CN103560540A - 基于三电平变换器直驱式风电机组低电压穿越控制系统 - Google Patents

Abstract

一种基于三电平变换器直驱式风电机组低电压穿越控制系统，其特征在于它包括主电路模块、控制模块和数据处理模块；其优越性在于：变流器具有较高的自由度和灵活性，而且能起到保护功率器件的作用，既能控制有功功率又能控制无功功率。本发明能够很好地完成基于飞跨电容型三电平变流器的直驱风力发电机组的低电压穿越控制。

Description

基于三电平变换器直驱式风电机组低电压穿越控制系统

（一）技术领域：

本发明专利涉及低电压穿越控制技术领域，是一种基于三电平变换器直驱式风电机组低电压穿越控制系统。 

（二）背景技术：

风能是一种无污染、可再生的能源。风力发电在未来的能源结构中将占有越来越重要的地位，风力发电技术成为各国研究的热点。风机与发电机之间的转速匹配是一个关键问题，低速运转的风机与发电机一般需要通过升速齿轮箱连接。大容量齿轮箱价格昂贵、故障率高、维护困难，因此齿轮箱的存在已成为风力发电系统进一步发展的瓶颈。而直驱式风力发电系统采用风轮机直接驱动多极低速永磁同步发电机发电，通过功率变换电路将电能转换后直接并入电网，降低了噪声，提高了发电效率。因此开发直驱式风力发电系统是提高系统效率和可靠性的有效途径。 

三电平逆变器在中高压变频调速、有源电力滤波装置、电力系统无功补偿和风力发电等领域得到了广泛应用。与传统两电平结构相比，三电平结构具有如下优点： 

1）每个功率管上只承受一半的直流侧电压； 

2）在相同的开关频率下，输出电压、电流谐波含量小； 

3）在每个功率管导通和关断过程中，功率管只承担一半的直流侧电压，因此器件开关损耗低。 

低电压穿越(LVRT)，指在风力发电机并网点电压跌落的时候，风机能够保持并网，甚至向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复，直到电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间。是对并网风机在电网出现电压跌落时仍保持并网的一种特定的运行功能要求。不同国家和地区所提出的LVRT要求不尽相同。目前在一些风力发电占主导地位的国家，如丹麦、德国等已经相继制定了新的电网运行准则，定量地给出了风电系统离网的条件(如最低电压跌落深度和跌落持续时间)，只有当电网电压跌落低于规定曲线以后才允许风力发电机脱网， 当电压在凹陷部分时，发电机应提供无功功率。这就要求风力发电系统具有较强的低电压穿越(LVRT)能力，同时能方便地为电网提供无功功率支持，永磁直驱型变速恒频风力发电系统已被证实在这方面拥有出色的性能。 

（三）发明内容：

本发明的目的在于提供一种基于三电平变换器直驱式风电机组低电压穿越控制系统，它可以克服已有三电平变换器直驱式风力发电机组的低电压穿越控制方法的控制效果难以达到满意效果的难题，是一种一种能够对三电平变换器直驱式风力发电机组实现良好的控制效果的低电压穿越控制装置。 

本发明的技术方案：一种基于三电平变换器直驱式风电机组低电压穿越控制系统，其特征在于它包括主电路模块、控制模块和数据处理模块；其中所述主电路模块的输入端与数据处理模块的输出端连接，其输出端与控制模块的输入端连接；所述数据处理模块的输入端接收控制模块的输出信号。 

所述主电路模块由风力机、永磁直驱发电机、飞跨电容型三电容整流器、Boost斩波升压电力和飞跨电容型三电容逆变器；其中所述风力机、永磁直驱发电机、飞跨电容型三电容整流器、Boost斩波升压电力和飞跨电容型三电容逆变器依次连接，所述飞跨电容型三电容逆变器与电网连接；所述飞跨电容型三电容整流器是主电路的机侧变流器；所述飞跨电容型三电容逆变器是主电路的网侧变流器。 

所述控制模块由带A/D单元的TMs320F28lx系列DSP芯片构成。 

所述数据处理模块由FPGA芯片构成；所述FPGA芯片内部由可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）构成，且接受控制模块的DSP芯片的A/D单元的输出控制信号，其输出端输出PWM信号送入主电路模块的机侧变流器和网侧变流器的输入端。 

本发明的工作原理：主电路部分采用风力机与低速永磁直驱发电机直接连结,发电机的三相定子绕组直接接到变流器的机侧端，而变流器的网侧端与电网相连,变流器的机侧端采用飞跨型三电平整流器进行整流,然后通过交叉型Boost电路进行升压后逆变并网。而机侧端 逆变器采用飞跨型三电平逆变器。这种飞跨电容型多电平变流器的电平合成的自由度和灵活性高于二极管钳位型多电平变流器。飞跨电容型多电平变流器的优点是开关方式灵活、对功率器件保护能力较强；既能控制有功功率,又能控制无功功率,适于高压直流输电系统等。为了使电容的充放电保持平衡,对于中间值电平需要采用不同的开关组合。这种拓扑结构可以用低耐压的器件实现高压大功率输出,无需动态均压电路,无需变压器；电平数的增加,既可改善输出电压波形又可减少电磁干扰。 

为了保证在电网电压跌落时输送给电网的功率保持不变，并考虑到装置成本和控制复杂度的要求，采用了卸荷电路和网侧变流器的无功支撑模式相结合的控制策略来解决低电压穿越的问题，以满足电网风电场接入电网的规定。 

控制电路部分采用DSP与现场可编程门阵列（FPGA）相结合控制器。DSP沿用原有两电平系统的成熟的控制算法，针对三电平变流器的拓扑结构特殊性，在FPGA中构造三电平PWM IP核，完成三电平调制、驱动脉冲分配、中点电位平衡控制、零序电IE注入等功能。 

控制单元采用的是TMs320F28lx系列DSP，它集高性能微控制器和微处理器的特点于一身，具有强大的控制和信号处理能力，能够实现复杂的控制算法，其特点包括，采用高性能的静态COMS技术，高速低功耗设计;高性能的32位CPU，哈佛总线结构，快速的中断和响应能力，所有存储空间采用统一寻址方式;多种片上存储器，包括RAM、ROM、FLASH存储器等;128位密码保护用户程序代码;多种串口通信外设，包括SCI、SPI、CAN、McBSP;高达56个可配置通用目的FO引脚;硬件支持实时仿真功能，为用户应用程序的开发提供了极大的方便;灵活实用的时钟和系统控制方式;高效代码转换功能，代码向下兼容TMS320F24x系列DSP;特殊电机控制外设，包括两个事件管理器模块和一个12位AD转换模块，可以为电机提供高速、高效和全变速的先进控制技术。 

FPGA的基本特点主要有：1）采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。3）FPGA内部有丰富的触发器和I ／O引脚。4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。5)FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。 

对于飞跨电容型变流器在单相系统中（如图3所示）来说其4个开关管共有4种可能的工作状态： 

(1)当开关V1和V2开通时,输出U/2; 

(2)当开关V1和V3开通时,直流母线对飞跨电容充电,此时电路输出为0; 

(3)当开关V2和V4开通时,飞跨电容通过负载放电,此时电路输出为0; 

(4)当开关V3和V4开通时,输出-U/2。 

输出U/2和-U/2时,2种状态下电流不流过飞跨电容,所以不影响飞跨电容的电压;而输出为0的2种状态下,会分别对飞跨电容充电和放电,为了维持飞跨电容的电压平衡,必须使充放电的时间保持相等。 

在本发明中的控制电路部分主要包括，整流部分的控制以及逆变部分的控制两个部分来完成风电机组的低电压穿越控制。 

整流部分（机侧变流器）的控制策略： 

机侧控制包括：矢量控制；转子速度和位置估计；MPPT算法和变浆控制。矢量控制内部足电流控制器，基于机侧变流器的电压方程，去抻耦合项后，分别独立控制。推导过程如下： 

$V_{\mathrm{sd}}=R_s{i}_{\mathrm{sd}}+L_s\frac{d}{\mathrm{dt}}{i}_{\mathrm{sd}}-{\mathrm{\ω}}_s{L}_s{i}_{\mathrm{sq}}$

$V_{-\mathrm{sq}}=R_s{i}_{\mathrm{sq}}+L_s\frac{d}{\mathrm{dt}}{i}_{\mathrm{sq}}+{\mathrm{\ω}}_s{L}_s{i}_{\mathrm{sd}}+{\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{\ψ}}_r$

其中：V_sdi_sdV_sqi_sq分別为d轴和q轴的定子电压和电流 

R_sL_s为定子电阻和电感 

ω_s为转子角速度 

ψ_r为转子磁链 

所以有： 

Δu_sd=-ω_sL_si_sq

Δu_sq=ω_sL_si_sd+ω_sψ_r

电磁转矩和机械方程有 

$T_e=\frac{P}{2}{\mathrm{\ψ}}_r{i}_{\mathrm{sq}}$

$T_m-T_e=J\frac{d}{\mathrm{dt}}\mathrm{\ω}+\mathrm{b\ω}$

其中：P为极对数；T_e电磁转矩；T_m为机械转矩；J为转动惯量；ω为风机机械角速度；b为摩擦系数。 

机侧变流器实现速度和无功的控制；最大功率点跟踪控制。 

网侧变流器控制的基本目的是传递给电网产生的有功功率保证直流母线电压恒定和根据主控系统要求提供需要的无功功率。网侧控制由直流母线外环控制和内部矢量电流控制构成。 

网侧电压方程为 

$\frac{d}{\mathrm{dt}}{i}_d=\mathrm{\ω}{i}_d-\frac{R_L}{L}{i}_d+\frac{1}{L}{V}_{\mathrm{VSId}}-\frac{1}{L}{V}_{\mathrm{sdp}}$

$\frac{d}{\mathrm{dt}}{i}_q=-\mathrm{\ω}{i}_q-\frac{R_L}{L}{i}_q+\frac{1}{L}{V}_{\mathrm{VSIq}}-\frac{1}{L}{V}_{\mathrm{sqp}}$

其中：i_di_q为d轴和q轴上的电网电流 

R_L为滤波器电阻 

L为滤波器电感 

V_VSIdV_VSIq为网侧变流器终端电压 

V_sdpV_sqp为正序电网电压 

网侧包括两种工作模式：正常模式和无功支撑模式。 

正常模式下，对于机侧变流器，速度参考根据MPPT算法给出，来根据风能的大小提供最大的功率。电磁转矩和机械转矩要配合。在速度参考下，给出机侧参考电流

有功功率从电机侧流到直流侧。为了保证直流母线电压与参考电压一致，网侧电压外环给出电网侧变流器参考

因此同样数量的有功功率被转到了电网。同时，提供给电网的无功功率可以通过改变

来调整，与有功功率调整相独立。 

机侧控制电机速度和有功功率，网侧控制直流母线电压和无功功率流。 

在无功支撑模式下，在电网电压跌落发生时，需要满足LVRT要求。因此，电网侧有功和无功功率参考LVRT要求给定，但电机侧继续给有功，如果不加任何控制会导致直流母线电压上升，系统崩溃，器件损坏。所以添加了卸荷电阻用来消耗多余的有功功率。卸荷电路控制器是基于DSP作为控制载体实现的，由DSP通过计算直流母线两侧输入和输出功率的偏差Δp,当Δp>Δp_max时，投入卸荷电路，对进行PI调节，输出PWM信号至功率器件，使直流侧多余的能量消耗在电阻上，当Δp<Δp_max时，切除卸载电阻的作用，在投入和切除之间设置一定的滞环。 

如果功率偏差对卸荷电路的控制不够快，直流侧电压作为辅助的判断条件。 

本发明的优越性在于：利用高性能数字信号处理芯片与可编程逻辑阵列通过相应的控制策略实现直驱风力发电机组的低电压穿越控制，主电路部分设计了适合直驱式风力发电机组的背靠背飞跨电容型三电平变流器，这种形式的变流器具有较高的自由度和灵活性，而且能起到保护功率器件的作用，既能控制有功功率又能控制无功功率。本发明能够很好地完成基于飞跨电容型三电平变流器的直驱风力发电机组的低电压穿越控制。 

（四）附图说明：

图1为本发明所涉一种基于三电平变换器直驱式风电机组低电压穿越控制系统的整体结构框图。 

图2为本发明所涉一种基于三电平变换器直驱式风电机组低电压穿越控制系统中主电路模块的电路结构示意图。 

图3为本发明所涉一种基于三电平变换器直驱式风电机组低电压穿越控制系统中主电路模块对应的单向系统工作原理图。 

图4为本发明所涉一种基于三电平变换器直驱式风电机组低电压穿越控制系统中控制电路的结构框图。 

（五）具体实施方式：

实施例：一种基于三电平变换器直驱式风电机组低电压穿越控制系统（见图1），其特征在于它包括主电路模块、控制模块和数据处理模块；其中所述主电路模块的输入端与数据处理模块的输出端连接，其输出端与控制模块的输入端连接；所述数据处理模块的输入端接收控制模块的输出信号。 

所述主电路模块（见图2）由风力机、永磁直驱发电机、飞跨电容型三电容整流器、Boost斩波升压电力和飞跨电容型三电容逆变器；其中所述风力机、永磁直驱发电机、飞跨电容型三电容整流器、Boost斩波升压电力和飞跨电容型三电容逆变器依次连接，所述飞跨电容型三电容逆变器与电网连接；所述飞跨电容型三电容整流器是主电路的机侧变流器；所述飞跨电容型三电容逆变器是主电路的网侧变流器。 

所述控制模块由带A/D单元的TMs320F28lx系列DSP芯片构成。 

所述数据处理模块由FPGA芯片构成；所述FPGA芯片内部由可配置逻辑模块CLB、输出输入模块IOB和内部连线构成，且接受控制模块的DSP芯片的A/D单元的输出控制信号，其输出端输出PWM信号送入主电路模块的机侧变流器和网侧变流器的输入端（见图1）。 

Claims (4)

1.一种基于三电平变换器直驱式风电机组低电压穿越控制系统，其特征在于它包括主电路模块、控制模块和数据处理模块；其中所述主电路模块的输入端与数据处理模块的输出端连接，其输出端与控制模块的输入端连接；所述数据处理模块的输入端接收控制模块的输出信号。

2.根据权利要求1所述一种基于三电平变换器直驱式风电机组低电压穿越控制系统，其特征在于所述主电路模块由风力机、永磁直驱发电机、飞跨电容型三电容整流器、Boost斩波升压电力和飞跨电容型三电容逆变器；其中所述风力机、永磁直驱发电机、飞跨电容型三电容整流器、Boost斩波升压电力和飞跨电容型三电容逆变器依次连接，所述飞跨电容型三电容逆变器与电网连接；所述飞跨电容型三电容整流器是主电路的机侧变流器；所述飞跨电容型三电容逆变器是主电路的网侧变流器。

3.根据权利要求1所述一种基于三电平变换器直驱式风电机组低电压穿越控制系统，其特征在于所述控制模块由带A/D单元的TMs320F28lx系列DSP芯片构成。

4.根据权利要求1所述一种基于三电平变换器直驱式风电机组低电压穿越控制系统，其特征在于所述数据处理模块由FPGA芯片构成；所述FPGA芯片内部由可配置逻辑模块CLB、输出输入模块IOB和内部连线构成，且接受控制模块的DSP芯片的A/D单元的输出控制信号，其输出端输出PWM信号送入主电路模块的机侧变流器和网侧变流器的输入端。

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