CN101272088A

CN101272088A - 风力发电系统的背靠背飞跨电容变流器

Info

Publication number: CN101272088A
Application number: CNA2008101060413A
Authority: CN
Inventors: 李建林; 赵斌; 高志刚; 李旭; 许洪华
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2008-05-07
Filing date: 2008-05-07
Publication date: 2008-09-24

Abstract

一种用于风力发电系统的背靠背三电平飞跨电容变流器，包括发电机侧整流器和网侧逆变器，整流器的直流输出和逆变器的直流输入连接。整流器和逆变器的每相桥臂具有相同的结构，每相桥臂有独立的内环电容和两个串联电容。数字信号处理芯片DSP控制整流器和逆变器。整流器通过12个功率开关管的64种开关状态组合，使每相桥臂输入端产生3种电平，逆变器采用不同的开关组合，改变输出电路，使飞跨电容C12进行充电与放电，实现三电平的输出。

Description

风力发电系统的背靠背飞跨电容变流器

技术领域

本发明涉及风力发电系统中的背靠背飞跨电容变流器。

背景技术

近年来，多电平变流器在高压、大功率领域受到了国内外学者的普遍关注。多电平变流器的思想最早于1981年由Nablae等人提出的，它的基本思路是由几个电平台阶合成阶梯波以逼近正弦输出电压。多电平变流器作为一种新型的高压大容量功率变流器，从电路拓扑结构入手，在得到高质量输出波形的同时，克服了两电平变流器的诸多缺点，无须输出变压器和动态均压电路，开关频率低，并有开关器件应力小，系统效率高等一系列优点。

随着开关器件容量的上升，开关导通特性的改善，多电平变流器的优点越来越显著。其优点主要体现在减少输入输出谐波，减小了输入滤波器的体积与容量，降低电磁干扰(EMI)。相对两电平变流器，多电平变流器开关频率降低了25％，因此可以减少开关损耗。多电平变流器的主要缺点在于直流电压的平衡问题。针对该问题，有硬件和软件的解决方法。硬件法需要额外的开关管，增加系统的成本并减少稳定性，软件法需要对调制信号进行控制增加了计算负担。对多电平的均压问题，各国学者已有比较成熟的解决方案。

风力机市场的趋势是额定容量、电压电流等级不断提高。而传统的变流器由于电压电流容量的限制不能直接应用于大容量风力发电系统。所以多电平变流器的诸多优点使其很适合应用于新型的风力机。随着电压等级的增加，多电平变流器可以直接接入分布式电网，省去沉重的升压变压器。

多电平变流器的思想提出至今，出现了许多电路拓扑，归纳起来主要有以下三种：二极管箝位型多电平变流器(diode-clamped multi-level converter)、级联H桥型多电平变流器(cascade H bridge multi-level converter)和飞跨电容型多电平变流器(flying-capacitor multi-level converter)。在这三种拓扑结构中，飞跨电容型多电平变流器的特点有：开关方式灵活、对功率器件保护能力较强；既能控制有功功率，又能控制无功功率，适于高压直流输电系统。

目前国内外的专利技术中，尚没有背靠背三电平飞跨电容变流器应用于直驱型风力发电系统的相关报道。随着风力发电机组单机容量越来越大，受开关管耐压、耐流等级的限制，采用多电平结构的变流器已经是一种趋势，这样可以提高风力发电系统容量，降低风力发电系统向电网输送的电流的谐波含量，促进风力发电技术的发展。

发明内容

本发明的目的是克服现有变流器容量低谐波含量高的缺点，提出一种新的变流器拓扑结构和控制方法。本发明能够大幅度地提高变流器的电压电流容量，并明显地改善输出波形的形状，以更好地适应电网并网的标准。

本发明采用飞跨电容形成“多电平”功能。相对于传统的两电平变流器，本发明的主要优点在于：单个器件承受的电压应力小，更容易实现高压大功率；在相同开关频率下，输出波形更接近正弦波，谐波含量更低；还大大减轻了电磁干扰(EMI)问题。同时相比于二极管钳位型多电平变流器，电平合成的自由度和灵活性提高，对功率器件保护能力较强。

本发明背靠背飞跨电容型变流器所在的风力发电系统由风电机组、发电机、发电机侧整流器、直流侧电容、直流侧卸荷电路、电网侧逆变器、电网侧滤波电感和电网构成。

由风电机组拖动风力发电机，把捕获的风能转化为电能，通过发电机侧变流器转化为直流电，直流侧电容作为能量缓冲环节，稳定直流侧电压，由电网侧逆变器把直流电逆变为交流电，通过滤波电感并入电网。

本发明背靠背三电平飞跨电容型变流器包括发电机侧整流器和电网侧的逆变器，整流器和逆变器的拓扑结构原理相同，发电机侧整流器负责将交流电转换为直流电，逆变器在电网侧负责将直流电转换为交流电，由于本发明的拓扑结构允许能量双向流动，所以如果将整流器的输入和输出调换，就成了逆变器，将逆变器的输入和输出调换，就成了整流器。

本发明的整流器和逆变器背靠背连接，即：整流器的直流输出和逆变器的直流输入连接；整流器和逆变器的每相桥臂具有相同的结构，每相桥臂有独立的内环电容和两个串联电容。

本发明采用数字信号处理芯片DSP作为控制器的核心，DSP能够实现对采样信号的实时处理，并根据控制需要发出相应的控制信号。由它实现本发明中对整流器和逆变器的空间矢量调制。外围电路包括采样电路和信号调理电路。采样电路通过电压、电流传感器采集三相电网电压、电流、以及每个变流器的交流电流、电容两端的直流电压等，送入信号调理电路进行信号调理，然后送入DSP的AD采样通道。DSP计算出每个开关所需的导通、关断时间后，由DSP的PWM口发出控制变流器每个开关所需要的开关信号，经过驱动电路放大、隔离后连接到每个功率器件的驱动门极上，从而控制整流器和逆变器正常工作。

本发明工作过程如下：

在额定风速以下，桨距角基本不变以保持风能利用系数最大。风力发电系统根据最大功率算法得到系统输入到电网的最大功率，由此得到发电机的最佳转速，通过调节并网逆变器的有功电流使得系统的输出功率最大，电机运行在最佳转速。

在额定风速之上，通过变桨来保持风能利用系数最大。电机和变流器都运行在额定条件下，系统输出到电网的功率最大。

当风速超过切出风速时，系统停机，输出到电网的功率为零。

本发明背靠背三电平飞跨电容型变流器中的发电机侧整流器可以调节发电机输出的无功功率，有效调节电机输出功率因数，当需要电机输出为单位功率因数时，令无功电流为零，这样可以使电机输出最大有功功率。同时，由于无功输出可调，使发电机转速范围更宽。发电机侧整流器还可以稳定直流侧电压，给并网逆变器提供稳定的直流电源。网侧逆变器负责调解风力发电系统输入到电网的有功功率和无功功率，当电网需要超前无功时，设定无功电流为负值；当电网需要滞后无功时，设定无功电流为正值；当需要输入到电网的有功功率最大，无功功率为零时，可以设定无功电流为零，网侧功率因数为1。以上为目前常用的直驱型风力发电系统的工作状态。

附图说明

图1直驱式风力发电系统示意图；

图2背靠背三电平飞跨电容型变流器拓扑结构图；

图3逆变器一相原理图；

图4逆变器一相三电平生成原理图；

图5系统控制框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，直驱式风力发电机组包括风电机组、发电机、发电机侧整流器、直流侧电容、电网侧逆变器、电网侧滤波电感和电网。其中，风力发电机组与发电机相接，带动发电机旋转，发电机的三相输出接发电机侧整流器的输入，发电机侧整流器的输出与直流侧电容C10并联，发电机侧整流器的输出包括正极和负极，发电机侧整流器的直流输出接电网侧逆变器的直流输入，电网侧逆变器的三相输出分别串联三个电网侧滤波电感后与电网相连。

图2为本发明背靠背三电平飞跨电容型变流器的拓扑结构。

本发明背靠背三电平飞跨电容型变流器包括发电机侧整流器和电网侧的逆变器，整流器和逆变器的拓扑结构的原理相同，把发电机侧整流器的输入输出调换工作便成为电网侧的逆变器，也即所谓的背靠背。

如图2所示，风力发电机组的定子三相电线分别连接到开关管K2和开关管K3之间、开关管K6和开关管K7之间、开关管K10和开关管K11之间。整流器的输出与逆变器的输入连接于点D和点E，其中点D电是发电机侧整流器输出的正极，点E电是发电机侧整流器输出的负极。和整流器的输入一样，逆变器的输出经过电感后到电网。

如图2所示，发电机侧整流器由开关管K1～K12和相应的电容C1～C10组成，电网侧的逆变器由开关管S1～S12和相应的电容C11～C19组成。其具体连接方式为：

整流器A相四个开关管K1～K4串联，开关管K1的阴极连接到直流母线D，开关管K1的阳极连接开关管K2的阴极，K2的阳极连接风力发电机A相交流电线的输入和开关管K3的阴极，开关管K3的阳极连接开关管K4的阴极，K4的阴极连接直流母线E。内环电容C2的一端接K2的阴极，另一端接K3的阳极，两个电容C1与C3串联，一端接直流母线D，另一端接直流母线E。B相四个开关管K5～K8串联，开关管K5的阴极连接到直流母线D，开关管K5的阳极连接K6的阴极，开关管K6的阳极连接风力发电机B相交流电线的输入和开关管K7的阴极，开关管K7的阳极连接开关管K8的阴极，开关管K8的阴极连接直流母线E。内环电容C5的一端接在开关管K6的阴极，另一端接开关管K7的阳极，两个电容C4与C6串联，一端接在直流母线D，另一端接直流母线E；C相四个开关管K9～K12串联，开关管K9的阴极连接到直流母线D，开关管K9的阳极连接开关管K10的阴极，开关管K10的阳极连接风力发电机C相交流电线的输入和开关管K11的阴极，开关管K11的阳极连接开关管K12的阴极，开关管K12的阴极连接直流母线E。内环电容C8的一端接在开关管K10的阴极，另一端接开关管K11的阳极，两个电容C7与C9串联，一端接直流母线D，另一端接在直流母线E。

逆变器具体连接方式是：A相四个开关管S1～S4串联，开关管S1的阳极连接到直流母线D，S1的阴极连接开关管S2的阳极，S2的阴极连接A相滤波电感和开关管S3的阳极，S3的阴极连接开关管S4的阳极，S4的阴极连接直流母线E。内环电容C12的一端接开关管S2的阳极，另一端接开关管S3的阴极，两个电容C11与C13串联，一端接直流母线D，另一端接直流母线E。B相四个开关管S5～S8串联，开关管S5的阳极连接到直流母线D，S5的阴极连接开关管S6的阳极，S6的阴极连接B相滤波电感和开关管S7的阳极，S7的阴极连接开关管S8的阳极，开关管S8的阴极连接直流母线E。内环电容C15的一端接在S6的阳极，另一端接开关管S7的阴极，两个电容C14与C16串联，一端接在直流母线D，另一端接直流母线E；C相四个开关管S9～S12串联，开关管S9的阳极连接到直流母线D，开关管S9的阴极连接开关管S10的阳极，开关管S10的阴极连接C相滤波电感和开关管S11的阳极，S11的阴极连接开关管S12的阳极，开关管S12的阴极连接直流母线E。内环电容C18的一端接在开关管S6的阳极，另一端接在开关管S11的阴极，两个电容C17与C19串联，一端接在直流母线D，另一端接在直流母线E。

在直流母线上跨接了电解电容C10，用于保持母线电压的稳定。

本发明的风力发电系统在运行时，依据外界风速的大小，主要有三种工作状态：

(1)当风速低于风力发电系统工作的额定风速时，桨距角基本不变，以保持风能利用系数最大。风力发电系统根据最大功率算法得到该风力发电系统输入到电网的最大功率，由此得到发电机的最佳转速，通过调节并网逆变器的有功电流使得风力发电系统的输出功率最大，电机运行在最佳转速。一般无功功率给定为零，使得风力发电系统工作在最大有功功率输出状态，提高风力发电系统的效率。当电网需要无功支持的时候，可以根据需要向电网发送或者吸收电网的无功功率。有功功率和无功功率能够实现独立调节。

(2)当风速高于风力发电系统地额定风速时，通过变桨来保持风能利用系数最大。电机和变流器都运行在额定条件下，风力发电系统输出到电网的功率最大。

(3)当风速超过系统的切出风速时，风力发电系统停机，输出到电网的功率为零。

整流器的开关状态组合如下：

对每相的开关管用“1”表示打开，用“0”表示关闭。对于逆变器的A相来说，当开关管S1＝1，S2＝0，S3＝1，S4＝0时，A相输出电压为0；当开关管S1＝0，S2＝1，S3＝0，S4＝1时，A相输出电压为0；当开关管S1＝1，S2＝1，S3＝0，S4＝0时，A相输出电压为Udc/2，其中Udc为直流母线电压；当开关管S1＝0，S2＝0，S3＝1，S4＝1时，A相输出电压为-Udc/2，其中Udc为直流母线电压；对于逆变器的B相来说，当开关管S5＝1，S6＝0，S7＝1，S8＝0时，B相输出电压为0；当开关管S5＝0，S2＝6，S3＝7，S8＝1时，B相输出电压为0；当开关管S5＝1，S6＝1，S7＝0，S8＝0时，B相输出电压为Udc/2，其中Udc为直流母线电压；当开关管S5＝0，S6＝0，S7＝1，S8＝1时，B相输出电压为-Udc/2，其中Udc为直流母线电压；对于逆变器的C相来说，当开关管S9＝1，S10＝0，S11＝1，S12＝0时，C相输出电压为0；当开关管S9＝0，S10＝6，S11＝7，S12＝1时，C相输出电压为0；当开关管S9＝1，S10＝1，S11＝0，S12＝0时，C相输出电压为Udc/2，其中Udc为直流母线电压；当开关管S9＝0，S10＝0，S11＝1，S12＝1时，C相输出电压为-Udc/2，其中Udc为直流母线电压。

图3为一个电网侧逆变器其中A相的输出电平的原理图，图4表示了该电路的八种运行状况。如图3、图4所示，飞跨电容型逆变器的工作原理如下：

(1)在电网侧的逆变器开关管S1、S2开通，S3、S4关断时：如图4a所示，电流Ia为流出方向，电流依次流过开关管S1、S2，忽略管压降，该相输出端电压Vout＝Udc/2，其中Udc为直流母线电压；如图4b所示，电流Ia为流入方向，电流流过开关管S1、S2，则该相输出端电压是Vout＝Udc/2，其中Udc为直流母线电压；

(2)开关管S1、S3开通、S2、S4关断时：如图4c所示，电流Ia为流出方向，则电流Ia依次流过开关管S1、飞跨电容C12和开关管S3，此时该相输出端电压Vout＝0；如图4d所示，电流Ia为流入方向，则电流Ia依次流过开关管S3、飞跨电容C12、开关管S1，则此时输出端电压是Vout＝0；

(3)开关管S2、S4开通、S1、S3关断时：如图4e所示，电流Ia为流出方向，电流Ia依次流过开关管S4、飞跨电容C12、开关管S2，输出端电压Vout＝0；如图4f所示，电流Ia为流入方向，电流Ia依次流过开关管S2、飞跨电容C12和开关管S4，则输出端电压是Vout＝0。

(4)开关管S3、S4开通，S1、S2关断时：如图4g所示，电流Ia为流出方向，电流Ia依次流过开关管S3和开关管S4，输出端电压Vout＝-Udc/2，其中Udc为直流母线电压；如图4h所示，电流Ia为流入方向，电流Ia依次流过开关管S3和开关管S4，输出端电压Vout＝-Udc/2，其中Udc为直流母线电压。

当开关管S1和S2开通时，开关管S3和开关管S4关断时，输出电压为Udc/2，其中Udc为直流母线电压，飞跨电容C12上没有电流流过；当开关管S1和S3开通，开关管S2和S4关断时，电路输出为0，飞跨电容C12上会有电流流过；当开关管S2和S4开通，开关管S1和S3关断时，电路输出为0，飞跨电容C12上会有电流流过；当开关管S3和S4开通时，开关管S1和开关管S2关断时，输出电压为-Udc/2，其中Udc为直流母线电压，飞跨电容C12上没有电流流过。输出为Udc/2和-Udc/2时，不影响飞跨电容C12的电压，其中Udc为直流母线电压；而输出为0的两种状态下，会分别对飞跨电容C12充电和放电，为了维持飞跨电容C12的电压平衡，必需使充放电的时间保持相等。

整个风力发电系统的控制框图包括整流器的控制框图和逆变器的控制框图，整流器的控制框图如图5a所示：整流器采样电机输出的电流i_a，i_b，i_c，利用发电机上的光电码盘或者无速度传感器得到电机的转子位置角θ_r，电流经过派克变换得到电流的dq分量i_d和i_q。u_dc和u_dc的给定u_dc ^*做差后进行PI调节，输出为i_q的给定i_q ^*，i_d给定为i_d ^*，由发电机侧功率因数的要求给定，一般为零，使得电机输出有功功率最大。i_q和i_q ^*作差，i_d和i_d ^*作差后分别进行PI调节后加上以上两个差的补偿项ω(L_di_d+ψ_f)和-ωL_qi_q就可以得到整流器参考电压的dq分量u_d和u_q，再经过派克反变换得到u_u，u_v，u_w。最后经过DSP产生控制脉冲，整流器在稳定直流侧电压u_dc的同时，实现电机输出无功电流i_d的控制。

逆变器的控制框图如图5b所示，逆变器采样电网侧电压u_sa，u_sb，u_sc和输出到电网的电流i_sa，i_sb，i_sc，经过功率计算单元得到实际输送到电网的有功功率P和无功功率Q。根据最大功率算法，利用有功功率P和电机转速ω得到电机最佳转速参考ω^*，ω^*和ω做差后经过一个PI环，得到变流器输入到电网的有功电流参考i_sq ^*，无功电流参考i_sd ^*一般给定为零，让变流器输入电网的有功功率最大，提高系统的效率。有功和无功电流参考和实际的有功无功电流分别做差后经过PI调节器再加上以上两个差的补偿项ωL_sdi_d和-ωL_sqi_q ^*得到逆变器的电压参考u_sd，u_sq，再经过派克反变换得到u_a，u_b，u_c。最后经过一个PWM算法使逆变器工作在电网功率因数为1。由于有功功率等于电压、电流和功率因数三者的乘积，而功率因数总是小于等于1，所以，当电网功率因数为1时，输入到电网的有功功率最大。

Claims

1、一种风力发电系统的背靠背飞跨电容变流器，包括一个发电机侧整流器和一个网侧逆变器，其特征在于，整流器的直流输出和逆变器的直流输入连接；整流器和逆变器的每相桥臂具有相同的结构，每相桥臂有独立的内环电容和两个串联电容；数字信号处理芯片DSP控制整流器和逆变器；整流器通过12个功率开关管的64种开关状态组合，使每相桥臂输入端产生三种电平，逆变器采用不同的开关组合，改变输出电路，使飞跨电容C12进行充电与放电，实现三电平的输出。

2、根据权利要求1所述的风力发电系统的背靠背飞跨电容变流器，其特征在于发电机侧的整流器由开关管K1～K12和电容C1～C10组成，其具体连接方式是：整流器A相四个开关管K1～K4串联，开关管K1的阴极连接到直流母线D，开关管K1的阳极连接开关管K2的阴极，开关管K2的阳极连接风力发电机A相交流电线的输入和开关管K3的阴极，开关管K3的阳极连接开关管K4的阴极，开关管K4的阴极连接直流母线E；内环电容C2的一端接开关管K2的阴极，另一端接开关管K3的阳极，两个电容C1与C3串联，一端接直流母线D，另一端接直流母线E；B相四个开关管K5～K8串联，开关管K5的阴极连接到直流母线D，开关管K5的阳极连接K6的阴极，开关管K6的阳极连接风力发电机B相交流电线的输入和开关管K7的阴极，开关管K7的阳极连接开关管K8的阴极，开关管K8的阴极连接直流母线E；内环电容C5的一端接在开关管K6的阴极，另一端接开关管K7的阳极，两个电容C4与C6串联，一端接在直流母线D，另一端接直流母线E；C相四个开关管K9～K12串联，开关管K9的阴极连接到直流母线D，开关管K9的阳极连接开关管K10的阴极，开关管K10的阳极连接风力发电机C相交流电线的输入和开关管K11的阴极，开关管K11的阳极连接开关管K12的阴极，开关管K12的阴极连接直流母线E；内环电容C8的一端接在开关管K10的阴极，另一端接开关管K11的阳极，两个电容C7与C9串联，一端接直流母线D，另一端接在直流母线E。

3、根据权利要求1所述的风力发电系统的背靠背飞跨电容变流器，其特征在于电网侧的逆变器由开关管S1～S12和电容C11～C19组成，其具体连接方式是：

A相四个开关管S1～S4串联，开关管S1的阳极连接到直流母线D，开关管S1的阴极连接开关管S2的阳极，开关管S2的阴极连接A相滤波电感和开关管S3的阳极，开关管S3的阴极连接开关管S4的阳极，开关管S4的阴极连接直流母线E；内环电容C12的一端接开关管S2的阳极，另一端接开关管S3的阴极，两个电容C11与C13串联，一端接直流母线D，另一端接直流母线E；B相四个开关管S5～S8串联，开关管S5的阳极连接到直流母线D，开关管S5的阴极连接开关管S6的阳极，开关管S6的阴极连接B相滤波电感和开关管S7的阳极，开关管S7的阴极连接开关管S8的阳极，开关管S8的阴极连接直流母线E；内环电容C15的一端接在开关管S6的阳极，另一端接开关管S7的阴极，两个电容C14与C16串联，一端接在直流母线D，另一端接直流母线E；C相四个开关管S9～S12串联，开关管S9的阳极连接到直流母线D，开关管S9的阴极连接开关管S10的阳极，开关管S10的阴极连接C相滤波电感和开关管S11的阳极，开关管S11的阴极连接开关管S12的阳极，开关管S12的阴极连接直流母线E。内环电容C18的一端接在开关管S6的阳极，另一端接在开关管S11的阴极，两个电容C17与C19串联，一端接在直流母线D，另一端接在直流母线E。