一种垂直轴永磁直驱风电变流器的拓扑结构和控制方法与流程

本发明涉及一种变流器，尤其是一种垂直轴永磁直驱风电变流器的拓扑结构和控制方法，属于风力发电技术领域。

背景技术

传统的风电机组采用背靠背结构的变流器，它包括机侧变流器和网侧变流器，其中机侧变流器一般采用电压源变流器vsc、不可控整流器+boost组合等拓扑结构。不可控整流器会造成大量谐波，定子电流中的谐波使得风力发电机转矩波形中含有纹波，而转矩纹波可能会使风电机组产生额外的机械振动和扭振。而对于电压源变流器vsc，虽是可控整流，但它的du/dt引起的高尖峰电压脉冲将对风力发电机的定子绕组绝缘造成极大的威胁，这就使得风力发电机要完全按照高压电机设计，从而增加了绕组的绝缘厚度和电机成本，且使发电机的散热条件变坏。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于：针对上述现有技术存在的不足，提供一种谐波含量小、耐压等级高的一种垂直轴永磁直驱风电变流器的拓扑结构和控制方法。

为了达到以上目的，本发明一种垂直轴永磁直驱风电变流器的拓扑结构包括机侧变流器和网侧变流器；所述机侧变流器包括维也纳整流器、dc/dc升压变流器；所述机侧变流器一端与垂直轴永磁直驱风力发电机的定子相连，另一端与直流母线相连；所述直流母线的另一端与网侧变流器相连；所述网侧变流器通过升压工频变压器与电网相连。

所述维也纳整流器的一端与所述垂直轴永磁直驱风力发电机的定子相连，另一端与所述dc/dc升压变流器的一端相连；所述dc/dc升压变流器的另一端与所述直流母线相连。

所述维也纳整流器包括三个滤波电感、六个整流二极管、三个双向开关单元、两个输出电容；所述三个滤波电感分别与所述垂直轴风力发电机的定子三相绕组相连；所述双向开关单元由两个开关管组成，由一路驱动信号控制；所述两个输出电容为串联连接，其中，与所述维也纳整流器的直流输出端正极相连的输出电容称为上电容，与所述维也纳整流器的直流输出端负极相连的输出电容称为下电容。

所述dc/dc升压变流器包括电感l、开关管vt、快速恢复二极管vd、电容c，其作用是：1)将所述维也纳整流器的直流输出电压进行升压，尤其在低风速时；2)稳定所述直流母线的电压。

所述网侧变流器为传统的电压源变流器vsc，包括直流侧电容cg、6个开关管、1个滤波器，但其作用是：实现垂直轴永磁直驱风力发电机有功功率控制，同时实现逆变并网。

本发明一种垂直轴永磁直驱风电变流器的控制方法，采用以下步骤：

步骤1，所述维也纳整流器采用零序分量注入法实现谐波最小化整流，具体步骤为：

11)所述垂直轴永磁直驱风力发电机定子发出的频率和幅值均可变化的三相交流电经所述维也纳整流器的三个滤波电感后，将其电压记为ua、ub、uc，其电流记为ia、ib、ic；将ua、ub、uc经abc/dq变换得到ud和uq；将ia、ib、ic经abc/dq变换得到id和iq；

12)将id的参考值id_ref与当前实际值id之差经pi控制器，其输出作为ud的参考值ud_ref；

13)将所述维也纳整流器的直流输出电压参考值vdc_ref与其当前实际测量值vdc之差经pi控制器，其输出为iq的参考值iq_ref；将此参考值iq_ref与当前实际值iq之差经pi控制器，其输出作为uq的参考值uq_ref；

14)将步骤12)和13)得到的参考值ud_ref和uq_ref，经abc/dq逆变换得到电压ua、ub、uc的参考值ua_ref、ub_ref、uc_ref，并将ua_ref、ub_ref、uc_ref中的最大值记为umax，将ua_ref、ub_ref、uc_ref中的最小值记为umin；

15)按式(1)计算零序分量u0：

u0＝-(umax+umin)/2(1)

16)令△v＝v1-v2，其中，v1为所述维也纳整流器的上电容两端电压，v2为所述维也纳整流器的下电容的两端电压；△v的参考值记为△vref；

17)将△vref/vdc_ref与其当前实际值△v/vdc之差经pi控制器，其输出记为不平衡因子k；将此不平衡因子k与步骤5)得到的u0相加，得到需要注入的零序分量u0_inj；

18)将步骤17)得到的需要注入的零序分量u0_inj分别与步骤14)得到的ua_ref、ub_ref、uc_ref相加，得到修正后的电压参考值ua_refm、ub_refm、uc_refm；

19)将修正后的电压参考值ua_refm、ub_refm、uc_refm通过载波脉宽调制(cb-pwm)得到所述维也纳整流器的三个双向开关单元的驱动信号，驱动三个双向开关单元工作。

步骤2，所述dc/dc升压变流器采用如下控制方法，实现所述直流母线电压稳定：

21)将所述直流母线电压参考值vdcbus_ref与其当前实际值vdcbus之差经pi控制器，其输出为所述维也纳整流器的直流输出电流参考值idc_ref；

22)将此参考值idc_ref与当前所述维也纳整流器的直流输出电流实际值idc之差经pi控制器，其输出与锯齿波比较，即得到所述dc/dc升压变流器中开关管vt的驱动信号。

步骤3，所述网侧变流器采用如下控制方法，实现所述垂直轴永磁直驱风力发电机的有功功率控制和并网控制：

31)测量风速vw；测量三相电网电压uga、ugb、ugc和三相网侧电流iga、igb、igc；

32)将uga、ugb、ugc经锁相环pll得到相位角θg；

33)将iga、igb、igc经abc/dq变换得到idg和iqg；将uga、ugb、ugc经abc/dq变换得到udg和uqg，采用基于电压定向的控制策略，将电网电压矢量定向在同步坐标系的d轴上，从而有：udg＝ug，uqg＝0；由此可计算出系统的有功功率pg和无功功率qg分别为：

pg＝1.5udgidg(2)

qg＝-1.5udgiqg(3)

34)根据所述垂直轴永磁直驱风力发电机的风速-有功功率曲线，得到当前风速vw下的并网有功功率参考值pg_ref，根据式(2)，将此pg_ref除以1.5udg得到网侧d轴电流参考值idg_ref，将此idg_ref与其当前实际值idg之差经pi控制器，其输出为所述网侧变流器的d轴电压参考值udi_ref；

35)根据式(3)，将并网无功功率qg_ref除以-1.5udg得到网侧q轴电流参考值iqg_ref，将此iqg_ref与其当前实际值iqg之差经pi控制器，其输出为所述网侧变流器的q轴电压参考值uqi_ref；

36)将步骤34)和35)得到的所述网侧变流器的电压参考值udi_ref和uqi_ref，经dq/αβ坐标变换后得到uαi_ref和uβi_ref，经svpwm调制后产生所述网侧变流器开关管的驱动信号，对风电机组的并网有功功率和无功功率进行调节，实现所述垂直轴永磁直驱风力发电机的输出有功功率控制和并网控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)维也纳整流器具有无须考虑死区、谐波含量小、功率密度大等优点，克服了传统电压源变流器由du/dt而引起高尖峰电压脉冲这样的固有缺陷，从而降低了发电机的定子绕组绝缘要求，使发电机制造工艺简化、成本降低；同时使得风力发电机定子电流谐波小，避免风电机组产生额外的机械振动和扭振现象。

2)由于维也纳整流器中的开关器件所承受的电压仅为传统电压源变流器vsc的一半，提高了工作可靠性，使得本发明所述变流器尤其适合高电压、大功率场合；同时变流器中的开关器件成本大大降低，因此，即使增加了dc/dc升压变流器，总体成本不会增加。

附图说明

图1为本发明垂直轴永磁直驱风电变流器的拓扑结构示意图。

图2为采用本发明垂直轴永磁直驱风电变流器的风力发电系统结构示例。

图3为本发明所述维也纳整流器的控制框图。

图4为本发明所述dc/dc升压变流器的控制框图。

图5为本发明所述网侧变流器的控制框图。

其中，1-机侧变流器；2-网侧变流器；3-垂直轴永磁直驱风力发电机；4-直流母线；11-维也纳整流器；12-dc/dc升压变流器

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。

如图1、图2所示，本发明一种垂直轴永磁直驱风电变流器的拓扑结构，包括机侧变流器1和网侧变流器2；机侧变流器1包括维也纳整流器11和dc/dc升压变流器12；机侧变流器1的一端与垂直轴风力发电机3的定子相连，另一端与直流母线4相连，即：维也纳整流器11的一端与垂直轴风力发电机3的定子相连，另一端与dc/dc升压变流器12的一端相连；dc/dc升压变流器12的另一端与直流母线4相连；直流母线4的另一端与网侧变流器2相连；网侧变流器2通过升压工频变压器(见图2)与电网相连。

如图1所示，维也纳整流器11包括三个滤波电感la、lb、lc，六个整流二极管vd1～vd6，三个双向开关单元sa、sb、sc，两个输出电容c1、c2，c1与c2串联，两者连接点为o，c1称为上电容，c2称为下电容；三个滤波电感la、lb、lc的一端分别与垂直轴风力发电机3的定子三相绕组相连，另一端分别标为a、b、c点，分别与三个双向开关单元sa、sb、sc的一端相连，且与整流二极管vd1和vd2、vd3和vd4、vd5和vd6的连接点分别相连；三个双向开关单元sa、sb、sc的另一端短接并与o点相连；每个双向开关单元由两个开关管组成，两者反向连接，由一路驱动信号控制。

dc/dc升压变流器12包括电感l、开关管vt、快速恢复二极管vd、电容c，用于将维也纳整流器11的直流输出电压vdc进行升压，尤其是低风速时；同时使直流母线4的电压vdcbus稳定。

网侧变流器2为传统的电压源变流器vsc，包括直流侧电容cg、6个开关管vt1～vt6、滤波器，其作用是：实现垂直轴风力发电机3的输出功率控制，同时实现逆变并网控制。

上述垂直轴永磁直驱风电变流器的控制方法，包括以下步骤：

步骤1，维也纳整流器11采用零序分量注入法实现谐波最小化整流，如图1、图3所示，具体步骤为：

11)垂直轴风力发电机3定子发出的频率和幅值均可变化的三相交流电经维也纳整流器11的三个滤波电感la、lb、lc后，将a、b、c点的电压分别记为ua、ub、uc，其电流记为ia、ib、ic；将ua、ub、uc经abc/dq变换得到ud和uq；将ia、ib、ic经abc/dq变换得到id和iq，其中id与无功功率有关，iq与有功功率有关，因此，id的参考值id_ref可设置为0，以实现单位功率因数运行，而iq的参考值iq_ref取自于维也纳整流器11的直流输出电压pi控制器；

12)将id的参考值id_ref(可令id_ref＝0)与当前实际值id之差经pi控制器，其输出作为ud的参考值ud_ref；

13)将维也纳整流器11的直流输出电压参考值vdc_ref(作为例子，可令ua为a相电压ua的幅值)与其当前实际测量值vdc之差经pi控制器，其输出为iq的参考值iq_ref；将此参考值iq_ref与当前实际值iq之差经pi控制器，其输出作为uq的参考值uq_ref；

14)将步骤12)和13)得到的参考值ud_ref和uq_ref，经abc/dq反变换得到电压ua、ub、uc的参考值ua_ref、ub_ref、uc_ref，求出ua_ref、ub_ref、uc_ref中的最大值，并将此最大值记为umax，求出ua_ref、ub_ref、uc_ref中的最小值，并将此最小值记为umin，即：

umax＝max(ua_ref,ub_ref,uc_ref)，

umin＝min(ua_ref,ub_ref,uc_ref)；

15)按式(1)计算零序分量u0：

u0＝-(umax+umin)/2(1)

16)令△v＝v1-v2，其中，v1为维也纳整流器11的上电容c1的两端电压，v2为维也纳整流器11的下电容c2的两端电压；△v的参考值记为△vref；

17)将△vref/vdc_ref与其当前实际值△v/vdc之差经pi控制器，其输出记为不平衡因子k，它反映上电容c1和下电容c2的电压平衡情况；将此不平衡因子k与步骤15)得到的u0相加，得到需要注入的零序分量u0_inj，即：

u0_inj＝u0+k＝(umax+umin)/2+k

18)将步骤17)得到的需要注入的零序分量u0_inj分别与步骤14)得到的ua_ref、ub_ref、uc_ref相加，得到修正后的电压参考值ua_refm、ub_refm、uc_refm，即：

ua_refm＝ua_ref+u0_inj

ub_refm＝ub_ref+u0_inj

uc_refm＝uc_ref+u0_inj

19)将修正后的电压参考值ua_refm、ub_refm、uc_refm通过载波脉宽调制(cb-pwm)得到维也纳整流器11的三个双向开关单元sa、sb、sc的驱动信号，驱动三个双向开关单元sa、sb、sc工作。

步骤2，如图1、图4所示，dc/dc升压变流器12采用如下控制方法，实现直流母线4电压vdcbus的稳定：

21)将直流母线4的电压参考值vdcbus_ref与其当前实际值vdcbus之差经pi控制器，其输出为维也纳整流器11的直流输出电流参考值idc_ref；

22)将此参考值idc_ref与当前维也纳整流器11的直流输出电流实际测量值idc之差经pi控制器，该pi控制器的输出与锯齿波比较，即得到dc/dc升压变流器12中的开关管vt的驱动信号，实现升压、稳压功能。

步骤3，如图1、图5所示，网侧变流器2采用如下控制方法，实现垂直轴永磁直驱风力发电机3的有功功率控制：

31)测量风速vw；测量三相电网电压uga、ugb、ugc和三相网侧电流iga、igb、igc；

32)将uga、ugb、ugc经锁相环pll得到电网电压的相位角θg；

33)将iga、igb、igc经abc/dq变换得到idg和iqg；将uga、ugb、ugc经abc/dq变换得到udg和uqg，采用基于电压定向的控制策略，将电网电压矢量定向在同步坐标系的d轴上，从而有：udg＝ug，uqg＝0，由此可计算出系统的有功功率pg和无功功率qg分别为：

pg＝1.5udgidg(2)

qg＝-1.5udgiqg(3)

34)根据垂直轴风力发电机3的风速-有功功率曲线(mppt曲线)，得到当前风速vw下的并网有功功率参考值pg_ref，根据式(2)，将此pg_ref除以1.5udg得到网侧d轴电流参考值idg_ref，将此idg_ref与其当前实际值idg之差经pi控制器，其输出为网侧变流器2的d轴电压参考值udi_ref；

35)根据式(3)，将并网无功功率参考值qg_ref除以-1.5udg得到网侧q轴电流参考值iqg_ref，将此iqg_ref与其当前实际值iqg之差经pi控制器，其输出为网侧变流器2的q轴电压参考值uqi_ref；当并网无功功率参考值qg_ref设为0时，则网侧变流器2实现单位功率因数运行，如qg_ref设为负数，则网侧变流器2实现超前功率因数运行，如qg_ref设为正数，则网侧变流器2实现滞后功率因数运行；

36)将步骤34)和35)得到的网侧变流器2的电压参考值udi_ref和uqi_ref，经dq/αβ坐标变换后得到uαi_ref和uβi_ref，经svpwm调制后产生网侧变流器2的开关管的驱动信号，对风电机组的并网有功功率和无功功率进行调节，实现垂直轴风力发电机3的输出有功功率控制和并网控制。