风电并网三电平变换器的并联控制方法与流程

本发明属于风电并网变换器领域，尤其涉及变换器的控制方法。
背景技术：
：在新能源发电并网过程中，电力电子变换器具有关键的作用。最近几年，随着海上风电和分布式风能/太阳能产业的迅猛发展，三电平变换器的并联运行成为许多工业应用中电力系统设计的新趋势。在开关器件功率等级有限的情况下，通过变换器并联可以获得更大的功率容量和更高的系统可靠性，与此同时，并联变换器还具有模块化高、冗余性强以及更加便于散热和维护等优点。传统的变换器并联控制方法主要分为同步并联和交错并联两大类。所谓同步并联，就是并联运行的两台变换器使用完全一样的开关脉冲。这种并联方式可以实现两倍于单台变换器的容量，但是输出电流纹波性能与单台变换器保持同等水平。而所谓交错并联，是有意将两台并联变换器的载波移相180度，从而使得两台变换器的输出电流纹波能在某种程度上相互抵消，从而改善并联系统整体输出的电流质量。与同步并联相比，交错并联不仅能够实现两倍于单台变换器的容量，还能大幅提升整个并联系统输出电流的质量，因此得到了广泛的研究和应用。但是，交错并联最大的缺点就是，相位相差180度的载波会产生较大的高频环流，造成系统效率下降、开关器件应力上升，甚至使系统无法正常运行。因此，环流问题是交错并联方法进入实际工程应用的主要限制因素之一。在并网应用中，通常希望变换器交流侧输出电流的谐波含量越少越好，这样可以确保并网变换器对电网更加友好，减少对电网的谐波污染。但是如上文所述，同步并联方法无助于改善输出电流质量；交错并联方法能够提高输出电流的质量，但是却会带来环流问题。技术实现要素：本发明是为了解决传统并联控制方式难以在提高输出电流质量的同时减小环流的问题，现提供风电并网三电平变换器的并联控制方法，来提高并网电流质量并减小高频环流。风电并网三电平变换器的并联控制方法，该方法为：将并联的两台三电平变换器整体视为一个五电平系统，利用传统五电平空间矢量调制方法生成一个开关周期内与参考矢量相对应的五电平开关序列，将五电平开关序列中的五电平状态分配至并联的三电平变换器所对应的两个三电平开关序列中，分配原则如下：将五电平开关序列中数值为偶数的五电平状态平均分为两个三电平状态，数值为偶数的五电平状态包括0、2和4，数值为0的五电平状态分为两个数值为0的三电平状态，数值为2的五电平状态分为两个数值为1的三电平状态，数值为4的五电平状态分为两个数值为2的三电平状态；将五电平开关序列中数值为奇数的五电平状态分为两个三电平状态，该两个三电平状态构成一个状态组，该状态组中状态差的绝对值最小、同一开关周期内所有状态差的平均值为0、且相邻两个开关周期中每相环流平均值为0，其中状态差为一个状态组中两个三电平状态的差值；数值为奇数的五电平状态包括1和3，数值为1的五电平状态分为数值为0和数值为1的三电平状态，数值为3的五电平状态分为数值为1和数值为2的三电平状态。利用两个三电平开关序列分别对并联的两个三电平变换器进行调制，使得并联的两个三电平变换器产生相当于五电平变换器的电流质量，且并联系统的平均差模和共模环流为零。在相邻两个开关周期中，同一作用时间下相同的奇数五电平状态的数值分配顺序相反。具体的，当第i个开关周期中，作用时间tg下数值为1的五电平状态分配顺序为0、1时，则第i+1个开关周期中，作用时间tg下数值为1的五电平状态分配顺序为1、0；当第i个开关周期中，作用时间tg下数值为3的五电平状态分配顺序为2、1时，则第i+1个开关周期中，作用时间tg下数值为3的五电平状态分配顺序为1、2，其中，g＝a,b,c。本发明基于分析并联三电平变换器的桥臂输出状态，推导出并联三电平变换器与单个五电平系统具有等效性，能够基于五电平空间矢量调制方法对并联系统进行整体分析与控制。利用三电平变换器状态在合成五电平输出时所具有的冗余特点，提出了一种交替使用三电平冗余组合方式，以将五电平开关序列分配给并联三电平变换器。这种开关序列分配方式一方面，可以把一个开关周期内的电流纹波分散到连续的两个开关周期内，因此对于相同的开关周期来说，输出电流纹波就减小了，输出电流质量得到了改善。另一方面，交替作用的三电平状态组合还能使环流不至于始终朝向一个方向变化，从而确保环流平均值为零，大大减小了并联运行过程中的高频环流大小。本发明所述方法在风电并网应用中，既能提供比交错并联方法更高的并联输出电流质量，又能有效减小产生的高频环流大小。附图说明图1是风电并网三电平变换器并联运行拓扑结构图；图2是五电平矢量空间i扇区的矢量示意图；图3是五电平矢量空间i扇区7小区的开关序列示意图；图4是五电平矢量空间i扇区7小区的差模环流示意图；图5是五电平矢量空间i扇区7小区的共模环流示意图；图6是不同调制比条件下，采用本发明方法与采用传统交错并联方法时，输出电流质量实验数据对比曲线图；图7是不同调制比条件下，采用本发明方法与采用交错并联方法时，共模环流实验数据对比曲线图。具体实施方式风电并网三电平变换器并联运行拓扑结构如图1所示，包括：直流母线、分压电容、两台三电平变换器、桥臂滤波电感和输出滤波电感，直流母线可以利用整流桥装置或直接由太阳能电池板等直流源供电；分压电容由两个相同极性的电容ca和电容cb组成，电容ca的正极与直流母线的正极连接，电容ca的负极与电容cb的正极连接，电容ca与电容cb的连接点为分压电容的中点，分压电容的中点记为直流侧中性点n，电容cb的负极与直流侧电源的负极连接；两个三电平变换器所有桥臂的正端均连接到所述直流母线的正端，所有桥臂的负端均连接到直流母线的负端，所有桥臂的钳位二极管中点均连接到各自的直流侧中性点；每个变换器包括有三个并联的三电平桥臂，三个三电平桥臂的中间点依次记为a1(a2)、b1(b2)、c1(c2)；桥臂滤波电感包括两组三相滤波电感l1和l2；所述输出滤波电感为一组三相滤波电感l；a1、b1、c1三点分别与a2、b2、c2三点连接在一起，连接点分别记为apcc、bpcc、cpcc；apcc、bpcc、cpcc三点分别连接到三相输出滤波电感l的一端；三相输出滤波电感l的另一端分别连接到交流电网中。上述风电并网三电平变换器并联运行拓扑结构中的典型参数如下表所示：系统参数表参量数值vdc200vl16mhl26mhl1mh两个三电平变换器第x相输出电压vx1n和vx2n可以表示为：其中，sx1和sx2分别表示两个三电平变换器中第x相桥臂的开关状态；vdc表示直流母线电压。基准点(apcc、bpcc、cpcc)处的交流侧输出相电压vxpccn可表示为：鉴于vx1n和vx2n只能取公式(1)中的数值，由(2)可知，vxpccn只有五种不同的电压值。也就是说，若以apcc、bpcc、cpcc为基准点，则整个三电平并联系统能够输出五种不同的电平。因此，可以把两台三电平变换器组成的系统从整体上作为一个五电平系统来进行分析。这个五电平系统每相的输出状态及其与两个三电平变换器状态之间的关系如下表所示：五电平系统每相的输出状态及其与两个三电平变换器状态对比表既然两台并联的三电平变换器等效于一个五电平系统，那么就可以直接基于五电平空间矢量法对变换器进行调制和控制，而无需再将其看作分立的两台三电平变换器。这样就可以打破三电平运行对于变换器开关器件的约束，从整体上提供更多的控制自由度，从而实现性能上的提升。具体实施方式一：根据以上分析，在本实施方式所述的风电并网三电平变换器的并联控制方法中，将并联的两台三电平变换器整体视为一个五电平系统，利用传统五电平空间矢量调制方法生成一个开关周期内与参考矢量相对应的五电平开关序列，具体的五电平开关序列的生成方法如下：典型的五电平矢量空间由61个基本矢量构成，分别表示为v0到v60。以位于五电平矢量空间中心的零共模电压矢量v0所在点为圆心，以该圆心为原点，建立αβ平面直角坐标系，以θ为各个扇区的圆心角，每60°划分为一个扇区，将矢量空间划分为6个扇区，6个扇区分配如下表：扇区分配表扇区圆心角范围ⅰ0°≤θ＜60°ⅱ60°≤θ＜120°ⅲ120°≤θ＜180°ⅳ180°≤θ＜240°ⅴ240°≤θ＜300°ⅵ300°≤θ＜360°其中，每个扇区包括16个小区。将参考矢量在矢量空间中的角度与上述扇区分配表进行匹配，以确定参考矢量所在扇区，该参考矢量为五电平系统的待调制矢量；利用以下公式确定参考矢量在矢量空间中的坐标[vα,vβ]：其中，vref表示参考矢量的幅值，δ为参考矢量的幅值夹角；若参考矢量位于i扇区，则直接将[vα,vβ]代入以下小区分配表来判断参考矢量所在小区；若参考矢量位于其余扇区，那么由于整个矢量空间具有旋转对称性，所以可以将其余扇区(ii-vi)内的参考矢量旋转到i扇区进行类比，同样套用以下小区分配表就能获得矢量所在小区；小区分配表确定了参考矢量所在位置之后，设参考矢量所在小区三个顶点处的三个基本矢量分别为va、vb、vc，且各自对应的矢量作用时间分别为ta、tb、tc。根据伏秒平衡原理，在一个开关周期ts内，可以得到：vref·ts＝va·ta+vb·tb+vc·tc(4)将实部与虚部分别展开，即可求得各小区内的ta、tb、tc，具体如下表所示：矢量作用时间表其中，m表示调制比，获得了上述矢量作用时间之后，就能够根据参考矢量所在小区、扇区和开关序列分配表获得一个开关周期内矢量作用时间与参考矢量相对应的五电平开关序列，具体序列分配如下表所示：开关序列分配表获得了五电平开关序列之后，再将五电平开关序列中的五电平状态分配至并联的三电平变换器所对应的两个三电平开关序列中，利用两个三电平开关序列分别对并联的两个三电平变换器进行调制，使得并联的两个三电平变换器产生相当于五电平变换器的电流质量，且并联系统的平均差模和共模环流为零。环流是变换器并联运行的主要问题之一，当并联运行的变换器输出电压不一致时，其电压差就会在环流通路上产生环流。环流的存在不仅会降低系统效率、增加内部损耗，严重情况下甚至会损坏开关器件，因此如果不能把环流平均值控制为零，那么并联变换器系统将无法正常运行。尽管并联三电平变换器可以作为一个整体的五电平系统进行分析，但是最终的开关脉冲仍要发送到并联的两台三电平变换器，因此如何把生成的五电平开关序列转换为三电平开关序列至关重要。本实施方式中，以冗余交替的方式将五电平开关序列分配到两台并联三电平变换器所对应的两个三电平开关序列中，具体如下：将五电平开关序列中数值为偶数的五电平状态平均分为两个三电平状态，上述数值为偶数的五电平状态包括0、2和4，数值为0的五电平状态分为两个数值为0的三电平状态，数值为2的五电平状态分为两个数值为1的三电平状态，数值为4的五电平状态分为两个数值为2的三电平状态。将五电平开关序列中数值为奇数的五电平状态分为两个三电平状态，该两个三电平状态构成一个状态组，该状态组中状态差的绝对值最小、同一开关周期内所有状态差的平均值为0、且相邻两个开关周期中每相环流平均值为0，其中状态差为一个状态组中两个三电平状态的差值，具体如下：上述数值为奇数的五电平状态包括1和3，数值为1的五电平状态分为数值为0和数值为1的三电平状态，数值为3的五电平状态分为数值为1和数值为2的三电平状态，进一步的，相邻两个开关周期中，同一作用时间下相同的奇数五电平状态的数值分配顺序相反，具体为：当第i个开关周期中，作用时间tg下数值为1的五电平状态分配顺序为0、1时，则第i+1个开关周期中，作用时间tg下数值为1的五电平状态分配顺序为1、0；当第i个开关周期中，作用时间tg下数值为3的五电平状态分配顺序为2、1时，则第i+1个开关周期中，作用时间tg下数值为3的五电平状态分配顺序为1、2，其中，g＝a,b,c。本实施方式能够通过上述开关序列的分配方式，从本质上确保环流平均值为零，从而保证系统的正常运行。具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的风电并网三电平变换器的并联控制方法作进一步说明，本实施方式中，以i扇区7小区中的参考矢量为例，如图2所示，则可以确定7小区中用于合成该参考矢量的最近个基础矢量分别为v37、v38、v49，对应的三个基础矢量的作用时间分别为t37、t38、t49。参考矢量的开关序列为：310-320-321-421-321-320-310，如图3所示。五电平开关序列中，偶数值状态直接平分，而奇数值状态会影响环流变化趋势。即：如果五电平状态1分成三电平状态0和1(01组合)，两者状态差为-1(0-1＝-1)，会导致环流减小；如果五电平状态1分成三电平状态1和0(10组合)，两者状态差为1(1-0＝1)，会导致环流增大。如果五电平状态3分成三电平状态1和2(12组合)，两者状态差为-1(1-2＝-1)，会导致环流减小；如果五电平状态3分成三电平状态2和1(21组合)，两者状态差为1(2-1＝1)，会导致环流增大。因此，在瞬时环流不可避免的情况下，控制环流的基本思路就是，交替使用不同的三电平状态组合，使环流不会始终朝向一个方向变化，从而确保环流平均值为零。具体分配方式如图4所示，图中，第一个开关周期中，五电平状态1的分配方式为1、0，则第二个开关周期中，对应作用时间下五电平状态1的分配方式为0、1；五电平状态3的分配方式为2、1，则第二个开关周期中，对应作用时间下五电平状态3的分配方式为1、2。无论是a、b还是c相，都能保证相间环流在这个开关周期结束时回到该周期开始时的数值。两个连续的开关周期相结合，就能保证环流平均值为零。以a相为例，在第一个开关周期内，a相相间环流平均值为正，而在第二个开关周期内环流平均值为负，所以两个连续的开关周期内，环流平均值为零。共模环流的分析过程如图5所示。由图5可知，在两个连续的开关周期内，能够确保共模环流平均值为零。在采用相同开关频率的前提下，本实施方式与传统交错并联方法的输出电流总畸变(thd)对比曲线如图6所示，本实施例中，采用的开关频率为3600hz。由图可知，在任意调制比下，本实施方式所述方法对应的输出电流质量都远优于交错并联方法，充分验证了本实施方式方法对于输出电流质量的改善效果。在采用相同开关频率的前提下，使用本实施方式所述方法与传统交错并联方法所产生的共模环流对比曲线如图7所示。由图可知，在任意调制比下，本实施方式所述方法对应的共模环流有效值都小于交错并联方法，充分验证了本实施方式方法对于共模环流的抑制效果。当前第1页12