CN101345423A - 用于风力发电系统的五电平h桥级联背靠背变流器 - Google Patents

Abstract

一种用于风力发电系统的五电平H桥级联背靠背变流器，由六个五电平H桥级联单元级联而成。变流器交流输入端与永磁同步发电机的定子侧输出端子相连，输出端接到电网。六个五电平H桥级联单元分为整流组和逆变组，三个五电平H桥级联单元组成的整流组将风机输出的交流电转换成六路输出的直流，这六路输出直流经过各自的直流母线电容，输入到三个五电平H桥级联单元组成的逆变组中，逆变组最后输出五电平的交流电，并到电网。变流器用数字信号处理芯片DSP控制，采用载波相移控制方法。本发明顺应了风力发电系统的容量不断增加的趋势，可胜任兆瓦级的风力发电直驱系统的要求，明显改善了输出到电网电压波形的形状，更好地满足了电网并网标准的要求。

Description

用于风力发电系统的五电平H桥级联背靠背变流器

技术领域

本发明涉及一种用于风力发电系统的电流变换器，具体是一种多电平的背靠背变流器

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业界的普遍关注。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。虽然近年来也出现了一些多电平的变流器，但由于电平数不够高，采用的拓扑结构较简单，还是难以适用于超大功率的场合。比如国内的200410009469.8的专利，虽然采用的是H桥结构，但由于整流部分是不控整流，而且电平数只有三电平，所以其输出交流波形不如五电平的更符合正弦。

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)、飞跨电容型多电平变流器(flying-capacitor multi-level converter)和级联H桥型多电平变流器(cascade H bridgemulti-level converter)。级联H桥型多电平变流器拓扑相对于前两者而言，具有需要最少数量的器件、不需要大量的钳位二极管和飞跨电容、易于模块化和采用软开关技术等优点，被认为是较适合于电网接口的变流器。比如中国专利200710062642.4，虽然其电平数为五电平，但其拓扑结构为二极管箝位型。

发明内容

本发明的目的是克服现有变流器容量有限，输出电流波形不够好等缺点，满足风力发电系统单机容量不断提高的需求，本发明提出一种新的变流器拓扑结构。这种变流器能将风力发电机发出来的频率、幅值无规律变化的交流电经交-直-交变换后，变流成符合电网要求的电流，并输送到电网。

本发明解决以上技术问题所采用的技术方案是：

本发明由六个五电平H桥级联单元级联而成，一个整流组和一个逆变组分别使用3个五电平H桥级联单元级联组成。风力发电机与整流组相连，整流组的六路输出分别经过直流母线电容稳压后与逆变组连接，逆变组的三相输出经过滤波电感后并到电网。

风力发电机发出的电经过整流组整流变成直流电后，再经逆变组逆变成频率恒定，幅值稳定的交流电并输送到电网。这种五电平H桥级联单元由8个开关管组成，电流可以双向流动，所以既可以用于整流组也可以用于逆变组。这些开关管的导通与否则由数字信号处理芯片DSP及其外围电路来控制，整流组和逆变组的控制方法都是载波相移正弦脉宽调制技术。

本发明相对于现有技术的优点有：

1、获得同样电平数输出时，使用的元器件最少；

2、每个五电平H桥级联单元的结构相同，容易进行模块化设计和封装；

3、因为各五电平H桥级联单元之间相对独立，所以可以较容易地引入软开关控制；

4、直流侧的均压比较容易实现；

5、电路设计可以使用功率单元旁路电路，从而使得控制系统可以在线切除故障单元以保证系统继续工作。

附图说明

下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式：

图1风力发电系统总体结构示意图；

图2五电平H桥级联单元结构示意图；

图3五电平H桥级联背靠背变流器的连接方式示意图；

图4五电平H桥级联单元控制信号时序图；

图5五电平H桥级联背靠背变流器的控制框图。

具体实施方式

本发明五电平H桥级联背靠背变流器由三大块组成：整流组，逆变组和控制电路。A，B，C三个五电平H桥级联单元组成整流组，D，E，F三个五电平H桥级联单元组成逆变组。

风力发电机与整流组相连，整流组的六路输出分别经过直流母线电容稳压后与逆变组连接，逆变组的三相输出经过电感滤波后并到电网。如图1所示，风力发电机通过滤波电感L_a，L_b，L_c与由三个五电平H桥级联单元A，B，C组成的整流组相连，整流组通过直流母线电容C_a1，C_a2、C_b1，C_b2、C_c1，C_c2连接到由三个五电平H桥级联单元E，D，F组成的逆变组，最后逆变组通过滤波电感L_{a`</sub>，L<sub>b`}，L_c`接到电网。

组成整流组的A，B，C三个五电平H桥级联单元和逆变组D，E，F三个五电平H桥级联单元的结构相同，其中一个五电平H桥级联单元的内部结构如图2所示。

每个五电平H桥级联单元由8个开关管Q1~Q8组成，如图2所示。其中开关管Q1和开关管Q4串联后与开关管Q2和开关管Q3串联，Q1、Q2、Q3、Q4的串连支路再和直流母线电容C_a1并联，并联后开关管Q2的阳极和Q3的阴极便组成了直流输入或输出端口A1。开关管Q5和开关管Q8串联后与开关管Q6和开关管Q7串联，Q5、Q6、Q7、Q8的串连支路再和直流母线电容C_a2并联，并联后开关管Q6的阳极和Q7的阴极便组成了直流输入或输出端口A2。开关管Q2和开关管Q3之间的引出线，连接到开关管Q5和开关管Q8之间；在开关管Q1和开关管Q4之间和开关管Q6和开关管Q7之间的两根引出线同时作为交流电的单相输入或输出。其余五电平H桥级联单元的内部结构与此相同。

AC端是交流电输入/输出端，A1和A2是直流电输入/输出端。A，B，C三个五电平H桥级联单元的AC端各引出同侧的一根线接到风力发电机，三个AC端的剩余的三根线连接到一起，直流电输出端就和逆变组中的直流电输入端连接，比如五电平H桥级联单元A的A1端连接E单元的A1端，五电平H桥级联单元B的B1端连接五电平H桥级联单元D的B1端。逆变组的D，E，F三个五电平H桥级联单元的AC端各引出一跟线通过滤波电感连接到电网，剩余三根线连接到一起作为中性点。如图3所示。

图3也给出了应用本发明五电平H桥级联背靠背变流器的风力发电系统的具体连接方式，其中整流组的A1端与逆变组的A1连接，整流组的A2端与逆变组的A2连接，整流组的B1端与逆变组的B1连接，整流组的B2端与逆变组的B2连接，整流组的C1端与逆变组的C1连接，整流组的C2端与逆变组的C2连接。

本发明通过开关管的组合，可以从交流侧输出0，±V₀，±2V₀的五个电平，V₀是直流侧端口的电压。开关管Q3与Q1，Q4与Q2，Q7与Q5，Q8与Q6，这些对开关管的状态刚好相反。开关管的具体开关状态如下：

表1CPS-SPWM单相级联H桥的35种运行工况表

五电平H桥级联单元产生五电平的原理如下：

应用载波相移正弦脉宽调制方法时需要4列载波，生成8路脉冲信号来驱动8个开关管，得到五电平输出。具体的控制信号时序图如图4所示。图4中的正弦波M(t)是正弦调制波，Tr1(t)，Tr2(t)，Tr3(t)，Tr4(t)是三角波载波，这两种波形在数字信号处理芯片DSP内部产生，并相互比较，来决定发出需要的PWM信号。在Tr1(t)＞M(t)时给WG_1导通信号；在Tr1(t)＜M(t)时给WG_11导通信号。其余3列载波产生的信号同Tr1(t)。给8个开关管发出的8路PWM控制信号就是图4下面的WG_1，WG_11，WG_2……WG_41，对应开关管的情况如下表：

表2单相五电平信号分配表

开关管	信号	开关管	信号
				Q1	WG_1	Q5	WG_2
Q4	WG_11	Q8	WG_21
				Q2	WG_31	Q6	WG_41
Q3	WG_3	Q7	WG_4

三个这样的五电平H桥级联单元就可以组成本发明变流器的整流组，如图1中的A、B、C方块，每个方块就代表一个五电平H桥级联单元。三个五电平H桥级联单元的三对输入各取一根线通过滤波电感与风力发电机相连接，剩余三根线连接在一起作为中性点N；三个五电平H桥级联单元的六对输出直接接到逆变组的五电平H桥级联单元的六对输入。

同时，由于H桥拓扑结构的特殊性，能量可以来回流动，所以三个这样的五电平H桥级联单元也可以组成本发明变流器的逆变组，如图1中的D、E、F方块，每个方块就代表一个五电平H桥级联单元，三个五电平H桥级联单元的三对输出各取一根线通过滤波电感与电网连接。剩余三根线连接在一起作为中性点N；整流组的A，B，C三个五电平H桥级联单元的六对输出直接到逆变组的D，E，F三个五电平H桥级联单元的六对输入。(是否与上文记载的“整流组的六路输出分别经过直流母线电容C_a1，C_a2、C_b1，C_b2、C_c1，C_c2连接到逆变组”不一致？)

本发明控制电路的核心是数字信号处理芯片DSP，其外围是PWM发生扩展电路和信号驱动电路。

数字信号处理芯片DSP的作用就是依据载波相移正弦脉宽调制技术算法，通过电路的信号的采集，决定要发出的PWM脉冲。DSP的输入是PWM发生扩展电路的输出，DSP的输出连接到PWM发生扩展电路的输入。PWM发生扩展电路的输入连接到风力发电机定子3相电流传感器，转子的转速，直流侧母线电压。PWM发生扩展电路的输出接到信号驱动电路。信号驱动电路的输出再接到各个开关管的门级，实现对开关管的控制。在整流组的输入处的三相电流，逆变组输出处的三相电流，直流的母线的电压以及电机的转速的信号都输入到PWM发生扩展电路，然后输入到数字信号处理芯片DSP，以进行后面的控制运算，得到需要的控制信号。

在实际的风力发电系统中，本发明的宏观控制方法如下：

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。

背靠背变流器中的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。电机侧整流组还可以稳定直流侧电压，给并网的逆变组提供稳定的直流电源。逆变组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式风力发电系统的工作状态。

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。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。一般无功功率给定为零，使得系统工作在最大有功功率输出状态，提高系统的效率。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)当风速高于系统的额定风速时，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，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，系统停机，输出到电网的功率为零。

整个风力发电系统的控制框图如图5所示：整流器采样电机输出的电流i_a，i_b，i_c，利用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三相电压的计算结果u_u，u_v，u_w。最后经过SVM算法得到控制信号，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。有功电流参考量i_dq ^*和无功电流参考量i_sd ^*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SVPWM控制的PWM发生器就能令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 (4)

1.一种用于风力发电系统的五电平H桥级联背靠背变流器，其特征是，该变流器由六个五电平H桥级联单元A，B，C、D，E，F组成，A，B，C三个五电平H桥级联单元组成整流组，D，E，F三个五电平H桥级联单元组成逆变组，风力发电机通过滤波电感与整流组相连，整流组的六路输出分别经过直流母线电容C_a1，C_a2、C_b1，C_b2、C_c1，C_c2稳压后与逆变组连接，逆变组的三相输出经过滤波电感L_{a`</sub>，L<sub>b`}，L_c`滤波后并到电网。

2.根据权利要求1所述的五电平H桥级联背靠背变流器，其特征是，每个五电平H桥级联单元由8个开关管Q1~Q8组成，其中开关管Q1和开关管Q4串联后与开关管Q2和开关管Q3串联，Q1、Q2、Q3、Q4的串连支路再和直流母线电容C_a1并联，并联后开关管Q2的阳极和Q3的阴极组成了直流输入或输出端口A1；开关管Q5和开关管Q8串联后与开关管Q6和开关管Q7串联，Q5、Q6、Q7、Q8的串连支路再和直流母线电容C_a2并联，并联后开关管Q6的阳极和Q7的阴极组成了直流输入或输出端口A2；开关管Q2和开关管Q3之间的引出线连接到开关管Q5和开关管Q8之间；在开关管Q1和开关管Q4之间和开关管Q6和开关管Q7之间的两根引出线同时作为交流电的单相输入或输出。

3.根据权利要求1所述的五电平H桥级联背靠背变流器，其特征是，整流组的A，B，C三个五电平H桥级联单元的三对输入各取同侧的一根线通过滤波电感L_a，L_b，L_c与风力发电机相连接，剩余三根线连接在一起作为中性点N；整流组A，B，C三个五电平H桥级联单元的六对输出A1、A2、B1、B2、C1和C2通过直流母线电容C_a1，C_a2、C_b1，C_b2、Cc₁和C_c2接到逆变组D，E，F三个五电平H桥级联单元的六对输入A1、A2，、B1、B2、C1和C2。

4.根据权利要求1所述的五电平H桥级联背靠背变流器，其特征是，逆变组的D，E，F三个五电平H桥级联单元的三对输出各取一根线通过滤波电感与电网连接，剩余三根线连接在一起作为中性点N。

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