CN109088428A - 高电压穿越装置、方法，包括该装置的变流系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高电压穿越装置、方法，包括该装置的变流系统，实时检测三相网压幅值及三相定子电压幅值；当检测到三相网压升高后，根据实际网压更新网侧直流母线电压分配系数，以确保网侧变流器可控；根据定子侧电压及网侧直流母线电压分配系数确定机侧直流母线电压分配系数并更新，计算励磁电流指令值，以确保机侧变流器可控；根据网侧、机侧直流母线电压分配系数计算机侧、网侧脉冲调制时间；根据机侧、网侧脉冲调制时间，及网侧变流器三相输出电压、机侧变流器三相输出定子电压进行SVPWM调制，以实现高电压穿越。本发明能够解决传统变流器需要开关器件多、控制复杂、成本高，以及风资源利用率和发电量低的技术问题。

Description

高电压穿越装置、方法，包括该装置的变流系统

技术领域

本发明涉及变流技术领域，尤其是涉及一种应用于风力发电领域，基于九开关直驱式变流器拓扑结构的高电压穿越装置、方法，包括该装置的变流系统。

背景技术

风力发电作为一种无污染、利用可再生资源的环保型发电方式，成为最具发展潜力的可再生能源技术之一，以及世界各国竞相发展的热点和重点，市场前景广阔。但是，随着陆地风电力发电机组数量的增多、容量的增加以及电量就地消纳、传输能力的限制，海上风电机组更加受到广大风电业主、相关技术研发人员的重视。同时，由于机组容量的增加，也需要大容量的变流器完成能量转换，特别是对于海上风电。

随着变流器容量的增加，其需要的开关器件数量也要相应增加或选用更大功率等级的开关器件，同时也要增加驱动、散热等装置，最终导致变流器的成本大幅增加。各大变流器厂家为了尽可能地减少变流器的成本，将九开关变流器拓扑结构引入到风力发电系统中成为一种趋势。同时，根据国家能源局相关并网导则的要求，所有并网机组必须具有高电压穿越能力，而其中的机组高电压穿越技术大部分都由变流器完成。所以这种采用新拓扑结构的变流器高电压穿越技术也将成为各大变流器厂家研究的热点。

现有技术中的高电压穿越方法均是基于传统全功率变流器拓扑结构，而传统全功率变流器的风电力发电系统框图如附图1所示。从图中可见，传统全功率变流器的风电力发电系统包括电网1、变流模块20和电网3，其中变流模块20包括12个开关器件，系统成本非常高，且控制相对复杂。

在现有技术中，目前与全功率变流器高电压穿越技术相关的主要有以下几种方案：

方案1为科诺伟业风能设备(北京)有限公司于2015年12月03日申请，并于2016年03月02日公开，公开号为CN105375523A的中国发明申请《一种风电全功率变流器高电压穿越控制方法》。该发明控制方法通过以下四个控制策略的共同作用实现：策略一是动态调整直流母线电压参考值。策略二是总电流限制条件下无功电流优先。策略三是随母线参考值动态调整卸荷投入占空比值。策略四是基于参考和误差滤波信号解耦的电流控制算法。但是，该发明控制方法当电网电压超过1.3倍额定网压时，通过直流母线侧卸荷电路抑制暂态过电

压，需要额外增加硬件电路。

方案2为国家电网公司等于2014年11月04日申请，并于2016年06月01日公开，公开号为CN105633998A的中国发明申请《风力发电机组高电压穿越方法和装置》。该发明申请方法包括：实时检测风力发电机组并网侧电网电压有效值和直流母线电压值。确定检测到的电网电压有效值与电网电压设定值之间的差值是否大于第一预定阈值。如果差值大于第一预定阈值，则计算得到参考无功电流值，并根据参考无功电流值计算有功电流值，将计算得到的参考无功电流值作为并网侧输入无功电流值，将计算得到的有功电流值作为并网侧输入的有功电流值。该发明申请方法根据电网电压有效值与设定值之间的差值，确定机侧变流器、网侧变流器控制方式，但很明显该方案只能适应于网压浅度升高的情况。

方案3为新疆金风科技股份有限公司于2015年06月29日申请，并于2015年11月25日公开，公开号为CN105098830A的中国发明申请《永磁直驱风力发电机组高电压穿越方法及装置》。该发明申请方法根据发电机的输出有功功率差值、预设的高电压穿越持续时间和发电机的机械角速度计算得到发电机的电磁转矩差值。根据发电机的电磁转矩差值和发电机的电角速度计算得到发电机的电磁转矩的给定值。根据发电机的电磁转矩的给定值对发电机进行转矩控制。该发明申请方法根据发电机的输出有功功率差值，预设的高电压穿越持续时间和发电机的机械角度计算得到发电机的电磁转矩差值，依此控制发电机有功功率输出，减少机侧的有功功率抬高直流母线电压的影响。该方案可以在电网网压升高至1.3倍额定网压时，通过机组的高电压穿越实现机组不脱网运行。但是，此时大大降低了机组的有功功率输出，从而降低风了资源的利用率。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高电压穿越装置、方法，包括该装置的变流系统，以解决传统变流器需要开关器件多、控制复杂、成本高，以及风资源利用率和发电量低的技术问题。

为了实现上述目的，本发明具体提供了一种高电压穿越装置的技术实现方案，高电压穿越装置，用于对九开关变流模块进行调制，包括：

第一坐标变换单元、第二坐标变换单元、第三坐标变换单元、第四坐标变换单元、第五坐标变换单元、第六坐标变换单元、锁相环单元、调制时间计算单元、调制单元和PI环节；

三相电网电压U_ga、U_gb、U_gc经第一坐标变换单元进行abc/dq变换后得到网侧变流器输出电压d、q轴分量U_gd、U_gq，并经锁相环单元得到电网相角值θ₁；网侧变流器三相输出电流i_la、i_lb、i_lc经第二坐标变换单元进行abc/dq变换后得到三相输出电流d、q轴分量i_ld、i_lq；三相输出电流d、q轴分量i_ld、i_lq作为网侧电流内环的反馈值与网侧三相输出电流d、q轴指令值i_ld ^*、i_lq ^*经PI环节得到网侧变流器d、q轴输出电压；网侧变流器d、q轴输出电压经第五坐标变换单元进行dq/abc变换后得到网侧变流器三相输出电压；

三相定子电压U_sa、U_sb、U_sc经第三坐标变换单元进行abc/dq变换后得到机侧变流器输出电压d、q轴分量U_sd、U_sq；三相定子电流i_sa、i_sb、i_sc经第四坐标变换单元进行abc/dq变换后得到三相定子电流d、q轴分量i_sd、i_sq；三相定子电流d、q轴分量i_sd、i_sq作为机侧电流内环的反馈值与三相定子电流d、q轴指令值i_sd ^*、i_sq ^*经PI环节得到机侧变流器d、q轴输出电压；机侧变流器d、q轴输出电压经第六坐标变换单元进行dq/abc变换后得到机侧变流器三相输出定子电压；

调制时间计算单元根据网侧变流器输出电压d、q轴分量U_gd、U_gq，机侧变流器输出电压d、q轴分量U_sd、U_sq，以及中间直流电压U_dc，得出机侧脉冲调制时间m_s、网侧脉冲调制时间m_g；

调制单元根据机侧脉冲调制时间m_s、网侧脉冲调制时间m_g及网侧变流器三相输出电压、机侧变流器三相输出定子电压进行SVPWM调制计算，得出输出至九开关变流模块中九个开关器件的驱动信号。

进一步的，所述锁相环单元根据网侧变流器输出电压d轴分量U_gd及网侧变流器输出电压d轴分量给定值U_{gd_ref}进行锁相，并向所述第一坐标变换单元、第二坐标变换单元和第五坐标变换单元输出电网相角值θ₁作为锁相值。

进一步的，输入所述第三坐标变换单元、第四坐标变换单元和第六坐标变换单元的信号还包括通过位置编码器检测得到的电机转子位置角θ_r。

进一步的，将电机的励磁电流指令值作为三相定子电流d轴指令值i_sd ^*，将电机的转矩电流指令值作为三相定子电流q轴指令值i_sq ^*。

进一步的，将网侧变流器的有功电流指令值作为网侧三相输出电流d轴指令值i_ld ^*，将网侧变流器无功电流指令值作为网侧三相输出电流q轴指令值i_lq ^*。

进一步的，中间直流电压反馈值U_dc与中间直流电压指令值U_dc ^*经PI环节得到网侧三相输出电流d轴指令值i_ld ^*。

进一步的，三相定子电流d轴分量i_sd根据以下公式计算：

其中，U_sq为机侧变流器输出电压d轴分量，U_sd为机侧变流器输出电压q轴分量，σ为网压升高系数，U_gd为网侧变流器输出电压d轴分量，U_gq为网侧变流器输出电压q轴分量，ψ_f为电机永磁体磁链，ω为电机同步角速度，L_d为电机同轴电感；

所述电机的励磁电流指令值i_sd ^*小于三相定子电流d轴分量i_sd。

进一步的，所述调制时间计算单元根据以下公式计算机侧脉冲调制时间m_s、网侧脉冲调制时间m_g：

m_g＝T₁＝K₁*Ts

m_s＝T₂＝K₂*Ts

其中，U_dc1为网侧变流器直流母线电压，U_dc2为机侧变流器直流母线电压，U_dc为总的直流母线电压，T₁为网侧变流器开关周期，T₂为机侧变流器开关周期，U_sq为机侧变流器输出电压d轴分量，U_sd为机侧变流器输出电压q轴分量，U_gd为网侧变流器输出电压d轴分量，U_gq为网侧变流器输出电压q轴分量，K_pwm为直流母线利用率，K₁为网侧直流母线电压分配系数，K₂为机侧直流母线电压分配系数，Ts为开关周期。

本发明还另外具体提供了一种高电压穿越方法的技术实现方案，高电压穿越方法，包括以下步骤：

S101)检测电网的三相电压幅值，以及电机的三相定子电压幅值；

S102)当检测到电网的电压升高后，根据实际电网的电压更新网侧直流母线电压分配系数K₁，以确保网侧变流器可控；

S103)根据三相定子电压及网侧直流母线电压分配系数K₁确定并更新机侧直流母线电压分配系数K₂，同时计算励磁电流指令值i_sd ^*，以确保机侧变流器可控；

S104)根据网侧直流母线电压分配系数K₁、机侧直流母线电压分配系数K₂计算机侧脉冲调制时间m_s、网侧脉冲调制时间m_g；

S105)根据机侧脉冲调制时间m_s、网侧脉冲调制时间m_g，以及网侧变流器三相输出电压、机侧变流器三相输出定子电压进行九开关变流模块SVPWM调制，以实现高电压穿越。

进一步的，三相电网电压U_ga、U_gb、U_gc经abc/dq变换后得到网侧变流器输出电压d、q轴分量U_gd、U_gq，并经锁相得到电网相角值θ₁。网侧变流器三相输出电流i_la、i_lb、i_lc经abc/dq变换后得到三相输出电流d、q轴分量i_ld、i_lq。三相输出电流d、q轴分量i_ld、i_lq作为网侧电流内环的反馈值与网侧三相输出电流d、q轴指令值i_ld ^*、i_lq ^*经PI调节得到网侧变流器d、q轴输出电压。网侧变流器d、q轴输出电压经dq/abc变换后得到网侧变流器三相输出电压。

进一步的，三相定子电压U_sa、U_sb、U_sc经abc/dq变换后得到机侧变流器输出电压d、q轴分量U_sd、U_sq；三相定子电流i_sa、i_sb、i_sc经abc/dq变换后得到三相定子电流d、q轴分量i_sd、i_sq。三相定子电流d、q轴分量i_sd、i_sq作为机侧电流内环的反馈值与三相定子电流d、q轴指令值i_sd ^*、i_sq ^*经PI调节得到机侧变流器d、q轴输出电压。机侧变流器d、q轴输出电压经dq/abc变换后得到机侧变流器三相输出定子电压。

进一步的，根据网侧变流器输出电压d、q轴分量U_gd、U_gq，机侧变流器输出电压d、q轴分量U_sd、U_sq，以及中间直流电压U_dc，通过以下公式得到机侧脉冲调制时间m_s、网侧脉冲调制时间m_g：

m_g＝T₁＝K₁*Ts

m_s＝T₂＝K₂*Ts

其中，U_dc1为网侧变流器直流母线电压，U_dc2为机侧变流器直流母线电压，U_dc为总的直流母线电压，T₁为网侧变流器开关周期，T₂为机侧变流器开关周期，U_sq为机侧变流器输出电压d轴分量，U_sd为机侧变流器输出电压q轴分量，U_gd为网侧变流器输出电压d轴分量，U_gq为网侧变流器输出电压q轴分量，K_pwm为直流母线利用率，K₁为网侧直流母线电压分配系数，K₂为机侧直流母线电压分配系数，Ts为开关周期。

进一步的，三相定子电流d轴分量i_sd根据以下公式计算：

其中，U_sq为机侧变流器输出电压d轴分量，U_sd为机侧变流器输出电压q轴分量，σ为网压升高系数，U_gd为网侧变流器输出电压d轴分量，U_gq为网侧变流器输出电压q轴分量，ψ_f为电机永磁体磁链，ω为电机同步角速度，L_d为电机同轴电感。所述电机的励磁电流指令值i_sd ^*小于三相定子电流d轴分量i_sd。

进一步的，根据网侧变流器输出电压d轴分量U_gd及网侧变流器输出电压d轴分量给定值U_{gd_ref}进行锁相得到电网相角值θ₁，并作为网侧abc/dq变换、dq/abc变换的相角值。

进一步的，通过位置编码器检测得到的电机转子位置角θ_r，并作为机侧abc/dq变换、dq/abc变换的相角值。

进一步的，将电机的励磁电流指令值作为三相定子电流d轴指令值i_sd ^*，将电机的转矩电流指令值作为三相定子电流q轴指令值i_sq ^*。

进一步的，将网侧变流器的有功电流指令值作为网侧三相输出电流d轴指令值i_ld ^*，将网侧变流器无功电流指令值作为网侧三相输出电流q轴指令值i_lq ^*。

进一步的，中间直流电压反馈值U_dc与中间直流电压指令值U_dc ^*经PI调节得到网侧三相输出电流d轴指令值i_ld ^*。

本发明还另外具体提供了一种变流系统的技术实现方案，变流系统，包括：九开关变流模块，与所述九开关变流模块相连的电网和电机，以及如上所述与九开关变流模块相连的高电压穿越装置。

进一步的，所述九开关变流模块采用九开关全功率直驱式变流器。

进一步的，所述电机采用直驱式永磁同步电机。

通过实施上述本发明提供的高电压穿越装置、方法，包括该装置的变流系统的技术方案，具有如下有益效果：

本发明与传统基于全功风电变流器的高电压穿越方案相比，减少了三个开关器件，同时省去了直流斩波回路，从而精简了系统拓扑结构，大大降低了系统成本，同时也有效提高了风电机组的风能利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的实施例。

图1是现有技术采用传统全功率变流器的电力系统结构框图；

图2是本发明采用九开关全功率变流器的电力系统结构框图；

图3是本发明高电压穿越装置一种具体实施例的系统结构框图；

图4是图3中网侧变流器有功电流指令值的计算原理框图；

图5是本发明高电压穿越方法一种具体实施例的程序流程图；

图6是包括本发明高电压穿越装置的变流器系统一种具体实施例的结构框图；

图中：1-电网，2-九开关变流模块，3-电机，4-第一坐标变换单元，5-第二坐标变换单元，6-第三坐标变换单元，7-第四坐标变换单元，8-第五坐标变换单元，9-第六坐标变换单元，10-锁相环单元，11-调制时间计算单元，12-调制单元，13-PI环节，20-变流模块，100-高电压穿越装置。

具体实施方式

为了引用和清楚起见，将下文中使用的技术名词、简写或缩写记载如下：

SVPWM：Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制的简称；

PI：Proportion Integration，比例积分调节的简称。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图1至附图6所示，给出了本发明高电压穿越装置、方法，包括该装置的变流系统的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

如附图2所示，为采用九开关全功率变流器的电力系统结构框图，该电力系统应用于风力发电。九开关变流模块2共包括S1～S9共9个开关器件，其具体工作原理如下：每个开关周期Ts被分为T₁、T₂两个时段。在T₁时段内，附图2中的开关器件S7、S8、S9闭合，其余开关器件组成一个变换器，称为网侧变流器(LSC，Line Side Converter)。在T₂时段内，附图2中的开关器件S1、S2、S3闭合，其余开关组成一个变换器，称为机侧变流器(GSC，GeneratorSide Converter)。在T₁时段内，对LSC进行空间矢量脉冲调制(SVPWM)，输出一个电压U_g，此时GSC处于零矢量状态，其三相输出不受影响。同理，对于机侧变流器GSC也可以输出一个电压U_s，此时直流母线电压分成U_dc1和U_dc2两个部分，如下式(1)所示：

九开关变流模块2输出一定幅值U_g与U_s，其直流母线约束关系如下式(2)所示：

在式(2)中，K_pwm为直流母线利用率，对于采用SVPWM调制的九开关变流模块2为1/1.15，U_gd、U_gq分别为网侧变流器输出电压恒幅值变换的d、q轴分量，U_sd、U_sq分别为机侧变流器输出电压恒幅值变换的d、q轴分量。

如附图3所示，一种高电压穿越装置的实施例，用于对九开关变流模块2进行调制，具体包括：第一坐标变换单元4、第二坐标变换单元5、第三坐标变换单元6、第四坐标变换单元7、第五坐标变换单元8、第六坐标变换单元9、锁相环单元10、调制时间计算单元11、调制单元12和PI环节13。

三相电网电压U_ga、U_gb、U_gc经第一坐标变换单元4进行abc/dq变换后得到网侧变流器输出电压d、q轴分量U_gd、U_gq，并经锁相环单元10得到电网相角值θ₁。网侧变流器三相输出电流i_la、i_lb、i_lc经第二坐标变换单元5进行abc/dq变换后得到三相输出电流d、q轴分量i_ld、i_lq。三相输出电流d、q轴分量i_ld、i_lq作为网侧电流内环的反馈值与网侧三相输出电流d、q轴指令值i_ld ^*、i_lq ^*经PI环节13得到网侧变流器d、q轴输出电压。网侧变流器d、q轴输出电压经第五坐标变换单元8进行dq/abc变换后得到网侧变流器三相输出电压(即调制单元12的SVPWM调制波信号)。

三相定子电压U_sa、U_sb、U_sc经第三坐标变换单元6进行abc/dq变换后得到机侧变流器输出电压d、q轴分量U_sd、U_sq。三相定子电流i_sa、i_sb、i_sc经第四坐标变换单元7进行abc/dq变换后得到三相定子电流d、q轴分量i_sd、i_sq。三相定子电流d、q轴分量i_sd、i_sq作为机侧电流内环的反馈值与三相定子电流d、q轴指令值i_sd ^*、i_sq ^*经PI环节13得到机侧变流器d、q轴输出电压。机侧变流器d、q轴输出电压经第六坐标变换单元9进行dq/abc变换后得到机侧变流器三相输出定子电压(即调制单元12的SVPWM调制波信号)。

调制时间计算单元11根据网侧变流器输出电压d、q轴分量U_gd、U_gq，机侧变流器输出电压d、q轴分量U_sd、U_sq，以及中间直流电压U_dc，得出机侧脉冲调制时间m_s、网侧脉冲调制时间m_g。

调制单元12根据机侧脉冲调制时间m_s、网侧脉冲调制时间m_g及网侧变流器三相输出电压、机侧变流器三相输出定子电压进行SVPWM调制计算，得出输出至九开关变流模块2中九个开关器件S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9的驱动信号，以产生三相定子电压来控制电机3。

作为本发明一种典型的具体实施例，锁相环单元6根据网侧变流器输出电压d轴分量U_gd及网侧变流器输出电压d轴分量给定值U_{gd_ref}进行锁相，并向第一坐标变换单元4、第二坐标变换单元5和第五坐标变换单元8输出电网相角值θ₁作为锁相值。输入第三坐标变换单元6、第四坐标变换单元7和第六坐标变换单元9的信号还包括通过位置编码器直接检测得到的电机转子位置角θ_r，其主要作用控制电机3的转子永磁体旋转位置角。

作为本发明一种较佳的具体实施例，进一步将电机3的励磁电流指令值作为三相定子电流d轴指令值i_sd ^*，将电机3的转矩电流指令值作为三相定子电流q轴指令值i_sq ^*，i_sq ^*一般来自于风机的整机控制系统。并进一步将网侧变流器的有功电流指令值作为网侧三相输出电流d轴指令值i_ld ^*，将网侧变流器无功电流指令值作为网侧三相输出电流q轴指令值i_lq ^*，i_lq ^*一般来自于风机的整机控制系统。如附图4所示，中间直流电压反馈值U_dc与中间直流电压指令值U_dc ^*经PI环节13得到网侧三相输出电流d轴指令值i_ld ^*。

根据网侧变流器输出电压的d、q轴分量U_gd、U_gq，以及式(2)计算出网侧变流器需要的直流母线电压U_dc1，然后根据式(1)计算出网侧变流器母线电压分配系数K₁，其表达式为：

同时，机侧变流器根据机侧变流器输出电压(即三相定子电压)d、q轴分量U_sd、U_sq，以及式(2)计算出机侧变流器需要的直流母线电压U_dc2，然后根据式(1)计算出机侧变流器母线电压分配系数K₂，其表达式为：

由于T1+T2为开关周期Ts，在九开关变流模块2设计时，已设定固定值Ts＝T1+T2，因此，根据式(3)、(4)可以求出：

m_g＝T₁＝K₁*Ts (5)

m_s＝T₂＝K₂*Ts (6)

在一个计算周期内，计算出机侧脉冲调制时间m_s，网侧脉冲调制时间m_g。

基于电机3(具体采用永磁同步发电机)最优功率控制的励磁指令电流计算，在电网1的三相网压升高前，网侧变流器的直流母线电压为：

当电网1的三相网压升高百分σ后，需要维持网侧变流器可控，网侧变流器的直流母线电压也需要相应增加：

U'_dc1＝U_dc1+σU_dc (8)

而总的直流母线电压U_dc维持不变，此时机侧变流器的直流母线电压相应减少为：

U'_dc2＝U_dc2-σU_dc (9)

当电网1的三相网压升高后，机侧变流器的直流母线电压为：

联合式(2)可得：

其中，U_sq1、U_sd1为电网1的三相网压升高后，九开关变流模块2需要输出电压的d、q分量，为了保证电机3最大功率运行，其转矩电流尽量保持不变，在此条件下必须要保证控制转矩电流的输出电压不变(最终是通过控制九开关变流模块2的输出电压来控制输出电流)，即：

U_sd1＝U_sd (12)

将式(12)代入式(11)，可得：

由电机3的稳态电压方程可得：

U_sq＝ω(L_di_d+ψ_f)-R_si_q (14)

其中，ω为电机3的同步角速度、L_d为电机3的同轴电感，ψ_f为电机3的永磁体磁链，i_d为定子电流的d轴分量、i_q为定子电流的q轴分量。一般情况下，(大功率永磁同步)电机3的定子电阻R_s很小，基本可忽略，联合式(13)计算，可得：

此时，电机3的励磁电流指令值(即定子电流励磁分量指令值)必须小于i_sd，以保证机侧变流器可控。

三相定子电流d轴分量i_sd进一步根据以下公式计算：

其中，U_sq为机侧变流器输出电压d轴分量，U_sd为机侧变流器输出电压q轴分量，σ为网压升高系数，U_gd为网侧变流器输出电压d轴分量，U_gq为网侧变流器输出电压q轴分量，ψ_f为电机永磁体磁链，ω为电机同步角速度，L_d为电机同轴电感。电机3的励磁电流指令值i_sd ^*小于三相定子电流d轴分量i_sd。

调制时间计算单元11进一步根据以下公式计算机侧脉冲调制时间m_s、网侧脉冲调制时间m_g：

m_g＝T₁＝K₁*Ts

m_s＝T₂＝K₂*Ts

其中，U_dc1为网侧变流器直流母线电压，U_dc2为机侧变流器直流母线电压，U_dc为总的直流母线电压，T₁为网侧变流器开关周期，T₂为机侧变流器开关周期，U_sq为机侧变流器输出电压d轴分量，U_sd为机侧变流器输出电压q轴分量，U_gd为网侧变流器输出电压d轴分量，U_gq为网侧变流器输出电压q轴分量，K_pwm为直流母线利用率，K₁为网侧直流母线电压分配系数，K₂为机侧直流母线电压分配系数，Ts为开关周期。

实施例2

如附图5所示，一种高电压穿越方法的实施例，具体包括以下步骤：

S101)实时检测电网1的三相电压幅值，以及电机3的三相定子电压幅值；

S102)当检测到电网1的电压升高后，根据实际电网1的电压基于式(7)的需求，实时更新网侧直流母线电压分配系数K₁，以确保网侧变流器可控；

S103)根据三相定子电压(即定子侧电压)及网侧直流母线电压分配系数K₁确定并实时更新机侧直流母线电压分配系数K₂，同时根据式(15)计算励磁电流指令值i_sd ^*，以确保机侧变流器可控；

S104)根据网侧直流母线电压分配系数K₁、机侧直流母线电压分配系数K₂计算机侧脉冲调制时间m_s、网侧脉冲调制时间m_g；

S105)根据机侧脉冲调制时间m_s、网侧脉冲调制时间m_g，以及网侧变流器三相输出电压、机侧变流器三相输出定子电压进行九开关变流模块2的SVPWM调制，产生三相定子电压来控制电机3，以实现高电压穿越。

三相电网电压U_ga、U_gb、U_gc经abc/dq变换后得到网侧变流器输出电压d、q轴分量U_gd、U_gq，并经锁相得到电网相角值θ₁。网侧变流器三相输出电流i_la、i_lb、i_lc经abc/dq变换后得到三相输出电流d、q轴分量i_ld、i_lq。三相输出电流d、q轴分量i_ld、i_lq作为网侧电流内环的反馈值与网侧三相输出电流d、q轴指令值i_ld ^*、i_lq ^*经PI调节得到网侧变流器d、q轴输出电压。网侧变流器d、q轴输出电压经dq/abc变换后得到网侧变流器三相输出电压。

三相定子电压U_sa、U_sb、U_sc经abc/dq变换后得到机侧变流器输出电压d、q轴分量U_sd、U_sq。三相定子电流i_sa、i_sb、i_sc经abc/dq变换后得到三相定子电流d、q轴分量i_sd、i_sq。三相定子电流d、q轴分量i_sd、i_sq作为机侧电流内环的反馈值与三相定子电流d、q轴指令值i_sd ^*、i_sq ^*经PI调节得到机侧变流器d、q轴输出电压。机侧变流器d、q轴输出电压经dq/abc变换后得到机侧变流器三相输出定子电压。

根据网侧变流器输出电压d、q轴分量U_gd、U_gq，机侧变流器输出电压d、q轴分量U_sd、U_sq，以及中间直流电压U_dc，进一步通过以下公式得到机侧脉冲调制时间m_s、网侧脉冲调制时间m_g：

m_g＝T₁＝K₁*Ts

m_s＝T₂＝K₂*Ts

其中，U_dc1为网侧变流器直流母线电压，U_dc2为机侧变流器直流母线电压，U_dc为总的直流母线电压，T₁为网侧变流器开关周期，T₂为机侧变流器开关周期，U_sq为机侧变流器输出电压d轴分量，U_sd为机侧变流器输出电压q轴分量，U_gd为网侧变流器输出电压d轴分量，U_gq为网侧变流器输出电压q轴分量，K_pwm为直流母线利用率，K₁为网侧直流母线电压分配系数，K₂为机侧直流母线电压分配系数，Ts为开关周期。

三相定子电流d轴分量i_sd进一步根据以下公式计算：

其中，U_sq为机侧变流器输出电压d轴分量，U_sd为机侧变流器输出电压q轴分量，σ为网压升高系数，U_gd为网侧变流器输出电压d轴分量，U_gq为网侧变流器输出电压q轴分量，ψ_f为电机永磁体磁链，ω为电机同步角速度，L_d为电机同轴电感。电机3的励磁电流指令值i_sd ^*小于三相定子电流d轴分量i_sd。

作为本发明一种典型的具体实施例，根据网侧变流器输出电压d轴分量U_gd及网侧变流器输出电压d轴分量给定值U_{gd_ref}进行锁相得到电网相角值θ₁，并作为网侧abc/dq变换、dq/abc变换的相角值。同时，通过位置编码器直接检测得到电机转子位置角θ_r，并作为机侧abc/dq变换、dq/abc变换的相角值。

作为本发明一种较佳的具体实施例，进一步将电机3的励磁电流指令值作为三相定子电流d轴指令值i_sd ^*，将电机3的转矩电流指令值作为三相定子电流q轴指令值i_sq ^*。并进一步将网侧变流器的有功电流指令值作为网侧三相输出电流d轴指令值i_ld ^*，将网侧变流器无功电流指令值作为网侧三相输出电流q轴指令值i_lq ^*。中间直流电压反馈值U_dc与中间直流电压指令值U_dc ^*经PI调节得到网侧三相输出电流d轴指令值i_ld ^*。

实施例3

一种变流器的实施例，具体包括：如实施例1所述的高电压穿越装置100，及与高电压穿越装置100相连的九开关变流模块2。

实施例4

如附图6所示，一种变流系统的实施例，具体包括：九开关变流模块2，与九开关变流模块2相连的电网1和电机3，以及如实施例1所述与九开关变流模块2相连的高电压穿越装置100。

其中，九开关变流模块2进一步采用九开关全功率直驱式变流器，电机3进一步采用直驱式永磁同步电机。

本发明具体实施例描述的高电压穿越装置、方法，包括该装置的变流系统基于九开关全功率变流器拓扑结构实现高电压穿越，采用永磁同步发电机最优功率控制，基于网压、定子电压幅值动态分配直流母线电压，能够解决传统风电全功率变流器需要开关器件多，以及控制复杂等技术问题，可以完全替代传统背靠背结构的变流器，解决传统风电全功率变流器高电压穿越方法存在的成本高、降低风资源利用率、降低发电量等技术缺陷。在以往的变流器，尤其是风电变流器中由于单个开关器件的价格很昂贵，因此通过尽量减少开关器件以节省系统成本，而本发明具体实施例采用的技术方案减少了三个开关器件，还省去了直流斩波回路，在大大精简系统拓扑结构、降低系统成本和控制复杂程度的同时，当电网电压升高时，还能通过提升风资源利用率来提高发电量和发电效率。

通过实施本发明具体实施例描述的高电压穿越装置、方法，包括该装置的变流系统的技术方案，能够产生如下技术效果：

本发明具体实施例描述的高电压穿越装置、方法，包括该装置的变流系统与传统基于全功风电变流器的高电压穿越方案相比，减少了三个开关器件，同时省去了直流斩波回路，从而精简了系统拓扑结构，大大降低了系统成本，同时也有效提高了风电机组的风能利用率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (10)

1.一种高电压穿越装置，用于对九开关变流模块(2)进行调制，其特征在于，包括：第一坐标变换单元(4)、第二坐标变换单元(5)、第三坐标变换单元(6)、第四坐标变换单元(7)、第五坐标变换单元(8)、第六坐标变换单元(9)、锁相环单元(10)、调制时间计算单元(11)、调制单元(12)和PI环节(13)；

三相电网电压U_ga、U_gb、U_gc经第一坐标变换单元(4)进行abc/dq变换后得到网侧变流器输出电压d、q轴分量U_gd、U_gq，并经锁相环单元(10)得到电网相角值θ₁；网侧变流器三相输出电流i_la、i_lb、i_lc经第二坐标变换单元(5)进行abc/dq变换后得到三相输出电流d、q轴分量i_ld、i_lq；三相输出电流d、q轴分量i_ld、i_lq作为网侧电流内环的反馈值与网侧三相输出电流d、q轴指令值i_ld ^*、i_lq ^*经PI环节(13)得到网侧变流器d、q轴输出电压；网侧变流器d、q轴输出电压经第五坐标变换单元(8)进行dq/abc变换后得到网侧变流器三相输出电压；

三相定子电压U_sa、U_sb、U_sc经第三坐标变换单元(6)进行abc/dq变换后得到机侧变流器输出电压d、q轴分量U_sd、U_sq；三相定子电流i_sa、i_sb、i_sc经第四坐标变换单元(7)进行abc/dq变换后得到三相定子电流d、q轴分量i_sd、i_sq；三相定子电流d、q轴分量i_sd、i_sq作为机侧电流内环的反馈值与三相定子电流d、q轴指令值i_sd ^*、i_sq ^*经PI环节(13)得到机侧变流器d、q轴输出电压；机侧变流器d、q轴输出电压经第六坐标变换单元(9)进行dq/abc变换后得到机侧变流器三相输出定子电压；

调制时间计算单元(11)根据网侧变流器输出电压d、q轴分量U_gd、U_gq，机侧变流器输出电压d、q轴分量U_sd、U_sq，以及中间直流电压U_dc，得出机侧脉冲调制时间m_s、网侧脉冲调制时间m_g；

调制单元(12)根据机侧脉冲调制时间m_s、网侧脉冲调制时间m_g及网侧变流器三相输出电压、机侧变流器三相输出定子电压进行SVPWM调制计算，得出输出至九开关变流模块(2)中九个开关器件的驱动信号。

2.根据权利要求1所述的高电压穿越装置，其特征在于：所述锁相环单元(6)根据网侧变流器输出电压d轴分量U_gd及网侧变流器输出电压d轴分量给定值U_{gd_ref}进行锁相，并向所述第一坐标变换单元(4)、第二坐标变换单元(5)和第五坐标变换单元(8)输出电网相角值θ₁作为锁相值；输入所述第三坐标变换单元(6)、第四坐标变换单元(7)和第六坐标变换单元(9)的信号还包括通过位置编码器检测得到的电机转子位置角θ_r。

3.根据权利要求1或2所述的高电压穿越装置，其特征在于：将电机(3)的励磁电流指令值作为三相定子电流d轴指令值i_sd ^*，将电机(3)的转矩电流指令值作为三相定子电流q轴指令值i_sq ^*；将网侧变流器的有功电流指令值作为网侧三相输出电流d轴指令值i_ld ^*，将网侧变流器无功电流指令值作为网侧三相输出电流q轴指令值i_lq ^*；中间直流电压反馈值U_dc与中间直流电压指令值U_dc ^*经PI环节(13)得到网侧三相输出电流d轴指令值i_ld ^*；三相定子电流d轴分量i_sd根据以下公式计算：

其中，U_sq为机侧变流器输出电压d轴分量，U_sd为机侧变流器输出电压q轴分量，σ为网压升高系数，U_gd为网侧变流器输出电压d轴分量，U_gq为网侧变流器输出电压q轴分量，ψ_f为电机永磁体磁链，ω为电机同步角速度，L_d为电机同轴电感；

所述电机(3)的励磁电流指令值i_sd ^*小于三相定子电流d轴分量i_sd。

4.根据权利要求3所述的高电压穿越装置，其特征在于，所述调制时间计算单元(11)根据以下公式计算机侧脉冲调制时间m_s、网侧脉冲调制时间m_g：

m_g＝T₁＝K₁*Ts

m_s＝T₂＝K₂*Ts

其中，U_dc1为网侧变流器直流母线电压，U_dc2为机侧变流器直流母线电压，U_dc为总的直流母线电压，T₁为网侧变流器开关周期，T₂为机侧变流器开关周期，U_sq为机侧变流器输出电压d轴分量，U_sd为机侧变流器输出电压q轴分量，U_gd为网侧变流器输出电压d轴分量，U_gq为网侧变流器输出电压q轴分量，K_pwm为直流母线利用率，K₁为网侧直流母线电压分配系数，K₂为机侧直流母线电压分配系数，Ts为开关周期。

5.一种高电压穿越方法，其特征在于，包括以下步骤：

S101)检测电网(1)的三相电压幅值，以及电机(3)的三相定子电压幅值；

S102)当检测到电网(1)的电压升高后，根据实际电网(1)的电压更新网侧直流母线电压分配系数K₁，以确保网侧变流器可控；

S103)根据三相定子电压及网侧直流母线电压分配系数K₁确定并更新机侧直流母线电压分配系数K₂，同时计算励磁电流指令值i_sd ^*，以确保机侧变流器可控；

S104)根据网侧直流母线电压分配系数K₁、机侧直流母线电压分配系数K₂计算机侧脉冲调制时间m_s、网侧脉冲调制时间m_g；

S105)根据机侧脉冲调制时间m_s、网侧脉冲调制时间m_g，以及网侧变流器三相输出电压、机侧变流器三相输出定子电压进行九开关变流模块(2)SVPWM调制，以实现高电压穿越。

6.根据权利要求5所述的高电压穿越方法，其特征在于：三相电网电压U_ga、U_gb、U_gc经abc/dq变换后得到网侧变流器输出电压d、q轴分量U_gd、U_gq，并经锁相得到电网相角值θ₁；网侧变流器三相输出电流i_la、i_lb、i_lc经abc/dq变换后得到三相输出电流d、q轴分量i_ld、i_lq；三相输出电流d、q轴分量i_ld、i_lq作为网侧电流内环的反馈值与网侧三相输出电流d、q轴指令值i_ld ^*、i_lq ^*经PI调节得到网侧变流器d、q轴输出电压；网侧变流器d、q轴输出电压经dq/abc变换后得到网侧变流器三相输出电压；根据网侧变流器输出电压d轴分量U_gd及网侧变流器输出电压d轴分量给定值U_{gd_ref}进行锁相得到电网相角值θ₁，并作为网侧abc/dq变换、dq/abc变换的相角值；三相定子电压U_sa、U_sb、U_sc经abc/dq变换后得到机侧变流器输出电压d、q轴分量U_sd、U_sq；三相定子电流i_sa、i_sb、i_sc经abc/dq变换后得到三相定子电流d、q轴分量i_sd、i_sq；三相定子电流d、q轴分量i_sd、i_sq作为机侧电流内环的反馈值与三相定子电流d、q轴指令值i_sd ^*、i_sq ^*经PI调节得到机侧变流器d、q轴输出电压；机侧变流器d、q轴输出电压经dq/abc变换后得到机侧变流器三相输出定子电压；通过位置编码器检测得到的电机转子位置角θ_r，并作为机侧abc/dq变换、dq/abc变换的相角值。

7.根据权利要求6所述的高电压穿越方法，其特征在于，根据网侧变流器输出电压d、q轴分量U_gd、U_gq，机侧变流器输出电压d、q轴分量U_sd、U_sq，以及中间直流电压U_dc，通过以下公式得到机侧脉冲调制时间m_s、网侧脉冲调制时间m_g：

m_g＝T₁＝K₁*Ts

m_s＝T₂＝K₂*Ts

其中，U_dc1为网侧变流器直流母线电压，U_dc2为机侧变流器直流母线电压，U_dc为总的直流母线电压，T₁为网侧变流器开关周期，T₂为机侧变流器开关周期，U_sq为机侧变流器输出电压d轴分量，U_sd为机侧变流器输出电压q轴分量，U_gd为网侧变流器输出电压d轴分量，U_gq为网侧变流器输出电压q轴分量，K_pwm为直流母线利用率，K₁为网侧直流母线电压分配系数，K₂为机侧直流母线电压分配系数，Ts为开关周期。

8.根据权利要求6或7所述的高电压穿越方法，其特征在于：将电机(3)的励磁电流指令值作为三相定子电流d轴指令值i_sd ^*，将电机(3)的转矩电流指令值作为三相定子电流q轴指令值i_sq ^*；将网侧变流器的有功电流指令值作为网侧三相输出电流d轴指令值i_ld ^*，将网侧变流器无功电流指令值作为网侧三相输出电流q轴指令值i_lq ^*；中间直流电压反馈值U_dc与中间直流电压指令值U_dc ^*经PI调节得到网侧三相输出电流d轴指令值i_ld ^*。

9.根据权利要求8所述的高电压穿越方法，其特征在于，三相定子电流d轴分量i_sd根据以下公式计算：

其中，U_sq为机侧变流器输出电压d轴分量，U_sd为机侧变流器输出电压q轴分量，σ为网压升高系数，U_gd为网侧变流器输出电压d轴分量，U_gq为网侧变流器输出电压q轴分量，ψ_f为电机永磁体磁链，ω为电机同步角速度，L_d为电机同轴电感；

所述电机(3)的励磁电流指令值i_sd ^*小于三相定子电流d轴分量i_sd。

10.一种变流系统，其特征在于，包括：九开关变流模块(2)，与所述九开关变流模块(2)相连的电网(1)和电机(3)，以及如权利要求1至4任一项所述与九开关变流模块(2)相连的高电压穿越装置(100)；所述九开关变流模块(2)采用九开关全功率直驱式变流器，所述电机(3)采用直驱式永磁同步电机。