CN105490553A - 一种无需交直流电流传感器的多电平风电变流装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无需交直流电流传感器的多电平风电变流装置，属于发电、变电或配电技术领域。该变流装置串接于风电机组与电网之间，该变流装置包括：网侧控制器、MPPT控制器、第一变流单元、第二变流单元、陷波器；第一变流单元、第二变流单元及陷波器依次串联；并通过各控制器控制该变流装置内各单元实现前馈控制,以实现风电机组的并网发电。该变流装置减少了风电机组在并网时可能带入电网的谐波分量，间接消除了谐波分量可能对电网带来的危害。

Description

一种无需交直流电流传感器的多电平风电变流装置

技术领域

本发明涉及一种无需交直流电流传感器的变流装置，属于发电、变电或配电技术领域。

背景技术

风能、太阳能是一种巨量的可再生能源，在国家政策的激励下，我国可再生能源发展迅速。可再生能源中，风电开发技术最成熟，开发成本最低，我国已规划建设数十个百万千瓦和九个千万千瓦风电基地。到2013年底我国风电装机容量在全球摇摇领先，达到9.14万千瓦。由于成本等原因，我国太阳能光伏发电起步较晚，随着光伏发电成本的答复降低，近几年发展迅速，2013年全年新增容量超过1000万，是2012年的近3倍，至2013年底，我国光伏发电装机容量已超过1700万千瓦。

然而风力发电、太阳能光伏发电是一种特殊的电力，具有许多不同于常规能源发电的特点，它们具有间歇性和波动性的特点，因而大规模风电、光伏发电的并网对电网的安全运行等诸多方面带来了新的挑战，同时风电的这些特性也将成为制约可再生大规模发展的严重障碍。

所以实际使用中如何解决风能的间歇性和波动性是一个将风能进行推广过程中需克服的很重要问题，现有技术将风能与大电容或超级电池相结合将其进行存储后再利用，在能源转换过程中存在能量的损耗。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提出一种有两个变流电路的无需交直流电流传感器的多电平风电变流装置，用以将风电机组的变频交流电转换成定频交流电，以实现并网发电，同时在最大程度上降低风电机组对电网带来的谐波影响。

本发明为解决上述技术问题提出的技术方案是：一种无需交直流电流传感器的多电平风电变流装置，该变流装置串接于风电机组与电网之间，其特征在于包括：网侧控制器、MPPT控制器、第一变流单元、第二变流单元、陷波器；

所述第一变流单元、所述第二变流单元及所述陷波器依次串联；所述网侧控制器的本地端与所述MPPT控制器的通讯端相连，所述网侧控制器的通讯端与所述MPPT控制器的本地端相连；

所述网侧控制器的控制端与所述第二变流单元的受控端相连，所述MPPT控制器的控制端与所述第一变流单元的受控端相连；

所述陷波器的输出端连接有所述电压互感器，所述电压互感器输出端连接到所述网侧控制器的电压输入端；

所述MPPT控制器用于测量和汇总所述第一变流单元输出端的母线电压及所述风电机组的输出电压；

所述网侧控制器用于测量所述电压互感器上的电压，并进行前馈控制计算，再将计算结果反馈给所述MPPT控制器，所述MPPT控制器将收到的反馈与通过实测得到的所述第一变流单元输出端的母线上功率比较，根据比较结果调整所述第一变流单元以的转换系数，以保证所述第一变流单元传输给所述第二变流单元的电平恒定。

上述技术方案的改进是：所述前馈控制计算是无需交直流电流的基于所述陷波器的电网侧电压的前馈控制计算，该前馈控制计算包括第一加法器输出f₁计算、第二加法器输出f₂计算、第三加法器输出f₃计算、第四加法器输出f₄计算及第五加法器输出f₅计算，算式如下,

f₁＝i*-i×H(s)

f₂＝f₁×G_i(s)

f₃＝(f₂-e*)/Z_L

f₄＝i-f₃

f₅＝e*-V_ac

e*＝f₄×Z_C

i＝f₅/Z_LC

e*为所述第二变流单元的输出电压计算值；

V_ac为所述陷波器的网侧电压测量值；

i为所述陷波器电流的估算值；

i^*为所述陷波器的网侧电流参考值；

H(s)为所述陷波器电流的反馈系数，0<||H(s)||<1；

G_i(s)为系统的传递函数，0<||G_i(s)||<1；

Z_L为所述陷波器的电感阻抗，Z_C为所述陷波器的电容阻抗，Z_LC为所述陷波器回路中电容与电感的综合阻抗；

此外，所述第一变流单元输出端的直流母线上功率的计算值为η为所述第一变流单元的转换效率。

上述技术方案的改进是：所述第一变流单元输出端的直流母线上功率的实测值为P_dc，该功率的实测值与所述第一变流单元输出端的直流母线电压值V_dc成正比；所述第一变流单元输出端电压值V_dc与所述风电机组的输出电压V_b成正比，比例系数为所述第一变流单元的转换系数。

上述技术方案的改进是：所述陷波器为一个并联谐振回路，且组成所述并联谐振回路的电感值L和电容值C与所述第二变流单元的开关频率f_s满足：

上述技术方案的改进是：所述MPPT控制器用于对所述第一变流单元进行独立的最大功率点跟踪。

上述技术方案的改进是：当该变流装置在工作状态下，所述第一变流单元用于为所述第二变流单元提供恒定电平的信号，所述第二变流单元用于将收到的电平信号进行逆变输出交变信号；所述第一变流单元与第二变流单元均为三电平电路结构。

上述技术方案的改进是：所述第二变流单元用于将从第一变流单元接收到的恒压直流电转换成交流电输送给所述陷波器，所述第二变流单元为三电平逆变电路。

本发明采用上述技术方案的有益效果是：本发明利用第一变流电路将风电机组的变频交流电，即不是很稳定的电能转换成恒定的直流，也即第一变流电路实质实现的是整流功能，然后再将恒定直流通过第二变流电路转换成定频交流电，因此这里第二变流电路实质实现逆变功能，并利用前馈控制，来控制整个变流装置以实现上述各部分所要达到的功能；而整流逆变后的电能会存在的谐波分量，会影响整个电网的稳定性，造成电涌等问题出现，所以我们需要滤除谐波分量，一般使用滤波电路的组合。而在本案中，由于我们的逆变电路使用的三电平的电路，该电路特点是转换后的谐波分量多集中在高频，因此我们可以集中处理高频谐波分量，所以使用陷波器进行一个高频谐波分量的处理，大大降低了滤波难度和并网后谐波对电网产生的影响。同时通过限波器两端电压，计算出电流，取代了交流电流传感器；通过转换效率计算储能单元输出功率，取消了直流传感器，解决了交直流传感器带来的测量精度和稳定性问题。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例无需交直流电流传感器的多电平风电变流装置的结构示意图。

图2是图1中第一变流电路/第二变流电路的结构示意图。

图3是图1中网侧控制器的电路图。

图4是图1中MPPT控制器的电路图。

图5是本发明实施例前馈控制计算的逻辑框图。

具体实施方式

实施例

本实施例的一种无需交直流电流传感器的多电平风电变流装置，如图1所示，该变流装置串接于风电机组与电网之间，网侧控制器1、MPPT控制器2、第一变流单元3、第二变流单元4、陷波器5；

第一变流单元3、第二变流单4元及陷波器5依次串联；网侧控制器1的本地端与MPPT控制器2的通讯端相连，网侧控制器1的通讯端与MPPT控制器2的本地端相连；

网侧控制器1的控制端与第二变流单元4的受控端相连，MPPT控制器2的控制端与第一变流单元3的受控端相连；

陷波器5的输出端连接有电压互感器，电压互感器输出端连接到网侧控制器1的电压输入端；

网侧控制器1用于测量电压互感器上的电压，并进行前馈控制计算。如图5所示，前馈控制计算是无需交直流电流的基于所述陷波器的电网侧电压的前馈控制计算，该前馈控制计算包括第一加法器输出f₁计算、第二加法器输出f₂计算、第三加法器输出f₃计算、第四加法器输出f₄计算及第五加法器输出f₅计算，算式如下,

f₁＝i*-i×H(s)

f₂＝f₁×G_i(s)

f₃＝(f₂-e*)/Z_L

f₄＝i-f₃

f₅＝e*-V_ac

e*＝f₄×Z_C

i＝f₅/Z_LC

e*为第二变流单元4的输出电压计算值；

V_ac为陷波器5的网侧电压测量值；

i为陷波器5电流的估算值；

i^*为陷波器5的网侧电流参考值；

H(s)为陷波器5电流的反馈系数，0<||H(s)||<1；

G_i(s)为系统的传递函数，0<||G_i(s)||<1；

Z_L为陷波器5的电感阻抗，Z_C为陷波器5的电容阻抗，Z_LC为陷波器5回路中电容与电感的综合阻抗；

此外，第一变流单元3输出端的直流母线上功率的计算值为η为第一变流单元5的转换效率，η＝0.98。

并将计算结果送到MPPT控制器2，MPPT控制器2将收到的第一变流单元3输出端的直流母线上功率的计算值P_d ^* _c与第一变流单元3输出端的直流母线上功率的实测值P_dc比较，根据比较结果调整控制第一变流单元3的转换系数，以保证第一变流单元3传输给第二变流单元4的电平恒定。

陷波器5为一个并联谐振回路，且组成并联谐振回路的电感值L和电容值C与第二变流单元的开关频率f_s满足：

MPPT控制器2对第一变流单元3进行独立的最大功率点跟踪。

当该变流装置在工作状态下，第一变流单元3用于为第二变流单元4提供恒定电平的信号，第二变流单元4用于将收到的电平信号进行逆变输出交变信号；第一变流单元3与第二变流单元4均为三电平电路结构，三电平电路结构如图2所示。

第二变流单元4用于将从第一变流单元3接收到的恒压直流电转换成交流电输送给陷波器5，第二变流单元4为三电平逆变电路，而第一变流单元3为三电平整流电路。

装置的各组成的受控端依据对应的反馈状态进行调整，MPPT控制器2还监测超级电容的电压与电流，以得到第一变流单元3独立的最大功率点。MPPT控制器2控制第一变流单元3为第二变流单元4提供稳定恒压。第二变流单元4将恒压直流电转换成定频交流电，并输送到陷波器中。

在本实施例中，如图3、4所示，网侧控制器1包括DSP28335、交流电压电流采集电路和第一控制驱动电路，交流电压采集电路将电压互感器6上的交流电压输送到DSP28335的交流电压输入端，DPS28335将交流功率波动发送给MPPT控制器2，控制第一变流单元3工作。

MPPT控制器2包括DPS28335、直流电压电流采集电路和控制驱动电路，直流电压采集电路将直流电压输送到DSP的直流电压输入端，直流电流采集电路将直流电流输送到DSP28335的直流电流输入端，DPS28335通过控制驱动电路控制第一变流单元3的输出。

本实施例的无需交直流电流传感器的多电平风电变流装置优势在于：

1)将洁净的、可再生能源－风能发电转换为交流电输送给电网，其中需要注意要先转换成恒定电平的直流电才能再做逆变处理；

2)三电平逆变电路的谐波分量集中高频部分，易于滤除；

3)采取陷波器滤除高次谐波，效果显著，提高了电网并网点的电能质量；

4)前馈型控制计算有效抑制谐振产生，使得变流装置整体运行通畅。

本发明不局限于上述实施例。凡采用等同替换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种无需交直流电流传感器的多电平风电变流装置，该变流装置串接于风电机组与电网之间，其特征在于包括：网侧控制器、MPPT控制器、第一变流单元、第二变流单元、陷波器；

所述第一变流单元、所述第二变流单元及所述陷波器依次串联；所述网侧控制器的本地端与所述MPPT控制器的通讯端相连，所述网侧控制器的通讯端与所述MPPT控制器的本地端相连；

所述网侧控制器的控制端与所述第二变流单元的受控端相连，所述MPPT控制器的控制端与所述第一变流单元的受控端相连；

所述陷波器的输出端连接有所述电压互感器，所述电压互感器输出端连接到所述网侧控制器的电压输入端；

所述MPPT控制器用于测量和汇总所述第一变流单元输出端的母线电压及所述风电机组的输出电压；

所述网侧控制器用于测量所述电压互感器上的电压，并进行前馈控制计算，再将计算结果反馈给所述MPPT控制器，所述MPPT控制器用于将收到的反馈与通过实测得到的所述第一变流单元输出端的母线上功率比较，根据比较结果调整所述第一变流单元以的转换系数。

2.如权利要求1所述的无需交直流电流传感器的多电平风电变流装置，其特征在于：所述前馈控制计算是无需交直流电流的基于所述陷波器的电网侧电压的前馈控制计算，该前馈控制计算包括第一加法器输出f₁计算、第二加法器输出f₂计算、第三加法器输出f₃计算、第四加法器输出f₄计算及第五加法器输出f₅计算，算式如下,

f₁＝i*-i×H(s)

f₂＝f₁×G_i(s)

f₃＝(f₂-e*)/Z_L

f₄＝i-f₃

f₅＝e*-V_ac

e*＝f₄×Z_C

i＝f₅/Z_LC

e*为所述第二变流单元的输出电压计算值；

V_ac为所述陷波器的网侧电压测量值；

i为所述陷波器电流的估算值；

i^*为所述陷波器的网侧电流参考值；

H(s)为所述陷波器电流的反馈系数，0<||H(s)||<1；

G_i(s)为系统的传递函数，0<||G_i(s)||<1；

Z_L为所述陷波器的电感阻抗，Z_C为所述陷波器的电容阻抗，Z_LC为所述陷波器回路中电容与电感的综合阻抗；

此外，所述第一变流单元输出端的直流母线上功率的计算值为η为所述第一变流单元的转换效率。

3.如权利要求1所述的无需交直流电流传感器的多电平风电变流装置，其特征在于：所述第一变流单元输出端的直流母线上功率的实测值为P_dc，该功率的实测值与所述第一变流单元输出端的直流母线电压值V_dc成正比；所述第一变流单元输出端电压值V_dc与所述风电机组的输出电压V_b成正比，比例系数为所述第一变流单元的转换系数。

4.如权利要求1所述的无需交直流电流传感器的多电平风电变流装置，其特征在于：所述陷波器为一个并联谐振回路，且组成所述并联谐振回路的电感值L和电容值C与所述第二变流单元的开关频率f_s满足 $f_s=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}\sqrt{LC}.$

5.如权利要求1所述的无需交直流电流传感器的多电平风电变流装置，其特征在于：所述MPPT控制器用于对所述第一变流单元进行独立的最大功率点跟踪。

6.如权利要求1所述的无需交直流电流传感器的多电平风电变流装置，其特征在于：当该变流装置在工作状态下，所述第一变流单元用于为所述第二变流单元提供恒定电平信号，所述第二变流单元用于将收到的电平信号进行逆变输出交变信号；所述第一变流单元与第二变流单元均为三电平电路结构，其中所述第一变流单元为三电平整流电路，所述第二变流单元为三电平逆变电路。

7.如权利要求1-6之任一所述的无需交直流电流传感器的多电平风电变流装置，其特征在于：所述第二变流单元用于将从第一变流单元接收到的恒压直流电转换成交流电输送给所述陷波器。