CN102545202A - 功率转换器控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种功率转换器控制方法，其针对电力电网中产生的诸如电压暂降或过电压的事件而优化电力发电机的操作和控制，该方法包括以下步骤：检测DC总线电压电平(Vbus)(301)超过在正常条件下建立的最大操作限制；使能断路器(201)的激活允许；根据DC总线电压电平(Vbus)(301)和从发电机进入DC总线的电流(Iin.bus)而激活断路器(201)的不同操作状态(304)；检测DC总线电压电平(Vbus)(301)在正常操作范围内；使能断路器(201)的去激活允许；根据DC总线电压电平(Vbus)(301)和从发电机进入DC总线的电流(Iin.bus)而去激活断路器(201)的不同操作状态(304)。

Description

功率转换器控制方法
技术领域
本发明涉及一种用于操作与发电机、并且更具体地与风力涡轮机发电机相关联的功率转换器的方法。
背景技术
目前，风能已被巩固为传统能源的最稳固的替选。该巩固是由于所使用的技术的改进，这使得可以享有所安装的风力发电机和风力发电厂的数量大大增长。然而，这种增长可能会由于电网中由于高度的风能渗透导致的融合问题而减慢。
风力发电机的主要问题之一与其对于电网中产生的事件(诸如电压暂降)的性能相关。为此，当今的大部分国家已被迫使规定风力发电机针对所述电压暂降的性能，并且这些规定正变得越来越严格。
所安装的大量风力涡轮机使用双馈感应发电机(DFIG)和全功率转换器(FC)。这两种技术均基于通过背对背或AC/DC/AC(交流-直流-交流)转换器连接到电网的电力发电机。在DFIG系统的情况下，转换器连接在发电机转子与电力电网之间，而在FC系统的情况下，其连接在发电机定子与电力电网之间。
所述AC/DC/AC转换器基本上包括发电机侧转换器和电网侧转换器，二者借助于DC总线来连接。
所述发电机的主要缺点之一在于其在面对电网事件尤其是电压暂降时的性能。在DFIG系统的情况下，所述电压暂降引起所述发电机侧转换器中出现升高的暂态电流，这会引起对所述转换器的严重损坏，甚至引起所述转换器的毁坏。在FC系统的情况下，电压暂降的出现限制了对电网的电力释放。
用于解决该缺点的最常用传统解决方案之一是在DC总线中包括断路器(chopper)。例如，在变速装置中，以受控方式操作负载以释放来自功率转换器的连续总线的电力已进行了几十年。图1表示这种解决方案，其形成了现有技术的一部分(Source：Power electronics：converters，applications，and design，Ned Mohan，Ed.John Wiley & Sons，1989，421页，图14-20(a))。
在JP7194196中公开了断路器的操作方法的一个示例。所述断路器包括多个根据DC总线的电压电平而被激活和去激活(deactivate)的阻性分支。
在美国专利US7015595中找到了操作断路器的其它示例，该专利公开了一种断路器方法和操作系统。类似地，专利申请US2009079193A1公开了用于具有两个分支的断路器的控制方法。
与断路器相关联的大部分控制实施滞环控制。滞环控制是根据功率转换器的DC总线的两个预置电压电平而激活或去激活断路器的简单控制。在转换器用在针对电网暂态需要快速响应的、到电网的连接应用中的情况下，这种控制不允许足够迅速的动态特性，从而使得总线电压会脱离正常操作条件的范围。
现有技术所提出的另一解决方案是借助于PWM调制(脉宽调制)来控制断路器。这种调制将总线的电压电平维持在期望的电平，但是与本发明提出解决方案相比，需要更复杂且昂贵的硬件控制。
发明内容
本发明提出了一种通过提供电力发电系统来解决上述缺点的控制方法，其针对电网中产生的事件(诸如电压暂降或过电压)，优化电力发电机优选地为风力涡轮机发电机的操作和控制。
本发明的方法旨在控制位于功率转换器的DC总线中的断路器。因此，其不仅控制DC总线电压(如在现有技术的滞环控制中一样)，并且还控制从发电机或从电网进入DC总线的电流。以此方式，其使得系统具有更强的可观测性，这使得可以预测在电网中或发电机中产生暂态的情况下的、DC总线的突然电压变化。
因此，减小了断路器控制的响应时间，这允许总是将DC总线的电压维持在正常操作范围之内，从而防止系统的停工或断开。
例如，当在DFIG型系统中在电网中发生电压暂降时，在发电机转子中产生电流暂态，这进而产生了总线过电压。观察从发电机进入DC总线的电压的事实实现了对DC总线电压将经历的变化的预测，以使得不需要等到DC总线电压超过特定阈值才激活断路器。类似地，如果进入DC总线的电流减小，则控制方法允许不需要等到DC总线电压下降到特定阈值以下才去激活断路器。
利用这种方法，实现了与其它系统类似的性能，其它系统的特征在于更复杂的硬件并使用基于PWM调制技术的控制方法。
断路器系统控制方法包括以下步骤：
-检测DC总线电压超过在正常条件下建立的最大操作限制，
-使能断路器激活允许，
-根据DC总线电压电平和从发电机或从电网进入DC总线的电流的水平而激活断路器的不同操作状态，
-检测DC总线电压电平在正常操作范围之内
-使能断路器去激活允许
-根据DC总线电压电平和从发电机或从电网进入DC总线的电流的水平而去激活断路器的不同操作状态。
从发电机或从电网进入DC总线的电流从以下值之一产生：
-在发电机中测得的电流
-在电网侧转换器中测得的电流
-在发电机侧转换器中测得的电流，以及
-在DC总线中测得的电流。
正常条件被理解为如下条件：其中DC总线电压取在由一般功率转换器控制器建立的操作范围内的值。
在本发明的优选实施例中，断路器包括多个分支。基于所测得的电流的水平，确定至少一个断路器分支的去激活是否会引起对DC总线的正确操作的危险过电压。
根据本发明的示例，基于所测得的电流的水平，确定断路器分支之一的连接是否可以使得DC总线电压减小到维持控制所需的最小阈值(最小操作电压)以下。该最小操作电压必须使得其工作在安全限制之内，因此必须考虑电网电压和发电机施加的电压两者。无论该电压是双馈拓扑中的转子的电压还是全功率转换器拓扑中的定子的电压，其又由变速装置来施加。
在优选实施例中，根据DC总线电压电平和/或进入DC总线的电流的水平来确定断路器的激活。
根据另一优选实施例，通过功率转换器控制器的独立或相关控制器来控制断路器系统。
附图说明
为了补充所进行的描述并且为了帮助更好地理解本发明的特性，根据本发明的实际实施例的优选示例，附上一组图作为所述描述的组成部分，其中以说明性而非限制性的附图标记来表示以下：
图1示出了断路器的现有技术的一般表示。
图2示出了具有多个分支的断路器的现有技术的一般系统。
图3示出了根据本发明的优选实施例的控制图。
图4示出了应用于“n”个分支的断路器的本发明的优选实施例的控制方法。
具体实施方式
以下，在记住上述附图的情况下，描述本发明的优选实施例。
图1表示形成现有技术的一部分的功率转换器100的断路器101。
另一方面，在图2中可以观察到由多个分支(1...n)组成的断路器系统201。分支(1...n)中的每一个又包括与至少一个阻性元件203串联的至少一个开关元件202。所述图2示出了开关元件202是具有反并联二极管的IGBT晶体管。类似地，阻性元件203可以是电阻器或者具有并联二极管的电阻器。
图3示出了根据本发明的优选实施例的断路器201的一般控制图，其包括从读取DC总线电压(Vbus)301开始的以下步骤：
-如果DC总线电压(Vbus)301超过在正常条件下建立的最大操作限制(Vbus＞Vbusmax)，则其借助于滞环块302而使能断路器激活允许(chopper_enable＝接通)303，
-根据DC总线电压电平(Vbus)301和从发电机(Igenerator)或从电网(Igrid)进入DC总线的电流(Iin.bus)，激活断路器201的不同操作状态304(c1...cm)。操作状态304(c1...cm)被理解为可以通过激活或去激活(p1...pn)断路器201的不同分支(1...n)而实现的不同等效电阻水平(Req1...Reqm)。例如，当分支数量是4(n＝4)时，可以实现16个不同的等效电阻值(m＝16)，即，16个操作状态304，
-取决于所获得的操作状态304，确定断路器201的分支(1...n)的所需激活或去激活(p1...pn)，
-如果DC总线电压电平(Vbus)301在最小总线电压电平以下(Vbus＜Vbusmin)，则借助于滞环块302使能断路器去激活允许201(chopper_enable＝关断)303。
在优选实施例中，根据进入DC总线的电流的水平(Iin.bus)执行断路器201的激活确定。
在本实施例中，正常条件必须被理解为如下条件：其中，总线电压(Vbus)在由最小总线电压(Vbusmin)和最大总线电压(Vbusmax)建立的范围内。
图4示出了本发明的另一优选实施例的控制方法。如果DC总线电压电平(Vbus)301超过在正常条件下建立的最大操作限制(Vbus＞Vbusmax)，则借助于滞环块302使能断路器的激活允许(chopper_enable＝接通)303。取决于所测得的进入DC总线的电流的水平(Iin.bus)，区分两种不同的控制序列：
-如果进入DC总线的电流(Iin.bus)超过一定百分比的额定电流，则根据操作状态表304，基于所达到的DC总线电压电平(Vbus)301确定要连接的等效电阻值(Req1...Reqm)。
-如果进入DC总线的电流(Iin.bus)在一定百分比的额定电流以下，则根据操作状态表304，基于所达到的总线电压电平(Vbus)301确定要连接的等效电阻值(Req1...Reqm)，但是状态限制于最小状态(MinState)401，(在示例中，限制于状态5)。以此方式，低于最小电阻值(在示例中为1Ω)的电阻器将不被连接，这将引起过度的电流消耗和DC总线电压(Vbus)301下降到正常操作范围以下。
一旦确定了需要连接的等效电阻值，则根据表305确定断路器201的不同分支(1...n)的激活或去激活(p1...pn)。
在连接了断路器201的情况下，当DC总线电压(Vbus)301减小时，根据表305中的特定状态，去激活相应断路器201的分支(1...n)。取决于所测得的进入DC总线的电流的水平(Iin.bus)，区分两种不同的控制序列：
-如果进入DC总线的电流(Iin.bus)超过一定百分比的额定电流，则迫使从等效电阻状态进入到下一依次更大的状态402。该渐进电阻增加防止电流的突然崩溃引起可能损坏系统的过电压。这种断开允许将不被使能，从而在非连续状态(Rcontrol)之间改变。
-如果进入DC总线的电流(Iin.bus)在一定百分比的额定电流以下，或者DC总线电压电平(Vbus)301足够低403，则断路器201的顺序断开过程可以使得DC总线电压(Vbus)301减小到操作范围内允许的最小电平以下。在该情况下，将允许从一个等效电阻到另一非连续电阻的跳跃。该断开允许将被使能，从而在非连续状态(Rcontrol)之间改变。
一旦DC总线电压电平(Vbus)301在最小总线电压电平以下(Vbus＜Vbusmin)，并且断路器201的所有分支(1...n)都已被去激活，则借助于滞环块302来使能断路器201的去激活允许(chopper_enable＝关断)303。
在以下表1中，取决于等效电阻值而示出不同的操作状态304。
表1
  状态   Req(Ω)   Vbus
  1   0.50   1.125＜＝V
  2   0.57   1.08＜＝V＜1.125
  3   0.67   1.07＜＝V＜1.08
  4   0.80   1.06＜＝V＜1.07
  5   1.00   1.05＜＝V＜1.06
  6   1.33   1.04＜＝V＜1.05
  7   2.00   1.03＜＝V＜1.04
  8   4.00   1.02＜＝V＜1.01
在示例中，考虑了包括具有以下电阻值R1＝1Ω、R2＝2Ω、R3＝R4＝4Ω的四个分支201的断路器201。已从这些电阻值获得了8个不同的等效电阻值(Req)。
Req = 1 Σ k = 1 n 1 R k
另一方面，在以下所示的表2中，示出了断路器201的分支(1...n)的激活和去激活305，其中，1是激活的分支，而0是去激活的分支。在所述表2中，示出了对于具有之前所述的电阻值的四个分支(n＝4)获得的不同状态。状态9对应于断路器201的所有分支(1...n)的去激活。
表2
  R1(1Ω)   R2(2Ω)   R3(4Ω)   R4(4Ω)   状态
  1   1   1   1   1
  1   1   1   0   2
  1   1   0   1   2
  1   1   0   0   3
  1   0   1   1   3
  1   0   1   0   4
  1   0   0   1   4
  1   0   0   0   5
  0   1   1   1   5
  0   1   1   0   6
  0   1   0   1   6
  0   1   0   0   7
  0   0   1   1   7
  0   0   1   0   8
  0   0   0   1   8
  0   0   0   0   9
在另一优选实施例中，除了DC总线电压电平(Vbus)301之外，还将进入DC总线的电流(Iin.bus)纳入考虑，以确定断路器201的激活。以此方式，使系统具有更强的可观测性，这允许预测在电网中或发电机中的暂态的情况下的、DC总线电压(Vbus)301的突然变化。

Claims (9)

1.一种与发电机相关联的功率转换器控制方法，所述转换器的特征在于DC总线中的断路器(201)，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
-检测DC总线电压(Vbus)(301)超过确定所述断路器(201)的激活的阈值，
-使能断路器(201)激活允许，
-根据DC总线电压电平(Vbus)(301)和从所述发电机或从电网进入所述DC总线的电流的水平(Iin.bus)而激活所述断路器(201)的不同操作状态(304)，
-检测DC总线电压电平(Vbus)(301)低于确定所述断路器(201)的去激活的阈值，
-使能断路器(201)去激活允许
-根据DC总线电压电平(Vbus)(301)和从所述发电机或从所述电网进入所述DC总线的电流的水平(Iin.bus)而去激活所述断路器(201)的所述不同操作状态(304)。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，进入所述DC总线的电流(Iin.bus)从选自以下的值获得：
-在所述发电机中测得的电流
-在电网侧转换器中测得的电流
-在发电机侧转换器中测得的电流，以及
-在所述DC总线中测得的电流。
3.根据权利要求1所示的控制方法，其特征在于，激活和去激活包括多个分支(1...n)的断路器(201)。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，根据所述断路器(201)的所述分支(1...n)的激活或去激活(p1...pn)来实现不同的等效电阻水平(Req1...Reqm)。
5.根据权利要求1所示的控制方法，其特征在于，根据进入所述DC总线的电流的水平(Iin.bus)进行所述断路器(201)的激活确定。
6.根据权利要求4所示的控制方法，其特征在于，如果进入所述DC总线的电流(Iin.bus)超过一定百分比的额定电流，则基于所达到的DC总线电压水平(Vbus)301确定要连接的等效电阻值(Req1...Reqm)。
7.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，如果进入所述DC总线的电流(Iin.bus)在一定百分比的额定电流以下，则基于所达到的总线电压电平(Vbus)(301)确定要连接的等效电阻值(Req1...Reqm)，并且建立最小电阻值。
8.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，如果进入所述DC总线的电流(Iin.bus)超过一定百分比的额定电流，则迫使从等效电阻状态进入下一依次更大的状态。
9.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，如果进入所述DC总线的电流(Iin.bus)在一定百分比的额定电流以下，或者DC总线电压电平(Vbus)(301)足够低，则允许从一个等效电阻(Req1...Reqm)到另一非连续电阻的跳跃。
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