CN107425767A - 级联h桥中压风电变流器故障重构优化控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种级联H桥中压风电变流器故障重构优化控制方法，该方法应用在与中压永磁直驱同步发电机相连的级联H桥变流器中，级联H桥中压风电变流器的每相包括：N个功率单元；N为大于1的正整数，方法包括：变流器故障监测系统获取变流器每相故障功率单元信息；由此确定中性点偏移电压与级联H桥中压风电变流器在对应故障状态下的最大输出电压；根据故障状态与风速、发电机输出功率信息，确定最佳桨距角，以使对应故障状态下中压永磁直驱同步发电机的输出功率最大。本发明使得在级联H桥中压风电变流器故障状态下，既能使变流器输出电压平衡，又能使风电机组输出功率最优。
Description
技术领域
本发明涉及变流器控制技术领域，具体地，涉及级联H桥中压风电变流器故障重构优化控制方法。
背景技术
随着海上风电的发展，风机容量趋向大型化，为解决低压风电机组出口电流过大的问题，大容量中压海上风力发电机组成为发展趋势。级联H桥型变流器由于其模块化设计及可规模化生产的特点，在中压变频传动领域得到广泛推广应用。把传统级联H桥变流器拓扑中的二极管用绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)替代，形成能馈型级联H桥变流器。低速永磁直驱风力发电机具有无齿轮箱，易维护，变速范围广的特性，在海上风电中极具应用价值。本发明研究对象为用于中压永磁直驱发电机的能馈型级联H桥变流器，后文称为级联H桥式中压风电变流器，其拓扑如图1所示。
级联H桥式中压风电变流器虽然可以实现低压开关器件的中压应用，但随着电平数的增多，电路拓扑结构和控制的复杂性增加，使变流器的可靠性降低。级联型变流器一个显著的优点是当某个功率单元故障时，可以采用旁路方式从系统中切除故障单元，避免系统停运。而当故障单元被旁路后，变流器最大输出电压可能不平衡，产生负序电流，对发电机造成损害。
其中一种解决方案是找出故障单元数最多的一相，在剩余两相切除相同数量的单元(包括正常单元)，这种方式称为同级旁路。该方案虽然容易实现，缺点也很明显，此时变流器输出电压降低，无法达到额定输出电压，对于永磁直驱发电机而言，定子电压降低将限制发电机转速上限，造成发电机能够进行最大风能跟踪的风速区间变小，减小了故障状态下风电机组发电功率上限，损失了风力发电机的部分发电能力。
另一种解决方案为增加冗余功率单元，若正常设计时变流器每相有N个功率单元，考虑到其容错性，设计每相单元数为N+M，则当每相故障单元不超过M个时，发电机不需降额进行。该方案增加系统硬件成本，且当每相故障单元数超过M个时依然面临着发电功率受限的情况。
中性点偏移方式可以实现在不增加系统硬件设备情况下，使级联H桥型变流器故障时输出最大的平衡线电压，但是该方式从未在风电变流器中得到应用。同时，当变流器有数个功率模块发生比较严重的故障时，即使采用中性点偏移方式，变流器输出平衡线电压也是偏小的，从而限制了发电机转速上限，此时，随着风速的增大，叶尖速比下降明显，而叶尖速比影响风能利用系数，造成在桨距角β＝0时，风电机组不能达到最优的输出功率。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种级联H桥中压风电变流器故障重构优化控制方法。
根据本发明提供的级联H桥中压风电变流器故障重构优化控制方法，应用在中压永磁直驱同步发电机中，所述级联H桥中压风电变流器的每相包括：N个功率单元；N为大于1的正整数，所述方法包括：
通过变流器故障监测系统获取变流器每相功率单元故障信息，确定变流器故障状态；
获取中性点偏移电压与级联H桥中压风电变流器在对应故障状态下的最大输出电压；
根据变流器故障状态与风速、发电机输出功率信息，通过查表法获取最佳桨距角信息；
根据所述最大输出电压与最佳桨距角，以使对应故障状态下中压永磁直驱同步发电机的输出功率最大。
可选地，还包括：在所述中压永磁直驱同步发电机的转速达到额定转速之前，获取所述级联H桥中压风电变流器三相输出电压的相位角；具体的，
假设N1为变流器星型点，则变流器相对N1输出相电压可以表示为：
ua1＝Am sin(ωt+θa)
ub1＝Bm sin(ωt+θa-θab)
uc1＝Cm sin(ωt+θa+θac)
式中：Am、Bm与Cm分别表示A相电压的幅值、B相电压的幅值、C相电压的幅值，θa表示A相的相位角，θa-θab表示B相的相位角，θa+θac表示C相的相位角；ua1表示变流器输出A相电压，ub1表示变流器输出B相电压，uc1表示变流器输出C相电压，θab表示变流器输出A相、B相之间相角差，θac表示变流器输出A相、C相之间相角差，ω表示变流器输出电压角频率，t表示时间；
则：
可选地，若所述级联H桥中压风电变流器的A相、B相、C相这三相中故障器件的数目分别是Na、Nb与Nc，归一化后得到：
△2＝Am 2+Bm 2+Cm 2
Π4＝Am 2Bm 2+Bm 2Cm 2+Am 2Cm 2
N1相对于N0偏移电压un为：
un＝Un sin(ωt+θn)
式中：N0表示发电机中性点，Um表示相电压峰值，UL表示线电压峰值，Un表示偏移电压峰值，θn表示偏移电压相角；
确定中性点偏移电压与级联H桥中压风电变流器在对应故障状态下的最大输出电压。
可选地，还包括：
在所述中压永磁直驱同步发电机的转速达到故障下额定转速之后，启用变桨控制方式，具体的：
第一变桨控制阶段：采用查表法选择桨距角，以获取风力机在当前风速状况下最优的风能利用率Cp；
第二变桨控制阶段：当发电机输出功率达到最大功率后，采用查表法调整桨距角，以使所述中压永磁直驱同步发电机的输出功率保持在故障状态下的最大值。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明提供的级联H桥中压风电变流器故障重构优化控制方法，通过中性点偏移与优化的桨距角控制结合的控制方式，使得在级联H桥中压风电变流器故障状态下，既能使变流器输出电压平衡，又能使风电机组输出功率最优。具体的，在变流器故障状态下，本发明中的方法提升了变流器最大输出线电压，并保证其平衡，不含有负序分量电流；并使得永磁直驱同步风力发电机组达到最优风能捕获功率。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为永磁直驱同步发电机、级联H桥中压风电变流器以及升压变压器组合而成的拓扑结构示意图；
图2为功率单元旁路拓扑结构示意图；
图3为中性点偏移矢量图；
图4为Cp-λ曲线示意图；
图5为优化变桨控制框图；
图6(a)为采用优化的变桨控制前后发电机输出功率示意图；
图6(b)为采用优化的变桨控制前后发电机风能利用系数示意图；
图6(c)为采用优化的变桨控制前后桨距角与风速的关系示意图；
图7为采用同级旁路、中性点偏移控制以及正常运行时的发电机输出功率示意图；
图8(a)为当前风速下发电机相电压的示意图；
图8(b)为当前风速下发电机线电压的示意图。
图8(c)为当前风速下发电机相电流的示意图；
图8(d)当前风速下发电机输出功率的示意图；
图9(a)为采用优化变桨控制前后风电系统中发电机相电流的示意图；
图9(b)为采用优化变桨控制前后风电系统中发电机输出功率示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供的级联H桥中压风电变流器故障重构优化控制方法，应用在海上大容量中压永磁直驱同步发电机的变流器中，实现能馈型级联H桥风电变流器子模块故障隔离后优化控制。
具体的，在单个功率单元模块增加一个旁路开关，实现故障子单元旁路，如图2所示，变流器正常运行时，旁路开关打开，当检测到某功率单元故障时，使相应单元的旁路开关闭合短路该子模块。设变流器每相有N个功率单元，当变流器正常运行时，每相最大输出电压为Um，若变流器中A相有M个故障单元，则此时A相最大输出电压为(N-M)Um/N，而B相、C相最大输出电压仍为Um，此时变流器最大输出电压不平衡，含有幅值为M/3N的负序电压分量，导致发电机转矩波动，影响发电机寿命。
中性点偏移方法的原理是，由于变流器的星型点是浮动的，即星型点可以偏离电机中性点，即使变流器三相输出电压不平衡，但仍可以通过调整变流器三相输出电压的相位角使电机获得三相对称的线电压。
设N1为变流器星型点，则变流器相对N1输出相电压可以表示为：
式中：Am、Bm与Cm分别是三相电压的幅值，θa、θa-θab与θa+θac分别是三相电压(A相、B相、C相)的相位角；ua1表示变流器输出A相电压，ub1表示变流器输出B相电压，uc1表示变流器输出C相电压，θab表示变流器输出A相、B相相角差，θac表示变流器输出A相、C相相角差，ω表示变流器输出电压角频率，t表示时间。
设N0为发电机中性点，Um为相电压峰值，则相对N0三相电压可以表示为：
其中：N1相对于N0偏移电压un可以表示为：
un＝Un sin(ωt+θn) (3)。
式中：ua0表示发电机A相电压，ub0表示发电机B相电压，uc0表示发电机C相电压，Un表示偏移电压幅值，θn表示偏移电压相位。
图3为中性点偏移矢量图，如图3所示，可以得到：
式中：UAB表示变流器输出AB线电压幅值，UBC表示变流器输出BC线电压幅值，UAC表示变流器输出AC线电压幅值。
通过推导可知，当θa、θab与θac分别满足以下条件(5)时，变流器输出最大平衡线电压。此时变流器输出线电压与相电压幅值分别可以表示为如式(6)(7)，中性点偏移电压可以表示为如式(8)。具体的：
△2＝Am 2+Bm 2+Cm 2
Π4＝Am 2Bm 2+Bm 2Cm 2+Am 2Cm 2
式中：Am表示A相电压的幅值，Bm表示B相电压的幅值，Cm表示C相电压的幅值，Um表示相电压峰值，UL表示线电压峰值，Un表示偏移电压峰值。
若变流器每相N个功率单元，A相、B相、C相这三相中故障器件的数目分别是Na、Nb与Nc，归一化后得到带入上述方程即可得到中性点偏移电压与变流器在对应故障状态下的最大输出电压。
表1为N＝3(故障单元数目不超过3个)时，中性点偏移参数以及对应故障状态下采用同级旁路时，相电压峰值Um1、采用中性点偏移时相电压峰值Um2。由图中可以看出，与同级旁路相比，中性点偏移技术不但可以平衡线电压，而且可以获得更高的线电压幅值。
表1
| Na | Nb | Nc | θn | un | Um1 | Um2 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 0.21 | 0.67 | 0.88 |
| 1 | 1 | 0 | 2.09 | 0.25 | 0.67 | 0.75 |
| 2 | 0 | 0 | 0 | 0.40 | 0.33 | 0.74 |
| 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0.67 | 0.67 |
| 1 | 2 | 0 | 1.71 | 0.51 | 0.33 | 0.51 |
基于贝茨理论的风力机特性可以用下述公式表示：
P＝0.5ρCp(λ,β)Sv3 (9)
式中：P表示风力机输出机械功率(单位W)，ρ表示空气密度，一般取1.225kg/m3，S表示风力机叶片迎风扫掠面积(单位m2)，v表示空气进入风力机扫掠面以前的风速(单位m/s)，Cp(λ,β)表示风能利用系数，R表示风力机叶片半径(单位m)，ω表示风力机机械转速(单位rad/s)，λ表示叶尖速比，β表示桨距角。
对应不同的β值，Cp与λ特性曲线如图4所示，Cp最大值时对应β＝0，λ＝8.1，即最佳叶尖速比。当λ<λthredshold1或λ>λthredshold2时，β＝0不能获得最大Cp，此时适当增大桨距角β可以使风力机捕获更多能量；其中：λthredshold1表示叶尖速比阈值1，λthredshold2表示叶尖速比阈值2。
变速风电机组的运行根据不同的风况可以分为五个阶段：
1)第一阶段是启动阶段，此阶段风速发电机转速由静止上升到切入转速，在切入转速以下，风电机组处于停机状态。
2)第二阶段是风力发电机组运行在额定转速以下的区域，此时桨距角β＝0，在该阶段，应保持Cp恒定为最大值以便最大限度的捕获风能，实现最大功率点跟踪。随着风速不断增大，风力发电机转速达到其额定转速，进入第三阶段。
3)第三阶段是风力发电机运行于额定转速对应的风速区，且风速小于额定风速，此时桨距角β＝0，风力发电机组运行于额定转速，其Cp随风速增大而降低，发电机组偏离最大功率跟踪点，但是输出功率随着风速变大仍然增加。
4)第四阶段为风力发电机运行于额定风速以上的区域，称为恒功率区域，风速增大至额定风速后，发电机功率到达额定功率，由于机械与电气极限要求其转子转速与输出功率维持在额定值。
5)第五阶段为当风速超过切出风速，风力发电机机组顺桨停机。
本发明选择的风力机与发电机参数如表2所示，当风力发电系统正常运行时，v2＝11.1m/s时发电机转速达到额定转速，v3＝11.8m/s时发电机达到额定功率，此后变桨系统参与使功率保持为1pu。其中v2表示达到额定转速时风速，v3表示达到额定功率时风速。
表2
当级联H桥式中压风电变流器发生故障时，设采用中性点偏移方式后变流器故障后与故障前输出电压幅值之比为k(k<1)，而永磁直驱发电机的相电压峰值为：
E＝ωeψf＝Npωmψf
式中：E表示永磁直驱发电机的相电压峰值，ωe表示永磁直驱发电机的电气转速，ωm表示永磁直驱发电机的机械转速，Np表示永磁直驱发电机的极对数，ψf表示永磁直驱发电机的转子磁通。
故障状态下永磁直驱发电机机械转速上限为kωm，达到此转速对应的风速记为v2，，v2，<v2，随着风速继续增大，发电机转速保持恒定，但发电机输出功率仍然上升。由于额定转速的下降以及风速的增加，叶尖速比λ不断变小，特别是故障比较严重时，额定转速受限明显，这造成风能利用系数Cp不断下降，结合表1，当λ<λthredshold1时，β＝0并不能输出最大的能量，因此保持β＝0可能达不到故障状态下最大输出功率。
设计永磁直驱发电机的机侧每相有3个H桥串联，单个直流母线电压1000V，变流器每相均有一个功率单元故障被旁路，若不改进变桨控制，则当v2’＝7.5m/s时发电机转速达到最高转速，此后风电机功率随风速升高而增加，v3’表示故障下达到最大输出功率时风速，当v3’＝14.2m/s时，发电机输出功率最大为0.65pu，不足0.67pu，按照传统的风电机组控制，由于功率没有达到0.67pu，变桨系统不参与，桨距角β＝0，随着风速继续上升，发电机输出功率下降，直到切出风速。
为解决这个问题，提出优化的变桨控制方法。当转速到达故障状态下额定转速之前，控制方式与以前的方式一致，采用最佳叶尖速比实现最大功率跟踪，桨距角β＝0。若发电机转速达到额定转速，则启用变桨控制，称之为第一变桨控制阶段，此时变桨控制的目的是选择最优的桨距角，风力机获得当前风速状况下最优的风能利用率Cp，使发电机的输出功率达到故障状态下最优输出功率。由于风能利用系数与桨距角之间关系是非线性的，直接求解困难，因此采用查表法选择桨距角。当发电机输出功率达到最大功率后，进入第二变桨控制阶段，此时变桨控制的目的是通过调整桨距角使得输出功率保持在故障状态下最大值，此阶段桨距角的选择也采用查表法，当风速超过切出风速后风力发电系统停止运行。
根据上述结论得到改进风力发电系统控制框图如图5所示，v2”表示故障下达到额定转速时风速，当v2”＝7.5m/s时发电机转速达到最高转速，此后进入第一变桨控制阶段，选择最佳桨距角。v3”表示故障下桨距角不再为0°时风速，当v3”＝16.1m/s时桨距角不再为0。v4”表示故障下达到额定功率时风速，当v4”＝16.4m/s发电机输出功率达到0.67pu，随着风速继续增大，通过调节桨距角使功率保持恒定。采用优化的变桨控制前后发电机输出功率、风能利用系数、桨距角与风速的关系如图6(a)～图6(c)所示。
下面结合具体实施例对本发明中的技术方案做更加详细的说明。
风力机与永磁直驱同步发电机的参数如表2所示，级联H桥中压风电变流器每相有3个功率单元，直流母线电压1000V，直流支撑电容10mF，网侧滤波电感1mH，多绕组变压器一次侧35000V，二次侧400V且有9个绕组，机侧变流器控制采用转子磁场定向的矢量控制策略，采用载波移相调制方式，载波频率600Hz，网侧变流器采用电网电压定向的矢量控制策略，载波频率2000Hz，仿真平台为Matlab/Simulink。
当变流器A相某功率单元故障时，若采用同级旁路方式处理故障，则变流器最大输出平衡线电压幅值为0.67*3300＝2211V，若采用中性点偏移方式处理故障，则变流器最大输出平衡线电压幅值为0.88*3300＝2904V，根据公式，不同方式下发电机输出功率与风速关系如图7所示。采用中性点偏移方式，v＝9.8m/s时发电机到达故障状态下最大转速，v＝11.5m/s时发电机到达此时最大输出功率0.88pu，此后变桨系统参与使发电机输出功率保持不变。
仿真中，发电机开始运行于额定风速11.8m/s下，0.2s时故障发生，0.4s时采用同级旁路方式处理故障，0.6s时采用中性点偏移方式处理。图8(a)～图8(d)分别表示发电机相电压、发电机线电压、发电机相电流、发电机输出功率的相关物理量的变化。当故障发生时，故障相最大输出电压由3000V降至2000V，而正常相电压保持不变，因此线电压、电流不平衡，发电机输出电磁转矩与功率均含有二倍频波动；采用同级旁路方式后，正常相电压也下降至2000V，线电压平衡，幅值减小为0.67倍，由图8(a)～图8(d)可以看出，在当前风速下，发电机输出功率为0.6pu，因此电流减小为0.895倍，但保持平衡，发电机输出电磁转矩与功率中二倍频波动消失；采用中性点偏移方式后，尽管相电压仍然不平衡，但线电压平衡，幅值变为0.88倍，由图8(d)可以看出，此时发电机运行于故障时最大输出功率，因此电流到达额定值。
因此，使用中性点偏移方式提高发电机输出功率是可行的。
具体的，风力机、发电机与变流器的参数与前述一致，当变流器三相每相均有一个功率单元故障，此时采用同级旁路方式与中性点偏移方式效果相同，变流器最大输出平衡线电压幅值为0.67*3300＝2211V，由图6(a)可知，当风速为20m/s时，若不采用优化的变桨控制，发电机输出功率为0.545pu，而采用优化的变桨控制后，发电机输出功率上升至0.67pu，为故障下的最大功率。
仿真中，设置风速为20m/s，初始时变流器故障不采用优化的变桨控制，桨距角为0，在0.1s时采用优化的变桨控制，机侧电流、发电机输出功率分别如图9(a)、9(b)所示。由图9(a)、9(b)可知，采用优化的变桨控制后，尽管风力机转速不变，但是由于桨距角的变化，使得风力机可以吸收更多能量，机侧电流达到额定值，发电机输出功率由0.545pu上升至0.67pu，达到故障下最大功率。
因此，采用中性点偏移与优化的变桨控制结合的控制方式提高永磁直驱同步发电机的输出功率是可行的。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (4)
1.一种级联H桥中压风电变流器故障重构优化控制方法，其特征在于，应用在中压永磁直驱同步发电机中，所述级联H桥中压风电变流器的每相包括：N个功率单元；N为大于1的正整数，所述方法包括：
通过变流器故障监测系统获取变流器每相功率单元故障信息，确定变流器故障状态；
获取中性点偏移电压与级联H桥中压风电变流器在对应故障状态下的最大输出电压；
根据变流器故障状态与风速、发电机输出功率信息，通过查表法获取最佳桨距角信息；
根据所述最大输出电压与最佳桨距角，以使对应故障状态下中压永磁直驱同步发电机的输出功率最大。
2.根据权利要求1所述的级联H桥中压风电变流器故障重构优化控制方法，其特征在于，还包括：在所述中压永磁直驱同步发电机的转速达到额定转速之前，获取所述级联H桥中压风电变流器三相输出电压的相位角；具体的，
假设N1为变流器星型点，则变流器相对N1输出相电压可以表示为：
ua1＝Am sin(ωt+θa)
ub1＝Bm sin(ωt+θa-θab)
uc1＝Cm sin(ωt+θa+θac)
式中：Am、Bm与Cm分别表示A相电压的幅值、B相电压的幅值、C相电压的幅值，θa表示A相的相位角，θa-θab表示B相的相位角，θa+θac表示C相的相位角；ua1表示变流器输出A相电压，ub1表示变流器输出B相电压，uc1表示变流器输出C相电压，θab表示变流器输出A相、B相之间相角差，θac表示变流器输出A相、C相之间相角差，ω表示变流器输出电压角频率，t表示时间；
则：
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3.根据权利要求2所述的级联H桥中压风电变流器故障重构优化控制方法，其特征在于，若所述级联H桥中压风电变流器的A相、B相、C相这三相中故障器件的数目分别是Na、Nb与Nc，归一化后得到：
<mrow>
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N1相对于N0偏移电压un为：
un＝Un sin(ωt+θn)
式中：N0表示发电机中性点，Um表示相电压峰值，UL表示线电压峰值，Un表示偏移电压峰值，θn表示偏移电压相角；
确定中性点偏移电压与级联H桥中压风电变流器在对应故障状态下的最大输出电压。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的级联H桥中压风电变流器故障重构优化控制方法，其特征在于，还包括：
在所述中压永磁直驱同步发电机的转速达到故障下额定转速之后，启用变桨控制方式，具体的：
第一变桨控制阶段：采用查表法选择桨距角，以获取风力机在当前风速状况下最优的风能利用率Cp；
第二变桨控制阶段：当发电机输出功率达到最大功率后，采用查表法调整桨距角，以使所述中压永磁直驱同步发电机的输出功率保持在故障状态下的最大值。
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|---|---|---|---|---|
| CN112072704A (zh) * | 2020-09-11 | 2020-12-11 | 中国矿业大学 | 一种中压大容量风力发电变流器拓扑 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101345423A (zh) * | 2008-05-07 | 2009-01-14 | 中国科学院电工研究所 | 用于风力发电系统的五电平h桥级联背靠背变流器 |
| CN102215026A (zh) * | 2010-04-01 | 2011-10-12 | 哈尔滨九洲电气股份有限公司 | 基于dsp与fpga的高压变频器中性点偏移技术的控制装置 |
| CN103490448A (zh) * | 2013-10-12 | 2014-01-01 | 东南大学 | 一种基于级联h桥和多端口直流变换器的发电储能装置 |
| EP2889178A1 (en) * | 2013-12-30 | 2015-07-01 | Rolls-Royce Corporation | Synchronous generator control based on flux optimizer |
| CN105099154A (zh) * | 2015-09-15 | 2015-11-25 | 湖南大学 | 一种永磁直驱式风力发电系统变流器的开路故障容错方法 |
-
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- 2017-07-31 CN CN201710642816.8A patent/CN107425767B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101345423A (zh) * | 2008-05-07 | 2009-01-14 | 中国科学院电工研究所 | 用于风力发电系统的五电平h桥级联背靠背变流器 |
| CN102215026A (zh) * | 2010-04-01 | 2011-10-12 | 哈尔滨九洲电气股份有限公司 | 基于dsp与fpga的高压变频器中性点偏移技术的控制装置 |
| CN103490448A (zh) * | 2013-10-12 | 2014-01-01 | 东南大学 | 一种基于级联h桥和多端口直流变换器的发电储能装置 |
| EP2889178A1 (en) * | 2013-12-30 | 2015-07-01 | Rolls-Royce Corporation | Synchronous generator control based on flux optimizer |
| CN105099154A (zh) * | 2015-09-15 | 2015-11-25 | 湖南大学 | 一种永磁直驱式风力发电系统变流器的开路故障容错方法 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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