CN107046297A - 直流串联永磁风电场拓扑结构及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种直流串联永磁风电场拓扑结构及其控制方法，其中，本发明一种直流串联永磁风电场拓扑结构包括：n个串联支路和直流母线，串联支路包括顺序连接的直驱永磁风力发电机、PWM整流器和半桥子模块，半桥子模块包括一个电容和2个串联的IGBT，电容与串联后的2个IGBT并联；第一个串联支路的半桥子模块的中间点和第n个串联支路的半桥子模块的中间点分别与直流母线相连；第n‑1个串联支路的输出端分别与第n个串联支路的半桥子模块的中间点相连接，且n≥3。本发明提供一种直流串联永磁风电场拓扑结构，以解决现有用于常规串联结构风电场所存在输出电压耦合、及交流并网所选在的成本高和功率损耗高的技术问题。

Description

直流串联永磁风电场拓扑结构及其控制方法
技术领域
本发明涉及风力发电领域技术领域，更具体地，涉及一种直流串联永磁风电场拓扑结构及其控制方法。
背景技术
能源是人类生存和发展的物质基础，在社会发展中起到关键性的作用，然而，随着社会经济的发展，一方面人们对能源的需求与日俱增，另一方面人们遭遇到了由能源短缺问题和能源消耗导致的环境污染问题引起的巨大挑战，新能源发电技术成为国内外寻求解决能源问题的研究热点。风能是一种清洁、无污染的自然能源，风力发电技术正得到广泛的推广与应用。
国内外研究资料表明，风电场通过直流并网可以改善功率因数，以最高效率输送电能，它与电网耦合性较低，能够实现有功功率和无功功率的独立控制。当直流并网结构中多回直流换相失败后，直流大部分回退的功率可以被就地平衡，对整个送端系统的安全稳定运行不会产生较大影响。现阶段含风场的分布式电源并网多采用交流结构，即将风电场发出的交流电能，通过背靠背换流站或者直接经变压器升压后与交流大电网连接。这种拓扑结构相对成熟，但交流并网条件较苛刻，对频率、相位等因素要求很高，一旦不满足，则容易产生大量谐波和无功分量，导致并网失败。此外，交流传输线路会产生大量容性无功功率，需要添加无功补偿设备，这又从另一方面增加了系统构造的成本。
直流并网的结构具有灵活性优势，各个风电机组通过相应的接口电路并入直流母线，可以简化电网的控制，排除了电压相位、无功功率等一些交流电能质量指标，只需要控制风电场内部电网的电压，整个电网呈现出一种最为简单的纯阻性直流电路，这使得控制更为简单，效率得以提高。
在直流串联拓扑海上风场中，直驱风机经变流器整流后，直流电流相同，直流侧出口电压是随着风机捕获的风能按比例分配，串联组中一台风机风速上升，则此直流风机直流侧出口电压也随着上升，其他直流风机直流侧电压按新的电磁功率比例随之降低以维持总直流传输母线电压不变，这使得风机之间的耦合严重，且若单台机组直流侧电压上升过高，会危及整个系统的稳定性，要实现串联组风机之间的解耦控制，则需增加额外的蓄电池等储能设备。
发明内容
本发明提供一种直流串联永磁风电场拓扑结构，以解决现有用于常规串联结构风电场所存在输出电压耦合、及交流并网所选在的成本高和功率损耗高的技术问题。
根据本发明的一个方面，提供一种直流串联永磁风电场拓扑结构，其包括：n个串联支路和直流母线，所述串联支路包括顺序连接的直驱永磁风力发电机、PWM整流器和半桥子模块，所述半桥子模块包括一个电容和2个串联的IGBT，所述电容与所述串联后的2个IGBT并联，且所述两个IGBT相互连接点为所述半桥子模块的中间点；
所述第一个串联支路的半桥子模块的中间点和所述第n个串联支路的半桥子模块的中间点分别与所述的直流母线相连；
且所述第n-1个串联支路的输出端分别与第n个所述串联支路的半桥子模块的中间点相连接，其中，n≥3。
在上述方案基础上优选，所述电容的容量为1200uF，所述IGBT的耐压值为1200V。(此处建议发明人予以给出相应的范围值)
本发明还提供了一种直流串联永磁风电场拓扑结构的控制方法，其包括以下步骤：
S1.获取每一个串联支路中所述电容的端电压值Udcn，获取电容的平均电压Udcav和直流侧电流参考值其中，n≥3；
S2.将直流侧电流参考值与直流侧电流实际值Idc做差，并将获取的差值经第一PI调节器获取电流闭环控制的输出信号；
S3.将所获取的电容的平均电压Udcav与每一个串联支路的所述电容的电压值Udcn进行比较，获取两者之差，并将获取的差值通过第二PI调节器以获取每一个串联支路的输出信号；
S4.将获取到的电流闭环控制的输出信号分别与每一个串联支路的输出信号进行叠加，并通过SPWM逆变器控制输出得到所述每一个半桥子模块的开关信号，以控制串联支路子模块的通断。
在上述方案基础上优选，所述步骤S1中直流侧电流参考值的获取方法进一步包括以下步骤：
将所述电容的平均电压Udcav与电容电压参考值比较以获取两者的差值，将所获取的差值通过第三PI调节器，以得到所述的直流侧电流参考值
在上述方案基础上优选，所述的第一PI调节器的比例系数为0.5，积分系数为100。
在上述方案基础上优选，所述第二PI调节器的比例系数为0.5，积分系数为110。
在上述方案基础上优选，所述的第三PI调节器的比例系数为0.55，积分系数为110。
在上述方案基础上优选，所述电容电压参考值为800V。
在上述方案基础上优选，所述步骤S1中电容的平均电压Udcav表达方式如下：
其中，Udcn表示第n个串联支路的电压值，且n≥3。
本申请提出一种直流串联永磁风电场拓扑结构，其具有以下优点：
1)将串联支路进行模块化，简单可行，易于实现，提高了整个系统的可靠性和冗余性；
2)解决了常规串联结构中输出电压耦合的弊端，且无需蓄电池储能，实现能量的动态控制。
附图说明
图1为本发明的一种直流串联永磁风电场拓扑结构的整体结构示意图图；
图2为本发明的半桥子模块的放大图；
图3为本发明的一种直流串联永磁风电场拓扑结构的控制方法流程图；
图4为发明的一种直流串联永磁风电场拓扑结构的控制方法原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
请参阅图1所示，本发明提供了一种直流串联永磁风电场拓扑结构，其包括：n个串联支路和直流母线，串联支路包括顺序连接的直驱永磁风力发电机、PWM整流器和半桥子模块，且n为大于等于3的正整数。
其中，本发明的半桥子模块包括一个电容和2个串联的IGBT，电容与串联后的2个IGBT并联，且定义两个IGBT相互连接点为半桥子模块的中间点，具体结构见图2所示。
本发明的n个串联支路相互串联，并使第一个串联支路的半桥子模块的中间点和所述第n个串联支路的半桥子模块的中间点分别与直流母线相连；
且第n-1个串联支路的输出端分别与第n个串联支路的半桥子模块的中间点相连接。
优选的，本发明电容的容量为1200uF，IGBT的耐压值为1200V。
请继续参阅图3所示，本发明还提供了一种直流串联永磁风电场拓扑结构的控制方法，其包括以下步骤：
S1.获取每一个串联支路中电容的端电压值Udcn，获取电容的平均电压Udcav和直流侧电流参考值其中，n≥3；
S2.将直流侧电流参考值与直流侧电流实际值Idc做差，并将获取的差值经第一PI调节器获取电流闭环控制的输出信号；
S3.将获取的电容的平均电压Udcav与每一个串联支路的Udcn进行比较，获取两者之差，并将获取的差值通过第二PI调节器以获取每一个串联支路的输出信号；
S4.将获取到的电流闭环控制的输出信号分别与每一个串联支路的输出信号进行叠加，并通过SPWM逆变器控制输出得到所述每一个半桥子模块的开关信号，对串联支路子模块进行开通与关断控制。
为了便于理解本发明的技术方案，请继续参阅图4所示，以下将详细介绍本发明的步骤S1获取直流侧电流参考值及电容的平均电压Udcav的详细步骤。
本发明中直流侧电流参考值的获取方法进一步包括以下步骤：
首先，将电容的平均电压Udcav与电容电压参考值比较以获取两者的差值，将所获取的差值通过第三PI调节器，以得到直流侧电流参考值
优选，本发明的第一PI调节器的比例系数为0.5，积分系数为100；第二PI调节器的比例系数为0.5，积分系数为110；且第三PI调节器的比例系数为0.55，积分系数为110；且该电容电压参考值为800V，能够使得系统调节稳定、迅速。
本发明中电容的平均电压Udcav的获取表达方式如下：
其中，Udcn表示第n个串联支路的电压值，且n≥3。
以下将进一步详细说明本发明的整个控制流程；
首先，检测各个串联支路的电容的端电压Udcn，根据公式1计算获取电容的平均电压Udcav，并将电容电压参考值与电容的平均电压Udcav比较以获取两者的差值，将所获取的差值通过第三PI调节器，以得到直流侧电流参考值
然后，将直流侧电流参考值与直流侧电流实际值Idc做差，并将获取的差值经第一PI调节器获取电流闭环控制的输出信号；
并将获取的电容的平均电压Udcav与第一个串联支路的Udc1进行比较，获取两者之差，并将获取的差值通过第二PI调节器以获取第一个串联支路的输出信号；
将获取到的电流闭环控制的输出信号与第一个串联支路的输出信号进行叠加，并通过SPWM逆变器调制输出得到第一个半桥子模块中IGBT的开关信号，对第一个串联支路子模块进行开通与关断，其它的第二个半桥子模块至第n个半桥子模块中的IGBT的开关信号获取同第一个半桥子模块中IGBT的开关信号获取方式，在此不再赘述。
本申请提出一种直流串联永磁风电场拓扑结构，其具有以下优点：
1)将串联支路进行模块化，简单可行，易于实现，提高了整个系统的可靠性和冗余性；
2)解决了常规串联结构中输出电压耦合的弊端，且无需蓄电池储能，实现能量的动态控制。
最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种直流串联永磁风电场拓扑结构，其特征在于，其包括：n个串联支路和直流母线，所述串联支路包括顺序连接的直驱永磁风力发电机、PWM整流器和半桥子模块，所述半桥子模块包括一个电容和2个串联的IGBT，所述电容与所述串联后的2个IGBT并联，且所述两个IGBT相互连接点为所述半桥子模块的中间点；
所述第一个串联支路的半桥子模块的中间点和所述第n个串联支路的半桥子模块的中间点分别与所述的直流母线相连；
且所述第n-1个串联支路的输出端分别与第n个所述串联支路的半桥子模块的中间点相连接，其中，n≥3。
2.如权利要求1一种直流串联永磁风电场拓扑结构，其特征在于，其包括：所述电容的容量为1200uF，所述IGBT的耐压值为1200V。
3.一种如权利要求1所述的直流串联永磁风电场拓扑结构的控制方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S1.获取每一个串联支路中所述电容的端电压值Udcn，获取所述电容的平均电压Udcav和直流侧电流参考值其中，n≥3；
S2.将直流侧电流参考值与直流侧电流实际值Idc做差，并将获取的差值经第一PI调节器获取电流闭环控制的输出信号；
S3.将所获取的电容的平均电压Udcav与每一个串联支路的Udcn进行比较，获取两者之差，并将获取的差值通过第二PI调节器以获取每一个串联支路的输出信号；
S4.将获取到的电流闭环控制的输出信号分别与每一个串联支路的输出信号进行叠加，并通过SPWM逆变器控制输出得到所述每一个半桥子模块的开关信号，以控制串联支路子模块的通断。
4.如权利要求3所述的直流串联永磁风电场拓扑结构的控制方法，其特征在于，所述步骤S1中直流侧电流参考值的获取方法进一步包括以下步骤：
将所述电容的平均电压Udcav与所述电容电压参考值比较以获取两者的差值，将所获取的差值通过第三PI调节器，以得到所述的直流侧电流参考值
5.如权利要求4所述的直流串联永磁风电场拓扑结构的控制方法，其特征在于，所述的第一PI调节器的比例系数为0.5，积分系数为100。
6.如权利要求5所述的直流串联永磁风电场拓扑结构的控制方法，其特征在于，所述第二PI调节器的比例系数为0.5，积分系数为110。
7.如权利要求6所述的直流串联永磁风电场拓扑结构的控制方法，其特征在于，所述的第三PI调节器的比例系数为0.55，积分系数为110。
8.如权利要求7所述的直流串联永磁风电场拓扑结构的控制方法，其特征在于，所述电容的电压参考值为800V。
9.如权利要求3所述的直流串联永磁风电场拓扑结构的控制方法，其特征在于，所述步骤S1中电容的平均电压Udcav表达方式如下：
1
其中，Udcn表示第n个串联支路的电压值，且n≥3。
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