CN103078344B - 一种提高双馈式变流器低电压穿越性能的方法 - Google Patents

Abstract

一种提高双馈式变流器低电压穿越性能的方法，其特征在于，电网侧变流器和电机侧变流器均根据过电流程度进行不同的强制脉冲控制。当检测到过电流后，查找最大电流相及其电流符号，如果大于0，该相下开关管导通整个开关周期，用0电压控制；如果小于0，该相上开关管导通整个开关周期，用直流电压控制。然后判断过电流程度，当过电流稍大时，不过流的两相输出正常的PWM信号，对过电流进行一定抑制。当过电流再大时，不过流的两相输出与最大电流相相反，最大程度抑制过电流的增长。对于电机侧变流器，当过电流更大时，封锁三相脉冲；如果电流增大到触发Crowbar阈值，投入Crowbar电路对电力电子器件进行保护。

Description

一种提高双馈式变流器低电压穿越性能的方法

技术领域

本发明涉及风电变流器领域，具体涉及一种提高双馈式风电变流器应对低电压穿越性能的控制方法。

背景技术

石油价格飞涨，环保意识加强，使得人们越来越重视可再生能源，风力发电作为最有竞争力的可再生能源发电方式之一，获得迅猛发展，占全球发电量的比重越来越大，风力发电的稳定性和可靠性越来越受到重视。世界各国电网公司相继出台了严格的风电场接入电网技术规定，包括电网故障穿越能力。当电网出现短暂跌落时，风机能够并网发电，甚至通过发无功支撑电网恢复，直到电网正常，即业内所说的低电压穿越技术。

风电变流器作为风机机组与电网柔性连接的关键部件，在机组应对电网低电压穿越时起着至关重要的作用。双馈式风力机组是目前市场主流机型之一，电气拓扑如图1所示。

双馈发电机的定子直接连接电网，这种直接耦合使得电网电压变化直接反映在发电机定子端电压上，导致定子磁链出现直流分量，不对称跌落故障时还会出现负序分量。定子磁链的直流分量和负序分量相对于以较高转速运转的发电机转子会形成较大的转差，从而感应出较大的感应电动势并产生较大的转子电流。作为与发电机转子直接连接的电机侧变流器，承担着电网低电压穿越的主要任务。电网侧变流器通过串联电感与电网连接，当电网电压突然变化时如果不加控制，同样存在过电流的风险。

针对电机侧变流器，正如专利CN101630850A所述，目前控制方案是检测转子电流超过阈值时封锁脉冲投入Crowbar电路，保护变流器比较敏感的电力电子器件，之后延时起动脉冲后重新加载；针对电网侧变流器，一般方案是检测电流超过阈值后短时封锁脉冲，延时起动脉冲后重新加载。封锁脉冲会造成系统功率突变，引起机械轴振动，多次反复封锁脉冲还可能引起系统不稳定。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种提高双馈式风电变流器应对低电压穿越性能的控制方法。在双馈式风电变流器低电压穿越期间，采用本发明方法可避免电网侧变流器封锁脉冲，推后或避免电机侧变流器投入Crowbar电路，提高机组的电网低电压穿越性能，优化变流器电气设计。

双馈式风电变流器的电网侧和电机侧拓扑结构相同，都采用基于全控电力电子开关(例如IGBT、IGCT等)的三相通用逆变器方式，由直流母线、三相逆变桥和串联电感组成。

本发明根据双馈式变流器过电流程度采用特定的脉冲序列进行控制，当双馈式变流器过电流不是很严重时，最大电流相根据电流的方向在整个开关周期内输出0电压或全直流母线电压，不过流的两相输出正常的脉冲宽度调制信号，一定程度抑制过电流增长。当双馈式变流器过电流再大时最大电流相根据电流的方向在整个开关周期内输出0电压或全直流母线电压，不过流的两相输出与最大电流相相反的控制信号，对过电流进行最大程度抑制。

本发明原理如下：

规定流出逆变器方向为正，设逆变器输出点的三相电压为V_ca、V_cb、V_cc，控制对象双馈式风电变流器的三相电动势为V_sa、V_sb、V_sa，三相串联电感为L_a、L_b、L_c。列写该状态下的时域数学方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_a\frac{{\mathrm{di}}_a}{\mathrm{dt}}=V_{\mathrm{ca}}-V_{\mathrm{ra}}-V_o\\ L_b\frac{{\mathrm{di}}_b}{\mathrm{dt}}=V_{\mathrm{cb}}-V_{\mathrm{rb}}-V_o\\ L_c\frac{{\mathrm{di}}_c}{\mathrm{dt}}=V_{\mathrm{cc}}-V_{\mathrm{rc}}-V_o\end{array}\right.---\left(1\right)$

对算式(1)进行整理，可以得到a相电压方程的表达式：

$L_a\frac{{\mathrm{di}}_a}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{3}({2V}_{\mathrm{ca}}-V_{\mathrm{cb}}-V_{\mathrm{cc}})-V_{\mathrm{sa}}---\left(2\right)$

不失一般性，假设分析时间段内，a相电流绝对值最大，电流方向为正方向，减小逆变器过流风险的可行控制措施是尽可能地抑制a相电流的增长。

算式(2)中有V_ca、V_cb、V_cc3个电压直接受控，这3个电压有两个自由度：电压和作用时间。电压由0和直流母线电压U_dc组成，当双馈式风电变流器上开关管导通时电压为U_dc，下开关管导通时电压为0。算式(2)右边第二项V_sa与控制对象电磁暂态有关，为不受控分量；如果控制V_ca＝0，V_cb和V_cc为U_dc，算式右边算术值最小，a相电流增长最慢。以上所述是本发明控制的基本原理。依此类推，得到本发明提出的过流处理脉冲序列如表1所示。

针对双馈式风电变流器过流不是很严重的情况，本发明提出另一种脉冲序列，如表2所示。在表1、表2中，I_a、I_b、I_c是逆变器的三相电流，U_dc为直流电压，PWM为脉冲宽度调制的缩写，是根据矢量控制计算出的正常输出信号。

表1                                  表2

不失一般性，对本发明表1和表2所述方法以A相过流为例进行说明，其它相过流依此类推。

当A相轻微过电流时，控制逻辑如表2所示，首先判断A相电流的方向，如果A相电流方向为正方向，即流出变流器方向，在整个开关周期内，A相桥臂的下开关管一直导通，A相输出电压V_ca＝0，B相和C相输出正常的PWM信号，对应表2所示“I_a正向最大”工况；如果A相电流方向为负方向，即流入变流器方向，在整个开关周期内，A相桥臂的上开关管一直导通，A相输出电压V_ca＝直流电压V_dc，B相和C相输出正常的PWM信号，对应表2所示“I_a负向最大”工况。

当A相过电流再大到超出最小电流分段阈值I_oc2后，控制逻辑如表1所示，首先判断A相电流的方向，如果A相电流方向为正方向，即流出变流器方向，在整个开关周期内，A相桥臂的下开关管一直导通，A相输出电压V_ca＝0，B相和C相桥臂的上开关管一直导通，B相输出电压V_cb和C相输出电压V_cc相同，都等于直流电压V_dc，对应表1所示“I_a正向最大”工况；如果A相电流方向为负方向，即流入变流器方向，在整个开关周期内，A相桥臂的上开关管一直导通，A相输出电压V_ca＝直流电压V_dc，B相和C相桥臂的开关管一直导通，B相输出电压V_cb与C相输出电压V_cc相同，都等于0，对应表1所示“I_a负向最大”工况。

本发明对双馈式变流器的电网侧变流器和电机侧变流器采用不同的控制方法。

由于电网侧变流器和电机侧变流器都采用通用逆变器拓扑，控制思路大体相同，控制对象的不同使电网侧变流器和电机侧变流器控制方法稍微有些差异。电网侧变流器控制对象为电网，一般情况下最大电压不会超过直流电压，当采用所述的表1和表2开关序列后，过电流会被控制，不会有过电流风险。电机侧变流器控制对象为双馈发电机，由于发电机定子直接连入电网，在电网电压跌落较深时，定子上出现的直流磁链会在转子上感应出很高的电压，即使采用所述的表1和表2所示的开关序列或者封锁脉冲有时也无法抑制过电流，需要增加Crowbar电路给过电流提供卸放通道。

本发明控制方法的步骤如下：

(1)、如果检测到双馈式风电变流器出现过电流，首先应用表2所示脉冲序列，一定程度抑制最大相电流的增长，其它两相正常控制；

(2)、如果电流继续增大，切换到表1所示脉冲序列，最大限度的抑制电流的增加；

(3)、针对电机侧变流器，应用表1脉冲序列后，如果电流还未受到控制，封锁三相脉冲；

(4)、针对电机侧变流器，如果电流继续增大到Crowbar触发阈值，投入Crowbar电路，保护比较敏感的电力电气器件。

以下分别说明本发明对电网侧变流器和机网侧变流器的控制步骤。

本发明对于所述的双馈式变流器电网侧变流器的控制步骤如下：

(1)设置过电流分段阈值I_goc1、I_goc2，且满足I_goc1＜I_goc2；

(2)检测到过电流信号后，查找最大电流相及其电流方向，当电流为正方向时，变流器最大电流相的下开关管导通整个开关周期，输出0电压，当电流为负方向时，变流器最大电流相的上开关管导通整个开关周期，输出直流电压；

(3)不过流的两相根据过电流程度采取不同的强制输出策略，当过电流值I_gmax满足I_goc1≤I_gmax＜I_goc2时，输出正常的脉宽信号，对过电流进行一定抑制；当过电流值I_gmax满足I_gmax≥I_goc2时，输出与最大电流相相反的脉宽信号，最大程度的抑制过电流的增长。

本发明对于所述的双馈式变流器电机侧变流器的控制步骤如下：

(1)设置过电流分段阈值I_roc1、I_roc2、I_roc3、I_roc4，且满足I_roc1＜I_roc2＜I_roc3＜I_roc4；

(2)检测到过电流后，查找最大电流相及其电流方向，当电流为正方向时，整个开关周期变流器最大电流相的下开关管导通，输出0电压，当电流为负方向时，整个开关周期变流器最大电流相的上开关管导通，输出直流电压；

(3)不过流的两相根据过电流程度采取不同的强制输出策略，当过电流值I_rmax满足I_roc1≤I_rmax＜I_roc2时，输出正常的脉宽信号，对过电流进行一定抑制；当过电流值I_rmax满足I_roc2≤I_rmax＜I_roc3时，输出与最大电流相相反的脉宽信号，最大程度的抑制过电流的增长；

(4)当过电流值I_rmax满足I_roc3≤I_rmax＜I_roc4时，封锁三相脉冲；

(5)如果过电流值I_rmax增大到Crowbar触发阈值，即满足I_rmax≥I_roc4后，投入Crowbar电路。

本发明在低电压穿越过程中，避免了电网侧变流器封锁脉冲，在一定程度上降低了直流母线过电压的风险，降低直流卸荷电路的容量，推后或避免了电机侧变流器Crowbar电路的投入，提高风电机组的低电压穿越性能，减小Crowbar电路的容量，降低变流器硬件成本，优化变流器结构设计。

附图说明

图1双馈风电机组电气拓扑图；

图2三相通用逆变器拓扑图；

图3电网侧变流器低电压穿越过流抑制流程图；

图4电机侧变流器低电压穿越过流抑制流程图。

具体实施

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

三相通用逆变器电气拓扑如图2所示，由直流母线U_dc、S_aup、S_adn组成的A相桥臂，S_bup、S_bdn组成的B相桥臂，S_cup、S_cdn组成的C相桥臂，三相串联电感L_a、L_b、L_c和负载U_s组成，V_ca、V_cb、V_cb为逆变器输出三相电压，V_sa、V_sb、V_sc为负载三相电压。

如以下所述，本发明分别对电网侧变流器和电机侧变流器的控制：

本发明针对电网侧变流器的控制方法如下：

(1)程序初始化时根据变流器容量设置I_goc1、I_goc2两个电流阈值，并且I_goc1<I_goc2。

(2)双馈风电机组的电流传感器10采集电网侧变流器三相电流I_ga、I_gb、I_gc，根据公式求取三相电流幅值最大值，如图3中的步骤100所示；

(3)双馈风电机组的电网侧变流器控制器12根据电流最大值I_gmax判断是否发生过流。如果电流最大值I_gmax小于电流阈值I_goc1，双馈风电机组的电网侧变流器逆变桥11输出正常的PWM信号，进行正常控制，如图3中的步骤117和118所示；

(4)如果电流最大值I_gmax大于电流阈值I_goc1，双馈风电机组的电网侧变流器控制器12检测最大电流相及其电流方向，当电流为正方向时，整个开关周期变流器最大电流相的下开关管导通，电网侧变流器逆变桥11最大电流相输出0电压，如图3中的步骤110、步骤111、步骤112和步骤113所示；当电流为负方向时，整个开关周期电网侧变流器最大电流相的上开关管导通，电网侧变流器逆变桥11最大电流相输出直流电压，如图3中的步骤110、步骤114、步骤115、步骤116所示；

(5)根据电流最大值I_gmax判断过电流程度，如果电流最大值I_gmax小于电流阈值I_goc2，不过流的两相正常输出，开关序列如表2所示，一定程度抑制过电流增长，如图3中的步骤120、步骤121所示；

(6)如果步骤(5)不成立，说明电流最大值I_gmax大于电流阈值I_goc2，不过流的两相输出与最大电流相相反，开关序列如表1所示，最大程度抑制过电流增长，如图3中的步骤130、步骤131、步骤132所示；

本发明针对电机侧变流器的控制方法如下：

(1)程序初始化时根据变流器容量设置I_roc1、I_roc2、I_roc3、I_roc4四个电流阈值，并且I_roc1<I_roc2<I_roc3<I_roc4；

(2)双馈风电机组的电流传感器20采集发电机转子靠近功率单元侧的三相电流I_ra、I_rb、I_rc，根据公式求取三相电流幅值最大值；

I_rmax，如图4中的步骤200所示；

(3)双馈风电机组的电机侧变流器控制器22根据电流幅值最大值I_rmax判断是否发生过流。如果电流最大值I_rmax小于电流阈值I_roc1，双馈风电机组的电机侧变流器逆变桥21输出为正常的PWM信号，进行正常控制，如图4中的步骤217和218所示；

(4)如果电流最大值I_rmax大于电流阈值I_roc1，双馈风电机组的电机侧变流器控制器22检测最大电流相及其电流方向，当电流为正方向时，整个开关周期变流器最大电流相的下开关管导通，电机侧变流器逆变桥21最大电流相输出0电压，如图4中的步骤210、步骤211、步骤212和步骤213所示；当电流为负方向时，整个开关周期电网侧变流器最大电流相的上开关管导通，电机侧变流器逆变桥21最大电流相输出直流电压，如图4中的步骤210、步骤214、步骤215、步骤216所示；

(5)根据电流最大值I_rmax判断过电流程度，如果电流最大值I_rmax小于电流阈值I_roc2，不过流的两相正常输出，开关序列如表2所示，一定程度抑制过电流增长，如图4中的步骤220、步骤221所示；

(6)如果步骤(5)不成立，判断电流最大值I_rmax与电流阈值I_roc3的关系。如果电流最大值I_rmax小于电流阈值I_roc3，不过流的两相输出与最大电流相相反，开关序列如表1所示，最大程度抑制过电流增长，如图4中的步骤230、步骤231、步骤232所示；

(7)如果步骤(6)不成立，判断电流最大值I_rmax与电流阈值I_roc4的关系。如果电流最大值I_rmax小于电流阈值I_roc4，封锁三相脉冲，如图4中的步骤240、步骤241、步骤242所示；

(8)如果步骤(7)不成立，说明电流最大值I_rmax大于电流阈值I_roc4，投入Crowbar电路，给发电机转子电流提供旁路，保护电机侧变流器，如图4中的步骤250、步骤251和步骤252所示。

Claims (4)

1.一种提高双馈式变流器低电压穿越性能的方法，其特征在于所述的方法是根据双馈式变流器过电流程度采用特定的脉冲序列进行控制；电网侧变流器设置过电流分段阈值I_goc1和I_goc2，I_goc1<I_goc2，电机侧变流器设置过电流分段阈值I_roc1和I_roc2，I_roc1<I_roc2；当双馈式变流器电网侧变流器过电流大于电流分段阈值I_goc1且小于电流分段阈值I_goc2或电机侧变流器过电流大于电流分段阈值I_roc1且小于电流分段阈值I_roc2时，最大电流相根据电流的方向在整个开关周期内，电流方向为正时输出0电压，电流方向为负时输出直流电压，不过流的两相输出正常的脉冲宽度调制信号，一定程度抑制过电流增长；当双馈式变流器电网侧变流器过电流大于电流分段阈值I_goc2或电机侧变流器过电流大于电流分段阈值I_roc2时，最大电流相根据电流的方向在整个开关周期内，电流方向为正时输出0电压，电流方向为负时输出直流电压，不过流的两相输出与最大电流相相反的控制信号，对过电流进行最大程度抑制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的特定的脉冲序列为：当所述的双馈式变流器电网侧变流器A相过电流大于电流分段阈值I_goc1且小于电流分段阈值I_goc2或电机侧变流器A相过电流大于电流分段阈值I_roc1且小于电流分段阈值I_roc2时，首先判断A相电流的方向，如果A相电流方向为正方向，即流出变流器方向，在整个开关周期内，A相桥臂下开关管一直导通，A相输出电压V_ca＝0，B相和C相输出正常的PWM信号；如果A相电流方向为负方向，即流入变流器方向，在整个开关周期内，A相桥臂上开关管一直导通，A相输出电压V_ca＝直流电压V_dc，B相和C相输出正常的PWM信号；

当电网侧变流器A相过电流大于电流分段阈值I_goc2或电机侧变流器A相过电流大于电流分段阈值I_roc2时，首先判断A相电流的方向，如果A相电流方向为正方向，即流出变流器方向，在整个开关周期内，A相桥臂的下开关管一直导通，A相输出电压V_ca＝0，B相和C相桥臂的上开关管一直导通，B相输出电压V_cb和C相输出电压V_cc相同，都等于直流电压V_dc；如果A相电流方向为负方向，即流入变流器方向，在整个开关周期内，A相桥臂的上开关管一直导通，A相输出电压V_ca＝直流电压V_dc，B相和C相桥臂的下开关管一直导通，B相输出电压V_cb与C相输出电压V_cc相同，都等于0。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于所述的双馈式变流器电网侧变流器的控制步骤如下：

(1)设置过电流分段阈值I_goc1、I_goc2，且满足I_goc1<I_goc2；

(2)检测到过电流信号后，查找最大电流相及其电流方向，当电流为正方向时，变流器最大电流相的下开关管导通整个开关周期，输出0电压，当电流为负方向时，变流器最大电流相的上开关管导通整个开关周期，输出直流电压；

(3)不过流的两相根据过电流程度采取不同的强制输出策略，当过电流值I_gmax满足I_goc1≤I_gmax<I_goc2时，输出正常的脉宽信号，对过电流进行一定抑制；当过电流值I_gmax满足I_gmax≥I_goc2时，输出与最大电流相相反的脉宽信号，最大程度的抑制过电流的增长；

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于所述的双馈式变流器电机侧变流器的控制步骤如下：

(1)设置过电流分段阈值I_roc1、I_roc2、I_roc3、I_roc4，且满足I_roc1<I_roc2<I_roc3<I_roc4；

(2)检测到过电流后，查找最大电流相及其电流方向，当电流为正方向时，整个开关周期变流器最大电流相的下开关管导通，输出0电压，当电流为负方向时，整个开关周期变流器最大电流相的上开关管导通，输出直流电压；

(3)不过流的两相根据过电流程度采取不同的强制输出策略，当过电流值I_rmax满足I_roc1≤I_rmax<I_roc2时，输出正常的脉宽信号，对过电流进行一定抑制；当过电流值I_rmax满足I_roc2≤I_rmax<I_roc3时，输出与最大电流相相反的脉宽信号，最大程度的抑制过电流的增长；

(4)当过电流值I_rmax满足I_roc3≤I_rmax<I_roc4时，封锁三相脉冲；

(5)如果过电流值I_rmax增大到Crowbar触发阈值，即满足I_rmax≥I_roc4后，投入Crowbar电路。