CN108092257B - 一种18相风力发电机直流并网结构及其控制方法 - Google Patents

一种18相风力发电机直流并网结构及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种18相风力发电机直流并网结构及其控制方法，所述结构包括18相直驱永磁风力发电机、6个三相不控整流桥、6m个并联隔离式全桥DC‑DC变换器和6m个半桥子模块；18相发电机每套三相交流绕组经过一个三相不控整流桥换流后，连接至m个并联隔离式全桥DC‑DC变换器。每个DC‑DC变换器与一个半桥子模块相连。6m个半桥子模块的输出端正负极依次相连，最后与一个电抗器串联构成串联电路接入直流输电网。并联隔离式全桥DC‑DC变换器采用最大功率跟踪控制，半桥子模块通过直流传输电流控制。本发明降低了发电机定子绕组的电压等级、提高了系统稳定性、降低了发电厂建设成本。

Description

一种18相风力发电机直流并网结构及其控制方法
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，特别涉及一种18相风力发电机直流并网结构及其控制方法。
背景技术
随着社会发展，能源问题日渐突出。寻求各种新能源来取代日渐枯竭的传统化石能源已经成为了各国研究的热点。
风能作为一种清洁能源，具有巨大的发展潜力。海上拥有巨大的风能资源，因此海上风电场的有关问题吸引了国内外大量学者进行研究。海上风电场的主要挑战是如何通过一种高效经济的方法将发出的电能传输到陆上。
传统的高压交流输电需要并联额外的无功补偿器来吸收线路电容产生的无功功率。高压直流输电系统相较于传统高压交流输电系统具有所需线路少、没有无功功率、功率损耗小等优点，是一个研究热点。
一种高压直流输电系统将风机发出的交流电变换为直流后再进行逆变得到工频交流电，该工频交流电通过升压变压器接入交流母线；交流母线上的工频交流电又经一次变压器升压再经整流后得到高压直流电送至陆上。此种风电场需要经过三次电能变换，导致功率损耗巨大。另外，海上平台需要安装变压器和整流站，系统建设投资巨大。
另一种高压直流输电系统将各个风机的输出通过AC-DC-DC变换器电路变换为直流电，再串联后直接接入高压直流母线。但由于每个风机接收的风能不同，导致输出电压不同，直接将它们并联可能会存在潜在的危险。
大功率直驱永磁风电机组转速低，端电压难以提高，需要通过隔离升压变接入高电压等级的交流电网，在海上风场中建设难度大、维护成本高。同时定子电流达到几千安，需采用并联功率器件的方式进行变流，对器件的均流特性要求高。
发明内容
针对背景技术所述的缺陷或不足，本发明提出了一种18相风力发电机直流并网结构及其控制方法。本发明中基于18相电机设计的新型直流并网结构降低了发电机定子绕组的电压等级、提高了系统稳定性、降低了发电厂建设成本。
本发明所提供的技术方案为：
一种18相风力发电机直流并网结构，包括18相直驱永磁风力发电机、6个三相不控整流桥、6m个并联隔离式全桥DC-DC变换器和6m个半桥子模块；
18相直驱永磁风力发电机的绕组依次标号为：Ak、Bk、Ck，下标k＝1、2、3、4、5、6；每3个绕组Ak、Bk、Ck构成一套三相交流绕组，每套绕组内的3个绕组相位依次相差120度电角度；各套绕组的A相相位依次相差10度电角度；
所述的6个三相不控整流桥用DRk表示；DRk的输入端与第k套三相绕组相连；DRk的输出端正极与m个并联隔离式全桥DC-DC变换器的正极相连；DRk的输出端负极与m个并联隔离式全桥DC-DC变换器的负极相连；6个三相不控整流桥共与6m个并联隔离式全桥DC-DC变换器相连；
所述的半桥子模块包括1个电容C和2个IGBT管Tsm1、Tsm2；C的正极、负极分别作为半桥子模块的输入端正极、负极；C的正极和Tsm1的集电极相连，C的负极和Tsm2的发射极相连；Tsm1的发射极和Tsm2的集电极相连构成半桥子模块的输出端正极，Tsm2的发射极作为半桥子模块的输出端负极；
每个并联隔离式全桥DC-DC变换器的输出端正极、负极分别与一个半桥子模块的输入端正极、负极相连；
6m个半桥子模块的输出端正负极依次首尾相连，最后与一个电抗器串联构成串联电路；串联电路的首端接直流输电网的正极，串联电路的末端接直流输电网的负极；即第1个半桥子模块的输出端正极为串联电路的首端，接直流输电网的正极，输出端负极接第1个半桥子模块的输出端正极；中间第i个半桥子模块的输出端正极接第i-1个半桥子模块的输出端负极，输出端负极接第i+1个半桥子模块的输出端正极，i＝2，3，…，6m-1；最后一个半桥子模块的输出端正极接第6m-1个半桥子模块的输出端负极，输出端负极接电抗器的一端，电抗器另一端为串联电路的末端，接直流输电网的负极。
上述的18相风力发电机直流并网结构的控制方法，包括最大功率点跟踪控制和直流传输电流控制；
所述的最大功率点跟踪控制为：针对每一个并联隔离式全桥DC-DC变换器，分别采用以下步骤，得到其IGBT的控制信号：
(1)检测当前风速v，与18相电机的叶片半径R和最佳叶尖速比λopt一起计算电机转子的角速度给定值ωref：
ωref＝λoptv/R；
(2)检测18相电机转子的角速度ω，将其与ωref进行比较，比较结果通过第一PI调节器进行调节，得到第一PI调节器的输出结果iref：
Figure GDA0002319506220000031
其中，kp1和ki1分别为第一PI调节器的比例系数和积分系数；
(3)检测与该并联隔离式全桥DC-DC变换器相连的三相不控整流桥的输出电流ik，将其与第一PI调节器的输出结果iref进行比较，比较结果通过第二PI调节器进行调节，得到第二PI调节器的输出结果，即该并联隔离式全桥DC-DC变换器的调制信号Dk：
Figure GDA0002319506220000032
其中，kp2和ki2分别为第二PI调节器的比例系数和积分系数。
(4)将调制信号Dk与三角载波比较后得到并联隔离式全桥DC-DC变换器的IGBT的控制信号；
所述的直流传输电流控制的步骤如下：
(1)检测所有半桥子模块电容电压，计算所有半桥子模块电容电压的平均值UC_ave：
Figure GDA0002319506220000033
其中，6m是所有半桥子模块个数；UCi是第i个半桥子模块的电容电压。
(2)将UC_ave和子模块电容电压参考值UCref进行比较，比较结果通过第三PI调节器进行调节，得到第三PI调节器的输出结果，即直流传输电流参考值id_ref：
Figure GDA0002319506220000034
其中，kp3和ki3分别为第三PI调节器的比例系数和积分系数。
(3)检测直流输电网侧电流id，将其和直流传输电流参考值id_ref进行比较，比较结果通过第四PI调节器进行调节，得到第四PI调节器的输出结果，即直流输电网侧电压调制信号UHVDC：
Figure GDA0002319506220000041
其中，kp4和ki4分别为第四PI调节器的比例系数和积分系数。
(4)对UHVDC采用最近电平逼近的方式进行调制，得到各半桥子模块的IGBT的控制信号。
本发明的有益效果是：
(1)本发明所述的18相直驱永磁风力发电机与传统的永磁风力发电机相比，其在保证输出功率不变的情况下通过一台发电设备即可同时输出多组三相交流电，降低了发电机输出的各相交流电流，从而减小了电机的输出线路的线径，降低了发电机绝缘等级，降低制造成本。
(2)本发明所述控制方法能保证风机工作在捕获的最大功率点，而不至于产生“弃风”现象。
(3)本发明所述的风力发电机直流并网结构能实现串联电路直流输出端电压的稳定，保证高压直流电能的有效传输。
(4)本发明中风力发电机产生的多组低电压等级的交流电，经过转换后再通过半桥子模块的串联，可以直接并入高压直流输电网，无需中间升压变压器，节省了空间，降低了制造成本。
附图说明
图1并联隔离式全桥DC-DC变换器拓扑结构图。
图2半桥子模块拓扑结构图。
图3 18相直驱永磁风力发电机绕组示意图。
图4 18相风力发电机直流并网结构图。
图5最大功率点跟踪控制框图。
图6直流传输电流控制框图。
图7系统直流输出侧的电压波形。
图8系统直流输出侧的电流波形。
图9风力发电机第一套绕组A相的输出电压波形。
图10第一个半桥子模块电容电压波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
图4是18相风力发电机直流并网结构图，其包括18相直驱永磁风力发电机、6个三相不控整流桥、6m个并联隔离式全桥DC-DC变换器和6m个半桥子模块。18相发电机的转子与装于风场的风力机同轴连接。18相发电机的定子有18个绕组，每3个绕组构成一套三相交流绕组，共构成6套三相交流绕组。每套绕组经过一个三相不控整流桥换流后，连接至m个并联隔离式全桥DC-DC变换器。每个并联隔离式全桥DC-DC变换器与一个半桥子模块相连。6m个半桥子模块的输出端正负极依次首尾相连，最后与一个电抗器串联构成串联电路接入直流输电网。
本发明中并联隔离式全桥DC-DC变换器采用最大功率跟踪控制，实现风力发电机的最大功率点跟踪；通过直流传输电流控制，实现并网结构直接接入高压直流输电网。
在本控制实例中，18相风力发电机的具体参数如下：额定功率2MW，额定电压690V，额定转速17.5rpm，运行额定风速10.2m/s，极对数12对，风叶半径45.3m。直流并网结构的具体参数如下：半桥子模块电容电压参考值1kV，半桥子模块电容4mF，串联电路电感10mH，直流输电网额定电压12kV，DC-DC变换器数18个，半桥子模块数18个。
图5是最大功率点跟踪控制框图，同一套绕组对应的m个并联隔离式全桥DC-DC变换器的IGBT的控制信号是一致的，下面以第一套绕组对应的并联隔离式全桥DC-DC变换器的控制脉冲信号产生为例进行说明，控制步骤如下：
(1)检测当前风速v，计算电机转子的角速度给定值ωref；当前风速给定值为10.2m/s。
(2)检测18相电机转子的角速度ω，将其与ωref进行比较，比较结果通过第一PI调节器进行调节，得到第一PI调节器的输出结果iref。第一PI调节器的比例系数kp1和积分系数ki1分别为70、250。
(3)检测DR1的输出电流i1；将其与第一PI调节器的输出结果iref进行比较，比较结果通过第二PI调节器进行调节，得到第二PI调节器的输出结果，即第一组DC-DC变换器的调制信号D1。第二PI调节器的比例系数kp2和积分系数ki2分别为0.1、10。
(4)将调制信号D1与三角载波比较后得到第一组DC-DC变换器的IGBT的控制信号。
其他各套绕组对应的并联隔离式全桥DC-DC变换器的IGBT的控制信号产生原理类似。
图6是直流传输电流控制框图，控制步骤如下：
(1)检测所有半桥子模块电容电压，计算所有半桥子模块电容电压的平均值UC_ave；
(2)将UC_ave和半桥子模块电容电压参考值UCref进行比较，比较结果通过第三PI调节器进行调节，得到第三PI调节器的输出结果直流传输电流参考值id_ref。第三PI调节器的比例系数kp3和积分系数ki3分别为5、20。
(3)检测直流输电网侧电流id，将其和直流传输电流参考值id_ref进行比较，比较结果通过第四PI调节器进行调节，得到第四PI调节器的输出结果直流输电网侧电压调制信号UHVDC。第四PI调节器的比例系数kp4和积分系数ki4分别为1.3、100。
(4)对UHVDC采用最近电平逼近的方式进行调制，得到各半桥子模块的IGBT的控制信号。
图7是系统直流输出侧的电压波形，从波形上可以看出，电压幅值略大于12kV，且十分稳定，波动很小，满足并网要求。
图8是系统直流输出侧的电流波形，电流大小是157.5A，和图7中的电压一起可以计算出系统注入直流输电网的功率为1.89MW，和风机的额定功率2MW相比较可得系统有5.5％的功率损耗，损耗大小满足要求。
图9是风力发电机第一套绕组A相的输出电压波形，可以得到输出电压的有效值为689.8V，几乎等于风力发电机的额定电压。其余绕组的各相输出电压波形也能达到相似效果。
图10是第一个半桥子模块电容电压波形，电压大小在1kV上下小范围波动，和给定值几乎相同。其余半桥子模块的电容电压波形也能达到相似效果。

Claims (3)

1.一种18相风力发电机直流并网结构，其特征在于，包括18相直驱永磁风力发电机、6个三相不控整流桥、6m个并联隔离式全桥DC-DC变换器和6m个半桥子模块；其中，m代表与一个三相不控整流桥并联的并联隔离式全桥DC-DC变换器的数量；
所述的18相直驱永磁风力发电机的绕组依次标号为：Ak、Bk、Ck，下标k＝1、2、3、4、5、6；每3个绕组Ak、Bk、Ck构成一套三相交流绕组，每套三相交流绕组内的3个绕组相位依次相差120度电角度；各套三相交流绕组的A相相位依次相差10度电角度；
所述的6个三相不控整流桥用DRk表示；DRk的输入端与第k套三相绕组相连；DRk的输出端正极与m个并联隔离式全桥DC-DC变换器的正极相连；DRk的输出端负极与m个并联隔离式全桥DC-DC变换器的负极相连；6个三相不控整流桥共与6m个并联隔离式全桥DC-DC变换器相连；
所述的半桥子模块包括1个电容C和2个IGBT管Tsm1、Tsm2；C的正极、负极分别作为半桥子模块的输入端正极、负极；C的正极和Tsm1的集电极相连，C的负极和Tsm2的发射极相连；Tsm1的发射极和Tsm2的集电极相连构成半桥子模块的输出端正极，Tsm2的发射极作为半桥子模块的输出端负极；
每个并联隔离式全桥DC-DC变换器的输出端正极、负极分别与一个半桥子模块的输入端正极、负极相连；
6m个半桥子模块的输出端正负极依次首尾相连，最后与一个电抗器串联构成串联电路；串联电路中第一个半桥子模块的输出端正极接直流输电网的正极，串联电路中最后一个半桥子模块的输出端负极接直流输电网的负极；
所述18相风力发电机直流并网结构的控制方法包括最大功率点跟踪控制和直流传输电流控制；
所述的最大功率点跟踪控制为：针对每一个并联隔离式全桥DC-DC变换器，分别采用以下步骤，得到其IGBT的控制信号：
(1)检测当前风速v，与18相直驱永磁风力发电机的叶片半径R和最佳叶尖速比λopt一起计算电机转子的角速度给定值ωref：
ωref＝λoptv/R
(2)检测18相直驱永磁风力发电机转子的角速度ω，将其与ωref进行比较，比较结果通过第一PI调节器进行调节，得到第一PI调节器的输出结果iref：
Figure FDA0002340666880000021
其中，kp1和ki1分别为第一PI调节器的比例系数和积分系数；
(3)检测与该并联隔离式全桥DC-DC变换器相连的三相不控整流桥的输出电流ik，将其与第一PI调节器的输出结果iref进行比较，比较结果通过第二PI调节器进行调节，得到第二PI调节器的输出结果，即该并联隔离式全桥DC-DC变换器的调制信号Dk：
Figure FDA0002340666880000022
其中，kp2和ki2分别为第二PI调节器的比例系数和积分系数；
(4)将调制信号Dk与三角载波比较后得到该并联隔离式全桥DC-DC变换器的IGBT的控制信号；
所述的直流传输电流控制的步骤如下：
(1)检测所有半桥子模块电容电压，计算所有半桥子模块电容电压的平均值UC_ave：
Figure FDA0002340666880000023
其中，6m是所有半桥子模块个数；UCi是第i个半桥子模块的电容电压；
(2)将UC_ave和子模块电容电压参考值UCref进行比较，比较结果通过第三PI调节器进行调节，得到第三PI调节器的输出结果，即直流传输电流参考值id_ref：
Figure FDA0002340666880000024
其中，kp3和ki3分别为第三PI调节器的比例系数和积分系数；
(3)检测直流输电网侧电流id，将其和直流传输电流参考值id_ref进行比较，比较结果通过第四PI调节器进行调节，得到第四PI调节器的输出结果，即直流输电网侧电压调制信号UHVDC：
Figure FDA0002340666880000031
其中，kp4和ki4分别为第四PI调节器的比例系数和积分系数；
(4)对UHVDC采用最近电平逼近的方式进行调制，得到各半桥子模块的IGBT的控制信号。
2.一种18相风力发电机直流并网结构的控制方法，其特征在于，18相风力发电机直流并网结构采用权利要求1所述的结构，其控制方法包括最大功率点跟踪控制和直流传输电流控制；
所述的最大功率点跟踪控制为：针对每一个并联隔离式全桥DC-DC变换器，分别采用以下步骤，得到其IGBT的控制信号：
(1)检测当前风速v，与18相直驱永磁风力发电机的叶片半径R和最佳叶尖速比λopt一起计算电机转子的角速度给定值ωref：
ωref＝λoptv/R
(2)检测18相直驱永磁风力发电机转子的角速度ω，将其与ωref进行比较，比较结果通过第一PI调节器进行调节，得到第一PI调节器的输出结果iref：
Figure FDA0002340666880000032
其中，kp1和ki1分别为第一PI调节器的比例系数和积分系数；
(3)检测与该并联隔离式全桥DC-DC变换器相连的三相不控整流桥的输出电流ik，将其与第一PI调节器的输出结果iref进行比较，比较结果通过第二PI调节器进行调节，得到第二PI调节器的输出结果，即该并联隔离式全桥DC-DC变换器的调制信号Dk：
Figure FDA0002340666880000033
其中，kp2和ki2分别为第二PI调节器的比例系数和积分系数；
(4)将调制信号Dk与三角载波比较后得到该并联隔离式全桥DC-DC变换器的IGBT的控制信号；
所述的直流传输电流控制的步骤如下：
(1)检测所有半桥子模块电容电压，计算所有半桥子模块电容电压的平均值UC_ave：
Figure FDA0002340666880000041
其中，6m是所有半桥子模块个数；UCi是第i个半桥子模块的电容电压；
(2)将UC_ave和子模块电容电压参考值UCref进行比较，比较结果通过第三PI调节器进行调节，得到第三PI调节器的输出结果，即直流传输电流参考值id_ref：
Figure FDA0002340666880000042
其中，kp3和ki3分别为第三PI调节器的比例系数和积分系数；
(3)检测直流输电网侧电流id，将其和直流传输电流参考值id_ref进行比较，比较结果通过第四PI调节器进行调节，得到第四PI调节器的输出结果，即直流输电网侧电压调制信号UHVDC：
Figure FDA0002340666880000043
其中，kp4和ki4分别为第四PI调节器的比例系数和积分系数；
(4)对UHVDC采用最近电平逼近的方式进行调制，得到各半桥子模块的IGBT的控制信号。
3.根据权利要求2所述的18相风力发电机直流并网结构的控制方法，其特征在于，第一PI调节器的比例系数kp1和积分系数ki1分别为70、250；第二PI调节器的比例系数kp2和积分系数ki2分别为0.1、10；第三PI调节器的比例系数kp3和积分系数ki3分别为5、20；第四PI调节器的比例系数kp4和积分系数ki4分别为1.3、100。
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