CN102122827A - 一种高电压冗余的双馈风力发电机变流器及其低电压穿越控制方法 - Google Patents

Abstract

一种连接电网的高电压冗余双馈变流器系统及其低电压穿越控制方法，包括一个高电压冗余变流器、电机侧变流器的低电压穿越控制方法和电网侧变流器的低电压穿越控制方法。本发明采用较高的直流母线电压，因此减小了转子短路保护电路(crowbar)的容量，节省了直流泄荷电路，并且能提供额外的负序抑制和无功功率的输出能力。

Description

一种高电压冗余的双馈风力发电机变流器及其低电压穿越控制方法

技术领域：

本发明涉及一种连接电网的应用于双馈风力发电机(DFIG)的部分功率双向电力电子变流器系统方案，主要应用于风力发电机驱动领域。本发明与传统变流器方案相比采用了更大的电压冗余范围，能够更好地满足电网故障时系统的运行要求。

背景技术：

目前主流风电市场采用的双馈变流器的模块的输出三相电压为690伏，硬件拓扑如图1所示，主要由电网侧变流器(1)、电机侧变流器(2)、直流环节(3)、泄荷电路(4)和转子短路保护(crowbar)电路(5)组成。

电网侧变流器(1)的控制目的是有效传递来自电机侧变流器的有功功率，保持直流环节(3)上直流电压的稳定，并且根据电网要求输出无功功率，维持电网的稳定运行。

电机侧变流器(2)的控制器的目的是控制双馈风力发电机(6)的转速，从而最终控制系统的有功功率输入。电机侧变流器(2)的控制器同时需要控制定子侧的无功功率，使整个系统在发电的同时满足入网要求。双馈风力发电机(6)的定子和电网(7)直接连接，转子通过电刷和电机侧变流器(2)相连接。相对于全功率的风力发电方案，仅仅约1/3到1/2的风力发电机功率的流入或者流出变流器，从而可以大大降低变流器的容量和损耗，降低了变流器的成本，提高了整个系统的工作效率。

电网侧变流器(1)与电机侧变流器(2)均由三相共6个电力电子模块(绝缘型门级双极性晶体管(IGBT)(9)+二极管(Diode)(10))组成，如图2所示。为了保证690V的输出电压，通常直流母线电压会选择1100V左右。考虑变流器运行中的电压波动以及器件运行寿命等因素，通常主流变流器会选用耐压值在1700V的IGBT以及Diode。业界的主要双馈变流器大多采用以上的变流器方案。

为了保证风电场电网的稳定运行，世界各国的都对风机的低电压穿越能力提出了特定要求，主要包括：

1.风机在低电压故障下在短时间内继续保持联网运行；

2.风机在短时间低电压故障下能够输出一定无功电流以支持电网运行。

如图3所述，采用传统拓扑的变流器会有一系列的动作以保证风机的低电压穿越过程能力。在检测到低电压故障后，变流器及其控制器会进入低电压穿越状态。

进入低电压穿越状态后，风机控制器需要控制双馈风力发电机(6)和风桨(8)的运行状态，降低通过整个变流器的有功功率，即降低对于直流环节(3)的压力。

电网端变流器(1)要求输出电网要求的无功电流，与此同时，控制有功电流维持直流母线电压稳定在1100V左右。受到电网侧变流器(1)电流容量的限制，电网侧变流器(1)将限制变流器的有功电流输出以保证电网要求的无功电流。但是，由于交流电网电压的降低以及输出交流电流的限制，电机侧变流器(2)输入直流环节(3)的能量通常并不能完全通过电网侧变流器(1)送入交流电网(7)，因而直流母线电压可能超过1100V，因此需要采用泄荷电路(4)将能量释放在直流泄荷电阻上。泄荷电路(4)由一个或多个泄荷电阻以及一个或多个开关器件组成，泄荷电阻和开关期间的暂态功率必须满足暂态的泄荷能量要求，具体要求的能量范围与风力发电机控制特性以及电网要求有关。电网侧变流器(1)同时需要限制电网侧的负序电流。

进入低电压穿越状态后，电机侧变流器(2)要求控制双馈风力发电机(6)的有功功率和无功功率，并且限制转子侧的负序电流。

由于电机侧变流容量(2)的限制，在低电压故障发生的瞬间，电机侧变流容量(2)难以输出足够的电压，因此需要打开crowbar电路(5)来释放多余的瞬间能量。

上述方法的主要的问题为：

1.泄荷电路(4)给系统带来额外的成本以及可靠性的问题，另外由于泄荷电阻的能量要求，泄荷电路通常体积较大，对于变流器的整体体积以及能量密度都有相当程度的影响。

2.变流器的crowbar电路(5)由三相双向晶闸管和三相保护电阻组成。大容量的crowbar电路给系统带来额外的成本、发热、体积以及可靠性的问题。

3.由于风电的不稳定性，世界各国对于风机的上网要求越来越高，中国在《风电接入电网技术规定》中也明确给出了低电压穿越要求。欧洲各国的电网标准对于低电压穿越的要求更为严格，德国的Eon、英国的National Grid以及丹麦的电力机构都分别在各自的电网标准中明确给出了低电压穿越的要求，而且目前要求也在逐年提高。另外，据统计数据表明，由于低电压穿越失败而损坏的变流器中的大多数是因为穿越反冲电压击穿电力电子器件而损毁。因此风电变流器在20％过电压甚至更高的电压下的支撑能力将成为未来风机的必要要求。然而根据上述的目前风电变流器的传统方案，当直流母线电压在1100V时，考虑死区时间、最小开关时间、器件压降等一些列因素，传统方案变流器的额定输出为690V，最大支撑电压为745V。而+20％的过电压能力则要求变流器能够支撑690×1.2＝828V的能力。因此传统变流方案无法满足日益严格的过电压要求。

4.无论是电网(7)侧的负相序还是电机(6)侧的负相序补偿都因为受到变流器容量限制而很难完全补偿。负相序的存在会降低输入电网的电流质量，增加谐波以及滤波器的设计难度。一般采用的方法是放弃对于转矩和有功功率的控制而优先控制负序电流和无功电流，但是这样可能导致转速的失控而不断升高，甚至超过可控速度范围而关机。

发明内容

本发明的目的是：

提供一种高电压冗余的风电变流器解决方案，使得变流器具备如下新的特性：

1.提供20％甚至更高的反冲电压支撑能力；

2.可以省略泄荷电路，同时节省crowbar电路的容量；

3.额外的负序列补偿能力；

4.额外的无功补偿能力。

为达到上述目的，发明的构思是：

采用比传统变流器高冗余的电压，使用2500V耐压的IGBT或者采用两个1200V的IGBT的串联方案，这样可以将直流电压值最高提高到1700V左右。正常工作状态时，选择较低的固定的直流母线电压，如1250V，并且采用传统的控制方法。在低电压穿越故障中，允许直流母线电压上升到最大1700V，利用电容在两个电压之间的储能能力来达到暂时吸收由于低电压故障而无法送入电压的多余的风机能量的作用，因此本发明不需要使用额外的泄荷电路(4)。

在带负载条件下，相对于传统变流器，当低电压故障发生时，高冗余特性提供了更高的交流输出电压(最大可以超过1000V)，使得转子侧的负相序电流可以更好地得到补偿，提高了电机侧变流器(2)的安全性，从而采用小容量的crowbar电路。

由于选择了耐压更高的电力电子器件以及低电压穿越中更高的直流母线电压，本发明能够提供更高的反冲电压支撑能力。

出于各种实际情况的限制，风机的多数时间并不工作在额定输出状态，这些时间内变流器剩余的电流输出能力可以为电网提供无功支撑能力，由于选用的电力电子器件的额外耐压能力，本发明具备额外的无功输出能力，在变流器运行的同时可以根据电网的需求提供补偿无功功率的补偿。

尽管选用高耐压器件或者串联器件会部分提高变流器成本，然而本发明采用了小容量的crowbar电路，并且取消了泄荷电路，并且其无功补偿能力可以降低整个风场在无功补偿中投入的成本，在系统角度补偿了由于采用高耐压器件的额外成本。

根据上述的发明构思，本发明的技术方案如下：

本发明的硬件模块的拓扑结构如图4所示，模块在传统变流器的基础上省去了泄荷电路(4)，原本的1700V耐压的电力电子器件由2500V高电压器件或者两个耐压为1200V器件串联代替。相对于图1的硬件拓扑结构，本发明采用较小容量的crowbar电路(11)。

本发明的控制算法如图5所示。

在系统检测到低电压后，发电机控制端与风机主控制器将共同动作迅速降低发电机端有功输入。

在电网侧变流器(1)端，普通工作状态下，变流器的直流环节(3)母线电压设定为1250V，略高于传统变流器方案，这样可以获得更高的灵活性和冗余度。此时的控制算法和传统的算法相同。在低电压穿越发生时，电网侧变流器会控制有功电流的输出，将直流环节(3)母线电压参考值提高到1700V。假设直流母线电容为100mF，在直流母线从1250V提高到1700V的过程中，变流器提供的额外储能能力为：

$E=\frac{1}{2}{\mathrm{CV}}_1^2-\frac{1}{2}{\mathrm{CV}}_2^2=132\mathrm{KJ}$

在有功输入降低之前，发电机有功输入与电网输出的能量差由电容的额外储能能力承担，因此节约了泄荷电路(4)。系统同时输出根据低电压的降低幅度计算出电网规范所要求的无功参考电流。

电机侧变流器(2)需要进行无功功率和有功功率的控制，同时需要抑制负序电流。在低电压穿越发生时，由于变流器的直流母线快速上升到了1700V，因此可以大幅度提高电机侧变流器(2)的输出电压，从而可以更大程度上通过算法平衡转子的瞬间感应电动势，节省了crowbar电路(11)的容量。

当电网从低电压过程中恢复时，变流器的直流母线1700V的高电压继续维持一段时间，根据其电压输出能力，可以在690V电网电压的150％过电压保持变流器联机运行，能够符合任何电网标准的电压要求。当低电压恢复时发生的电压过冲过去之后，变流器的直流母线恢复到1250V的低电压，恢复到正常的控制状态。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的实质性特点和显著优点：

1.高电压冗余的变流器在具有低电压穿越的能力的同时不需要泄荷电路，并且节省了crowbar电路(11)的容量，降低了变流器系统的所占空间，提高了变流器的能量密度，并且可能降低整个系统的成本。

2.与传统变流器相比，过电压支持能力提高到了150％，可以符合世界任何电网标准的过电压要求。

3.在日常运行中可以持续提供无功功率补偿，减少了电网的无功补偿成本，在系统角度弥补了本发明采用了高电压器件或者串联器件的额外成本。

附图说明

图1是传统变流器功率模块硬件系统框图；

图2是组成电机端或者电流端变流器的三相全桥硬件图；

图3是传统变流器的低电压穿越流程图；

图4是本发明变流器功率模块的硬件系统框图；

图5是本发明的低电压穿越算法结构图；

图6是本发明实施范例的的磁链角度观测器；

图7是本发明实施范例的电机侧变流器算法图；

图8是本发明实施范例的电机侧变流器的控制外环算法图；

图9是本发明实施范例的电机侧变流器的控制内环算法图；

图10是本发明的crowbar实现图；

图11是本发明实施范例的电网侧变流器算法图；

图12是本发明实施范例的电网侧变流器的控制外环算法图；

图13是本发明实施范例的电网侧变流器的控制内环算法图；

具体实施方式

本发明的优选实施范例结合附图详述如下：

实施范例的目标标准为功率3MW、电机端电压690V。

图6为本发明的定子磁链角度观测器的算法实现。磁链观测器的目的在于分别获得正坐标和负坐标同步坐标系的角度。观测器首先将双馈风力发电机(6)的电压和电流从三相系统转换成静止的αβ轴，转换矩阵为：

$\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]$

然后根据定子磁链公式：

ψ_s＝∫(V_s-R_sI)dt

得到αβ轴上的磁链ψ_sa和ψ_sb。考虑到采样误差以及温度产生的低频偏移，一般采用一阶环节代替纯积分环节。为了从正负双序列中剥离出正序列，采用如下的转换公式得到正序列磁链ψ_{sα_p}和ψ_{β_p}：

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}\_p}\left(t\right)=\frac{1}{2}[{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}\left(t\right)-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}(t-\frac{T}{4})]$

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}\_p}\left(t\right)=\frac{1}{2}[{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}\left(t\right)+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}(t-\frac{T}{4})]$

将ψ_{sα_p}和ψ_{β_p}进行从直角坐标系到极坐标转换的变换，得到定子磁链正序列的幅度|ψ_{s_p}|和角度θ_e。

本实施范例的软件部分包括电机端控制与网络端控制。本实施范例在实现传统变流器的基础上扩展了无功补偿的功能并且改良了低电压穿越功能。本发明的无功补偿功能以及低电压穿越功能同时在电机侧控制和电网端控制中实现。

本发明的电机端控制实施方案如图7所示，采用基于定子磁链同步坐标系的的矢量控制。此方案采用PI(比例积分)控制环，在正序轴使用d方向的正向转子电流I_{rd_p_ref} ⁺控制定子侧无功功率Q_s，定子侧参考无功功率Q_{s_ref}来自于风机控制器，根据电网规范计算得到；q方向的正向转子电流I_{rq_p_ref} ⁺控制有功功率P。参考有功功率P_{_ref}来自于风机控制器，根据风机的运行状态计算得到。有功功率环和无功功率环共同组成了控制外环(13)。

图8为电机侧控制器的控制外环(13)的实现算法。需要注意的是此控制方法必须优先满足无功电流和负序电流的要求，然后满足有功电流的要求。因此有功电流的必须满足：

${I_{\mathrm{rq}\_p\_\mathrm{ref}}}^{+}\≤\sqrt{{(I_{\mathrm{rating}}-{I_{r\_n\_\mathrm{ref}}}^{-})}^2-{\left({I_{\mathrm{rd}\_p\_\mathrm{ref}}}^{+}\right)}^2}$

本发明的电机端控制器同时考虑负序列轴上的转子电流控制。此控制可以有多种方案选择，本发明的控制方案为将负序列转子电流I_{r_n} ^-控制为0。

得到了控制外环(13)的输出I_{r_p_ref} ⁺和负序列参考转子电流I_{r_n_ref} ^-，本发明的电流内环(14)采用分别基于正序列参考轴和负序列参考轴的独立PI控制器控制得到输出V_{r_p_ref} ⁺和V_{r_n_ref} ^-。电流内环(14)控制如图9所示，为了达到较好的动态控制效果，本发明分别在正负参考系上采用了解耦电路。

如图7所示，将图9得到的V_{r_n_ref} ^-通过dq^-→dq⁺转换到正序轴上得到V_{r_n_ref} ⁺。转换矩阵为：

$\frac{2}{3}\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]$

转换角度θ取为2θ_e。

如图7所示，V_{r_n_ref} ⁺和V_{r_p_ref} ⁺相加得到最终的正序轴参考转子电压V_{r_ref} ⁺。将V_{r_ref} ⁺经过三相逆变换得到电机侧变流器的三相控制参考电压V_{r_ref}，三相逆变换的转换矩阵为：

$\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ \cos (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& -\sin (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ \cos (\mathrm{\θ}-\frac{4\mathrm{\π}}{3})& \sin (\mathrm{\θ}-\frac{4\mathrm{\π}}{3}\end{array}\right]$

转换角度θ取为θ_e。

由于在低电压故障发生时，本发明的直流母线电压V_DC＝1700V，因此相对于传统的方案，本发明在满足负序电流和无功电流之后，有更大的额外能力输出有功电流来稳定双馈风力发电机(6)的转速，对于故障恢复有很大的优势。当有功功率I_{rq_p_ref} ⁺达到最大值，即

时，意味着即使高直流母线电压，直流环节(3)仍然不能存储额外产生的电机侧能量，需要打开crowbar电路(11)，否则转子侧电流将会增加，最终造成变流器停机甚至损坏。

Crowbar电路(11)的控制方法见图10。系统采用滞回的方法，根据转子侧电流|ir|而不是故障信号来选择打开双向晶闸管(12)。具体控制方法为：

1.当转子电流|i_r|低于安全电流值i_L时，crowbar电路(11)关闭，一般i_L为电机侧变流器的额定容量；

2.当转子电流|i_r|超过极限值i_H时，crowbar电路(11)打开，一般i_H不超过电机侧变流器的额定容量的2倍；

3.当转子电流|i_r|处于安全电流值i_L和极限值i_H之间时，crowbar电路(11)的状态不变。

本发明的电网端变流器在低电压故障模式下的控制实施方案如图11所示。本发明在正序同步坐标系采用一个无功补偿环和一个有功功率环作为控制外环(15)，产生变流器正序电流参考I_{c_p_ref} ⁺。控制外环(15)的实施方案如图12所示。无功补偿的参考信号来源于电网标准对于低电压穿越时候的要求，通常比正常模式下的要求严格，即要求输出大量无功功率来稳定电网。无功功率通过I_{cd_p} ⁺来控制。同时，变流器直流母线电压V_DC的参考电压从1250V升高到1700V，这样增加了控制器的冗余度和稳定度，也同时增加了无功功率输出的能力。变流器母线电压通过I_{cq_p} ⁺来控制。此时控制器必须优先满足无功功率环的要求，对于有功功率的参考电流进行限制，即：

${I_{\mathrm{cq}\_\mathrm{ref}}}^{+}\≤\sqrt{{I_{c\_\mathrm{rating}}}^2-{{I_{\mathrm{cd}\_\mathrm{ref}}}^{+}}^2}$

如图11所示，本发明将负序参考电流I_{c_n_ref} ^-强制设定为0。

为了分别控制图11的正序电流参考I_{c_p_ref} ⁺和序参考电流I_{c_n_ref} ^-，本发明控制内环(16)包括正序电流环和负序电流环，如图13所示。电流控制环在正序坐标系上通过PI控制器设定变流器正序参考电压V_{c_p_ref} ⁺控制I_{c_p_ref} ⁺，负序电流环在负序坐标系上通过PI控制器设定变流器参考负序电压V_{c_n_ref} ^-控制I_{c_n_ref} ^-。为了达到较好的动态性能，控制器的输出需要补偿电网电压U_l和旋转电压jω_eL。

如图11所示，V_{c_n_ref} ^-通过dq^-→dq⁺的矩阵变换得到正序坐标系上的负序参考电压V_{c_n_ref} ⁺。将V_{c_p_ref} ⁺和V_{c_n_ref} ⁺相加得到最终的总正序参考电压V_{c_ref} ⁺，通过dq⁺→3的转换得到最终三相参考电压V_{c_ref}通过变流器输出。

Claims (10)

1.一种连接电网的高电压冗余的双馈风力发电机的变流器及其低电压穿越控制方法。其特征在于包括：

一个背靠背结构的双向全控变流器，此变流器采用高冗余的母线电压，和低容量的转子保护电路(crowbar)，并且省略了泄荷电路。

一个新型的磁链观测器，可以同时观测双馈风力发电机的正序定子磁链和负序定子磁链。

一个新型的电机侧变流器的低电压穿越控制方法，采用基于正序定子磁链同步坐标系的矢量控制算法控制双馈风力发电机的转速和定子侧无功功率，采用基于负序定子磁链同步坐标系的矢量控制算法控制负序电流。

一个新型的电网侧变流器的控制方法，采用新基于定子磁链同步坐标系的矢量控制算法控制直流母线电压和无功电流。采用基于负序定子磁链同步坐标系的矢量控制算法控制负序电流。

一个crowbar控制电路，保护电机侧变流器的安全。

2.按照权利要求1所述的双向全控变流器，其特征在于包括电机侧变流器、电网侧变流器、直流环节和crowbar电路。

3.按照权利要求1所述的磁链观测器，其特征在于3→αβ变换模块、积分模块、正负序剥离模块和αβ→e^jθ变换模块。

4.按照权利要求1所述的电机侧变流器，其特征在于控制方法由控制外环、控制内环、dq^-→dq⁺变换模块和dq⁺→3变换模块组成。

5.按照权利要求1所述的电网侧变流器，其特征在于控制方法由控制外环、控制内环、dq^-→dq⁺变换模块和dq⁺→3变换模块组成。

6.按照权利要求1所述的corwbar电路，其特征在于滞回控制电路和双向晶闸管。

7.按照权利要求3所述的电机侧变流器的控制外环，其特征在于有功功率环、无功功率环和电流限幅环节。

8.按照权利要求3所述的电机侧变流器的控制内环，其特征在于正序电流环、正序电机解耦电路、负序电流环和负序电机解耦电路。

9.按照权利要求4所述的电网侧变流器的控制外环，其特征在于有功功率环、无功功率环和电流限幅环节。

10.按照权利要求4所述的电网侧变流器的控制内环，其特征在于正序电流环、正序电网解耦电路、负序电流环和负序电网解耦电路。

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