CN102868180A - 一种基于开绕组结构的风力发电系统及其容错控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于开绕组结构的风力发电系统，包括：一台风力发电机、两台机侧变流器和一控制器；风力发电机具有三相绕组，机侧变流器为三相六桥臂结构；风力发电机任一相绕组的一端与第一机侧变流器中对应相上下桥臂的中心接点相连，另一端与第二机侧变流器中对应相上下桥臂的中心接点相连。本发明利用开绕组发电机结构以及两组两电平变流器实现了电机控制三电平的调制效果，减小了输出电流谐波，降低了变流器的容量以及器件的电压应力；与此同时本发明还公开了上述风力发电系统的容错控制方法，保证了系统在变流器器件故障时的正常稳定运行。

Description

一种基于开绕组结构的风力发电系统及其容错控制方法

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种基于开绕组结构的风力发电系统及其容错控制方法。

背景技术

风能作为一种清洁的可再生能源，近年来受到世界各国的高度重视。风能蕴藏量巨大，随着风能的开发利用，全球的风力发电连续多年来保持快速、持续的增长。永磁直驱式风电机组具有可靠性高、结构简单、维护成本低、并网适应性强等优点，特别适合用作大功率海上风力发电机组。

传统的永磁同步风电系统结构如图1所示，其主要由风力发电机、机侧变流器以及网侧变流器组成。系统由风轮带动永磁发电机的转子转动，从而实现机械能向电能的转换，直流母线上并联直流母线电容，网侧变流器通过一组变压器将电能馈入电网。在将捕获的风能以电能的形式馈入电网的过程中，只需要根据要求控制机侧变流器与网侧变流器上的开关器件的导通关断，即可达到控制目的。

对于传统的永磁同步风电系统结构来说，需要全功率的变流器才能保证系统的正常运行。在使用两电平的变流器时，一方面会给电流带来一定的谐波分量，另一方面会给开关器件带来较大的电压应力，降低开关器件的寿命。在现有的技术方案里面，有人提出利用开关器件的串联来分担电压应力，但是如何实现器件开通关断的同步性成为一个很大的技术难题。

面对风电机组大容量的增长趋势，多电平技术成为了当前解决该问题的热点研究对象。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，在得到高质量的输出波形的同时，不管何种拓扑结构的多电平与两电平相比，都有一些共同的优点：无需输出变压器和动态均压电路，开关频率低，因而开关器件承受的电压应力小，可避免大的du/dt所导致的各种问题，提高了开关管的工作寿命。但是对于现有的多电平变流器，包括NPC、飞跨电容等结构，他们有着共同的缺点：结构过于复杂，成本过高，控制难度大；且若系统在运行的过程中，某一个开关元件突然损坏，原有的控制方法难以维持其继续正常工作。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种基于开绕组结构的风力发电系统，其能够利用两电平变流器实现三电平的控制效果，进而减少相应的输出电流谐波。

一种基于开绕组结构的风力发电系统，包括：一台风力发电机、两台机侧变流器和一控制器；所述的风力发电机具有三相绕组，所述的机侧变流器为三相六桥臂结构；

所述的风力发电机任一相绕组的一端与第一机侧变流器中对应相上下桥臂的中心接点相连，另一端与第二机侧变流器中对应相上下桥臂的中心接点相连；

所述的机侧变流器直流输出侧并联有母线电容单元，所述的母线电容单元由两个电容串联构成；

所述的控制器用于采集风力发电机的端电压和相电流以及各机侧变流器的直流母线电压，并根据这些信号构造出两组PWM(脉冲宽度调制)信号以分别对两台机侧变流器进行控制。

优选地，两台机侧变流器的直流输出侧与同一母线电容单元并联；使得系统只需用一套网侧变流器即能实现直交转换。

上述风力发电系统的容错控制方法，包括如下步骤：

(1)采集风力发电机的端电压和相电流以及各机侧变流器的直流母线电压；检查机侧变流器是否存在开路故障：如无故障，执行步骤(2)；若存在故障，将机侧变流器故障相所对应连接的绕组端与机侧变流器的母线电容单元中两电容的中心接点相连，并执行步骤(2)；

(2)根据所述的端电压和相电流利用反电势估测法估算出风力发电机的转速和转子位置角；进而根据所述的转子位置角对相电流进行dq变换(同步旋转坐标变换)，得到相电流的有功轴电流分量和无功轴电流分量；

(3)根据所述的转速、有功轴电流分量和无功轴电流分量计算出风力发电机的实际输出功率、有功轴电压补偿量和无功轴电压补偿量；

(4)根据所述的实际输出功率、有功轴电流分量、无功轴电流分量、有功轴电压补偿量和无功轴电压补偿量，通过基于有功轴电流为零的矢量控制算法计算出有功轴电压指令和无功轴电压指令；

(5)根据所述的有功轴电压指令、无功轴电压指令以及机侧变流器的故障信息和直流母线电压计算出两台机侧变流器分别对应的两个调制电压指令；进而根据两个调制电压指令分别进行调制，生成两组PWM信号以分别对两台机侧变流器进行控制。

所述的步骤(3)中，根据以下公式计算风力发电机的实际输出功率、有功轴电压补偿量和无功轴电压补偿量：

Δu_sq＝ω_sΨ_f-ω_sL_sdi_sd

Δu_sd＝ω_sL_sqi_sq

$P=\frac{3}{2}{n}_p{\mathrm{\ω}}_s[{\mathrm{\Ψ}}_f{i}_{\mathrm{sp}}+(L_{\mathrm{sp}}-L_{\mathrm{sq}})i_{\mathrm{sd}}{i}_{\mathrm{sq}}]$

其中：P为风力发电机的实际输出功率，Δu_sd和Δu_sq分别为有功轴电压补偿量和无功轴电压补偿量，ω_s为风力发电机的转速，L_sd和L_sq分别为风力发电机直轴电感和交轴电感，i_sd和i_sq分别为有功轴电流分量和无功轴电流分量，Ψ_f为风力发电机的转子磁链，n_p为风力发电机的极对数。

所述的步骤(4)中，通过基于有功轴电流为零的矢量控制算法计算出有功轴电压指令和无功轴电压指令的过程如下：

a.使设定的目标输出功率减去所述的实际输出功率，得到功率误差；

b.对所述的功率误差进行PI调节，得到无功轴电流指令；并令有功轴电流指令为零；

c.使有功轴电流指令和无功轴电流指令分别减去有功轴电流分量和无功轴电流分量，得到有功轴电流误差和无功轴电流误差；

d.对有功轴电流误差和无功轴电流误差分别进行PI调节，得到两个输出结果；使有功轴电压补偿量和无功轴电压补偿量分别减去这两个输出结果，得到有功轴电压指令和无功轴电压指令。

所述的步骤(5)中，根据以下公式计算出两台机侧变流器分别对应的两个调制电压指令：

$u_1=\frac{{2U}_{\mathrm{dc}1}}{U_{\mathrm{dc}1}+U_{\mathrm{dc}2}}{k}_1$ $u_2=\frac{{2U}_{\mathrm{dc}2}}{U_{\mathrm{dc}1}+U_{\mathrm{dc}2}}{k}_2$

其中：u₁和u₂分别为第一机侧变流器和第二机侧变流器的调制电压指令，U_dc1和U_dc2分别为第一机侧变流器和第二机侧变流器的直流母线电压，k₁和k₂分别为第一机侧变流器和第二机侧变流器的指令系数；

若两台机侧变流器均无故障：则k₁＝(u_d+u_qj)/2，k₂＝-(u_d+u_qj)/2；

若第一机侧变流器A相故障，第二机侧变流器无故障：则k₁＝(u_d+u_qj)/3，k₂＝-2(u_d+u_qj)/3；

若第一机侧变流器A相故障，第二机侧变流器A相故障：则k₁＝(u_d+u_qj)/2，k₂＝-(u_d+u_qj)/2；

若第一机侧变流器A相故障，第二机侧变流器B相故障：则

若第一机侧变流器A相故障，第二机侧变流器C相故障：则

若第一机侧变流器B相故障，第二机侧变流器无故障：则k₁＝(u_d+u_qj)/3，k₂＝-2(u_d+u_qj)/3；

若第一机侧变流器B相故障，第二机侧变流器A相故障：则

若第一机侧变流器B相故障，第二机侧变流器B相故障：则k₁＝(u_d+u_qj)/2，k₂＝-(u_d+u_qj)/2；

若第一机侧变流器B相故障，第二机侧变流器C相故障：则

若第一机侧变流器C相故障，第二机侧变流器无故障：则k₁＝(u_d+u_qj)/3，k₂＝-2(u_d+u_qj)/3；

若第一机侧变流器C相故障，第二机侧变流器A相故障：则

若第一机侧变流器C相故障，第二机侧变流器B相故障：则

若第一机侧变流器C相故障，第二机侧变流器C相故障：则k₁＝(u_d+u_qj)/2，k₂＝-(u_d+u_qj)/2；

其中，u_d和u_q分别为有功轴电压指令和无功轴电压指令，j为虚单位。

所述的端电压包括风力发电机每相绕组两端的电压，所述的相电流包括流经风力发电机每相绕组的电流，所述的直流母线电压为母线电容单元两端的电压。

本发明利用开绕组发电机结构以及两组两电平变流器实现了电机控制三电平的调制效果，减小了输出电流谐波，降低了变流器的容量以及器件的电压应力；与此同时通过提出容错控制方法，保证了系统在变流器器件故障时的正常稳定运行。

附图说明

图1为传统的永磁同步风力发电系统的结构示意图。

图2为本发明风力发电系统的结构示意图。

图3为本发明风力发电系统的容错连接示意图。

图4为反电势估测法的计算示意图。

图5(a)为机侧变流器A相故障时，端电压、相电流以及直流母线电压的波形示意图。

图5(b)为机侧变流器A相故障时，电机转速、转子位置角、实际功率、给定功率、有功轴电流、无功轴电流、电磁转矩以及反电势有功轴分量的波形示意图。

图5(c)为机侧变流器A相故障时，A相电流的频谱图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明风力发电系统及其容错控制方法进行详细说明。

如图2所示，一种基于开绕组结构的风力发电系统，包括：一台风力发电机、两台机侧变流器、两台网侧变流器和一控制器；

风力发电机包括风轮和永磁发电机，永磁发电机具有三相绕组，风轮带动永磁发电机的转子转动，从而将风能转化成电能。

机侧变流器和网侧变流器均为三相六桥臂结构，每个桥臂由一个IGBT组成；机侧变流器将风力发电机产生的电能转换成直流电，再由网侧变流器将该直流电转换为交流电，并通过电感滤波，变压器升压后接入电网。

风力发电机任一相绕组的一端与机侧变流器11中对应相上下桥臂的中心接点相连，另一端与机侧变流器J2中对应相上下桥臂的中心接点相连；

机侧变流器直流输出侧并联有母线电容单元，母线电容单元由两个电容C1～C2串联构成；

控制器用于通过电压/电流传感器采集风力发电机的端电压u_a～u_c和相电流i_a～i_c以及两台机侧变流器的直流母线电压U_dc1～U_dc1，并根据这些信号构造出两组PWM信号以分别对两台机侧变流器J1～J2进行控制。

本实施方式的容错控制方法，包括如下步骤：

(1)采集风力发电机的端电压u_a～u_c和相电流i_a～i_c以及各机侧变流器的直流母线电压U_dc1～U_dc1；检查机侧变流器是否存在开路故障：如无故障，执行步骤(2)；若存在故障，将机侧变流器故障相所对应连接的绕组端与机侧变流器的母线电容单元中两电容的中心接点相连，并执行步骤(2)；

本实施方式正常工作运行过程中，机侧变流器J1的A相上桥臂的IGBT突然损坏以致A相开路；故将机侧变流器J1的A相所对应连接的绕组端与机侧变流器J1的母线电容单元中两电容的中心接点相连，如图3所示。

(2)根据端电压U_a～U_c和相电流i_a～i_c利用如图4所示反电势估测法估算出风力发电机的转速ω_s和转子位置角θ；进而根据转子位置角θ对相电流进行dq变换，得到相电流的有功轴电流分量i_sd和无功轴电流分量i_sq；e_sd为反电势有功轴分量。

(3)根据转速ω_s、有功轴电流分量i_sd和无功轴电流分量i_sq通过以下公式计算出风力发电机的实际输出功率P、有功轴电压补偿量Δu_sd和无功轴电压补偿量Δu_sq；

Δu_sq＝ω_sΨ_f-ω_sL_sdi_sd

Δu_sd＝ω_sL_sqi_sq

$P=\frac{3}{2}{n}_p{\mathrm{\ω}}_s[{\mathrm{\Ψ}}_f{i}_{\mathrm{sp}}+(L_{\mathrm{sp}}-L_{\mathrm{sq}})i_{\mathrm{sd}}{i}_{\mathrm{sq}}]$

其中：L_sd和L_sq分别为风力发电机直轴电感和交轴电感，Ψ_f为风力发电机的转子磁链，n_p为风力发电机的极对数。本实施方式中，风力发电机的L_sd＝77.56mH，L_sq＝107.4mH，极对数为8，定子相电阻R_s＝1.1Ω，Ψ_f＝3.432V.s。

(4)通过基于有功轴电流为零的矢量控制算法计算出有功轴电压指令和无功轴电压指令：

a.使设定的目标输出功率P_ref减去实际输出功率P，得到功率误差ΔP；本实施方式中P_ref＝550W；

b.根据以下公式对功率误差ΔP进行PI调节，得到无功轴电流指令I_sq；并令有功轴电流指令I_sd为0；

$I_{\mathrm{sq}}=(K_p+\frac{K_i}{s})\mathrm{\ΔP}$

K_p＝0.01  K_i＝0.03

c.使有功轴电流指令I_sd和无功轴电流指令I_sq分别减去有功轴电流分量i_sd和无功轴电流分量i_sq，得到有功轴电流误差Δi_sd和无功轴电流误差Δi_sq；

d.根据以下公式对有功轴电流误差Δi_sd和无功轴电流误差Δi_sq分别进行PI调节，得到两个输出结果；使有功轴电压补偿量Δu_sd和无功轴电压补偿量Δu_sq分别减去这两个输出结果，得到有功轴电压指令u_d和无功轴电压指令u_q。

$u_p=\mathrm{\Δ}{u}_{\mathrm{sq}}-(k_p+\frac{k_i}{s})\mathrm{\Δ}{i}_{\mathrm{sq}}$

$u_d=\mathrm{\Δ}{u}_{\mathrm{sd}}-(k_p+\frac{k_i}{s})\mathrm{\Δ}{i}_{\mathrm{sd}}$

k_p＝0.02 k_i＝0.05

(5)根据有功轴电压指令u_d、无功轴电压指令u_q以及两台机侧变流器的直流母线电压U_dc1～U_dc1通过以下公式计算出两台机侧变流器分别对应的两个调制电压指令u₁～u₂；

$u_1=\frac{{2U}_{\mathrm{dc}1}}{U_{\mathrm{dc}1}+U_{\mathrm{dc}2}}{k}_1$ $u_2=\frac{{2U}_{\mathrm{dc}2}}{U_{\mathrm{dc}1}+U_{\mathrm{dc}2}}{k}_2$

其中：k₁＝(u_d+u_qj)/3，k₂＝-2(u_d+u_qj)/3，j为虚单位，在本参考坐标系中以无功轴为虚轴，规定电流由机侧变流器J2流向机侧变流器J1为正方向，并通过对网侧变流器进行控制保证U_dc1/U_dc2在1附近波动。

进而根据两个调制电压指令u₁～u₂分别进行调制，机侧变流器J1按照3P4S的方式调制，机侧变流器J2按照3P6S的方式调制，选择适当的矢量，并算出各矢量所作用的时间；从而生成两组PWM信号以分别对两台机侧变流器中的IGBT进行开关控制。

我们对本实施方式进行实验测试，系统中变流器的每一桥臂由一片同批次的赛米控IGBT模块SKM75GB124DE组成，三片IGBT共用一套驱动电路；风力发电机的参数如表1所示。

表1

电机参数	参数值
		额定功率Pn	5.5KW
额定电压Un	230V
		额定电流In	13.8A
额定频率fn	10.67Hz
		额定转速ωn	80r/min
定子相电阻Rs	1.1Ω
		定子D轴电感Lsd	77.56mH
定子Q轴电感Lsq	107.4mH
		极对数np	8

图5(a)为采用本实施方式对容错故障系统进行控制的实验波形图，包括端电压u_a～u_c，相电流i_a～i_c以及直流母线电压U_dc1～U_dc1波形。此时，我们目标输出的有功功率值为550W。从实验结果可以看出，端电压和相电流波形良好。从图5(b)实际的输出有功功率值P也在500W左右波动，波动范围为±5％。此时有功轴电流i_sd与无功轴电流i_sq都保持平稳状态，电机转矩T_e波动也较小。图5(c)为运用WaveStar软件对A相电流波形进行了频谱分析，横轴代表谐波次数，纵轴代表各次电流有效值，A相电流波形的THD(总谐波含有率)含量为1.63％，表明此时A相电流谐波含量较小。

通过实验将传统永磁风力发电系统与本实施方式风力发电系统进行对比，功率目标值设为1KW，实验结果对比如表2所示：

表2

Claims (6)

1.一种基于开绕组结构的风力发电系统，其特征在于，包括：一台风力发电机、两台机侧变流器和一控制器；所述的风力发电机具有三相绕组，所述的机侧变流器为三相六桥臂结构；

所述的风力发电机任一相绕组的一端与第一机侧变流器中对应相上下桥臂的中心接点相连，另一端与第二机侧变流器中对应相上下桥臂的中心接点相连；

所述的机侧变流器直流输出侧并联有母线电容单元，所述的母线电容单元由两个电容串联构成；

所述的控制器用于采集风力发电机的端电压和相电流以及各机侧变流器的直流母线电压，并根据这些信号构造出两组PWM信号以分别对两台机侧变流器进行控制。

2.根据权利要求1所述的基于开绕组结构的风力发电系统，其特征在于：两台机侧变流器的直流输出侧与同一母线电容单元并联。

3.一种如权利要求1或2所述的风力发电系统的容错控制方法，包括如下步骤：

(1)采集风力发电机的端电压和相电流以及各机侧变流器的直流母线电压；检查机侧变流器是否存在开路故障：如无故障，执行步骤(2)；若存在故障，将机侧变流器故障相所对应连接的绕组端与机侧变流器的母线电容单元中两电容的中心接点相连，并执行步骤(2)；

(2)根据所述的端电压和相电流利用反电势估测法估算出风力发电机的转速和转子位置角；进而根据所述的转子位置角对相电流进行dq变换，得到相电流的有功轴电流分量和无功轴电流分量；

(3)根据所述的转速、有功轴电流分量和无功轴电流分量计算出风力发电机的实际输出功率、有功轴电压补偿量和无功轴电压补偿量；

(4)根据所述的实际输出功率、有功轴电流分量、无功轴电流分量、有功轴电压补偿量和无功轴电压补偿量，通过基于有功轴电流为零的矢量控制算法计算出有功轴电压指令和无功轴电压指令；

(5)根据所述的有功轴电压指令、无功轴电压指令以及机侧变流器的故障信息和直流母线电压计算出两台机侧变流器分别对应的两个调制电压指令；进而根据两个调制电压指令分别进行调制，生成两组PWM信号以分别对两台机侧变流器进行控制。

4.根据权利要求3所述的容错控制方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，根据以下公式计算风力发电机的实际输出功率、有功轴电压补偿量和无功轴电压补偿量：

Δu_sq＝ω_sΨ_f-ω_sL_sdi_sd

Δu_sd＝ω_sL_sqi_sq

$P=\frac{3}{2}{n}_p{\mathrm{\ω}}_s[{\mathrm{\Ψ}}_f{i}_{\mathrm{sp}}+(L_{\mathrm{sp}}-L_{\mathrm{sq}})i_{\mathrm{sd}}{i}_{\mathrm{sq}}]$

其中：P为风力发电机的实际输出功率，Δu_sd和Δu_sq分别为有功轴电压补偿量和无功轴电压补偿量，ω_s为风力发电机的转速，L_sd和L_sq分别为风力发电机直轴电感和交轴电感，i_sd和i_sq分别为有功轴电流分量和无功轴电流分量，Ψ_f为风力发电机的转子磁链，n_p为风力发电机的极对数。

5.根据权利要求3所述的容错控制方法，其特征在于：所述的步骤(4)中，通过基于有功轴电流为零的矢量控制算法计算出有功轴电压指令和无功轴电压指令的过程如下：

a.使设定的目标输出功率减去所述的实际输出功率，得到功率误差；

b.对所述的功率误差进行PI调节，得到无功轴电流指令；并令有功轴电流指令为零；

c.使有功轴电流指令和无功轴电流指令分别减去有功轴电流分量和无功轴电流分量，得到有功轴电流误差和无功轴电流误差；

d.对有功轴电流误差和无功轴电流误差分别进行PI调节，得到两个输出结果；使有功轴电压补偿量和无功轴电压补偿量分别减去这两个输出结果，得到有功轴电压指令和无功轴电压指令。

6.根据权利要求3所述的容错控制方法，其特征在于：所述的步骤(5)中，根据以下公式计算出两台机侧变流器分别对应的两个调制电压指令：

$u_1=\frac{{2U}_{\mathrm{dc}1}}{U_{\mathrm{dc}1}+U_{\mathrm{dc}2}}{k}_1$ $u_2=\frac{{2U}_{\mathrm{dc}2}}{U_{\mathrm{dc}1}+U_{\mathrm{dc}2}}{k}_2$

其中：u₁和u₂分别为第一机侧变流器和第二机侧变流器的调制电压指令，U_dc1和U_dc2分别为第一机侧变流器和第二机侧变流器的直流母线电压，k₁和k₂分别为第一机侧变流器和第二机侧变流器的指令系数；

若两台机侧变流器均无故障：则k₁＝(u_d+u_qj)/2，k₂＝-(u_d+u_qj)/2；

若第一机侧变流器A相故障，第二机侧变流器无故障：则k₁＝(u_d+u_qj)/3，k₂＝-2(u_d+u_qj)/3；

若第一机侧变流器A相故障，第二机侧变流器A相故障：则k₁＝(u_d+u_qj)/2，k₂＝-(u_d+u_qj)/2；

若第一机侧变流器A相故障，第二机侧变流器B相故障：则

若第一机侧变流器A相故障，第二机侧变流器C相故障：则

若第一机侧变流器B相故障，第二机侧变流器无故障：则k₁＝(u_d+u_qj)/3，k₂＝-2(u_d+u_qj)/3；

若第一机侧变流器B相故障，第二机侧变流器A相故障：则

若第一机侧变流器B相故障，第二机侧变流器B相故障：则k₁＝(u_d+u_qj)/2，k₂＝-(u_d+u_qj)/2；

若第一机侧变流器B相故障，第二机侧变流器C相故障：则

若第一机侧变流器C相故障，第二机侧变流器无故障：则k₁＝(u_d+u_qj)/3，k₂＝-2(u_d+u_qj)/3；

若第一机侧变流器C相故障，第二机侧变流器A相故障：则

若第一机侧变流器C相故障，第二机侧变流器B相故障：则

若第一机侧变流器C相故障，第二机侧变流器C相故障：则k₁＝(u_d+u_qj)/2，k₂＝-(u_d+u_qj)/2；

其中：u_d和u_q分别为有功轴电压指令和无功轴电压指令，j为虚单位。

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