CN101710789A - 兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器及控制方法，该变流器包括整流单元、逆变单元、控制系统、辅助单元和柜体；整流单元和逆变单元采用对称结构配置，整流和逆变功率电路均由三组六只绝缘栅双极型晶体管组成；辅助单元包括辅助保护电路、预充电电路、辅助控制电路、逆变单元侧主接触器和滤波电路。该控制方法采用包括速度控制、转矩限定功率控制、直接功率控制和直流母线电压控制多种控制，当速度控制、转矩限定功率控制和直接功率控制都失效时，自动切换到直流母线电压控制；变流器并网方式采用不需配置单独的并网设备的在线式并网方式。本发明变流器具有结构合理紧凑、安全性好等优点；控制方法具有并网冲击小、脱网安全等优点。

Description

兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器及控制方法

技术领域

本发明涉及一种风力发电变流设备及控制方法，特别是一种兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器及控制方法，主要用于利用可再生能源——风能的风力发电。

背景技术

风能作为一种洁净的可再生能源，随着风力发电技术逐步成熟，其运行成本将会低于水电和火电，发展前景非常广阔。发电机组是风力发电机系统的能量转换核心，目前，采用的发电机组主要有双馈异步发电机组和永磁直驱式风力发电机组。双馈异步发电机采用定子和转子双绕组，以及滑环、变速齿轮箱，其定子绕组直接连接到电网上，转子绕组电流由滑环引入，通过一部分功率的交-直-交变换器与电网连接，转子变换器通过调节转子电流的频率、相位及功率来调节定子侧输出功率，使之与风轮输出功率相匹配，在风轮和电机之间通过变速齿轮箱进行增速。由于齿轮箱易过载，且损坏率较高，致使双馈异步发电机组的可靠性和稳定性较差。永磁直驱式风力发电机组不用齿轮箱，采用多极永磁同步电机与叶轮连接进行驱动，然后通过全功率的变频装置并网，利于提高风力发电机组的可靠性和系统效率。

1.5兆瓦级以上的永磁直驱式风力发电机组产生的变频变压电能，通过交-直-交并网变流器进行变换后送入电网。公开号为CN101051793的中国专利申请《兆瓦级直驱式风电并网变流器》公开了一种兆瓦级直驱式风电并网变流器，它包括发电机侧三相滤波电容器、整流器单元、升压斩波器单元、逆变器单元、网侧三相滤波电容器和变压器，风力发电机连接三相滤波电容器，三相滤波电容器连接整流器单元，整流器单元连接升压斩波器单元，升压斩波器单元连接逆变器单元，逆变器单元连接三相滤波电容器，三相滤波电容器连接变压器，变压器连接工频电网。该并网变流器利于降低风电设备的成本，具有功率因数可调、更高功率等级等优点。但是，存在下列不足：1、结构不够紧凑，元器件未经整合，风力发电机组需配置专门的配电室，设计单独的冷却柜体，加大了发电机组的制造成本和占用空间；2、系统的安全性较差，缺少平台机侧进线与网侧出线的断路器保护，以及监测设施有限，当出现异常时，会冲击电网，发生故障；3、支持的通讯协议/接口有限，变流器的通讯安全保障不够；4、维修拆卸困难。现有技术兆瓦级尤其是1.5兆瓦级及以上功率风力发电用并网变流器采取的并网控制方法，存在并网冲击大、脱网安全保障不力等安全性不高的缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术存在的缺陷，提供一种结构合理紧凑、安全性好的兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器，以及并网冲击小、脱网安全的兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器的控制方法。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：该兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器，其结构特点是：包括整流单元、逆变单元、控制系统、辅助单元和柜体；

所述的整流单元包括整流功率电路和整流驱动控制电路，逆变单元包括逆变功率电路和逆变驱动控制电路，所述的整流功率电路和逆变功率电路通过直流母线连接，整流驱动控制电路与逆变驱动控制电路之间通过光纤通讯连接，所述的控制系统与整流驱动控制电路之间、控制系统与逆变驱动控制电路之间均通过通讯总线连接，所述的整流单元和逆变单元采用对称结构配置，整流功率电路和逆变功率电路均由三组六只绝缘栅双极型晶体管组成，位于永磁同步发电机侧的整流单元将来自永磁同步发电机的5～200Hz的三相交流电进行脉冲宽度调制整流，完成交流/直流稳压及升压变换，形成1000～1200V直流电压，位于电网侧的逆变单元将直流电压经过脉冲宽度调制逆变成50Hz三相交流电；

所述的辅助单元包括辅助保护电路、预充电电路、辅助控制电路、逆变单元侧主接触器和滤波电路，所述的辅助保护电路含整流单元侧断路保护器、逆变单元侧断路保护器和浪涌保护器，预充电电路含直流母线预充电电路接触器、直流母线预充电电阻和直流母线预充电整流桥，滤波电路含直流母线滤波电容、正弦滤波器电容和正弦滤波器电抗；

所述的永磁同步发电机和整流单元之间装有整流单元侧断路保护器和浪涌保护器，逆变单元和电网之间依次装有浪涌保护器、滤波电路、逆变单元侧主接触器、直流母线预充电电路接触器和逆变单元侧断路保护器，所述的辅助控制电路控制整流单元侧断路保护器、逆变单元侧断路保护器、预充电电路和逆变单元侧主接触器。

本发明兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器，所述的通讯总线为Ethernet、DeviceNet、ProfileBus、Canbus、ModBus总线中的一种，所述的控制系统与整流驱动控制电路之间、控制系统与逆变驱动控制电路之间配置对网络通讯冗余的硬接线。

本发明兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器，所述的整流单元侧和逆变单元侧均设置检测电压信号的同步变压器。

本发明兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器，所述的整流单元、逆变单元、控制系统、辅助单元集成安装在柜体内，其中位于柜体内的整流单元的整流功率电路和逆变单元的逆变功率电路的每一相均系独立安装，且在整流功率电路和逆变功率电路的每一相底部分别配装滑轮，所述的柜体安装在永磁同步发电机的塔筒底部或塔顶的机舱内。

本发明兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器，所述的整流单元和逆变单元均配置水冷装置和/或风冷装置。

本发明解决上述问题所采用的技术方案还是：该兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器的控制方法，其特点是：该变流器控制方法采用包括速度控制、转矩限定功率控制、直接功率控制和直流母线电压控制多种控制，当速度控制、转矩限定功率控制和直接功率控制都失效时，变流器自动切换到直流母线电压控制进行控制，利用整流单元的逆变功能维持母线电压恒定，控制直流母线电压，实现低压穿越功能；

该变流器控制方法的变流器并网方式采用不需配置单独的并网设备的在线式并网方式，当永磁同步发电机发出功率满足系统运行时，即开始向电网送电，其功率或转矩通过-32767～32767工程单位的通讯全范围内平滑给定，不同的功率或转矩进行给定切换时，通过整流单元的整流驱动控制电路控制实现并网零冲击；

所述的变流器控制方法的控制流程以下：

a、当风电系统电网处于准备状态时，控制系统控制的启动顺序为，整流单元准备完成后，逆变单元通过预充电电路的直流母线预充电电路接触器、直流母线预充电电阻和直流母线预充电整流桥完成预充电，直流电压达到设定值后，逆变单元输出预充电完成信号，逆变单元侧主接触器闭合，直流母线预充电电路接触器断开；

b、控制系统启动逆变单元，使输出电压、频率和电网的电压、频率同步，同时使逆变单元与整流单元之间的直流母线电压处于设定值；

c、若逆变单元与电网的同步过程完成，电压和频率都在设定范围之内，则逆变单元输出AFE_OK信号给整流单元，整流单元进入可启动状态；

d、若整流单元在运行过程中没有收到AFE_OK信号，整流单元将处于空闲状态；整流单元收到逆变单元送出的AFE_OK信号后，控制系统控制整流单元与永磁同步发电机之间的整流单元侧断路保护器闭合，整流单元进入待机状态，达到风机切入风速后，整流单元进入启动状态，永磁同步发电机进行发电；

e、当并网发电时，逆变单元内置PI环调节输出到电网的同步电流，同时控制到电网的电压；

f、当逆变单元侧断路保护器断开造成相位丢失，并网发生故障，逆变单元自动停止调节并切换到待机模式，取消AFE_OK信号，使整流单元控制直流母线电压维持在设定值；当电网脱网后，控制系统进行安全保护，进入停止程序，防止引起永磁同步发电机和其它电气设备的损坏；

g、若直流电压降到设定最低幅值或电网断电时间超过控制系统的设定值，逆变单元的逆变功率电路和整流单元的整流功率电路都停止工作并发出故障报告，同时将整流单元侧断路保护器断开，保护变流器和电网；

h、设置在整流单元和逆变单元的浪涌保护器，将主回路的瞬时过载保护在系统所能承受的范围内；若直流电压升越安全值，整流单元和逆变单元停止工作并发出故障报告，同时整流单元侧断路保护器进行过压保护，断开整流单元侧断路保护器，控制系统将停止含永磁同步发电机的风机工作。

本发明兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器的控制方法，所述的控制流程中，当整流单元出现瞬间欠压或逆变单元工作故障时，控制系统将逆变单元和整流单元的控制从转矩限定控制或直接功率控制同步切换到直流母线电压控制。

本发明兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器的控制方法，所述的控制流程中，控制系统进行的永磁同步发电机过流保护，采取完全放开整流单元转矩控制的电流限幅器实现最大电流输出，同时通过整流单元侧断路保护器的过流保护附件实现叠加保护。

本发明兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器的控制方法，所述的控制流程中，控制系统进行的永磁同步发电机的过压保护，采取通过整流单元的自动弱磁、整流单元侧断路保护器过压保护附件及过压保护装置，来避免永磁同步发电机的过压导致整流单元损坏。

本发明兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器的控制方法，所述的控制流程中，控制系统通过整流单元侧同步变压器检测永磁同步发电机侧的电压信号，改变永磁同步发电机的转速或转矩，实现整流单元对永磁同步发电机的有反馈与无反馈的矢量控制；通过逆变单元侧同步变压器检测来自电网侧的电压、频率与相位信号，将直流母线上的电压逆变为与电网同相位、同频率和同幅值的电压。

本发明兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器与现有技术相比具有以下优点：1、本发明兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器结构合理，整流单元和逆变单元的对称结构配置，可以逆向转动发电机设备，在电网供电的情况下，将发电机作为电动机进行电动启动，实现发电机设备带速启动或运行，对调试和运行带来极大的便利性；设置的整流单元侧断路保护器和逆变单元侧断路保护器，当出现异常时，整流单元侧断路保护器、逆变单元侧断路保护器会自动断开电路，达到对变流器的保护和减小对电网的冲击；整个变流器在进线侧和网侧都设计了浪涌保护器，进行浪涌保护，提高系统的安全性；设计独立的进线电抗和电容构成的滤波电路，有效地去除一些谐波，且在一定程度上稳定电压，提高进线与出线电源质量。2、变流器的通讯接口多样，包括ProfileBus总线、Can总线、ModBus总线、Ethernet、DeviceNet等接口，能满足与不同控制设备的对接；硬接线通讯对通讯接口的冗余，使得变流器的通讯变得更加安全可靠。3、整体机械结构紧凑，成套柜体集成安装在塔筒底部或塔顶的机舱内，无需专门为一台风力发电机组设计专门的配电室；整流单元的整流功率电路和逆变单元的逆变功率电路均独立安装，且在功率电路的底部配装滑轮，方便维修拆卸；整流单元和逆变单元均配置水冷装置和/或风冷装置，适应我国不同地区和不同环境的应用，同时又节约了空间和成本。

本发明兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器的控制方法与现有技术相比具有以下优点：1、本发明瓦级永磁直驱式风力发电变流器的控制方法科学实用，采取多种控制策略，包括速度控制与功率限定控制，直接功率控制，直流母线电压控制。当速度控制和功率控制都失效时，变流器会自动切换到直流母排电压控制进行控制，以此达到安全保护的作用。因此，在任何风速下，本控制方法都能方便的控制变流器以最优的方式运行，可靠、安全地实现低压穿越等功能；2、在线式的并网，功率全范围内的平滑给定控制，实现并网零冲击；3、电网脱网后的安全保护，这个是相对现有技术控制方法的最大优点，本发明可以在电网侧断电的情况下，安全停车而不造成发电机和其它电气设备的损坏。

附图说明

图1为本发明实施例兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器电路结构示意图。

图2为本发明实施例兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器电路原理图。

图3为本发明实施例兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器控制原理图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步描述。

本发明兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器实施例：

直驱式风力发电采用变流器为全功率变流器，变流器只单向传递功率，从发电机PMSG至电网GRID，为有源绝缘栅双极型晶体管IGBT整流+绝缘栅双极型晶体管IGBT逆变。参见图1，该兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器，包括整流单元GENSC、逆变单元AFE、控制系统WTC、辅助单元和柜体。

整流单元GENSC包括整流功率电路IGBT-Z和整流驱动控制电路GENSCWDCS；逆变单元AFE包括逆变功率电路IGBT-N和逆变驱动控制电路AFE WDCS。整流单元GENSC和逆变单元AFE采用对称结构配置，整流单元GENSC和逆变单元AFE背靠背放置；整流单元GENSC放在发电机PMSG侧，其整流功率电路IGBT-Z由三组共六只绝缘栅双极型晶体管IGBT组成；逆变单元AFE放置在电网GRID侧，同整流功率电路IGBT-Z一样其逆变功率电路IGBT-N亦由三组共六个绝缘栅双极型晶体管IGBT组成。整流单元GENSC和逆变单元AFE的对称结构，在电网供电的情况下，将发电机作为电动机进行电动启动，实现发电机设备带速启动或运行。整流功率电路IGBT-Z和逆变功率电路IGBT-N通过直流母线连接；整流驱动控制电路GENSC WDCS与逆变驱动控制电路APE WDCS之间通过光纤通讯GQTX连接；控制系统WTC与整流驱动控制电路GENSC WDCS之间、控制系统WTC与逆变驱动控制电路AFE WDCS之间均通过通讯总线TXZX连接。实施例采用的通讯总线TXZX为Ethernet、DeviceNet、ProfileBus、Canbus、ModBus总线中的一种，整流驱动控制电路GENSC WDCS和逆变驱动控制电路AFEWDCS上均设置对应于通讯总线Ethernet、DeviceNet、ProfileBus、Canbus、ModBus的通讯接口，用于与控制系统WTC连接的通讯总线选择。控制系统WTC与整流驱动控制电路GENSC WDCS之间、控制系统WTC与逆变驱动控制电路AFEWDCS之间配置对网络通讯冗余的硬接线YJX。在通讯总线TXZX失效的紧急情况下，通过硬接线YJX冗余控制通讯，确保变流器的通讯安全可靠，实现对变流器的停机保护控制。

辅助单元包括辅助保护电路、预充电电路、辅助控制电路、逆变单元侧主接触器TLRM、滤波电路和同步变压器。辅助保护电路含整流单元侧断路保护器GENSC_I、逆变单元侧断路保护器AFE_I和浪涌保护器LEMP_D；为了把窜入主回路的瞬时过电压限制在系统所能承受的电压范围内，分别在发电机PMSG侧和电网GRID侧设置多组浪涌保护器LEMP_D。预充电电路含直流母线预充电回路接触器PRE_TLR、直流母线预充电电阻PRE_R和直流母线预充电整流桥PRE_RB。滤波电路含直流母线滤波电容DC_C、正弦滤波器电容SFLT_C和正弦滤波器电抗SFLT_L。实施例整流单元侧断路保护器GENSC_I和逆变单元侧断路保护器AFE_I，都选择ABB的E系列或者F系列断路器，同时通过选择断路器的保护附件实现短路长延时保护、短路短延时保护、过压保护、过流保护和接地保护。永磁同步发电机PMSG和整流单元GENSC之间装有整流单元侧断路保护器GENSC_I和浪涌保护器LEMP_D；逆变单元AFE和电网GRID之间依次装有浪涌保护器LEMP_D、滤波电路、逆变单元侧主接触器TLRM、直流母线预充电电路接触器PRE_TLR和逆变单元侧断路保护器AFE_I。辅助控制电路含对电源供电、风冷装置FL或水冷装置SL的控制、整流单元侧断路保护器GENSC_I和逆变单元侧断路保护器AFE_I的控制、预充电电路和逆变单元侧主接触器TLRM的控制。整流单元GENSC侧设置检测永磁同步发电机PMSG侧的电压信号的同步变压器GENSC_ST，逆变单元AFE侧设置检测来自电网GRID侧的电压、频率与相位信号的同步变压器AFE_ST。

实施例柜体安装在永磁同步发电机PMSG的塔筒底部或塔顶的机舱内，在柜体内集成安装整流单元GENSC、逆变单元AFE、控制系统WTC、辅助单元，其中位于柜体内的整流单元GENSC的整流功率电路IGBT-Z和逆变单元AFE的逆变功率电路IGBT-N的每一相均系独立安装，且在整流功率电路IGBT-Z和逆变功率电路IGBT-N的每一相底部分别配装滑轮，方便维修装拆。整流功率电路IGBT-Z和逆变功率电路IGBT-N均配置水冷装置SL和/或风冷装置FL，可以实际按照使用条件选择。

图1中，M为电机，L1、L2、L3为至电网GRID的三相，A、B、C为至发电机PMSG的三相。

本实施例运行时，永磁同步发电机PMSG为整流单元GENSC的控制对象，风力发电过程中将风能转换为电能；电网GRID对逆变单元AFE、控制系统WTC和辅助控制电路供电，同时接收变流器将来自永磁同步发电机PMSG的与电网GRID频率和相位相同的能量；位于永磁同步发电机侧的整流单元GENSC将来自永磁同步发电机的5～200Hz的三相交流电进行脉冲宽度调制PWM整流，完成交流/直流AC/DC稳压及升压变换，形成1000～1200VDC直流电压，位于电网侧的逆变单元AFE将直流电压经过脉冲宽度调制PWM逆变成50Hz三相交流电，通过断路器发送至电网GRID。整流功率电路IGBT-Z和逆变功率电路IGBT-N，作为整流单元GENSC和逆变单元AFE的主要工作器件，接收来自所属单元的脉宽调制信号PWM，完成所属单元的能量转换，即AC/DC、DC/AC转换工作；整流驱动控制电路GENSC WDCS作为整流单元GENSC的控制系统，控制整流单元GENSC的整流功率电路IGBT-Z的绝缘栅双极型晶体管IGBT工作与信号检测，控制与控制系统WTC通讯，控制与逆变单元AFE的逆变驱动控制电路AFE WDCS的通讯；逆变驱动控制电路AFE WDCS作为逆变单元AFE的控制系统，控制逆变单元AFE的逆变功率电路IGBT-N的绝缘栅双极型晶体管IGBT工作与信号检测，控制与控制系统WTC通讯，控制与整流单元GENSC的整流驱动控制电路GENSC WDCS的通讯。整流单元GENSC的整流驱动控制电路GENSC WDCS通过光纤检测逆变单元AFE逆变驱动控制电路AFE WDCS的工作状况，实现变流器控制策略的选择；逆变单元AFE与整流单元GENSC之间的光纤通讯，与控制系统WTC、整流驱动控制电路GENSC WDCS、逆变驱动控制电路AFE WDCS、通讯总线Profibus或Canbus或Modbus或Ethernet或DeviceNet一起完成对变流器的控制与通讯。

控制系统WTC控制整流单元侧断路保护器GENSC_I、逆变单元侧断路保护器AFE_I、逆变单元侧主接触器TLRM、直流母线预充电回路接触器PRE_TLR的工作顺序，控制水冷装置SL和/或风冷装置FL的工作，控制变流器与风机主控系统的通讯，控制变流器逆变单元AFE的逆变驱动控制系统AFE WDCS与整流单元GENSC的整流驱动控制电路GENSC WDCS的工作。

整流单元侧同步变压器GENSC_ST，检测永磁同步发电机PMSG侧的电压信号，通过控制永磁同步发电机PMSG的转速或转矩，实现整流单元GENSC对永磁同步发电机PMSG的有反馈与无反馈的矢量控制；逆变单元侧同步变压器AFE_ST，检测来自电网GRID侧的电压、频率与相位信号，将直流母线上的电压逆变为与电网GRID同相位、同频率和同幅值的电压。

直流母线预充电电路接触器PRE_TLR，在变流器的直流母线的充电过程中闭合，在逆变单元AFE侧主接触器TLRM闭合后断开，与直流母线预充电电阻PRE_R和直流母线预充电整流桥PRE_RB组成预充电电路，直流母线预充电整流桥PRE_RB，在变流器的直流母线的充电过程中工作，给直流母线预充小电流的直流电压，避免直接闭合逆变单元AFE侧主接触器TLRM给主回路造成的冲击；逆变单元侧主接触器TLRM，与逆变单元侧断路保护器AFE_I一起控制逆变单元主回路的闭合和断开，在变流器工作的过程中闭合，在变流器停止的过程中断开。

整流单元侧断路保护器GENSC_I通断与永磁同步发电机PMSG回路的连接，同时实现短路长延时保护、短路短延时保护、过压保护、过流保护、接地保护，对变流器与永磁同步发电机PMSG进行保护；逆变单元侧断路保护器AFE_I通断与电网GRID回路的连接，同时实现短路长延时保护、短路短延时保护、过压保护、过流保护、接地保护，对电网GRID与变流器进行保护；安装在永磁同步发电机PMSG与整流单元侧断路保护器GENSC_I的连接处的浪涌保护器LEMP_D，抑制来自永磁同步发电机PMSG侧浪涌电流，安装在电网GRID与逆变单元侧断路保护器AFE_I的连接处的浪涌保护器LEMP_D抑制来自电网GRID侧浪涌电流。

滤波电路的正弦滤波器电抗SFLT_L与正弦滤波器电容SFLT_C组成正弦滤波器，将变流器设备产生的谐波抑制在3％的范围内；直流母线滤波电容DC_C，直流母线电压进行稳压和滤波。

实施例兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器采取以下风险防范措施：

a、变流器的故障操作保护、直流的过压保护，采用变流器自身的硬件和软件保护；

b、变流器的过压和过流保护，采用逆变单元AFE和整流单元GENSC的硬件设置和软件控制，结合整流单元侧断路保护GENSC_I和逆变单元侧断路保护器AFE_I来实现；

c、发电机PMSG的过流保护，通过启动整流单元GENSC的转矩控制的电流限幅器实现最大电流控制，同时通过整流单元侧断路保护器GENSC_I的过流保护附件实现叠加保护；

d、发电机PMSG的过压保护，通过整流单元GENSC的自动弱磁、整流单元侧断路保护器GENSC_I的过压保护附件及过压保护装置OVERVDTAGE PROT来实现。

本发明兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器控制方法实施例：

该兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器的控制方法，采用包括速度控制、转矩限定功率控制、直接功率控制和直流母线电压控制多种控制，当速度控制、转矩限定功率控制和直接功率控制都失效时，变流器自动切换到直流母线电压控制进行控制，利用整流单元的逆变功能维持母线电压恒定，控制直流母线电压，实现低压穿越功能。

该变流器控制方法的变流器并网方式采用不需配置单独的并网设备的在线式并网方式，当永磁同步发电机PMSG发出功率满足系统运行时，即开始向电网GRID送电，其功率或转矩通过-32767～32767工程单位的通讯全范围内平滑给定，不同的功率或转矩进行给定切换时，通过整流单元GENSC的整流驱动控制电路GENSC WDCS控制实现并网零冲击。

参见图2，实施例变流器控制方法的控制流程以下：

1、当风电系统电网GRID处于准备状态时，控制系统WTC控制的启动顺序为，整流单元GENSC准备完成后，逆变单元AFE通过预充电电路的直流母线预充电电路接触器PRE_TLR、直流母线预充电电阻PRE_R和直流母线预充电整流桥PRE_RB完成预充电，直流电压达到设定值后，逆变单元AFE输出预充电完成信号，逆变单元侧主接触器TLRM闭合，直流母线预充电电路接触器PRE_TLR断开；

2、控制系统WTC启动逆变单元AFE，使输出电压、频率和电网GRID的电压、频率同步，同时使逆变单元AFE与整流单元GENSC之间的直流母线电压处于设定值；

3、若逆变单元AFE与电网GRID的同步过程完成，电压和频率都在设定范围之内，则逆变单元AFE输出AFE_OK信号给整流单元GENSC，整流单元GENSC进入可启动状态；

4、若整流单元GENSC在运行过程中没有收到AFE_OK信号，整流单元GENSC将处于空闲状态；整流单元GENSC收到逆变单元AFE送出的AFE_OK信号后，控制系统WTC控制整流单元GENSC与永磁同步发电机PMSG之间的整流单元侧断路保护器GENSC_I闭合，整流单元GENSC进入待机状态，达到风机切入风速后，整流单元GENSC进入启动状态，永磁同步发电机PMSG进行发电；

5、当并网发电时，逆变单元AFE内置PI环调节输出到电网GRID的同步电流，同时控制到电网GRID的电压；

6、当逆变单元侧断路保护器AFE_I断开造成相位丢失，并网发生故障，逆变单元AFE自动停止调节并切换到待机模式，取消AFE_OK信号，使整流单元GENSC控制直流母线电压维持在设定值；当电网GRID脱网后，控制系统WTC进行安全保护，进入停止程序，防止引起永磁同步发电机PMSG和其它电气设备的损坏；

7、若直流电压降到设定最低幅值或电网GRID断电时间超过控制系统WTC的设定值，逆变单元AFE的逆变功率电路IGBT-N和整流单元GENSC的整流功率电路IGBT-Z都停止工作并发出故障报告，同时将整流单元侧断路保护器GENSC_I断开，保护变流器和电网GRID；

8、设置在整流单元GENSC和逆变单元AFE的浪涌保护器LEMP_D，将主回路的瞬时过载保护在系统所能承受的范围内；若交流和/或直流电压升越安全值，整流单元GENSC和逆变单元AFE停止工作并发出故障报告，同时整流单元侧断路保护器GENSC_I进行过压保护，断开整流单元侧断路保护器GENSC_I，控制系统WTC将停止含永磁同步发电机PMSG的风机工作。

实施例控制流程中，采用逆变单元AFE和整流单元GENSC的硬件设置和软件控制，结合整流单元侧断路保护器GENSC_I和逆变单元侧断路保护器AFE_I来实现变流器的过压和过流保护；采取完全放开整流单元GENSC的转矩控制的电流限幅器实现最大电流输出，同时通过整流单元侧断路保护器GENSC_I的过流保护附件实现叠加发电机PMSG的过流保护；控制系统WTC进行的永磁同步发电机PMSG的过压保护，通过整流单元GENSC的自动弱磁，以及整流单元侧断路保护器GENSC_I的过压保护附件及过压保护装置OVERVDTAGE PROT，来避免永磁同步发电机PMSG的过压导致整流单元GENSC损坏；控制系统WTC通过整流单元侧同步变压器GENSC_ST检测永磁同步发电机PMSG侧的电压信号，改变永磁同步发电机PMSG的转速或转矩，实现整流单元GENSC对永磁同步发电机PMSG的有反馈与无反馈的矢量控制；通过逆变单元侧同步变压器AFE ST检测来自电网GRID侧的电压、频率与相位信号，将直流母线上的电压逆变为与电网GRID同相位、同频率和同幅值的电压。

图2中，MAINS为控制主回路，AUX.P.SUPPLY为辅助控制供电，SWITCH为保护断路器，SYNCHRO TRANSF为同步变压器，OPTIONAL COMMUNICATION为通讯总线Profibus或Canbus或Modbus或Ethernet或DeviceNet中的一种，PRECHARGE OK SIGNAL为预充电完成信号，AFE READY SIGNAL为逆变单元AFE准备好信号，GENSC READY SIGNAL为整流单元GENSC准备好信号，OVERVDTAGEPROT为过压保护装置，AFE RUNNING SIGNAL为逆变单元AFE运行信号，DC BUSCONNECTION为逆变单元AFE与整流单元GENSC的直流母线连接，TO ELECTRICGRID为到电网的控制，TO WIND TURBING为到风机除变流器之外的控制。

直驱式风力发电采用变流器矢量控制来调节对应风速下发电机侧和电网侧的电压和电流。参见图3，整个控制系统WTC主要包括以下几个功能模块：最大功率点追踪MPPT控制器，电流限制Current Limit模块，电流控制CurrentControl模块，电压调节Voltage Reg模块，偏差角和速度计算Back-EMFsensorless obverser模块，速度控制Speed Control模块，功率控制模块PowerControl Macro，直流母线欠压/过压控制Vdc UV&OV Ctrl模块。具体的发电电压和电流调节控制流程如下：

1、通过风速传感器读入当前风速V wind参数11，传送到最大功率点追踪控制器MPPT；根据要求自动选择速度控制或者功率控制；再通过整流驱动控制电路GENSC WDCS内部的算法，将给定的速度或者功率转化为一定的转矩。当选择使用速度控制时，变流器通过给定主速度Main Speed Ref参数4，附加速度调节Add Speed Ref参数10，并通过斜坡函数发生器Ramp FunctionGenerator以斜坡逐步给定到发电机PMSG，在经过速度方向Speed Few参数9的调整后，根据在偏差角和转速计算Back-EMF sensorless obverser模块中计算到的速度反馈值，对速度进行比例积分PI调节，经过速度调节环的输出将作为转矩给定的选项之一；当选择功率控制或直流母线电压控制时，变流器会叠加低通滤波器LPF后的功率或直流母线电压反馈，通过功率控制宏对功率进行比例积分PI调节，输出的功率将作为转矩给定的选项之二。

2、变流器读入发电机电磁感应器的励磁电流Mot.Therm.Mng、变流器电磁感应器的励磁电流Inv.Therm.Mng、发电机最大电流Max.Mot.Current、变流器最大电流Max.Inv.Current四个值，取最小值，并作为最大电流Imax，按照公式sqrt(Imax^2-Isd^2)进行计算得到发电机的上下限制值Upper/LowerLimits Generator的最大值Upper limit，同时通过直流母线欠压和过压控制Vdc UV&OV Ctrl模块得到发电机的上下限制值Upper/Lower Limits Generator的最小值Lower limit。这两个值分别对应电流限制Current Limit模块中的最大值和最小值，依据这两个值来进行电流的限幅，最终输出矢量控制中Q轴电流给定值IsqRef，即转矩电流给定，作为电流控制CurrentControll模块的转矩电流给定IsqRef。

3、输入最大电压Max Voltage、直流母线电压Vdc和定子电压Vs到电压调节Voltage Reg模块，通过变流器矢量控制的内部算法得到矢量控制中D轴电流IsdRef，即励磁电流，同时经过电流的限幅后作为电流控制CurrentControll模块的励磁电流给定IsdRef。

4、先利用变流器电流传感器Inverter Current Sensors得到的变流器中的B相电流Ib，即参数1和C相电流Ic，即参数2，以及在偏差角和速度计算Back-EMF Sensorless Observer模块中得到的偏转角Theta进行矢量运算，得到励磁电流D轴电流和转矩电流Q轴电流的反馈，然后在电流控制CurrentControl模块中，对前面得出的D轴电流Isd和Q轴电流Isq再加上偏差角Theta和速度计算Back-EMF Sensorless Observer模块中得到的电机转速We，进行比例积分PI调节，并通过变流器的内部算法，计算得到Q轴电压Vsq和D轴电压Vsd，并输出Q轴电压Vsq和D轴电压Vsd。

5、在偏差角和速度计算Back-EMF Sensorless Observer模块中，输入Q轴电压给定值Vsq Ref、D轴电压给定值Vsd Ref、运行使能信号Run En参数6、Q轴电流反馈值Isq Fdb、D轴电流反馈值Isd Fdb、永磁同步发电机PMSG的AB端电压反馈值Vab Fdb和CA端电压反馈值Vca Fdb；通过变流器内部算法，算出电机的转数We和矢量控制的偏差角Theta。

6、通过矢量控制的基本运算，利用Q轴电压Vq和D轴电压Vd以及偏转角Theta这三个参数计算得到三相电的AB端电压Vab，作为脉宽调节器PWMGenerator的输入之一。

图3中，5为转矩调整Torque Ffw，7、8为实际电压传感器，Power Ref为功率给定，Speed Ref为速度给定，Add Speed Ref为加速度给定，Vdc Ref为直流母线电压给定，Torque Ffw为转矩方向控制，Torque Ref为转矩给定，Power Control[Off/On Cmd]为功率控制的启动或屏蔽的选择开关，TorqueLimiters[Set1/Set2Cmd…]为转矩限制器，Speed Feedback为速度反馈，VsRef为定子电压给定，Vol Limit Flag为电压限幅标志位，Isd Ref为D轴电流给定值，Valpha，Vbeta为矢量控制模型中的alpha相和beta相的电压，Optional Voltage Sensors为可选的电压检测传感器，Vca为永磁同步发电机PMSG的的CA端电压，Flag为标志位，SwitchtoSLS切换到无反馈的矢量控制的控制位。

本发明变流器和其控制方法已经过河南西峡电机厂和哈尔滨哈电电机厂的测试，并在黑龙江省大庆市巴彦查干风场、内蒙古乌兰察布市风场和山东省潍坊市昌邑风场实际运行，整个系统运行平稳，安全可靠。本发明具有相对于双馈异步发电机组的优点外，还具有以下优点：在线式的并网，不需要特别的并网设备，减少了并网的冲击；至主电网脱网后的安全保护，可以在电网侧断电的情况下安全停止风机的运行，而不引起发电机和其它电气设备的损坏；变流器可以逆向转动发电机设备，在需要垂直轴风机上应用较多的低速启动的场合具有很大的优势。

以上实施例对本发明兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器及控制方法作了较为详细的描述，但是这些描述并非用以限定本发明的保护范围，任何熟悉该项技术的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内所作的更动与润饰，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器，其特征在于：包括整流单元、逆变单元、控制系统、辅助单元和柜体；

所述的整流单元包括整流功率电路和整流驱动控制电路，逆变单元包括逆变功率电路和逆变驱动控制电路，所述的整流功率电路和逆变功率电路通过直流母线连接，整流驱动控制电路与逆变驱动控制电路之间通过光纤通讯连接，所述的控制系统与整流驱动控制电路之间、控制系统与逆变驱动控制电路之间均通过通讯总线连接，所述的整流单元和逆变单元采用对称结构配置，整流功率电路和逆变功率电路均由三组六只绝缘栅双极型晶体管组成，位于永磁同步发电机侧的整流单元将来自永磁同步发电机的5～200Hz的三相交流电进行脉冲宽度调制整流，完成交流/直流稳压及升压变换，形成1000～1200V直流电压，位于电网侧的逆变单元将直流电压经过脉冲宽度调制逆变成50Hz三相交流电；

所述的辅助单元包括辅助保护电路、预充电电路、辅助控制电路、逆变单元侧主接触器和滤波电路，所述的辅助保护电路含整流单元侧断路保护器、逆变单元侧断路保护器和浪涌保护器，预充电电路含直流母线预充电电路接触器、直流母线预充电电阻和直流母线预充电整流桥，滤波电路含直流母线滤波电容、正弦滤波器电容和正弦滤波器电抗；

所述的永磁同步发电机和整流单元之间装有整流单元侧断路保护器和浪涌保护器，逆变单元和电网之间依次装有浪涌保护器、滤波电路、逆变单元侧主接触器、直流母线预充电电路接触器和逆变单元侧断路保护器，所述的辅助控制电路控制整流单元侧断路保护器、逆变单元侧断路保护器、预充电电路和逆变单元侧主接触器。

2.根据权利要求1所述的兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器，其特征在于：所述的通讯总线为Ethernet、DeviceNet、ProfileBus、Canbus、ModBus总线中的一种，所述的控制系统与整流驱动控制电路之间、控制系统与逆变驱动控制电路之间配置对网络通讯冗余的硬接线。

3.根据权利要求2所述的兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器，其特征在于：所述的整流单元侧和逆变单元侧均设置检测电压信号的同步变压器。

4.根据权利要求3所述的兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器，其特征在于：所述的整流单元、逆变单元、控制系统、辅助单元集成安装在柜体内，其中位于柜体内的整流单元的整流功率电路和逆变单元的逆变功率电路的每一相均系独立安装，且在整流功率电路和逆变功率电路的每一相底部分别配装滑轮，所述的柜体安装在永磁同步发电机的塔筒底部或塔顶的机舱内。

5.根据权利要求4所述的兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器，其特征在于：所述的整流单元和逆变单元均配置水冷装置和/或风冷装置。

6.一种用于权利要求1所述的兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器的控制方法，其特征在于：该兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器控制方法，采用包括速度控制、转矩限定功率控制、直接功率控制和直流母线电压控制多种控制，当速度控制、转矩限定功率控制和直接功率控制都失效时，变流器自动切换到直流母线电压控制进行控制，利用整流单元的逆变功能维持母线电压恒定，控制直流母线电压，实现低压穿越功能；

该变流器控制方法的变流器并网方式采用不需配置单独的并网设备的在线式并网方式，当永磁同步发电机发出功率满足系统运行时，即开始向电网送电，其功率或转矩通过-32767～32767工程单位的通讯全范围内平滑给定，不同的功率或转矩进行给定切换时，通过整流单元的整流驱动控制电路控制实现并网零冲击；

所述的变流器控制方法的控制流程以下：

a、当风电系统电网处于准备状态时，控制系统控制的启动顺序为，整流单元准备完成后，逆变单元通过预充电电路的直流母线预充电电路接触器、直流母线预充电电阻和直流母线预充电整流桥完成预充电，直流电压达到设定值后，逆变单元输出预充电完成信号，逆变单元侧主接触器闭合，直流母线预充电电路接触器断开；

b、控制系统启动逆变单元，使输出电压、频率和电网的电压、频率同步，同时使逆变单元与整流单元之间的直流母线电压处于设定值；

c、若逆变单元与电网的同步过程完成，电压和频率都在设定范围之内，则逆变单元输出AFE_OK信号给整流单元，整流单元进入可启动状态；

d、若整流单元在运行过程中没有收到AFE_0K信号，整流单元将处于空闲状态；整流单元收到逆变单元送出的AFE_OK信号后，控制系统控制整流单元与永磁同步发电机之间的整流单元侧断路保护器闭合，整流单元进入待机状态，达到风机切入风速后，整流单元进入启动状态，永磁同步发电机进行发电；

e、当并网发电时，逆变单元内置PI环调节输出到电网的同步电流，同时控制到电网的电压；

f、当逆变单元侧断路保护器断开造成相位丢失，并网发生故障，逆变单元自动停止调节并切换到待机模式，取消AFE_OK信号，使整流单元控制直流母线电压维持在设定值；当电网脱网后，控制系统进行安全保护，进入停止程序，防止引起永磁同步发电机和其它电气设备的损坏；

g、若直流电压降到设定最低幅值或电网断电时间超过控制系统的设定值，逆变单元的逆变功率单元和整流单元的整流功率电路都停止工作并发出故障报告，同时将整流单元侧断路保护器断开，保护变流器和电网；

h、设置在整流单元和逆变单元的浪涌保护器，将主回路的瞬时过载保护在系统所能承受的范围内；若直流电压和或交流电压升越安全值，整流单元和逆变单元停止工作并发出故障报告，同时整流单元侧断路保护器进行过压保护，断开整流单元侧断路保护器，控制系统将停止含永磁同步发电机的风机工作。

7.根据权利要求6所述的兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器的控制方法，其特征在于：所述的控制流程中，当整流单元出现瞬间欠压或逆变单元工作故障时，控制系统将逆变单元和整流单元的控制从转矩限定控制或直接功率控制同步切换到直流母线电压控制。

8.根据权利要求7所述的兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器的控制方法，其特征在于：所述的控制流程中，控制系统进行的永磁同步发电机过流保护，采取完全放开整流单元转矩控制的电流限幅器实现最大电流输出，同时通过整流单元侧断路保护器的过流保护附件实现叠加保护。

9.根据权利要求8所述的兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器的控制方法，其特征在于：所述的控制流程中，控制系统进行的永磁同步发电机的过压保护，采取通过整流单元的自动弱磁、整流单元侧断路保护器过压保护附件及过压保护装置，来避免永磁同步发电机的过压导致整流单元损坏。

10.根据权利要求9所述的兆瓦级永磁直驱式风力发电变流器的控制方法，其特征在于：所述的控制流程中，控制系统通过整流单元侧同步变压器检测永磁同步发电机侧的电压信号，改变永磁同步发电机的转速或转矩，实现整流单元对永磁同步发电机的有反馈与无反馈的矢量控制；通过逆变单元侧同步变压器检测来自电网侧的电压、频率与相位信号，将直流母线上的电压逆变为与电网同相位、同频率和同幅值的电压。

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