CN103337978A - 二极管箝位三电平背靠背变流器svpwm控制策略 - Google Patents

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王灏雄
周峰
宋军会
王敏
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Abstract

本发明涉及风力发电变流器的控制策略，具体是一种二极管箝位三电平背靠背变流器SVPWM控制策略。其根据系统的额定有功P N与额定无功Q N，将三电平背靠背变流器系统的工作区划分为工作区A和工作区B；根据网侧变流器发出的有功P out 与无功Q out 来确定系统工作点在哪一个工作区；在不同的工作区，采用不同的机、网侧变流器SVPWM组合控制策略，实现对系统的控制；具体为：在工作区A，网侧采用VVS控制方式，机侧采用NTV控制方式；在工作区B，网侧采用NTV控制方式，机侧采用VVS控制方式。本发明的控制技术通过实际测试，证明其能够有效地三电平背靠背变流器的中点电压波动，同时具有较小的系统损耗。

Description

二极管箝位三电平背靠背变流器SVPWM控制策略
技术领域
本发明涉及三电平背靠背风力发电变流器的中点电压平衡控制策略，具体是一种二极管箝位三电平背靠背变流器SVPWM控制策略。 
背景技术
在风力发电设备的二极管箝位三电平背靠背变流器中，需要满足多项技术指标的要求，如满足标准要求的电能质量、较高的直流电压利用率、较小的中点电压波动与尽可能小的系统损耗等。对于这一问题，一直未能得到深入研究并给出较好的解决方案。对于三电平变流器，SVPWM技术与过调制技术的结合可以解决电能质量与提高直流电压利用率的问题，但对于三电平背靠背变流器的中点电压波动，常规的SVPWM中点电压控制技术不能实现中点电压波动抑制与开关损耗的最优控制。 
为综合解决这些技术问题，一种方案如图1所示，其控制技术采用SVPWM技术，为抑制中点电压波动，在直流电容侧并联了斩波电路，当电容C1的电压过高时，启动斩波电路1工作，直至C1的电压降至设计值；当C2的电压过高时，启动斩波电路2工作，直至C2的电压降至设计值。这种方案额外增加了硬件电路，同时也增加了控制电路的接口，提高了系统成本，而且能量被斩波电路的电阻消耗掉，降低了系统效率。 
另一种方案是完全通过控制技术实现，不增加系统成本。因为三电平变流器的SVPWM技术一般有两种实现方式——NTV-SVPWM与VVS-SVPWM，后者的中点电压波动小，但会使系统开关损耗增大，因此。在《A SPACE VECTOR PWM MODULATION SCHEME FOR BACK-TO-BACK THREE-LEVEL DIODE-CLAMPED CONVERTERS》这篇文章中，仅根据中点电压波动程度，在NTV-SVPWM与VVS-SVPWM间做简单的切换，以抑制中点电压波动，虽然方法简单，但会使变流器经常工作在VVS-SVPWM模式下，提高了系统损耗。 
现有理论的三电平SVPWM技术说明如下： 
图2所示为现有二极管箝位（NPC）三电平变流器。
如图3所示，三电平电压空间矢量图的每个扇区内部有两种划分模式。以扇区Ⅰ为例，一种是最近三矢量合成SVPWM技术（NTV）,采用标准的划分方式，如图3中(a)，将扇区中的基本矢量相连，可得到四个子区域；另一种是虚拟矢量合成SVPWM技术(VVS), 将中矢量 V 3用虚拟矢量 V ' 3代替，如图3中(b)，其优点在于通过开关模式的合理选择，可使SVPWM具有中点电压的自平衡能力。 
现有理论的背靠背变流器SVPWM控制策略说明如下： 
以永磁直驱风力发电系统为例，变流器采用三电平背靠背结构（如图4）。网侧变流器控制直流电压，根据电网要求，风电机组在正常工况下能够向电网提供额定无功Q N=±kS N （0≤k≤1，S N 为系统额定容量）；机侧变流器采用最大转矩/电流比控制。系统原理图如图4所示（无斩波电路）。
由于机侧变流器与网侧变流器独立控制，因此两侧变流器可独立采用NTV-SVPWM或VVS-SVPWM，使得机侧变流器与网侧变流器可采用四种组合方式。这四种组合方式会有不同的中点电压波动抑制能力和系统损耗，何种组合方式能够获得较佳的实际效果，现有技术并无启示。 
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种对三电平背靠背变流器的中点电压波动抑制效果好，同时可获得较小的系统损耗的二极管箝位三电平背靠背变流器SVPWM控制策略。 
本发明的二极管箝位三电平背靠背变流器SVPWM控制策略是： 
根据系统的额定有功P N与额定无功Q N，将三电平背靠背变流器系统的工作区划分为工作区A 和工作区B；其划分依据为：当系统实际无功Q out >系统实际有功P out 时，系统工作于工作区A；当系统实际无功Q out <系统实际有功P out 时，系统工作于工作区B；根据网侧变流器发出的有功P out 与无功Q out 来确定系统工作点在哪一个工作区；在不同的工作区，采用不同的机、网侧变流器SVPWM组合控制策略，实现对系统的控制；具体为：在工作区A，网侧采用VVS控制方式，机侧采用NTV控制方式；在工作区B，网侧采用NTV控制方式，机侧采用VVS控制方式。
本发明的控制技术通过实际测试，证明其能够有效地三电平背靠背变流器的中点电压波动，同时具有较小的系统损耗。 
附图说明
图1是现有技术中增加了斩波电路的三电平背靠背变流器原理图； 
图2是现有技术的二极管箝位三电平变流器电路原理图；
图3是现有技术理论中三电平变流器三电平电压空间矢量图；
图4是现有技术中常规的的三电平背靠背变流器原理图；
图5是本发明方法中工作区划分的示意图。
具体实施方式
本发明实施例的二极管箝位三电平背靠背变流器SVPWM控制策略是： 
根据系统的额定有功P N与额定无功Q N，将三电平背靠背变流器系统的工作区划分为工作区A 和工作区B；其划分依据为：当系统实际无功Q out >系统实际有功P out 时，系统工作于工作区A；当系统实际无功Q out <系统实际有功P out 时，系统工作于工作区B，如图5所示。根据网侧变流器发出的有功P out 与无功Q out 来确定系统工作点在哪一个工作区；在不同的工作区，采用不同的机、网侧变流器SVPWM组合控制策略，实现对系统的控制；具体为：在工作区A，网侧采用VVS控制方式，机侧采用NTV控制方式；在工作区B，网侧采用NTV控制方式，机侧采用VVS控制方式。
表1是针对某一系统在两个工作区，分别采用不同的组合方式得到的测试结果，理论分析与测试结果表明，在和区A，VVS（网侧）-NTV（机侧）具有较好的综合特性；在工作区B，NTV（网侧）-VVS（机侧）具有较好的综合特性。 
表1 对比分析 
网侧-机侧 工作区A 工作区B 开关损耗
VVS-VVS ±20V ±30V 最大
NTV-VVS ±33V ±50V 较小
VVS-NTV ±25V ±60V 较大
NTV-NTV ±38V ±75V 最小
本发明实施例的具体控制流程为：
1、判断变流器的工作点；
2、根据工作点对机、网侧变流器选择对应的SVPWM调制技术；
3、对输出矢量所在的扇区进行判断，之后判断当前输出矢量在线性调制区还是在过调制区，
4、在不同的调制区按照相应公式计算各相桥臂IGBT的占空比；
5、判断当前中点电压波动是否超过预设值，如果超过，根据中点电压波动抑制方法，对相应IGBT的占空比进行按公式修正，实现对中点电压波动的抑制。
  

Claims (1)

1.一种二极管箝位三电平背靠背变流器SVPWM控制策略，其特征是：
根据系统的额定有功P N与额定无功Q N，将三电平背靠背变流器系统的工作区划分为工作区A 和工作区B；其划分依据为：当系统实际无功Q out >系统实际有功P out 时，系统工作于工作区A；当系统实际无功Q out <系统实际有功P out 时，系统工作于工作区B；
根据网侧变流器发出的有功P out 与无功Q out 来确定系统工作点在哪一个工作区；在不同的工作区，采用不同的机、网侧变流器SVPWM组合控制策略，实现对系统的控制；具体为：在工作区A，网侧采用VVS控制方式，机侧采用NTV控制方式；在工作区B，网侧采用NTV控制方式，机侧采用VVS控制方式。
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