背双PWM变换器，双馈发电机的定子直接与电网相连，转子通过背靠背双PWM变换器连接到电网。当电网电压跌落时，在转子侧会产生过电流，双PWM变换器直流母线上会产生较大的过电压，但是在这种系统结构中通过转子侧的功率仅为发电机的转差功率。因此，受变换器容量的限制，转子侧变换器不能够控制出较大的转子电流以达到良好的补偿效果，双馈风力发电系统的低电压穿越能力受到较大的限制。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了解决现有风力发电系统的低电压穿越能力不足的问题，提出基于九开关变换器的双馈风力发电低电压穿越系统。

本实用新型采用的技术方案是：

基于九开关变换器的双馈风力发电低电压穿越系统，它包括双馈发电机、转子侧电抗器、九开关变换器、网侧电抗器、空气断路器以及电网。所述转子侧电抗器一端与双馈发电机转子连接，另一端与九开关变换器连接；所述九开关变换器一端连接转子侧电抗器，另一端与所述网侧电抗器连接；所述网侧电抗器另一端与电网连接；所述空气断路器一端连接至双馈发电机定子侧，另一端与电网相连。

进一步地，所述的转子侧电抗器包括电感L1、L2和L3；所述的网侧电抗器包括电感L4、L5和L6。

进一步地，所述的九开关变换器包括直流母线、第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂。所述直流母线由电容C1、C2和电阻R1、R2组成。所述第一桥臂由开关管S11、开关管S12、开关管S13、二极管D11、二极管D12、二极管D13、电感L11、电感L12组成；所述第二桥臂由开关管S21、开关管S22、开关管S23、二极管D21、二极管D22、二极管D23、电感L21、电感L22组成；所述第三桥臂由开关管S31、开关管S32、开关管S33、二极管D31、二极管D32、二极管D33、电感L31、电感L32组成；进一步地，所述的基于九开关变换器的双馈风力发电系统，其特征在于：所述的九开关变换器的直流母线的第一电容C1和第二电容C2串联，第一电阻R1和第一电容C1并联，第二电阻R2和第二电容C2并联；第一电容C1的正极与第一桥臂的第一开关管S11的集电极、第一桥臂的第一二极管D11的阴极连接；第一桥臂的第一开关管S11的发射极与第一桥臂的第一二极管D11的阳极、第一桥臂的第一电感L11的一端连接；第一桥臂的第一电感L11的另一端与第一桥臂的第二开关管S12的集电极、第一桥臂的第二二极管D12的阴极连接；第一桥臂的第二开关管S12的发射极与第一桥臂的第二二极管D12的阳极、第一桥臂的第二电感L12的一端连接；第一桥臂的第二电感L12的另一端与第一桥臂的第三开关管S13的集电极、第一桥臂的第三二极管D13的阴极连接；第一桥臂的第三开关管S13的发射极第一桥臂的第三二极管D13的阳极、第二电容C2的负极连接；第二桥臂的结构、第三桥臂的结构与第一桥臂的结构完全一致。

进一步地，所述转子侧电抗器的电感L1的一端与双馈电机的转子连接，另一端与第一桥臂的开关管S12和电感L12的连接端相连；转子侧电抗器的电感L2的一端与双馈电机的转子连接，另一端与第二桥臂的开关管S22和电感L22的连接端相连；转子侧电抗器的电感L3的一端与双馈电机的转子连接，另一端与第三桥臂的开关管S32和电感L32的连接端相连。

进一步地，所述网侧电抗器的电感L4的一端与与第一桥臂的电感L11和开关管S12的连接端连接，另一端与电网连接；网侧电抗器的电感L5的一端与与第二桥臂的电感L21和开关管S22的连接端连接，另一端与电网连接；网侧电抗器的电感L6的一端与与第三桥臂的电感L31和开关管S32的连接端连接，另一端与电网连接。

上述九开关变换器需采用SPWM调制方式来实现网侧和转子侧输出的独立控制，即在一个开关周期内，先令第一桥臂的第一开关管S11、第二桥臂的第一开关管S21、第三桥臂的第一开关管S31全导通，则桥臂的其他开关管组成一个PWM变换器，此时网侧支路为全零状态，机侧支路可控；再令第一桥臂的第三开关管S13、第二桥臂的第三开关管S23、第三桥臂的第三开关管S33全导通，桥臂的其他开关管组成另一个PWM变换器，此时机侧支路为全零状态，网侧支路输出可控。

本实用新型的有益效果在于：九开关变换器相比于背靠背双PWM变换器减少了三个开关器件，从而减小了变流器的体积，提高了变流器的功率密度。在正常工况下，通过对九开关变换器的合理控制，又可以充分利用变换器的九个开关器件，不造成容量的浪费。此外，九开关变换器的直流母线电压比背靠背变换器直流侧电压高，并且每个开关管的耐压耐流容量也比背靠背变换器中的高，较高的直流侧电压和较大的器件容量使其较容易实现低电压穿越，通过对九开关变换器的高直流母线电压进行合理分配和协调控制，可以提高双馈风力发电系统低电压穿越的能力。

附图说明

图1是本实用新型的结构原理图；

图2是九开关变换器的载波移相控制结构图。

具体实施方式

为进一步阐述本实用新型的内容和特点，以下结合附图对本实用新型的具体实施方案进行具体说明。

参考图1，本实用新型的基于九开关变换器的双馈风力发电低电压穿越系统包括双馈发电机、转子侧电抗器、九开关变换器、网侧电抗器、空气断路器以及电网。所述转子侧电抗器一端与双馈发电机转子连接，另一端与九开关变换器连接；所述九开关变换器一端连接转子侧电抗器，另一端与所述网侧电抗器连接；所述网侧电抗器另一端与电网连接；所述空气断路器一端连接至双馈发电机定子侧，另一端与电网相连。

所述的转子侧电抗器包括电感L1、L2和L3；所述的网侧电抗器包括电感L4、L5和L6。

所述的九开关变换器包括直流母线、第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂；直流母线由电容C1、C2和电阻R1、R2组成。第一桥臂由开关管S11、开关管S12、开关管S13、二极管D11、二极管D12、二极管D13、电感L11、电感L12组成；第二桥臂由开关管S21、开关管S22、开关管S23、二极管D21、二极管D22、二极管D23、电感L21、电感L22组成；第三桥臂由开关管S31、开关管S32、开关管S33、二极管D31、二极管D32、二极管D33、电感L31、电感L32组成；

所述的九开关变换器的直流母线的第一电容C1和第二电容C2串联，第一电阻R1和第一电容C1并联，第二电阻R2和第二电容C2并联；第一电容C1的正极与第一桥臂的第一开关管S11的集电极、第一桥臂的第一二极管D11的阴极连接；第一桥臂的第一开关管S11的发射极与第一桥臂的第一二极管D11的阳极、第一桥臂的第一电感L11的一端连接；第一桥臂的第一电感L11的另一端与第一桥臂的第二开关管S12的集电极、第一桥臂的第二二极管D12的阴极连接；第一桥臂的第二开关管S12的发射极与第一桥臂的第二二极管D12的阳极、第一桥臂的第二电感L12的一端连接；第一桥臂的第二电感L12的另一端与第一桥臂的第三开关管S13的集电极、第一桥臂的第三二极管D13的阴极连接；第一桥臂的第三开关管S13的发射极第一桥臂的第三二极管D13的阳极、第二电容C2的负极连接；第二桥臂的结构、第三桥臂的结构与第一桥臂的结构完全一致。

所述转子侧电抗器的电感L1的一端与双馈电机的转子连接，另一端与第一桥臂的开关管S12和电感L12的连接端相连；转子侧电抗器的电感L2的一端与双馈电机的转子连接，另一端与第二桥臂的开关管S22和电感L22的连接端相连；转子侧电抗器的电感L3的一端与双馈电机的转子连接，另一端与第三桥臂的开关管S32和电感L32的连接端相连；

所述网侧电抗器的电感L4的一端与与第一桥臂的电感L11和开关管S12的连接端连接，另一端与电网连接；网侧电抗器的电感L5的一端与与第二桥臂的电感L21和开关管S22的连接端连接，另一端与电网连接；网侧电抗器的电感L6的一端与与第三桥臂的电感L31和开关管S32的连接端连接，另一端与电网连接；

图1所示的双馈风力发电系统采用特有的SPWM调制方式实现对九开关变换器各功率开关管的控制，如图2所示。

第一桥臂的第一开关管S11、第一桥臂的第三开关管S13、第二桥臂的第一开关管S21、第二桥臂的第三开关管S23、第三桥臂的第一开关管S31、第三桥臂的第三开关管S33采用相同三角载波Uc；

第一桥臂的第一开关管S11采用第一正弦波R_U1叠加直流偏置mr作为第一桥臂的第一调制波U11，第一桥臂的第三开关管S13采用第二正弦波R_U2减去直流偏置mi作为第一桥臂的第二调制波U12；第一桥臂的第一调制波U11与载波Uc通过第一比较器101得到第一桥臂的第一开关管S11的门极控制电平S_1H；第一桥臂的第二调制波U12与载波Uc通过第二比较器102得到第一桥臂的第三开关管S13的门极控制电平S_1L；第一桥臂的第一开关管S11的控制电平S_1H和第一桥臂的第三开关管S13的控制电平S_1L通过第一异或门107得到第一桥臂的第二开关管S12的门极控制电平S_1M；

第二桥臂的第一开关管S21采用第三正弦波R_V1叠加直流偏置mr作为第二桥臂的第一调制波U21，第二桥臂的第三开关管S23采用第四正弦波R_V2减去直流偏置mi作为第二桥臂的第二调制波U22；第二桥臂的第一调制波U21与载波Uc通过第三比较器103得到第一桥臂的第一开关管S21的门极控制电平S_2H；第一桥臂的第二调制波U22与载波Uc通过第四比较器104得到第二桥臂的第三开关管S23的门极控制电平S_2L；第二桥臂的第一开关管S21的控制电平S_2H和第二桥臂的第三开关管S23的控制电平S_2L通过第二异或门108得到第二桥臂的第二开关管S22的门极控制电平S_2M；

第三桥臂的第一开关管S31采用第五正弦波R_W1叠加直流偏置mr作为第三桥臂的第一调制波U31，第三桥臂的第三开关管S33采用第六正弦波R_W2减去直流偏置mi作为第三桥臂的第二调制波U32；第三桥臂的第一调制波U31与载波Uc通过第五比较器105得到第三桥臂的第一开关管S31的门极控制电平S_3H；第三桥臂的第二调制波U32与载波Uc通过第六比较器106得到第三桥臂的第三开关管S33的门极控制电平S_3L；第三桥臂的第一开关管S31的控制电平S_3H和第三桥臂的第三开关管S33的控制电平S_3L通过第三异或门109得到第三桥臂的第二开关管S32的门极控制电平S_3M；第一正弦波R_U1、第三正弦波R_V1、第五正弦波R_W1的频率相同相位相差120º；第二正弦波R_U2第四正弦波R_V2第六正弦波R_W2的频率相同相位相差120º；

在并网点电压跌落程度较深时，本实用新型实施例配合适当的控制策略通过对九开关变换器合理的控制，比现有的背靠背双PWM变换器更容易实现双馈电机的不脱网运行，提高了双馈风力发电系统的低电压穿越能力。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受所述实施例的限制，本领域普通技术人员根据本实用新型技术方案加以的替代、组合、简化，均应包含在本实用新型的保护范围之内。