專利名稱：一種高電壓冗余的雙饋風力發(fā)電機變流器及其低電壓穿越控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種連接電網(wǎng)的應用于雙饋風力發(fā)電機(DFIG)的部分功率雙向電力 電子變流器系統(tǒng)方案，主要應用于風力發(fā)電機驅動領域。本發(fā)明與傳統(tǒng)變流器方案相比采 用了更大的電壓冗余范圍，能夠更好地滿足電網(wǎng)故障時系統(tǒng)的運行要求。
背景技術：
目前主流風電市場采用的雙饋變流器的模塊的輸出三相電壓為690伏，硬件拓撲 如圖1所示，主要由電網(wǎng)側變流器(1)、電機側變流器O)、直流環(huán)節(jié)(3)、泄荷電路(4)和轉 子短路保護(crowbar)電路(5)組成。電網(wǎng)側變流器(1)的控制目的是有效傳遞來自電機側變流器的有功功率，保持直 流環(huán)節(jié)(3)上直流電壓的穩(wěn)定，并且根據(jù)電網(wǎng)要求輸出無功功率，維持電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。電機側變流器(2)的控制器的目的是控制雙饋風力發(fā)電機(6)的轉速，從而最終 控制系統(tǒng)的有功功率輸入。電機側變流器O)的控制器同時需要控制定子側的無功功率， 使整個系統(tǒng)在發(fā)電的同時滿足入網(wǎng)要求。雙饋風力發(fā)電機(6)的定子和電網(wǎng)(7)直接連接， 轉子通過電刷和電機側變流器( 相連接。相對于全功率的風力發(fā)電方案，僅僅約1/3到 1/2的風力發(fā)電機功率的流入或者流出變流器，從而可以大大降低變流器的容量和損耗，降 低了變流器的成本，提高了整個系統(tǒng)的工作效率。電網(wǎng)側變流器⑴與電機側變流器(2)均由三相共6個電力電子模塊(絕緣型門 級雙極性晶體管(IGBT) (9) +二極管(Diode) (10))組成，如圖2所示。為了保證690V的輸 出電壓，通常直流母線電壓會選擇1100V左右?？紤]變流器運行中的電壓波動以及器件運 行壽命等因素，通常主流變流器會選用耐壓值在1700V的IGBT以及Diode。業(yè)界的主要雙 饋變流器大多采用以上的變流器方案。為了保證風電場電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，世界各國的都對風機的低電壓穿越能力提出了 特定要求，主要包括1.風機在低電壓故障下在短時間內(nèi)繼續(xù)保持聯(lián)網(wǎng)運行；2.風機在短時間低電壓故障下能夠輸出一定無功電流以支持電網(wǎng)運行。如圖3所述，采用傳統(tǒng)拓撲的變流器會有一系列的動作以保證風機的低電壓穿越 過程能力。在檢測到低電壓故障后，變流器及其控制器會進入低電壓穿越狀態(tài)。進入低電壓穿越狀態(tài)后，風機控制器需要控制雙饋風力發(fā)電機(6)和風槳(8)的 運行狀態(tài)，降低通過整個變流器的有功功率，即降低對于直流環(huán)節(jié)⑶的壓力。電網(wǎng)端變流器(1)要求輸出電網(wǎng)要求的無功電流，與此同時，控制有功電流維持 直流母線電壓穩(wěn)定在Iioov左右。受到電網(wǎng)側變流器(1)電流容量的限制，電網(wǎng)側變流器 (1)將限制變流器的有功電流輸出以保證電網(wǎng)要求的無功電流。但是，由于交流電網(wǎng)電壓的 降低以及輸出交流電流的限制，電機側變流器( 輸入直流環(huán)節(jié)(3)的能量通常并不能完 全通過電網(wǎng)側變流器(1)送入交流電網(wǎng)(7)，因而直流母線電壓可能超過1100V，因此需要采用泄荷電路(4)將能量釋放在直流泄荷電阻上。泄荷電路由一個或多個泄荷電阻以 及一個或多個開關器件組成，泄荷電阻和開關期間的暫態(tài)功率必須滿足暫態(tài)的泄荷能量要 求，具體要求的能量范圍與風力發(fā)電機控制特性以及電網(wǎng)要求有關。電網(wǎng)側變流器(1)同 時需要限制電網(wǎng)側的負序電流。進入低電壓穿越狀態(tài)后，電機側變流器( 要求控制雙饋風力發(fā)電機(6)的有功 功率和無功功率，并且限制轉子側的負序電流。由于電機側變流容量O)的限制，在低電壓故障發(fā)生的瞬間，電機側變流容量⑵ 難以輸出足夠的電壓，因此需要打開crowbar電路(5)來釋放多余的瞬間能量。上述方法的主要的問題為1.泄荷電路(4)給系統(tǒng)帶來額外的成本以及可靠性的問題，另外由于泄荷電阻的 能量要求，泄荷電路通常體積較大，對于變流器的整體體積以及能量密度都有相當程度的影響。2.變流器的crowbar電路(5)由三相雙向晶閘管和三相保護電阻組成。大容量的 crowbar電路給系統(tǒng)帶來額外的成本、發(fā)熱、體積以及可靠性的問題。3.由于風電的不穩(wěn)定性，世界各國對于風機的上網(wǎng)要求越來越高，中國在《風電接 入電網(wǎng)技術規(guī)定》中也明確給出了低電壓穿越要求。歐洲各國的電網(wǎng)標準對于低電壓穿越 的要求更為嚴格，德國的Eon、英國的National Grid以及丹麥的電力機構都分別在各自的 電網(wǎng)標準中明確給出了低電壓穿越的要求，而且目前要求也在逐年提高。另外，據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù) 表明，由于低電壓穿越失敗而損壞的變流器中的大多數(shù)是因為穿越反沖電壓擊穿電力電子 器件而損毀。因此風電變流器在20%過電壓甚至更高的電壓下的支撐能力將成為未來風機 的必要要求。然而根據(jù)上述的目前風電變流器的傳統(tǒng)方案，當直流母線電壓在1100V時，考 慮死區(qū)時間、最小開關時間、器件壓降等一些列因素，傳統(tǒng)方案變流器的額定輸出為690V， 最大支撐電壓為745V。而+20%的過電壓能力則要求變流器能夠支撐690X 1. 2 = 828V的 能力。因此傳統(tǒng)變流方案無法滿足日益嚴格的過電壓要求。4.無論是電網(wǎng)(7)側的負相序還是電機(6)側的負相序補償都因為受到變流器容 量限制而很難完全補償。負相序的存在會降低輸入電網(wǎng)的電流質量，增加諧波以及濾波器 的設計難度。一般采用的方法是放棄對于轉矩和有功功率的控制而優(yōu)先控制負序電流和無 功電流，但是這樣可能導致轉速的失控而不斷升高，甚至超過可控速度范圍而關機。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高電壓冗余的風電變流器解決方案，使得變流器具備如下新的特性1.提供20%甚至更高的反沖電壓支撐能力；2.可以省略泄荷電路，同時節(jié)省crowbar電路的容量；3.額外的負序列補償能力；4.額外的無功補償能力。為達到上述目的，發(fā)明的構思是采用比傳統(tǒng)變流器高冗余的電壓，使用2500V耐壓的IGBT或者采用兩個1200V的 IGBT的串聯(lián)方案，這樣可以將直流電壓值最高提高到1700V左右。正常工作狀態(tài)時，選擇較低的固定的直流母線電壓，如1250V，并且采用傳統(tǒng)的控制方法。在低電壓穿越故障中，允許 直流母線電壓上升到最大1700V，利用電容在兩個電壓之間的儲能能力來達到暫時吸收由 于低電壓故障而無法送入電壓的多余的風機能量的作用，因此本發(fā)明不需要使用額外的泄 荷電路⑷。在帶負載條件下，相對于傳統(tǒng)變流器，當?shù)碗妷汗收习l(fā)生時，高冗余特性提供了更 高的交流輸出電壓(最大可以超過1000V)，使得轉子側的負相序電流可以更好地得到補 償，提高了電機側變流器O)的安全性，從而采用小容量的crowbar電路。由于選擇了耐壓更高的電力電子器件以及低電壓穿越中更高的直流母線電壓，本 發(fā)明能夠提供更高的反沖電壓支撐能力。出于各種實際情況的限制，風機的多數(shù)時間并不工作在額定輸出狀態(tài)，這些時間 內(nèi)變流器剩余的電流輸出能力可以為電網(wǎng)提供無功支撐能力，由于選用的電力電子器件的 額外耐壓能力，本發(fā)明具備額外的無功輸出能力，在變流器運行的同時可以根據(jù)電網(wǎng)的需 求提供補償無功功率的補償。盡管選用高耐壓器件或者串聯(lián)器件會部分提高變流器成本，然而本發(fā)明采用了小 容量的crowbar電路，并且取消了泄荷電路，并且其無功補償能力可以降低整個風場在無 功補償中投入的成本，在系統(tǒng)角度補償了由于采用高耐壓器件的額外成本。根據(jù)上述的發(fā)明構思，本發(fā)明的技術方案如下本發(fā)明的硬件模塊的拓撲結構如圖4所示，模塊在傳統(tǒng)變流器的基礎上省去了泄 荷電路G)，原本的1700V耐壓的電力電子器件由2500V高電壓器件或者兩個耐壓為1200V 器件串聯(lián)代替。相對于圖1的硬件拓撲結構，本發(fā)明采用較小容量的crowbar電路(11)。本發(fā)明的控制算法如圖5所示。在系統(tǒng)檢測到低電壓后，發(fā)電機控制端與風機主控制器將共同動作迅速降低發(fā)電 機端有功輸入。在電網(wǎng)側變流器(1)端，普通工作狀態(tài)下，變流器的直流環(huán)節(jié)C3)母線電壓設定為 1250V，略高于傳統(tǒng)變流器方案，這樣可以獲得更高的靈活性和冗余度。此時的控制算法和 傳統(tǒng)的算法相同。在低電壓穿越發(fā)生時，電網(wǎng)側變流器會控制有功電流的輸出，將直流環(huán)節(jié) (3)母線電壓參考值提高到1700V。假設直流母線電容為lOOmF，在直流母線從1250V提高 到1700V的過程中，變流器提供的額外儲能能力為E = ^CV12 -^CV22 =132 KJ在有功輸入降低之前，發(fā)電機有功輸入與電網(wǎng)輸出的能量差由電容的額外儲能能 力承擔，因此節(jié)約了泄荷電路0)。系統(tǒng)同時輸出根據(jù)低電壓的降低幅度計算出電網(wǎng)規(guī)范所 要求的無功參考電流。電機側變流器O)需要進行無功功率和有功功率的控制，同時需要抑制負序電 流。在低電壓穿越發(fā)生時，由于變流器的直流母線快速上升到了 1700V，因此可以大幅度提 高電機側變流器O)的輸出電壓，從而可以更大程度上通過算法平衡轉子的瞬間感應電動 勢，節(jié)省了 crowbar電路(11)的容量。當電網(wǎng)從低電壓過程中恢復時，變流器的直流母線1700V的高電壓繼續(xù)維持一段 時間，根據(jù)其電壓輸出能力，可以在690V電網(wǎng)電壓的150%過電壓保持變流器聯(lián)機運行，能夠符合任何電網(wǎng)標準的電壓要求。當?shù)碗妷夯謴蜁r發(fā)生的電壓過沖過去之后，變流器的直 流母線恢復到1250V的低電壓，恢復到正常的控制狀態(tài)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比較，具有如下顯而易見的實質性特點和顯著優(yōu)點1.高電壓冗余的變流器在具有低電壓穿越的能力的同時不需要泄荷電路，并且節(jié) 省了 crowbar電路(11)的容量，降低了變流器系統(tǒng)的所占空間，提高了變流器的能量密度， 并且可能降低整個系統(tǒng)的成本。2.與傳統(tǒng)變流器相比，過電壓支持能力提高到了 150%，可以符合世界任何電網(wǎng) 標準的過電壓要求。3.在日常運行中可以持續(xù)提供無功功率補償，減少了電網(wǎng)的無功補償成本，在系 統(tǒng)角度彌補了本發(fā)明采用了高電壓器件或者串聯(lián)器件的額外成本。


圖1是傳統(tǒng)變流器功率模塊硬件系統(tǒng)框圖；圖2是組成電機端或者電流端變流器的三相全橋硬件圖；圖3是傳統(tǒng)變流器的低電壓穿越流程圖；圖4是本發(fā)明變流器功率模塊的硬件系統(tǒng)框圖；圖5是本發(fā)明的低電壓穿越算法結構圖；圖6是本發(fā)明實施范例的的磁鏈角度觀測器；圖7是本發(fā)明實施范例的電機側變流器算法圖；圖8是本發(fā)明實施范例的電機側變流器的控制外環(huán)算法圖；圖9是本發(fā)明實施范例的電機側變流器的控制內(nèi)環(huán)算法圖；圖10是本發(fā)明的crowbar實現(xiàn)圖；圖11是本發(fā)明實施范例的電網(wǎng)側變流器算法圖；圖12是本發(fā)明實施范例的電網(wǎng)側變流器的控制外環(huán)算法圖；圖13是本發(fā)明實施范例的電網(wǎng)側變流器的控制內(nèi)環(huán)算法具體實施例方式本發(fā)明的優(yōu)選實施范例結合附圖詳述如下實施范例的目標標準為功率3麗、電機端電壓690V。圖6為本發(fā)明的定子磁鏈角度觀測器的算法實現(xiàn)。磁鏈觀測器的目的在于分別獲 得正坐標和負坐標同步坐標系的角度。觀測器首先將雙饋風力發(fā)電機(6)的電壓和電流從 三相系統(tǒng)轉換成靜止的α β軸，轉換矩陣為
權利要求
1.一種連接電網(wǎng)的高電壓冗余的雙饋風力發(fā)電機的變流器及其低電壓穿越控制方法。 其特征在于包括一個背靠背結構的雙向全控變流器，此變流器采用高冗余的母線電壓，和低容量的轉 子保護電路(crowbar)，并且省略了泄荷電路。一個新型的磁鏈觀測器，可以同時觀測雙饋風力發(fā)電機的正序定子磁鏈和負序定子磁鏈。一個新型的電機側變流器的低電壓穿越控制方法，采用基于正序定子磁鏈同步坐標系 的矢量控制算法控制雙饋風力發(fā)電機的轉速和定子側無功功率，采用基于負序定子磁鏈同 步坐標系的矢量控制算法控制負序電流。一個新型的電網(wǎng)側變流器的控制方法，采用新基于定子磁鏈同步坐標系的矢量控制算 法控制直流母線電壓和無功電流。采用基于負序定子磁鏈同步坐標系的矢量控制算法控制 負序電流。一個crowbar控制電路，保護電機側變流器的安全。
2.按照權利要求1所述的雙向全控變流器，其特征在于包括電機側變流器、電網(wǎng)側變 流器、直流環(huán)節(jié)和crowbar電路。
3.按照權利要求1所述的磁鏈觀測器，其特征在于3—α β變換模塊、積分模塊、正負 序剝離模塊和α β —…0變換模塊。
4.按照權利要求1所述的電機側變流器，其特征在于控制方法由控制外環(huán)、控制內(nèi)環(huán)、 dq_ — dq+變換模塊和dq+ — 3變換模塊組成。
5.按照權利要求1所述的電網(wǎng)側變流器，其特征在于控制方法由控制外環(huán)、控制內(nèi)環(huán)、 dq_ — dq+變換模塊和dq+ — 3變換模塊組成。
6.按照權利要求1所述的corwbar電路，其特征在于滯回控制電路和雙向晶閘管。
7.按照權利要求3所述的電機側變流器的控制外環(huán)，其特征在于有功功率環(huán)、無功功 率環(huán)和電流限幅環(huán)節(jié)。
8.按照權利要求3所述的電機側變流器的控制內(nèi)環(huán)，其特征在于正序電流環(huán)、正序電 機解耦電路、負序電流環(huán)和負序電機解耦電路。
9.按照權利要求4所述的電網(wǎng)側變流器的控制外環(huán)，其特征在于有功功率環(huán)、無功功 率環(huán)和電流限幅環(huán)節(jié)。
10.按照權利要求4所述的電網(wǎng)側變流器的控制內(nèi)環(huán)，其特征在于正序電流環(huán)、正序電 網(wǎng)解耦電路、負序電流環(huán)和負序電網(wǎng)解耦電路。
全文摘要
一種連接電網(wǎng)的高電壓冗余雙饋變流器系統(tǒng)及其低電壓穿越控制方法，包括一個高電壓冗余變流器、電機側變流器的低電壓穿越控制方法和電網(wǎng)側變流器的低電壓穿越控制方法。本發(fā)明采用較高的直流母線電壓，因此減小了轉子短路保護電路(crowbar)的容量，節(jié)省了直流泄荷電路，并且能提供額外的負序抑制和無功功率的輸出能力。
文檔編號H02J3/18GK102122827SQ20111002357
公開日2011年7月13日 申請日期2011年1月21日 優(yōu)先權日2011年1月21日
發(fā)明者烏云翔, 邵詩逸 申請人:烏云翔, 邵詩逸