CN108988395B - 一种垂直轴永磁直驱风电变流器的拓扑结构和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种垂直轴永磁直驱风电变流器的拓扑结构和控制方法，属于风电技术领域。该拓扑结构包括网侧变流器及由维也纳整流器和DC/DC升压变流器组成的机侧变流器，机侧变流器一端与发电机的定子相连，另一端与直流母线相连；直流母线的另一端与网侧变流器相连。该控制方法为：维也纳整流器采用零序分量注入法实现谐波最小化；DC/DC升压变流器实现升压和稳压；网侧变流器采用基于电压定向的控制策略，实现发电机有功功率控制和并网控制。本发明使得定子电流谐波小，无机械振动和扭振现象，克服了高尖峰电压脉冲的缺陷，降低了发电机绝缘要求，使发电机制造成本降低；开关器件承受电压低，尤其适合高电压、大功率场合。

Description

一种垂直轴永磁直驱风电变流器的拓扑结构和控制方法

技术领域

本发明涉及一种变流器，尤其是一种垂直轴永磁直驱风电变流器的拓扑结构和控制方法，属于风力发电技术领域。

背景技术

传统的风电机组采用背靠背结构的变流器，它包括机侧变流器和网侧变流器，其中机侧变流器一般采用电压源变流器VSC、不可控整流器+Boost组合等拓扑结构。不可控整流器会造成大量谐波，定子电流中的谐波使得风力发电机转矩波形中含有纹波，而转矩纹波可能会使风电机组产生额外的机械振动和扭振。而对于电压源变流器VSC，虽是可控整流，但它的du/dt引起的高尖峰电压脉冲将对风力发电机的定子绕组绝缘造成极大的威胁，这就使得风力发电机要完全按照高压电机设计，从而增加了绕组的绝缘厚度和电机成本，且使发电机的散热条件变坏。

发明内容

本发明的主要目的在于：针对上述现有技术存在的不足，提供一种谐波含量小、耐压等级高的一种垂直轴永磁直驱风电变流器的拓扑结构和控制方法。

为了达到以上目的，本发明一种垂直轴永磁直驱风电变流器的拓扑结构包括机侧变流器和网侧变流器；所述机侧变流器包括维也纳整流器、DC/DC升压变流器；所述机侧变流器一端与垂直轴永磁直驱风力发电机的定子相连，另一端与直流母线相连；所述直流母线的另一端与网侧变流器相连；所述网侧变流器通过升压工频变压器与电网相连。

所述维也纳整流器的一端与所述垂直轴永磁直驱风力发电机的定子相连，另一端与所述DC/DC升压变流器的一端相连；所述DC/DC升压变流器的另一端与所述直流母线相连。

所述维也纳整流器包括三个滤波电感、六个整流二极管、三个双向开关单元、两个输出电容；所述三个滤波电感分别与所述垂直轴风力发电机的定子三相绕组相连；所述双向开关单元由两个开关管组成，由一路驱动信号控制；所述两个输出电容为串联连接，其中，与所述维也纳整流器的直流输出端正极相连的输出电容称为上电容，与所述维也纳整流器的直流输出端负极相连的输出电容称为下电容。

所述DC/DC升压变流器包括电感L、开关管VT、快速恢复二极管VD、电容C，其作用是：1)将所述维也纳整流器的直流输出电压进行升压，尤其在低风速时；2)稳定所述直流母线的电压。

所述网侧变流器为传统的电压源变流器VSC，包括直流侧电容C_g、6个开关管、1个滤波器，但其作用是：实现垂直轴永磁直驱风力发电机有功功率控制，同时实现逆变并网。

本发明一种垂直轴永磁直驱风电变流器的控制方法，采用以下步骤：

步骤1，所述维也纳整流器采用零序分量注入法实现谐波最小化整流，具体步骤为：

11)所述垂直轴永磁直驱风力发电机定子发出的频率和幅值均可变化的三相交流电经所述维也纳整流器的三个滤波电感后，将其电压记为u_a、u_b、u_c，其电流记为i_a、i_b、i_c；将u_a、u_b、u_c经abc/dq变换得到u_d和u_q；将i_a、i_b、i_c经abc/dq变换得到i_d和i_q；

12)将i_d的参考值i_{d_ref}与当前实际值i_d之差经PI控制器，其输出作为u_d的参考值u_{d_ref}；

13)将所述维也纳整流器的直流输出电压参考值V_{dc_ref}与其当前实际测量值V_dc之差经PI控制器，其输出为i_q的参考值i_{q_ref}；将此参考值i_{q_ref}与当前实际值i_q之差经PI控制器，其输出作为u_q的参考值u_{q_ref}；

14)将步骤12)和13)得到的参考值u_{d_ref}和u_{q_ref}，经abc/dq逆变换得到电压u_a、u_b、u_c的参考值u_{a_ref}、u_{b_ref}、u_{c_ref}，并将u_{a_ref}、u_{b_ref}、u_{c_ref}中的最大值记为u_max，将u_{a_ref}、u_{b_ref}、u_{c_ref}中的最小值记为u_min；

15)按式(1)计算零序分量u₀：

u₀＝-(u_max+u_min)/2 (1)

16)令△V＝V₁-V₂，其中，V₁为所述维也纳整流器的上电容两端电压，V₂为所述维也纳整流器的下电容的两端电压；△V的参考值记为△V_ref；

17)将△V_ref/V_{dc_ref}与其当前实际值△V/V_dc之差经PI控制器，其输出记为不平衡因子k；将此不平衡因子k与步骤5)得到的u₀相加，得到需要注入的零序分量u_{0_inj}；

18)将步骤17)得到的需要注入的零序分量u_{0_inj}分别与步骤14)得到的u_{a_ref}、u_{b_ref}、u_{c_ref}相加，得到修正后的电压参考值u_{a_refm}、u_{b_refm}、u_{c_refm}；

19)将修正后的电压参考值u_{a_refm}、u_{b_refm}、u_{c_refm}通过载波脉宽调制(CB-PWM)得到所述维也纳整流器的三个双向开关单元的驱动信号，驱动三个双向开关单元工作。

步骤2，所述DC/DC升压变流器采用如下控制方法，实现所述直流母线电压稳定：

21)将所述直流母线电压参考值V_{dcbus_ref}与其当前实际值V_dcbus之差经PI控制器，其输出为所述维也纳整流器的直流输出电流参考值i_{dc_ref}；

22)将此参考值i_{dc_ref}与当前所述维也纳整流器的直流输出电流实际值i_dc之差经PI控制器，其输出与锯齿波比较，即得到所述DC/DC升压变流器中开关管VT的驱动信号。

步骤3，所述网侧变流器采用如下控制方法，实现所述垂直轴永磁直驱风力发电机的有功功率控制和并网控制：

31)测量风速v_w；测量三相电网电压u_ga、u_gb、u_gc和三相网侧电流i_ga、i_gb、i_gc；

32)将u_ga、u_gb、u_gc经锁相环PLL得到相位角θ_g；

33)将i_ga、i_gb、i_gc经abc/dq变换得到i_dg和i_qg；将u_ga、u_gb、u_gc经abc/dq变换得到u_dg和u_qg，采用基于电压定向的控制策略，将电网电压矢量定向在同步坐标系的d轴上，从而有：u_dg＝u_g，u_qg＝0；由此可计算出系统的有功功率P_g和无功功率Q_g分别为：

P_g＝1.5u_dgi_dg (2)

Q_g＝-1.5u_dgi_qg (3)

34)根据所述垂直轴永磁直驱风力发电机的风速-有功功率曲线，得到当前风速v_w下的并网有功功率参考值P_{g_ref}，根据式(2)，将此P_{g_ref}除以1.5u_dg得到网侧d轴电流参考值i_{dg_ref}，将此i_{dg_ref}与其当前实际值i_dg之差经PI控制器，其输出为所述网侧变流器的d轴电压参考值u_{di_ref}；

35)根据式(3)，将并网无功功率Q_{g_ref}除以-1.5u_dg得到网侧q轴电流参考值i_{qg_ref}，将此i_{qg_ref}与其当前实际值i_qg之差经PI控制器，其输出为所述网侧变流器的q轴电压参考值u_{qi_ref}；

36)将步骤34)和35)得到的所述网侧变流器的电压参考值u_{di_ref}和u_{qi_ref}，经dq/αβ坐标变换后得到u_{αi_ref}和u_{βi_ref}，经SVPWM调制后产生所述网侧变流器开关管的驱动信号，对风电机组的并网有功功率和无功功率进行调节，实现所述垂直轴永磁直驱风力发电机的输出有功功率控制和并网控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)维也纳整流器具有无须考虑死区、谐波含量小、功率密度大等优点，克服了传统电压源变流器由du/dt而引起高尖峰电压脉冲这样的固有缺陷，从而降低了发电机的定子绕组绝缘要求，使发电机制造工艺简化、成本降低；同时使得风力发电机定子电流谐波小，避免风电机组产生额外的机械振动和扭振现象。

2)由于维也纳整流器中的开关器件所承受的电压仅为传统电压源变流器VSC的一半，提高了工作可靠性，使得本发明所述变流器尤其适合高电压、大功率场合；同时变流器中的开关器件成本大大降低，因此，即使增加了DC/DC升压变流器，总体成本不会增加。

附图说明

图1为本发明垂直轴永磁直驱风电变流器的拓扑结构示意图。

图2为采用本发明垂直轴永磁直驱风电变流器的风力发电系统结构示例。

图3为本发明所述维也纳整流器的控制框图。

图4为本发明所述DC/DC升压变流器的控制框图。

图5为本发明所述网侧变流器的控制框图。

其中，1-机侧变流器；2-网侧变流器；3-垂直轴永磁直驱风力发电机；4-直流母线；11-维也纳整流器；12-DC/DC升压变流器

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。

如图1、图2所示，本发明一种垂直轴永磁直驱风电变流器的拓扑结构，包括机侧变流器1和网侧变流器2；机侧变流器1包括维也纳整流器11和DC/DC升压变流器12；机侧变流器1的一端与垂直轴风力发电机3的定子相连，另一端与直流母线4相连，即：维也纳整流器11的一端与垂直轴风力发电机3的定子相连，另一端与DC/DC升压变流器12的一端相连；DC/DC升压变流器12的另一端与直流母线4相连；直流母线4的另一端与网侧变流器2相连；网侧变流器2通过升压工频变压器(见图2)与电网相连。

如图1所示，维也纳整流器11包括三个滤波电感L_a、L_b、L_c，六个整流二极管VD1～VD6，三个双向开关单元S_a、S_b、S_c，两个输出电容C₁、C₂，C₁与C₂串联，两者连接点为O，C₁称为上电容，C₂称为下电容；三个滤波电感L_a、L_b、L_c的一端分别与垂直轴风力发电机3的定子三相绕组相连，另一端分别标为a、b、c点，分别与三个双向开关单元S_a、S_b、S_c的一端相连，且与整流二极管VD1和VD2、VD3和VD4、VD5和VD6的连接点分别相连；三个双向开关单元S_a、S_b、S_c的另一端短接并与O点相连；每个双向开关单元由两个开关管组成，两者反向连接，由一路驱动信号控制。

DC/DC升压变流器12包括电感L、开关管VT、快速恢复二极管VD、电容C，用于将维也纳整流器11的直流输出电压V_dc进行升压，尤其是低风速时；同时使直流母线4的电压V_dcbus稳定。

网侧变流器2为传统的电压源变流器VSC，包括直流侧电容C_g、6个开关管VT₁～VT₆、滤波器，其作用是：实现垂直轴风力发电机3的输出功率控制，同时实现逆变并网控制。

上述垂直轴永磁直驱风电变流器的控制方法，包括以下步骤：

步骤1，维也纳整流器11采用零序分量注入法实现谐波最小化整流，如图1、图3所示，具体步骤为：

11)垂直轴风力发电机3定子发出的频率和幅值均可变化的三相交流电经维也纳整流器11的三个滤波电感L_a、L_b、L_c后，将a、b、c点的电压分别记为u_a、u_b、u_c，其电流记为i_a、i_b、i_c；将u_a、u_b、u_c经abc/dq变换得到u_d和u_q；将i_a、i_b、i_c经abc/dq变换得到i_d和i_q，其中i_d与无功功率有关，i_q与有功功率有关，因此，i_d的参考值i_{d_ref}可设置为0，以实现单位功率因数运行，而i_q的参考值i_{q_ref}取自于维也纳整流器11的直流输出电压PI控制器；

12)将i_d的参考值i_{d_ref}(可令i_{d_ref}＝0)与当前实际值i_d之差经PI控制器，其输出作为u_d的参考值u_{d_ref}；

13)将维也纳整流器11的直流输出电压参考值V_{dc_ref}(作为例子，可令U_a为a相电压u_a的幅值)与其当前实际测量值V_dc之差经PI控制器，其输出为i_q的参考值i_{q_ref}；将此参考值i_{q_ref}与当前实际值i_q之差经PI控制器，其输出作为u_q的参考值u_{q_ref}；

14)将步骤12)和13)得到的参考值u_{d_ref}和u_{q_ref}，经abc/dq反变换得到电压u_a、u_b、u_c的参考值u_{a_ref}、u_{b_ref}、u_{c_ref}，求出u_{a_ref}、u_{b_ref}、u_{c_ref}中的最大值，并将此最大值记为u_max，求出u_{a_ref}、u_{b_ref}、u_{c_ref}中的最小值，并将此最小值记为u_min，即：

u_max＝max(u_{a_ref},u_{b_ref},u_{c_ref})，

u_min＝min(u_{a_ref},u_{b_ref},u_{c_ref})；

15)按式(1)计算零序分量u₀：

u₀＝-(u_max+u_min)/2 (1)

16)令△V＝V₁-V₂，其中，V₁为维也纳整流器11的上电容C₁的两端电压，V₂为维也纳整流器11的下电容C₂的两端电压；△V的参考值记为△V_ref；

17)将△V_ref/V_{dc_ref}与其当前实际值△V/V_dc之差经PI控制器，其输出记为不平衡因子k，它反映上电容C₁和下电容C₂的电压平衡情况；将此不平衡因子k与步骤15)得到的u₀相加，得到需要注入的零序分量u_{0_inj}，即：

u_{0_inj}＝u₀+k＝(u_max+u_min)/2+k

18)将步骤17)得到的需要注入的零序分量u_{0_inj}分别与步骤14)得到的u_{a_ref}、u_{b_ref}、u_{c_ref}相加，得到修正后的电压参考值u_{a_refm}、u_{b_refm}、u_{c_refm}，即：

u_{a_refm}＝u_{a_ref}+u_{0_inj}

u_{b_refm}＝u_{b_ref}+u_{0_inj}

u_{c_refm}＝u_{c_ref}+u_{0_inj}

19)将修正后的电压参考值u_{a_refm}、u_{b_refm}、u_{c_refm}通过载波脉宽调制(CB-PWM)得到维也纳整流器11的三个双向开关单元S_a、S_b、S_c的驱动信号，驱动三个双向开关单元S_a、S_b、S_c工作。

步骤2，如图1、图4所示，DC/DC升压变流器12采用如下控制方法，实现直流母线4电压V_dcbus的稳定：

21)将直流母线4的电压参考值V_{dcbus_ref}与其当前实际值V_dcbus之差经PI控制器，其输出为维也纳整流器11的直流输出电流参考值i_{dc_ref}；

22)将此参考值i_{dc_ref}与当前维也纳整流器11的直流输出电流实际测量值i_dc之差经PI控制器，该PI控制器的输出与锯齿波比较，即得到DC/DC升压变流器12中的开关管VT的驱动信号，实现升压、稳压功能。

步骤3，如图1、图5所示，网侧变流器2采用如下控制方法，实现垂直轴永磁直驱风力发电机3的有功功率控制：

31)测量风速v_w；测量三相电网电压u_ga、u_gb、u_gc和三相网侧电流i_ga、i_gb、i_gc；

32)将u_ga、u_gb、u_gc经锁相环PLL得到电网电压的相位角θ_g；

33)将i_ga、i_gb、i_gc经abc/dq变换得到i_dg和i_qg；将u_ga、u_gb、u_gc经abc/dq变换得到u_dg和u_qg，采用基于电压定向的控制策略，将电网电压矢量定向在同步坐标系的d轴上，从而有：u_dg＝u_g，u_qg＝0，由此可计算出系统的有功功率P_g和无功功率Q_g分别为：

P_g＝1.5u_dgi_dg (2)

Q_g＝-1.5u_dgi_qg (3)

34)根据垂直轴风力发电机3的风速-有功功率曲线(MPPT曲线)，得到当前风速v_w下的并网有功功率参考值P_{g_ref}，根据式(2)，将此P_{g_ref}除以1.5u_dg得到网侧d轴电流参考值i_{dg_ref}，将此i_{dg_ref}与其当前实际值i_dg之差经PI控制器，其输出为网侧变流器2的d轴电压参考值u_{di_ref}；

35)根据式(3)，将并网无功功率参考值Q_{g_ref}除以-1.5u_dg得到网侧q轴电流参考值i_{qg_ref}，将此i_{qg_ref}与其当前实际值i_qg之差经PI控制器，其输出为网侧变流器2的q轴电压参考值u_{qi_ref}；当并网无功功率参考值Q_{g_ref}设为0时，则网侧变流器2实现单位功率因数运行，如Q_{g_ref}设为负数，则网侧变流器2实现超前功率因数运行，如Q_{g_ref}设为正数，则网侧变流器2实现滞后功率因数运行；

36)将步骤34)和35)得到的网侧变流器2的电压参考值u_{di_ref}和u_{qi_ref}，经dq/αβ坐标变换后得到u_{αi_ref}和u_{βi_ref}，经SVPWM调制后产生网侧变流器2的开关管的驱动信号，对风电机组的并网有功功率和无功功率进行调节，实现垂直轴风力发电机3的输出有功功率控制和并网控制。

Claims (1)

1.一种垂直轴永磁直驱风电变流器的控制方法，所述垂直轴永磁直驱风电变流器包括机侧变流器和网侧变流器，所述机侧变流器包括维也纳整流器、DC/DC升压变流器所述维也纳整流器的一端与垂直轴永磁直驱风力发电机的定子相连，另一端与所述DC/DC升压变流器相连，所述DC/DC升压变流器的另一端与直流母线相连，所述直流母线的另一端与所述网侧变流器相连，所述网侧变流器的另一端通过升压工频变压器与电网相连，所述维也纳整流器包括三个滤波电感、三个双向开关单元、两个输出电容，所述两个输出电容为串联连接，其中，与所述维也纳整流器的直流输出端正极相连的输出电容称为上电容，与所述维也纳整流器的直流输出端负极相连的输出电容称为下电容，所述DC/DC升压变流器包括开关管VT；其特征在于：采用如下步骤：

步骤1，所述维也纳整流器采用零序分量注入法实现谐波最小化整流，具体步骤为：

11)所述垂直轴永磁直驱风力发电机的定子输出的频率和幅值均可变化的三相交流电经所述维也纳整流器的三个滤波电感后，将其电压记为u_a、u_b、u_c，其电流记为i_a、i_b、i_c；将u_a、u_b、u_c经abc/dq坐标变换得到u_d和u_q；将i_a、i_b、i_c经abc/dq坐标变换得到i_d和i_q；

12)将i_d的参考值i_{d_ref}与当前实际值i_d之差经PI控制器，其输出作为u_d的参考值u_{d_ref}；

13)将所述维也纳整流器的直流输出电压参考值V_{dc_ref}与其当前实际测量值V_dc之差经PI控制器，其输出为i_q的参考值i_{q_ref}；将此参考值i_{q_ref}与当前实际值i_q之差经PI控制器，其输出作为u_q的参考值u_{q_ref}；

14)将步骤12)和13)得到的参考值u_{d_ref}和u_{q_ref}，经abc/dq逆变换得到电压u_a、u_b、u_c的参考值u_{a_ref}、u_{b_ref}、u_{c_ref}，求出u_{a_ref}、u_{b_ref}、u_{c_ref}中的最大值且记为u_max，求出u_{a_ref}、u_{b_ref}、u_{c_ref}中的最小值且记为u_min；

15)按式(1)计算零序分量u₀：

u₀＝-(u_max+u_min)/2 (1)

16)令ΔV＝V₁-V₂，其中，V₁为所述维也纳整流器的上电容的两端电压，V₂为所述维也纳整流器的下电容的两端电压；ΔV的参考值记为ΔV_ref；

17)将ΔV_ref/V_{dc_ref}与其当前实际值ΔV/V_dc之差经PI控制器，其输出记为不平衡因子k；将此不平衡因子k与步骤15)得到的u₀相加，得到需要注入的零序分量u_{0_inj}；

18)将步骤17)得到的需要注入的零序分量u_{0_inj}分别与步骤14)得到的u_{a_ref}、u_{b_ref}、u_{c_ref}相加，得到修正后的电压参考值u_{a_refm}、u_{b_refm}、u_{c_refm}；

19)将修正后的电压参考值u_{a_refm}、u_{b_refm}、u_{c_refm}通过载波脉宽调制得到所述维也纳整流器的三个双向开关单元的驱动信号，驱动三个双向开关单元工作；

步骤2，所述DC/DC升压变流器采用如下控制方法，实现所述直流母线电压稳定：

21)将所述直流母线电压参考值V_{dcbus_ref}与其当前实际测量值V_dcbus之差经PI控制器，其输出为所述维也纳整流器的直流输出电流参考值i_{dc_ref}；

22)将此参考值i_{dc_ref}与当前所述维也纳整流器的直流输出电流实际测量值i_dc之差经PI控制器，其输出与锯齿波比较，即得到所述DC/DC升压变流器中开关管VT的驱动信号；

步骤3，所述网侧变流器采用如下控制方法，实现所述垂直轴永磁直驱风力发电机的有功功率控制和并网控制：

31)测量风速v_w；

32)将u_ga、u_gb、u_gc经锁相环PLL得到相位角θ_g；

33)将i_ga、i_gb、i_gc经abc/dq变换得到i_dg和i_qg；将u_ga、u_gb、u_gc经abc/dq变换得到u_dg和u_qg，采用基于电压定向的控制策略，将电网电压矢量定向在同步坐标系的d轴上，从而有：u_dg＝u_g，u_qg＝0；由此可计算出系统的有功功率P_g和无功功率Q_g分别为：

P_g＝1.5u_dgi_dg (2)

Q_g＝-1.5u_dgi_qg (3)

34)根据所述垂直轴永磁直驱风力发电机的风速-有功功率曲线，得到当前风速v_w下的并网有功功率参考值P_{g_ref}，根据式(2)，将此P_{g_ref}除以1.5u_dg得到网侧d轴电流参考值i_{dg_ref}，将此i_{dg_ref}与其当前实际值i_dg之差经PI控制器，其输出为所述网侧变流器的d轴电压参考值u_{di_ref}；

35)根据式(3)，将并网无功功率Q_{g_ref}除以-1.5u_dg得到网侧q轴电流参考值i_{qg_ref}，将此i_{qg_ref}与其当前实际值i_qg之差经PI控制器，其输出为所述网侧变流器的q轴电压参考值u_{qi_ref}；

36)将步骤34)和35)得到的所述网侧变流器的电压参考值u_{di_ref}和u_{qi_ref}，经dq/αβ坐标变换后得到u_{αi_ref}和u_{βi_ref}，经SVPWM调制后产生所述网侧变流器开关管的驱动信号，对风电机组的并网有功功率和无功功率进行调节，实现所述垂直轴永磁直驱风力发电机的输出有功功率控制和并网控制。