一種雙饋風(fēng)電變流器開(kāi)關(guān)頻率的控制方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種變流器開(kāi)關(guān)頻率優(yōu)化控制領(lǐng)域，尤其是涉及一種雙饋風(fēng)電變流器開(kāi)關(guān)頻率的控制方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為人類(lèi)解決能源危機(jī)與環(huán)境問(wèn)題的重要手段，然而隨著技術(shù)的進(jìn)步，市場(chǎng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能要求越來(lái)越高，提高可靠性可降低風(fēng)電機(jī)組運(yùn)維成本、提高利用率，是目前風(fēng)電行業(yè)廣泛關(guān)注的重要技術(shù)，特別對(duì)于海上風(fēng)電，由于環(huán)境惡劣、可達(dá)性差，海上風(fēng)機(jī)運(yùn)維困難、成本高、停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)，這些都對(duì)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行可靠性提出了新的挑戰(zhàn)。
[0003]風(fēng)電變流器是風(fēng)電機(jī)組中故障率最高的部件之一，特別是雙饋風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器，由于容量較小且運(yùn)行頻率低，其運(yùn)行可靠性倍受關(guān)注，隨著變流器運(yùn)行頻率減小，開(kāi)關(guān)器件(包括IGBT和二極管)的暫態(tài)熱阻抗增大，使得器件運(yùn)行結(jié)溫(包括最高溫度、平均溫度和溫度波動(dòng))增加，影響變流器短期(主要受器件最高溫度影響)及長(zhǎng)期(主要受器件溫度波動(dòng)及平均溫度)運(yùn)行可靠性。
[0004]降低器件運(yùn)行結(jié)溫可顯著提高雙饋風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器運(yùn)行可靠性，為此國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量研宄，相關(guān)技術(shù)歸納起來(lái)可分為以下三種:
[0005]I)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器降容運(yùn)行技術(shù)，這是目前工程中廣泛采用的技術(shù)，通過(guò)增大轉(zhuǎn)子側(cè)變流器容量(約為網(wǎng)側(cè)變流器容量的一倍)降低器件運(yùn)行結(jié)溫以提高運(yùn)行可靠性，然而過(guò)大的變流器容量增加了系統(tǒng)成本、消弱了雙饋風(fēng)機(jī)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)；
[0006]2)同步轉(zhuǎn)速工作點(diǎn)回避控制技術(shù)，雙饋風(fēng)機(jī)在同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子頻率為零，開(kāi)關(guān)器件散熱最為困難，該技術(shù)采用滯環(huán)特性強(qiáng)制控制機(jī)組避開(kāi)同步工作點(diǎn)運(yùn)行，然而滯環(huán)的非線性特性既不利于機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行又會(huì)影響風(fēng)機(jī)最大功率點(diǎn)跟蹤性能；
[0007]3)主動(dòng)熱控制技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)控制手段在風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中改變開(kāi)關(guān)器件損耗及結(jié)溫，以提高變流器運(yùn)行可靠性，具有簡(jiǎn)便經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)。
[0008]目前國(guó)內(nèi)外對(duì)變流器主動(dòng)熱控制技術(shù)的研宄很多，其實(shí)現(xiàn)方式主要分為三種:
[0009]脈寬調(diào)制法，通過(guò)改進(jìn)脈寬調(diào)制算法可在一定程度上減小變流器損耗，但受諧波和功率因數(shù)性能制約對(duì)器件運(yùn)行結(jié)溫的優(yōu)化空間較小；
[0010]無(wú)功電流調(diào)節(jié)法，通過(guò)控制風(fēng)機(jī)無(wú)功功率大小減小開(kāi)關(guān)器件結(jié)溫波動(dòng)，提高變流器可靠性，該方法降低了風(fēng)電機(jī)組功率因數(shù)及效率、增大了器件運(yùn)行的平均結(jié)溫及最高結(jié)溫且調(diào)節(jié)效果受機(jī)組有功運(yùn)行工作點(diǎn)限制；
[0011]開(kāi)關(guān)頻率法通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率改變器件開(kāi)關(guān)損耗，實(shí)現(xiàn)變流器結(jié)溫控制，降低開(kāi)關(guān)頻率可減小損耗，降低運(yùn)行結(jié)溫，提高變流器運(yùn)行可靠性，但可能增大發(fā)電機(jī)PWM諧波與高頻轉(zhuǎn)速脈動(dòng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種能在不影響風(fēng)電機(jī)組其它運(yùn)行性能的前提下提高變流器運(yùn)行可靠性與效率的雙饋風(fēng)電變流器開(kāi)關(guān)頻率的控制方法及系統(tǒng)。
[0013]本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0014]一種雙饋風(fēng)電變流器開(kāi)關(guān)頻率的控制方法，提高雙饋風(fēng)電變流器運(yùn)行可靠性與效率，包括以下步驟:
[0015]I)檢測(cè)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速；
[0016]2)獲取開(kāi)關(guān)頻率優(yōu)化特性表，并通過(guò)查開(kāi)關(guān)頻率優(yōu)化特性表獲取對(duì)應(yīng)運(yùn)行轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子側(cè)變流器優(yōu)化開(kāi)關(guān)頻率fsw—_α);
[0017]3)根據(jù)查得的轉(zhuǎn)子側(cè)變流器優(yōu)化開(kāi)關(guān)頻率fSW ()pt(t)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)PWM脈沖周期Tpwm(t)，并根據(jù)PWM脈沖占空比D⑴產(chǎn)生PWM脈沖，控制轉(zhuǎn)子側(cè)變流器。
[0018]所述的步驟2)中獲取開(kāi)關(guān)頻率優(yōu)化特性表具體包括以下步驟:
[0019]21)選定發(fā)電機(jī)定子電流PWM諧波Ish與轉(zhuǎn)速脈動(dòng)PWM分量ω ^作為開(kāi)關(guān)頻率優(yōu)化指標(biāo)，并確定其限值；
[0020]22)設(shè)定發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與開(kāi)關(guān)頻率分別作為開(kāi)關(guān)頻率優(yōu)化特性表的橫、縱坐標(biāo)，逐步確定優(yōu)化工作點(diǎn)并繪制開(kāi)關(guān)頻率優(yōu)化特性表。
[0021]所述的步驟21)中確定限值有以下兩種方法:
[0022]方法一、根據(jù)電網(wǎng)諧波以及機(jī)組軸系機(jī)械振動(dòng)技術(shù)要求分別確定定子電流PWM諧波限值Ishjiax和轉(zhuǎn)速脈動(dòng)PWM分量限值ω rh max；
[0023]方法二、獲取發(fā)電機(jī)最?lèi)毫庸r下的定子電流PWM諧波與轉(zhuǎn)速脈動(dòng)PWM分量值，將其作為優(yōu)化指標(biāo)限值。
[0024]所述的發(fā)電機(jī)最?lèi)毫庸r為額定開(kāi)關(guān)頻率、最高轉(zhuǎn)速、滿載和最大過(guò)勵(lì)工作。
[0025]所述的步驟22)中各優(yōu)化工作點(diǎn)橫坐標(biāo)的確定原則為:
[0026]I)綜合考慮優(yōu)化性能與機(jī)組控制穩(wěn)定性，優(yōu)化工作點(diǎn)設(shè)置越密集優(yōu)化性能越好；
[0027]2)由于PWM諧波變化顯著，同步轉(zhuǎn)速附近應(yīng)設(shè)置較多的優(yōu)化工作點(diǎn)。
[0028]所述的步驟22)中各優(yōu)化工作點(diǎn)縱坐標(biāo)的確定原則為:
[0029]在各個(gè)優(yōu)化工作點(diǎn)中，減小轉(zhuǎn)子側(cè)變流器開(kāi)關(guān)頻率使得發(fā)電機(jī)定子電流PWM諧波Ish和轉(zhuǎn)速脈動(dòng)PWM分量ω &同時(shí)滿足優(yōu)化指標(biāo):I sh〈Ish—max和ω Α〈ω?—max。
[0030]所述的步驟3)包括以下具體步驟:
[0031]31)根據(jù)PWM調(diào)制器的調(diào)制算法、變流器直流母線電壓Vd。以及轉(zhuǎn)子電壓指令u獲取PWM脈沖占空比D (t)；
[0032]32)根據(jù)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器優(yōu)化開(kāi)關(guān)頻率fsw _ (t)得到PWM脈沖的開(kāi)關(guān)周期Tpwm⑴:
[0033]Tpwm (t) = l/fsw out(t);
[0034]33)根據(jù)PWM脈沖占空比D(t)和PWM脈沖的開(kāi)關(guān)周期TPWM(t)確定轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制器中的PWM脈沖。
[0035]所述的步驟31)中的PWM調(diào)制器的調(diào)制算法包括正弦波脈沖寬度SPWM算法和空間矢量脈沖寬度調(diào)制SVPWM算法。
[0036]一種雙饋風(fēng)電變流器開(kāi)關(guān)頻率的控制系統(tǒng)，包括風(fēng)電機(jī)組、齒輪箱、雙饋發(fā)電機(jī)、變壓器、電網(wǎng)母線、轉(zhuǎn)子側(cè)變流器、網(wǎng)側(cè)變流器和濾波器，所述的風(fēng)電機(jī)組、齒輪箱、雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子側(cè)變流器、網(wǎng)側(cè)變流器、濾波器、變壓器和電網(wǎng)母線依次連接，所述的雙饋發(fā)電機(jī)的定子與變壓器連接，其特征在于，該系統(tǒng)還包括轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制器和PWM調(diào)制器，所述的轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制器通過(guò)PWM調(diào)制器與轉(zhuǎn)子側(cè)變流器連接。
[0037]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0038]一、簡(jiǎn)便經(jīng)濟(jì):本方法無(wú)需增加或修改硬件，只需對(duì)風(fēng)電機(jī)組控制算法進(jìn)行適當(dāng)修改就能實(shí)現(xiàn)。
[0039]二、提高變流器運(yùn)行可靠性與效率:本方法在同步轉(zhuǎn)速工作點(diǎn)附近通過(guò)適當(dāng)減小開(kāi)關(guān)頻率的方法降低開(kāi)關(guān)器件損耗與結(jié)溫，可同時(shí)提高雙饋風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器運(yùn)行可靠性與效率。
[0040]三、不影響風(fēng)電機(jī)組其他運(yùn)行性能:新方法充分利用了雙饋發(fā)電機(jī)PWM開(kāi)關(guān)諧波隨轉(zhuǎn)子運(yùn)行頻率下降而減小的特點(diǎn)，通過(guò)適當(dāng)?shù)拈_(kāi)關(guān)頻率優(yōu)化控制，確保機(jī)組的電氣諧波性能、機(jī)械振動(dòng)性能、運(yùn)行穩(wěn)定性能不受影響。此外，開(kāi)關(guān)頻率隨轉(zhuǎn)子頻率減小還能進(jìn)一步改善同步轉(zhuǎn)速附近變流器死區(qū)對(duì)轉(zhuǎn)子電流控制的影響。
【附圖說(shuō)明】
[0041]圖1為本發(fā)明的控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
[0042]圖2為本發(fā)明的方法流程圖。
[0043]圖3為本發(fā)明提出的確定優(yōu)化工作點(diǎn)的開(kāi)關(guān)頻率優(yōu)化流程圖。
[0044]圖4為雙饋風(fēng)機(jī)最大功率點(diǎn)跟蹤特性曲線圖。
[0045]圖5為開(kāi)關(guān)頻率優(yōu)化特性圖。
[0046]圖6為開(kāi)關(guān)頻率優(yōu)化控制前后雙饋風(fēng)電機(jī)組靜態(tài)性能仿真結(jié)果，其中虛線與實(shí)線分別為優(yōu)化前和優(yōu)化后的結(jié)果，(6a)為雙饋風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器開(kāi)關(guān)頻率fsw仿真結(jié)果、(6b)為雙饋風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器定子電流PWM諧波Ish仿真結(jié)果，^c)為雙饋風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器轉(zhuǎn)速脈動(dòng)PWM分量仿真結(jié)果，(6d)為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器IGBT和二極管結(jié)溫波動(dòng)Λ T」仿真結(jié)果，^e)為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器IGBT和二極管平均結(jié)溫Tjnrean仿真結(jié)果，^f)為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器IGBT和二極管損耗？1(^仿真結(jié)果，其中方塊標(biāo)記的曲線為IGBT仿真結(jié)果而圓形標(biāo)記的曲線為二極管(D1de)仿真結(jié)果。
[0047]圖7為開(kāi)關(guān)頻率優(yōu)化控制前后雙饋風(fēng)電機(jī)組動(dòng)態(tài)性能仿真結(jié)果，其中虛線與實(shí)線分別為優(yōu)化前后的結(jié)果，圖中(7a)為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果，(Tb)為開(kāi)關(guān)頻率fsw仿真結(jié)果，(7c)為IGBT結(jié)溫I^rcBT仿真結(jié)果，(7d)為二極管結(jié)溫T 仿真結(jié)果，(7e)為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器損耗Pks?！?()SS仿真結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0048]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0049]實(shí)施例:
[0050]本發(fā)明提出的方法屬于降低開(kāi)關(guān)頻率法。為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，新技術(shù)充分利用雙饋發(fā)電機(jī)PWM開(kāi)關(guān)諧波隨轉(zhuǎn)子運(yùn)行頻率下降而減小的特點(diǎn)，提出了一種新型的開(kāi)關(guān)頻率優(yōu)化及控制方法，在不影響風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行性能(包括發(fā)電機(jī)諧波、轉(zhuǎn)速脈動(dòng)等)的條件下，有效降低轉(zhuǎn)子側(cè)變流器開(kāi)關(guān)器件的運(yùn)行結(jié)溫(包括最高溫度、平均溫度和溫度波動(dòng))，提高變流器可靠性與效率。
[0051]如圖1所示，一種雙饋風(fēng)電變流器開(kāi)關(guān)頻率的控制系統(tǒng)，包括風(fēng)電機(jī)組1、齒輪箱
2、雙饋發(fā)電機(jī)3、變壓器4、電網(wǎng)母線5、轉(zhuǎn)子側(cè)變流器6、網(wǎng)側(cè)變流器7和濾波器8，風(fēng)電機(jī)組
1、齒輪箱2、雙饋發(fā)電機(jī)3的轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子側(cè)變流器6、網(wǎng)側(cè)變流器7、濾波器8、變壓器4和電網(wǎng)母線5依次連接，雙饋發(fā)電機(jī)3的定子與變壓器4連接，該系統(tǒng)還包括轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制器9和PWM調(diào)制器10，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制器9通過(guò)PWM調(diào)制器10與轉(zhuǎn)子側(cè)變流器6連接。