CN101826804A - 风力发电系统中的并联型永磁直驱风电变流器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

风力发电系统中的并联型永磁直驱风电变流器及其控制方法，属于电力电子技术领域。它解决了现有并联变流器在解决环流问题时造成的系统体积增大及控制方法复杂的问题。它的并联型永磁直驱风电变流器由两套背靠背PWM变流器模块、两个输入侧三相电抗器和两个输出侧三相电抗器组成；每套背靠背PWM变流器模块由整流器、逆变器和电容器组成；它的控制方法为在机侧采用机侧环流控制器，将其输出补偿到第一机侧整流器的初始三相占空比上；在网侧采用网侧环流控制器，将其输出补偿到第一网侧逆变器的初始三相占空比上，从而分别调整背靠背PWM变流器模块的三相占空比信号，达到抑制环流的目的。本发明用于将更大功率发电机的能量输送到电网。

Description

风力发电系统中的并联型永磁直驱风电变流器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种风力发电系统中的并联型永磁直驱风电变流器及其控制方法，属于电力电子技术领域。

背景技术

随着能源的日益紧缺、环境问题的突出和电力电子技术及器件的进步，风力发电得到了不断的发展。在风力发电的各种方案中，永磁直驱风力发电方式以其优越的性能，日益成为研究及应用的热点。它省去了齿轮箱和滑环，减小了系统噪声，并使系统的体积大大的减小，成本降低，同时使系统可靠性提高，维护成本大大降低；由于采用永磁体励磁，不存在转子铜损，又提高了发电效率。永磁直驱风力发电机和电网之间通过变流器连接，解决了低电压的穿越问题，通过最大功率点追踪(maximum power point tracking，MPPT)技术，能够充分的利用风能，使发电效率进一步提高。

目前风力发电机的发电功率已达到近10MW，由于永磁直驱风力发电系统中，发电机需要通过全功率变流器进行并网，受到电力电子器件容量的限制，单套变流器的输送能力不能满足发电机的能量传送需求，将其输送到电网。为突破这一限制，变流器的并联技术在风力发电系统中成为了研究热点。它在不增加单个功率开关电流应力的条件下，采用并联技术使传送的总电流成倍增加，使研发更高功率等级的风电变流器成为现实。这种并联技术，在风机功率一定的情况下，可以采用功率等级更低的功率开关器件传送电流，大大降低生产成本。同时，这种并联技术的方案便于模块化设计，它能拓宽功率模块的使用范围，又能缩短生产周期。与载波相移(carrier phase shift，CPS)技术相结合，还能使并联后总电流的谐波大大降低，这样就可以采用小容量的滤波器，进一步降低生产成本。变流器的并联技术使得N+1冗余设计成为现实，它使系统的可靠性大大提高，与热拔插技术相结合，使系统具有更大的优势。

在单套变流器系统中，由于不产生零序环流通道，不存在环流问题，而在并联型变流器系统中，会产生严重的环流问题。环流在并联的变流器之间流动，它的存在增加了损耗，降低了系统效率，使功率器件发热严重，甚至烧毁。环流导致的不均流问题，使功率器件承受的电流应力不均衡，影响其使用寿命，限制整套系统容量的增加；环流还会使三相电流产生畸变，使总谐波畸变率(total harmonic distortion，THD)增大，导致风电系统不能满足并网要求。此外，高频环流还会带来严重的电磁干扰(electromagnetic interface，EMI)。

对于并联变流器系统中环流问题的解决主要有两种方式：一是在硬件上消除环流通道，二是采用适当的控制方法来抑制环流。通常采用硬件方式消除环流的方法为加隔离变压器，隔离变压器能够阻断交流侧的环流回路，消除环流，同时，采用不同形式的副边结构的隔离变压器，可以消除特定次谐波，降低对电网的污染。由于在工频下工作，通常隔离变压器的体积、重量都很大，它会造成系统成本的增加，所以不适合用于大功率的永磁直驱风电系统中。文献(李建林，高志刚，胡书举，等.并联背靠背PWM变流器在直驱型风力发电系统的应用[J].电力系统自动化，2008，32(5)：59-62)提出了独立直流母线的拓扑结构，它在硬件上消除了环流通道，解决了环流问题，系统控制相对简单，但使用场合受限，只能用于具有电气隔离作用的六相电机，当电机为常用的三相电机时仍存在严重的环流问题，且机侧环流与网侧环流相互耦合。同时由于这种拓扑结构的直流母线分开，必须对两母线电压分别加以控制，使得系统的体积增大，不利于模块化设计。文献(Yoshihiro Komatsuzaki.Cross currentcontrol for parallel operating three phase inverter[C].PowerElectronics Specialists Conference，Taipei，China，1994)和文献(SFukuda，K Matsushita.A control method for parallel-connected multipleinverter systems.Power Electronics and Variable Speed Drive，London，England，1998)将并联变流器当作一个整体来控制，它从控制方法上抑制了并联变流器的环流，但存在控制复杂的缺陷，当更多模块并联时很难实现对其控制。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有并联变流器在解决环流问题时造成的系统体积增大及控制方法复杂的问题，提供一种风力发电系统中的并联型永磁直驱风电变流器及其控制方法。

本发明的一种风力发电系统中的并联型永磁直驱风电变流器，它包括第一背靠背PWM变流器模块和第二背靠背PWM变流器模块，它还包括第一输入侧三相电抗器，第一输出侧三相电抗器，第二输入侧三相电抗器，第二输出侧三相电抗器，

第一背靠背PWM变流器模块和第二背靠背PWM变流器模块并联连接在直流母线上，第一背靠背PWM变流器模块的机侧输入端和所述变流器的三相风力发电输入端之间串联有第一输入侧三相电抗器，第二背靠背PWM变流器模块的机侧输入端和所述变流器的三相风力发电输入端之间串联有第二输入侧三相电抗器；第一背靠背PWM变流器模块的网侧输出端与所述变流器的三相电网信号输出端之间串联有第一输出侧三相电抗器，第二背靠背PWM变流器模块的网侧输出端与所述变流器的三相电网信号输出端之间串联有第二输出侧三相电抗器；

第一背靠背PWM变流器模块由第一机侧整流器、第一网侧逆变器和第一电容器组成，第一机侧整流器、第一电容器和第一网侧逆变器并联连接，第一机侧整流器的输入端为第一背靠背PWM变流器模块的机侧输入端，第一网侧逆变器的输出端为第一背靠背PWM变流器模块的网侧输出端；

第二背靠背PWM变流器模块由第二机侧整流器、第二网侧逆变器和第二电容器组成，第二机侧整流器、第二电容器和第二网侧逆变器并联连接，第二机侧整流器的输入端为第二背靠背PWM变流器模块的机侧输入端，第二网侧逆变器的输出端为第二背靠背PWM变流器模块的网侧输出端。

本发明所述的基于上述装置的控制方法，是基于下述风力发电系统实现的，该风力发电系统中所述变流器的三相风力发电输入端与永磁同步发电机的三相发电信号输出端相连接，所述变流器的三相电网信号输出端与电网的三相电源信号输入端相连接；

所述风力发电系统中的并联型永磁直驱风电变流器的控制方法为：

采集第一输入侧三相电抗器输入端的三相电流值i_ga1、i_gb1和i_gc1，由机侧Clack变换单元对其进行变换，得到机侧两相静止坐标系下的电流值i_gα1和i_gβ1，

将机侧两相静止坐标系下的电流值i_gα1、i_gβ1和永磁同步发电机的转子位置角θ_g输入给机侧Park变换单元，并经其变换后，得到机侧同步旋转坐标系下的第一d轴电流值i_gd1、第一q轴电流值i_gq1和第一z轴电流值i_gz1；

将第一机侧整流器的d轴电流给定值i_gd1ref和q轴电流给定值i_gq1ref与机侧同步旋转坐标系下的第一d轴电流值i_gd1和第一q轴电流值i_gq1输入给机侧第一电流环控制器，经其分别进行PI调节并补偿后，得到机侧同步旋转坐标系下的第一d轴电压值u_gd1和第一q轴电压值u_gq1，

机侧同步旋转坐标系下的第一d轴电压值u_gd1、第一q轴电压值u_gq1和永磁同步发电机的转子位置角θ_g共同输入给机侧第一Park逆变换单元，并经其进行逆变换后，得到机侧两相静止坐标系下的第一电压值u_gα1和u_gβ1，

将机侧两相静止坐标系下的第一电压值u_gα1和u_gβ1通过机侧第一空间矢量脉宽调制单元调制后生成第一机侧整流器的初始三相占空比信号d_ga1′、d_gb1′和d_gc1′，

将第一机侧整流器的初始三相占空比信号d_ga1′、d_gb1′和d_gc1′分别与第一机侧整流器的三相占空比补偿量作差后，得到第一机侧整流器的三相占空比信号d_ga1、d_gb1和d_gc1，将其分别作用于第一机侧整流器的三相功率开关管，实现对第一机侧整流器的控制；

采集第二机侧整流器输入端的三相电流值i_ga2、i_gb2和i_gc2，并与永磁同步发电机的转子位置角θ_g共同输入给机侧abc/dqz变换单元，，得到机侧同步旋转坐标系下的第二d轴电流值i_gd2和第二q轴电流值i_gq2；

将第二机侧整流器的d轴电流给定值i_gd2ref和q轴电流给定值i_gq2ref与机侧同步旋转坐标系下的第二d轴电流值i_gd2和第二q轴电流值i_gq2输入给机侧第二电流环控制器，经其分别进行PI调节并补偿后，得到机侧同步旋转坐标系下的第二d轴电压值u_gd2和第二q轴电压值u_gq2，

机侧同步旋转坐标系下的第二d轴电压值u_gd2、第二q轴电压值u_gq2和永磁同步发电机的转子位置角θ_g共同输入给机侧第二Park逆变换单元，得到机侧两相静止坐标系下的第二电压值u_gα2和u_gβ2，

将机侧两相静止坐标系下的第二电压值u_gα2和u_gβ2通过机侧第二空间矢量脉宽调制单元调制后生成第二机侧整流器的三相占空比信号d_ga2、d_gb2和d_gc2，将其分别作用于第二机侧整流器的三相功率开关管，实现对第二机侧整流器的控制；

采集第一网侧逆变器输出端的三相电流值i_la1、i_lb1和i_lc1，将其与电网角度θ₁共同输入给网侧第一abc/dqz变换单元，得到网侧同步旋转坐标系下的第一d轴电流值i_ld1、第一q轴电流值i_lq1和第一z轴电流值i_lz1；

将第一网侧逆变器的d轴电流给定值i_ld1ref和q轴电流给定值i_lq1ref与网侧同步旋转坐标系下的第一d轴电流值i_ld1和第一q轴电流值i_lq1输入给网侧第一电流环控制器，经其分别进行PI调节并补偿后，得到网侧同步旋转坐标系下的第一d轴电压值u_ld1和第一q轴电压值u_lq1，

网侧同步旋转坐标系下的第一d轴电压值u_ld1、第一q轴电压值u_lq1和θ₁共同输入给网侧第一Park逆变换单元，并经其进行逆变换后，得到网侧两相静止坐标系下的第一电压值u_lα1和u_lβ1，

网侧两相静止坐标系下的第一电压值u_lα1和u_lβ1通过网侧第一空间矢量脉宽调制单元调制后生成第一网侧逆变器的初始三相占空比信号d_la1′、d_lb1′和d_lc1′，

第一网侧逆变器的初始三相占空比信号d_la1′、d_lb1′和d_lc1′分别与第一网侧逆变器的三相占空比补偿量作差后，得到第一网侧逆变器的三相占空比信号d_la1、d_lb1和d_lc1，将其分别作用于第一网侧逆变器的三相功率开关管，实现对第一网侧逆变器的控制；

采集第二网侧逆变器输出端的三相电流值i_la2、i_lb2和i_lc2，将其与电网角度θ₁共同输入给网侧第二abc/dqz变换单元，得到网侧同步旋转坐标系下的第二d轴电流值i_ld2和第二q轴电流值i_lq2；

将第二网侧逆变器的d轴电流给定值i_ld2ref和q轴电流给定值i_lq2ref与网侧同步旋转坐标系下的第二d轴电流值i_ld2和第二q轴电流值i_lq2输入给网侧第二电流环控制器，经其分别进行PI调节并补偿后，得到网侧同步旋转坐标系下的第二d轴电压值u_ld2和第二q轴电压值u_lq2，

网侧同步旋转坐标系下的第二d轴电压值u_ld2、第二q轴电压值u_lq2和θ₁共同输入给网侧第二Park逆变换单元，并经其进行逆变换后，得到网侧两相静止坐标系下的第二电压值u_lα2和u_lβ2，

网侧两相静止坐标系下的第二电压值u_lα2和u_lβ2通过网侧第二空间矢量脉宽调制单元调制后生成第二网侧逆变器的三相占空比信号d_la2、d_lb2和d_lc2，将其分别作用于第二网侧逆变器的三相功率开关管，实现对第二网侧逆变器的控制。

本发明的优点是：本发明提出了一种适用于永磁直驱风电系统的变流器，该变流器的机侧变换器与网侧变换器共直流母线，实现了模块化设计，缩短了生产周期，并设计了整套控制方法，抑制了环流，其控制方法简单，同时大大降低了系统的体积、重量及成本，并提高了系统的效率和可靠性，大大拓宽了其应用范围。

由于对相并联的两个机侧整流器和相并联的两个网侧逆变器可分别独立控制，因此电流可进行不均等分配，在增加风电变流器功率等级的同时，提高了风电变流器生产的灵活性。同时抑制了环流，解决了波形畸变等问题。

附图说明

图1为本发明并联型永磁直驱风电变流器的拓扑结构图；图2为本发明控制方法的信号走向示意图；图3为第一机侧整流器和第二机侧整流器的零轴平均模型图；图4为第一网侧逆变器和第二网侧逆变器的零轴平均模型图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式包括第一背靠背PWM变流器模块1和第二背靠背PWM变流器模块2，它还包括第一输入侧三相电抗器L_g1，第一输出侧三相电抗器L_l1，第二输入侧三相电抗器L_g2，第二输出侧三相电抗器L_l2，

第一背靠背PWM变流器模块1和第二背靠背PWM变流器模块2并联连接在直流母线上，第一背靠背PWM变流器模块1的机侧输入端和所述变流器的三相风力发电输入端之间串联有第一输入侧三相电抗器L_g1，第二背靠背PWM变流器模块2的机侧输入端和所述变流器的三相风力发电输入端之间串联有第二输入侧三相电抗器L_g2；第一背靠背PWM变流器模块1的网侧输出端与所述变流器的三相电网信号输出端之间串联有第一输出侧三相电抗器L_l1，第二背靠背PWM变流器模块2的网侧输出端与所述变流器的三相电网信号输出端之间串联有第二输出侧三相电抗器L_l2；

第一背靠背PWM变流器模块1由第一机侧整流器1-1、第一网侧逆变器1-2和第一电容器1-3组成，第一机侧整流器1-1、第一电容器1-3和第一网侧逆变器1-2并联连接，第一机侧整流器1-1的输入端为第一背靠背PWM变流器模块1的机侧输入端，第一网侧逆变器1-2的输出端为第一背靠背PWM变流器模块1的网侧输出端；

第二背靠背PWM变流器模块2由第二机侧整流器2-1、第二网侧逆变器2-2和第二电容器2-3组成，第二机侧整流器2-1、第二电容器2-3和第二网侧逆变器2-2并联连接，第二机侧整流器2-1的输入端为第二背靠背PWM变流器模块2的机侧输入端，第二网侧逆变器2-2的输出端为第二背靠背PWM变流器模块2的网侧输出端。

所述第一机侧整流器1-1、第一网侧逆变器1-2、第二机侧整流器2-1和第二网侧逆变器2-2由绝缘栅双极型晶体管的功率开关管组成。

本实施方式中，每套背靠背PWM变流器模块内直流母线上都并接有电容器，它起到滤波和稳压的作用，第一输入侧三相电抗器L_g1和第二输入侧三相电抗器L_g2起到滤波、防止母线短路的作用；第一输出侧三相电抗器L_l1和第二输出侧三相电抗器L_l2在起滤波、防止母线短路作用的同时还起升压的作用。

具体实施方式二：下面结合图2至图4说明本实施方式，本实施方式为基于实施方式一所述风力发电系统中的并联型永磁直驱风电变流器的控制方法，所述控制方法基于下述风力发电系统实现，该风力发电系统中所述变流器的三相风力发电输入端与永磁同步发电机3的三相发电信号输出端相连接，所述变流器的三相电网信号输出端与电网4的三相电源信号输入端相连接；

所述风力发电系统中的并联型永磁直驱风电变流器的控制方法为：

采集第一输入侧三相电抗器L_g1输入端的三相电流值i_ga1、i_gb1和i_gc1，由机侧Clack变换单元5对其进行变换，得到机侧两相静止坐标系下的电流值i_gα1和i_gβ1，

将机侧两相静止坐标系下的电流值i_gα1、i_gβ1和永磁同步发电机3的转子位置角θ_g输入给机侧Park变换单元6，并经其变换后，得到机侧同步旋转坐标系下的第一d轴电流值i_gd1、第一q轴电流值i_gq1和第一z轴电流值i_gz1；

将第一机侧整流器1-1的d轴电流给定值i_gd1ref和q轴电流给定值i_gq1ref与机侧同步旋转坐标系下的第一d轴电流值i_gd1和第一q轴电流值i_gq1输入给机侧第一电流环控制器9，经其分别进行PI调节并补偿后，得到机侧同步旋转坐标系下的第一d轴电压值u_gd1和第一q轴电压值u_gq1，

机侧同步旋转坐标系下的第一d轴电压值u_gd1、第一q轴电压值u_gq1和永磁同步发电机3的转子位置角θ_g共同输入给机侧第一Park逆变换单元10，并经其进行逆变换后，得到机侧两相静止坐标系下的第一电压值u_gα1和u_gβ1，

将机侧两相静止坐标系下的第一电压值u_gα1和u_gβ1通过机侧第一空间矢量脉宽调制单元11调制后生成第一机侧整流器1-1的初始三相占空比信号d_ga1′、d_gb1′和d_gc1′，

将第一机侧整流器1-1的初始三相占空比信号d_ga1′、d_gb1′和d_gc1′分别与第一机侧整流器1-1的三相占空比补偿量作差后，得到第一机侧整流器1-1的三相占空比信号d_ga1、d_gb1和d_gc1，将其分别作用于第一机侧整流器1-1的三相功率开关管，实现对第一机侧整流器1-1的控制；

采集第二机侧整流器2-1输入端的三相电流值i_ga2、i_gb2和i_gc2，并与永磁同步发电机3的转子位置角θ_g共同输入给机侧abc/dqz变换单元12，，得到机侧同步旋转坐标系下的第二d轴电流值i_gd2和第二q轴电流值i_gq2；

将第二机侧整流器2-1的d轴电流给定值i_gd2ref和q轴电流给定值i_gq2ref与机侧同步旋转坐标系下的第二d轴电流值i_gd2和第二q轴电流值i_gq2输入给机侧第二电流环控制器13，经其分别进行PI调节并补偿后，得到机侧同步旋转坐标系下的第二d轴电压值u_gd2和第二q轴电压值u_gq2，

机侧同步旋转坐标系下的第二d轴电压值u_gd2、第二q轴电压值u_gq2和永磁同步发电机3的转子位置角θ_g共同输入给机侧第二Park逆变换单元14，得到机侧两相静止坐标系下的第二电压值u_gα2和u_gβ2，

将机侧两相静止坐标系下的第二电压值u_gα2和u_gβ2通过机侧第二空间矢量脉宽调制单元15调制后生成第二机侧整流器2-1的三相占空比信号d_ga2、d_gb2和d_gc2，将其分别作用于第二机侧整流器2-1的三相功率开关管，实现对第二机侧整流器2-1的控制；

采集第一网侧逆变器1-2输出端的三相电流值i_la1、i_lb1和i_lc1，将其与电网角度θ₁共同输入给网侧第一abc/dqz变换单元16，得到网侧同步旋转坐标系下的第一d轴电流值i_ld1、第一q轴电流值i_lq1和第一z轴电流值i_lz1；

将第一网侧逆变器1-2的d轴电流给定值i_ld1ref和q轴电流给定值i_lq1ref与网侧同步旋转坐标系下的第一d轴电流值i_ld1和第一q轴电流值i_lq1输入给网侧第一电流环控制器17，经其分别进行PI调节并补偿后，得到网侧同步旋转坐标系下的第一d轴电压值u_ld1和第一q轴电压值u_lq1，

网侧同步旋转坐标系下的第一d轴电压值u_ld1、第一q轴电压值u_lq1和θ₁共同输入给网侧第一Park逆变换单元18，并经其进行逆变换后，得到网侧两相静止坐标系下的第一电压值u_lα1和u_lβ1，

网侧两相静止坐标系下的第一电压值u_lα1和u_lβ1通过网侧第一空间矢量脉宽调制单元19调制后生成第一网侧逆变器1-2的初始三相占空比信号d_la1′、d_lb1′和d_lc1′，

第一网侧逆变器1-2的初始三相占空比信号d_la1′、d_lb1′和d_lc1′分别与第一网侧逆变器1-2的三相占空比补偿量作差后，得到第一网侧逆变器1-2的三相占空比信号d_la1、d_lb1和d_lc1，将其分别作用于第一网侧逆变器1-2的三相功率开关管，实现对第一网侧逆变器1-2的控制；

采集第二网侧逆变器2-2输出端的三相电流值i_la2、i_lb2和i_lc2，将其与电网角度θ₁共同输入给网侧第二abc/dqz变换单元20，得到网侧同步旋转坐标系下的第二d轴电流值i_ld2和第二q轴电流值i_lq2；

将第二网侧逆变器2-2的d轴电流给定值i_ld2ref和q轴电流给定值i_lq2ref与网侧同步旋转坐标系下的第二d轴电流值i_ld2和第二q轴电流值i_lq2输入给网侧第二电流环控制器21，经其分别进行PI调节并补偿后，得到网侧同步旋转坐标系下的第二d轴电压值u_ld2和第二q轴电压值u_lq2，

网侧同步旋转坐标系下的第二d轴电压值u_ld2、第二q轴电压值u_lq2和θ₁共同输入给网侧第二Park逆变换单元22，并经其进行逆变换后，得到网侧两相静止坐标系下的第二电压值u_lα2和u_lβ2，

网侧两相静止坐标系下的第二电压值u_lα2和u_lβ2通过网侧第二空间矢量脉宽调制单元23调制后生成第二网侧逆变器2-2的三相占空比信号d_la2、d_lb2和d_lc2，将其分别作用于第二网侧逆变器2-2的三相功率开关管，实现对第二网侧逆变器2-2的控制。

所述永磁同步发电机3的转子位置角θ_g可以采用现有方法获得，例如，可采用下述方法获得：由转子位置观测器24根据机侧两相静止坐标系下的电流值i_gα1、i_gβ1，机侧两相静止坐标系下的第一电压值u_gα1、u_gβ1通过多重化滑模算法得到。

所述第一机侧整流器1-1的q轴电流给定值i_gq1ref和第二机侧整流器2-1的q轴电流给定值i_gq2ref可以为现有永磁直驱风电系统中为实现发电目的而预先设定的电流值，该电流值可以采用下述方法确定：采用最大功率点追踪单元7对永磁同步发电机3所能捕获的最大风能进行追踪采集，并输出机侧q轴电流给定值i_gqref，再经机侧电流权重分配单元8将其分配为第一机侧整流器1-1的q轴电流给定值i_gq1ref和第二机侧整流器2-1的q轴电流给定值i_gq2ref；所述第一机侧整流器1-1的d轴电流给定值i_gd1ref和第二机侧整流器2-1的d轴电流给定值i_gd2ref为给定值。

所述第一机侧整流器1-1的三相占空比补偿量可以采用下述方法获取：采用机侧环流控制器25对机侧同步旋转坐标系下的第一z轴电流值i_gz1和第一机侧整流器1-1的z轴电流给定值i_gz1ref进行PI调节，得到第一机侧整流器1-1的三相占空比补偿量。

所述电网角度θ₁可以采用下述方法获得：由软件锁相环26根据电网4输入端的三相电压值u_la、u_lb和u_lc计算得到。

所述第一网侧逆变器1-2的d轴电流给定值i_ld1ref和第二网侧逆变器2-2的d轴电流给定值i_ld2ref可以采用下述方法获取：采用电压环控制器28对直流母线电压U_dc和直流母线电压给定值U_dcref进行PI调节，输出网侧d轴电流给定值i_ldref，再经网侧电流权重分配单元27将其分配为第一网侧逆变器1-2的d轴电流给定值i_ld1ref和第二网侧逆变器2-2的d轴电流给定值i_ld2ref；所述第一网侧逆变器1-2的q轴电流给定值i_lq1ref和第二网侧逆变器2-2的q轴电流给定值i_lq2ref为给定值。

所述第一网侧逆变器1-2的三相占空比补偿量可以采用下述方法获取：采用网侧环流控制器29对网侧同步旋转坐标系下的第一z轴电流值i_lz1和第一网侧逆变器1-2的z轴电流给定值i_lz1ref进行PI调节，得到第一网侧逆变器1-2的三相占空比补偿量。

将第一机侧整流器1-1、第二机侧整流器2-1与永磁同步发电机3permanentmagnet synchronous generator，PMSG)所在的一侧作为机侧，第一网侧逆变器1-2、第二网侧逆变器2-2和电网4所在的一侧作为网侧，本实施方式中的变流器的机侧环流与网侧环流互相独立，可分别控制，它的工作过程如下：

对于机侧：由于第一机侧整流器1-1和第二机侧整流器2-1的环流之和为零，因此只要抑制其中一个整流器的环流，另一整流器的环流就自然得到抑制。由电流传感器测量得到第一机侧整流器1-1输入端的三相电流值i_ga1、i_gb1和i_gc1，由变换矩阵T

$T=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\ωt}& \cos (\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3)& \cos (\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\π}/3)\\ -\sin \mathrm{\ωt}& -\sin (\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3)& -\sin (\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\π}/3)\\ 1/\sqrt{2}& 1/\sqrt{2}& 1/\sqrt{2}\end{array}\right]$ (一)，

经计算获得到机侧z轴电流信号i_gz1，此时ω取PMSG转子角速度，即

将i_gz1送入机侧环流控制器25作为反馈信号，将第一机侧整流器1-1的z轴电流给定值i_gz1ref设定为0，经机侧环流控制器25进行PI调节后的输出分别补偿到第一机侧整流器1-1的三相占空比上，从而调整第一机侧整流器1-1三相占空比的零轴分量，达到抑制机侧环流的目的。在补偿第一机侧整流器1-1三相占空比的零轴分量时，应满足补偿量小于T₀/4，T₀为空间矢量脉宽调制SVPWM方式中一个开关周期内零矢量的作用时间，以保证在抑制机侧环流的同时不影响其它控制量。

PMSG的转子位置角θ_g通过转子位置观测器24由多重化滑模算法得到。为最大捕获风能，使用最大功率点追踪单元7的最大功率点追踪MPPT技术，将其输出经过权重分配后，分别作为第一机侧整流器1-1的q轴电流给定值i_gq1ref和第二机侧整流器2-1的q轴电流给定值i_gq2ref，两整流器的d轴电流给定一般为零，以保证在容量一定的情况下两机侧整流器向直流侧输出有功功率的能力最大，并减低PMSG损耗，提高发电效率。

对于网侧：由于第一网侧逆变器1-2和第一网侧逆变器1-2的环流之和为零，因此只要抑制网侧其中一个逆变器的环流，另一网侧逆变器的环流就自然得到抑制。由电流传感器测量得到第一网侧逆变器1-2输出的三相电流值i_la1、i_lb1和i_lc1，由式(一)所示变换矩阵可以得到网侧z轴电流信号i_lz1，此时ω取电网同步角速度，即

将i_lz1送入网侧环流控制器29作为反馈信号，将第一网侧逆变器1-2的z轴电流给定值i_lz1ref设定为0，经网侧环流控制器29进行PI调节后的输出分别补偿到第一网侧逆变器1-2的三相占空比上，从而调整第一网侧逆变器1-2三相占空比的零轴分量，达到抑制网侧环流的目的。在补偿第一网侧逆变器1-2三相占空比的零轴分量时，同样应满足补偿量小于T₀/4，以保证在抑制网侧环流的同时不影响其它控制量。

两网侧逆变器使用共同的电压外环、各自单独的电流内环，即由电压传感器测得的直流母线电压信号U_dc送到电压环控制器28内部的AD单元，转换为数字信号后作为反馈量与直流母线电压给定值U_dcref一同送入电压环控制器28，其输出经权重分配后，分别作为第一网侧逆变器1-2的d轴电流给定值i_ld1ref和第二网侧逆变器2-2的d轴电流给定值i_ld2ref；第一网侧逆变器1-2的q轴电流给定值i_lq1ref和第二网侧逆变器2-2的q轴电流给定值i_lq2ref一般为零，以保证在容量一定的情况下网侧逆变器向电网馈送有功功率的能力最大，并实现单位功率因数并网，网侧q轴电流给定值i_lq1ref和i_lq2ref也可由电网对无功的需求给出，以实现永磁直驱风电变流器对电网的无功补偿。

图3所示，图中d_gz1、d_gz2分别为第一机侧整流器1-1和第二机侧整流器2-1三相占空比的零轴分量，R_g1、R_g2分别为第一机侧整流器1-1和第二机侧整流器2-1包含电感电阻在内的三相线路电阻，i_gz为所述机侧的环流，机侧同步旋转坐标系下的第一z轴电流值i_gz1为第一机侧整流器1-1的环流，i_gz2为第二机侧整流器2-1的环流。

图4所示，图中d_lz1、d_lz2分别为第一网侧逆变器1-2和第二网侧逆变器2-2三相占空比的零轴分量，R_l1、R_l2分别为第一网侧逆变器1-2和第二网侧逆变器2-2包含电感电阻在内的三相线路电阻，i_lz为所述网侧的环流，网侧同步旋转坐标系下的第一z轴电流值i_lz1为第一网侧逆变器1-2的环流，i_lz2为第二网侧逆变器2-2的环流。

从图3和图4可知，机侧环流i_gz是由第一机侧整流器1-1和第二机侧整流器2-1三相占空比的零轴分量d_gz1、d_gz2不一致造成的，即d_gz1≠d_gz2，通过调节d_gz1或d_gz2可以达到调节机侧环流的目的；网侧环流i_lz是由第一网侧逆变器1-2和第二网侧逆变器2-2三相占空比的零轴分量d_lz1、d_lz2不一致造成的，即d_lz1≠d_lz2，通过调节d_lz1或d_lz2可以达到调节网侧环流的目的。机侧环流可表示为：

$\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{gz}}}{\mathrm{dt}}=-\frac{R_{g1}+R_{g2}}{L_{g1}+L_{g2}}{i}_{\mathrm{gz}}-\frac{d_{\mathrm{gz}1}-d_{\mathrm{gz}2}}{L_{g1}+L_{g2}}{U}_{\mathrm{dc}}$ (二)

网侧环流可表示为：

$\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{lz}}}{\mathrm{dt}}=-\frac{R_{l1}+R_{l2}}{L_{l1}+L_{l2}}{i}_{\mathrm{lz}}+\frac{d_{\mathrm{lz}1}-d_{\mathrm{lz}2}}{L_{l1}+L_{l2}}{U}_{\mathrm{dc}}$ (三)

由图3、图4和式(二)、(三)可以看出，在直流母线电压一定的情况下，机侧环流i_gz只与机侧三相线路电阻、进线电感和占空比的零轴分量有关，与网侧控制量无关；同理网侧环流i_lz只与网侧三相线路电阻、进线电感和占空比的零轴分量有关，与机侧控制量无关，因此机侧环流i_gz与网侧环流i_lz是互相独立的，在设计机侧环流控制器和网侧环流控制器时可独立考虑。

对于机侧环流，由于i_gz＝i_gz1＝-i_gz2，只要抑制机侧其中一个整流器的环流，另一机侧整流器的环流就自然得到抑制，本实施方式中针对第一机侧整流器1-1设计了环流控制器。首先电流传感器测量第一机侧整流器1-1的三相电流i_ga1、i_gb1、i_gc1，经坐标变换得到零轴电流信号i_gz1，送入机侧环流控制器25后与设定为0的z轴电流给定值i_gz1ref经PI调节后补偿到第一机侧整流器1-1的初始三相占空比上，得到第一机侧整流器1-1的三相占空比信号d_ga1、d_gb1、d_gc1，从而调整d_gz1，达到抑制机侧环流的目的。由三相占空比信号d_ga1、d_gb1、d_gc1，生成6路PWM波，经光纤隔离后送到驱动板，最终得到第一机侧整流器1-1的6路PWM驱动信号。由第二机侧整流器2-1的三相占空比信号d_ga2、d_gb2和d_gc2，同样生成6路PWM波，经光纤隔离后送到驱动板，最终得到第二机侧整流器2-1的6路PWM驱动信号。

对于网侧环流，首先电流传感器测量第一网侧逆变器1-2的三相电流i_la1、i_lb1、i_lc1，经坐标变换得到零轴电流信号i_lz1，送入网侧环流控制器29后与设定为0的z轴电流给定值i_lz1ref经PI调节后补偿到第一网侧逆变器1-2的初始三相占空比上，得到第一网侧逆变器1-2的三相占空比信号d_la1、d_lb1、d_lc1，从而调整d_lz1，达到抑制网侧环流的目的。由第一网侧逆变器1-2的三相占空比信号d_la1、d_lb1和d_lc1，生成6路PWM波，经光纤隔离后送到驱动板，最终得到第一网侧逆变器1-2的6路PWM驱动信号。由第二网侧逆变器2-2的三相占空比信号d_la2、d_lb2和d_lc2，同样生成6路PWM波，经光纤隔离后送到驱动板，最终得到第二网侧逆变器2-2的6路PWM驱动信号。

本实施方式中，相并联的两个机侧整流器和相并联的两个网侧逆变器可分别独立控制，对其进行电流不均等分配，以实现不同功率等级变换器的并联。

Claims (9)

1.一种风力发电系统中的并联型永磁直驱风电变流器，它包括第一背靠背PWM变流器模块(1)和第二背靠背PWM变流器模块(2)，其特征在于：它还包括第一输入侧三相电抗器(L_g1)，第一输出侧三相电抗器(L_l1)，第二输入侧三相电抗器(L_g2)，第二输出侧三相电抗器(L_l2)，

第一背靠背PWM变流器模块(1)和第二背靠背PWM变流器模块(2)并联连接在直流母线上，第一背靠背PWM变流器模块(1)的机侧输入端和所述变流器的三相风力发电输入端之间串联有第一输入侧三相电抗器(L_g1)，第二背靠背PWM变流器模块(2)的机侧输入端和所述变流器的三相风力发电输入端之间串联有第二输入侧三相电抗器(L_g2)；第一背靠背PWM变流器模块(1)的网侧输出端与所述变流器的三相电网信号输出端之间串联有第一输出侧三相电抗器(L_l1)，第二背靠背PWM变流器模块(2)的网侧输出端与所述变流器的三相电网信号输出端之间串联有第二输出侧三相电抗器(L_l2)；

第一背靠背PWM变流器模块(1)由第一机侧整流器(1-1)、第一网侧逆变器(1-2)和第一电容器(1-3)组成，第一机侧整流器(1-1)、第一电容器(1-3)和第一网侧逆变器(1-2)并联连接，第一机侧整流器(1-1)的输入端为第一背靠背PWM变流器模块(1)的机侧输入端，第一网侧逆变器(1-2)的输出端为第一背靠背PWM变流器模块(1)的网侧输出端；

第二背靠背PWM变流器模块(2)由第二机侧整流器(2-1)、第二网侧逆变器(2-2)和第二电容器(2-3)组成，第二机侧整流器(2-1)、第二电容器(2-3)和第二网侧逆变器(2-2)并联连接，第二机侧整流器(2-1)的输入端为第二背靠背PWM变流器模块(2)的机侧输入端，第二网侧逆变器(2-2)的输出端为第二背靠背PWM变流器模块(2)的网侧输出端。

2.根据权利要求1所述的风力发电系统中的并联型永磁直驱风电变流器，其特征在于：所述第一机侧整流器(1-1)、第一网侧逆变器(1-2)、第二机侧整流器(2-1)和第二网侧逆变器(2-2)由绝缘栅双极型晶体管的功率开关管组成。

3.一种基于权利要求1所述的风力发电系统中的并联型永磁直驱风电变流器的控制方法，其特征在于：所述控制方法基于下述风力发电系统实现，该风力发电系统中所述变流器的三相风力发电输入端与永磁同步发电机(3)的三相发电信号输出端相连接，所述变流器的三相电网信号输出端与电网(4)的三相电源信号输入端相连接；

所述风力发电系统中的并联型永磁直驱风电变流器的控制方法为：

采集第一输入侧三相电抗器(L_g1)输入端的三相电流值i_ga1、i_gb1和i_gc1，由机侧Clack变换单元(5)对其进行变换，得到机侧两相静止坐标系下的电流值i_gα1和i_gβ1，

将机侧两相静止坐标系下的电流值i_gα1、i_gβ1和永磁同步发电机(3)的转子位置角θ_g输入给机侧Park变换单元(6)，并经其变换后，得到机侧同步旋转坐标系下的第一d轴电流值i_gd1、第一q轴电流值i_gq1和第一z轴电流值i_gz1；

将第一机侧整流器(1-1)的d轴电流给定值i_gd1ref和q轴电流给定值i_gq1ref与机侧同步旋转坐标系下的第一d轴电流值i_gd1和第一q轴电流值i_gq1输入给机侧第一电流环控制器(9)，经其分别进行PI调节并补偿后，得到机侧同步旋转坐标系下的第一d轴电压值u_gd1和第一q轴电压值u_gq1，

机侧同步旋转坐标系下的第一d轴电压值u_gd1、第一q轴电压值u_gq1和永磁同步发电机(3)的转子位置角θ_g共同输入给机侧第一Park逆变换单元(10)，并经其进行逆变换后，得到机侧两相静止坐标系下的第一电压值u_gα1和u_gβ1，

将机侧两相静止坐标系下的第一电压值u_gα1和u_gβ1通过机侧第一空间矢量脉宽调制单元(11)调制后生成第一机侧整流器(1-1)的初始三相占空比信号d_ga1′、d_gb1′和d_gc1′，

将第一机侧整流器(1-1)的初始三相占空比信号d_ga1′、d_gb1′和d_gc1′分别与第一机侧整流器(1-1)的三相占空比补偿量作差后，得到第一机侧整流器(1-1)的三相占空比信号d_ga1、d_gb1和d_gc1，将其分别作用于第一机侧整流器(1-1)的三相功率开关管，实现对第一机侧整流器(1-1)的控制；

采集第二机侧整流器(2-1)输入端的三相电流值i_ga2、i_gb2和i_gc2，并与永磁同步发电机(3)的转子位置角θ_g共同输入给机侧abc/dqz变换单元(12)，得到机侧同步旋转坐标系下的第二d轴电流值i_gd2和第二q轴电流值i_gq2；

将第二机侧整流器(2-1)的d轴电流给定值i_gd2ref和q轴电流给定值i_gq2ref与机侧同步旋转坐标系下的第二d轴电流值i_gd2和第二q轴电流值i_gq2输入给机侧第二电流环控制器(13)，经其分别进行PI调节并补偿后，得到机侧同步旋转坐标系下的第二d轴电压值u_gd2和第二q轴电压值u_gq2，

机侧同步旋转坐标系下的第二d轴电压值u_gd2、第二q轴电压值u_gq2和永磁同步发电机(3)的转子位置角θ_g共同输入给机侧第二Park逆变换单元(14)，得到机侧两相静止坐标系下的第二电压值u_gα2和u_gβ2，

将机侧两相静止坐标系下的第二电压值u_gα2和u_gβ2通过机侧第二空间矢量脉宽调制单元(15)调制后生成第二机侧整流器(2-1)的三相占空比信号d_ga2、d_gb2和d_gc2，将其分别作用于第二机侧整流器(2-1)的三相功率开关管，实现对第二机侧整流器(2-1)的控制；

采集第一网侧逆变器(1-2)输出端的三相电流值i_la1、i_lb1和i_lc1，将其与电网角度θ₁共同输入给网侧第一abc/dqz变换单元(16)，得到网侧同步旋转坐标系下的第一d轴电流值i_ld1、第一q轴电流值i_lq1和第一z轴电流值i_lz1；

将第一网侧逆变器(1-2)的d轴电流给定值i_ld1ref和q轴电流给定值i_lq1ref与网侧同步旋转坐标系下的第一d轴电流值i_ld1和第一q轴电流值i_lq1输入给网侧第一电流环控制器(17)，经其分别进行PI调节并补偿后，得到网侧同步旋转坐标系下的第一d轴电压值u_ld1和第一q轴电压值u_lq1，

网侧同步旋转坐标系下的第一d轴电压值u_ld1、第一q轴电压值u_lq1和θ₁共同输入给网侧第一Park逆变换单元(18)，并经其进行逆变换后，得到网侧两相静止坐标系下的第一电压值u_lα1和u_lβ1，

网侧两相静止坐标系下的第一电压值u_lα1和u_lβ1通过网侧第一空间矢量脉宽调制单元(19)调制后生成第一网侧逆变器(1-2)的初始三相占空比信号d_la1′、d_lb1′和d_lc1′，

第一网侧逆变器(1-2)的初始三相占空比信号d_la1′、d_lb1′和d_lc1′分别与第一网侧逆变器(1-2)的三相占空比补偿量作差后，得到第一网侧逆变器(1-2)的三相占空比信号d_la1、d_lb1和d_lc1，将其分别作用于第一网侧逆变器(1-2)的三相功率开关管，实现对第一网侧逆变器(1-2)的控制；

采集第二网侧逆变器(2-2)输出端的三相电流值i_la2、i_lb2和i_lc2，将其与电网角度θ₁共同输入给网侧第二abc/dqz变换单元(20)，得到网侧同步旋转坐标系下的第二d轴电流值i_ld2和第二q轴电流值i_lq2；

将第二网侧逆变器(2-2)的d轴电流给定值i_ld2ref和q轴电流给定值i_lq2ref与网侧同步旋转坐标系下的第二d轴电流值i_ld2和第二q轴电流值i_lq2输入给网侧第二电流环控制器(21)，经其分别进行PI调节并补偿后，得到网侧同步旋转坐标系下的第二d轴电压值u_ld2和第二q轴电压值u_lq2，

网侧同步旋转坐标系下的第二d轴电压值u_ld2、第二q轴电压值u_lq2和θ₁共同输入给网侧第二Park逆变换单元(22)，并经其进行逆变换后，得到网侧两相静止坐标系下的第二电压值u_lα2和u_lβ2，

网侧两相静止坐标系下的第二电压值u_lα2和u_lβ2通过网侧第二空间矢量脉宽调制单元(23)调制后生成第二网侧逆变器(2-2)的三相占空比信号d_la2、d_lb2和d_lc2，将其分别作用于第二网侧逆变器(2-2)的三相功率开关管，实现对第二网侧逆变器(2-2)的控制。

4.根据权利要求3所述的风力发电系统中的并联型永磁直驱风电变流器的控制方法，其特征在于：所述永磁同步发电机(3)的转子位置角θ_g的获得方法为：由转子位置观测器(24)根据机侧两相静止坐标系下的电流值i_gα1、i_gβ1，机侧两相静止坐标系下的第一电压值u_gα1、u_gβ1通过多重化滑模算法得到。

5.根据权利要求3所述的风力发电系统中的并联型永磁直驱风电变流器的控制方法，其特征在于：所述第一机侧整流器(1-1)的q轴电流给定值i_gq1ref和第二机侧整流器(2-1)的q轴电流给定值i_gq2ref的获取方法为：采用最大功率点追踪单元(7)对永磁同步发电机(3)所能捕获的最大风能进行追踪采集，并输出机侧q轴电流给定值i_gqref，再经机侧电流权重分配单元(8)将其分配为第一机侧整流器(1-1)的q轴电流给定值i_gq1ref和第二机侧整流器(2-1)的q轴电流给定值i_gq2ref；所述第一机侧整流器(1-1)的d轴电流给定值i_gd1ref和第二机侧整流器(2-1)的d轴电流给定值i_gd2ref为给定值。

6.根据权利要求3所述的风力发电系统中的并联型永磁直驱风电变流器的控制方法，其特征在于：所述第一机侧整流器(1-1)的三相占空比补偿量的获取方法为：采用机侧环流控制器(25)对机侧同步旋转坐标系下的第一z轴电流值i_gz1和第一机侧整流器(1-1)的z轴电流给定值i_gz1ref进行PI调节，得到第一机侧整流器(1-1)的三相占空比补偿量。

7.根据权利要求3所述的风力发电系统中的并联型永磁直驱风电变流器的控制方法，其特征在于：所述电网角度θ₁的获得方法为：由软件锁相环(26)根据电网(4)输入端的三相电压值u_la、u_lb和u_lc计算得到。

8.根据权利要求3所述的风力发电系统中的并联型永磁直驱风电变流器的控制方法，其特征在于：所述第一网侧逆变器(1-2)的d轴电流给定值i_ld1ref和第二网侧逆变器(2-2)的d轴电流给定值i_ld2ref的获取方法为：采用电压环控制器(28)对直流母线电压U_dc和直流母线电压给定值U_dcref进行PI调节，输出网侧d轴电流给定值i_ldref，再经网侧电流权重分配单元(27)将其分配为第一网侧逆变器(1-2)的d轴电流给定值i_ld1ref和第二网侧逆变器(2-2)的d轴电流给定值i_ld2ref；所述第一网侧逆变器(1-2)的q轴电流给定值i_lq1ref和第二网侧逆变器(2-2)的q轴电流给定值i_lq2ref为给定值。

9.根据权利要求3所述的风力发电系统中的并联型永磁直驱风电变流器的控制方法，其特征在于：所述第一网侧逆变器(1-2)的三相占空比补偿量的获取方法为：采用网侧环流控制器(29)对网侧同步旋转坐标系下的第一z轴电流值i_lz1和第一网侧逆变器(1-2)的z轴电流给定值i_lz1ref进行PI调节，得到第一网侧逆变器(1-2)的三相占空比补偿量。

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