CN109525121A - 风机电动变桨系统功率变换电路的制动能量回馈控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风机电动变桨系统功率变换电路的制动能量回馈控制方法，该方法要求功率变换电路的网侧整流部分同时具有整流和逆变两种功能，即为网侧整流/逆变部分，该网侧整流/逆变部分采用由六个IGBT开关器件构成的三相桥式电路结构，且同一桥臂上下两个IGBT开关器件采用互补的方式进行开通与关断；变桨电机正常运行过程中该部分电路作为整流电路运行，能量由电网侧传递至负载侧；当变桨电机制动运行时，该部分电路作为逆变电路运行，将变桨电机制动能量回馈至电网侧，从而防止由于变桨电机制动能量导致直流母线电压过高进而损坏变桨系统内部器件的问题。

Description

风机电动变桨系统功率变换电路的制动能量回馈控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电机组电动变桨系统的技术领域，尤其是指一种风机电动变桨系统功率变换电路的制动能量回馈控制方法。

背景技术

业内习知，风力发电机组电动变桨系统实际运行过程中变桨电机存在两种运行方式：正常运行方式与制动运行方式。当变桨电机正常运行时，变桨电机消耗能量，按照电动机方式运行；当变桨电机制动运行时，变桨电机产生能量，按照发电机方式运行，此时变桨电机制动过程中产生的能量通过电机侧逆变电路回馈至直流母线，引起直流母线电压升高，当直流母线电压升高到一定程度时将引起变桨系统内部相关器件的损坏。

目前电动变桨系统普遍采用制动电阻-功率开关器件组成的变桨电机制动电路，当直流母线电压升高至一定程度时，功率开关器件开通，电机制动能量通过制动电阻转化为热能的型式消耗掉，从而达到限制直流母线电压升高的目的。该方案虽然能在一定程度上实现直流母线电压过压保护，但是存在以下缺陷：

1、制动电路能量泄放速度受到制动电阻所能承受最大功率的限制，当电机短时制动能量较大时，制动电路来不及泄放电机制动能量，直流母线电压仍会持续升高，进而造成变桨系统内部器件损坏；

2、变桨电机制动过程中只是简单的将制动能量转为制动电阻的热能进行消耗，不能实现能量的回馈利用，不利于整个变桨系统效率的提高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种风机电动变桨系统功率变换电路的制动能量回馈控制方法，相对于目前电动变桨系统普遍采用的由二极管或二极管-晶闸管构成的能量单向传输的网侧整流电路，该方案网侧功率变换部分采用6个IGBT构成的三相桥式电路结构，变桨电机正常运行过程中该部分电路作为整流电路运行，能量由电网侧传递至负载侧；当变桨电机制动运行时，该部分电路作为逆变电路运行，将电机制动能量回馈至电网侧，从而防止由于电机制动能量导致直流母线电压过高进而损坏变桨系统内部器件的问题。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：风机电动变桨系统功率变换电路的制动能量回馈控制方法，所述功率变换电路包括依次相连的电源输入滤波部分、网侧整流部分、直流母线电容和负载侧逆变部分；其中，该方法要求网侧整流部分同时具有整流和逆变两种功能，即为网侧整流/逆变部分，该网侧整流/逆变部分采用由六个IGBT开关器件构成的三相桥式电路结构，且同一桥臂上下两个IGBT开关器件采用互补的方式进行开通与关断；当变桨系统的变桨电机正常运行时，该部分电路作为整流电路运行，将由电网侧输入的三相交流电压转换为直流母线电压，电能传输方向为从电网侧至负载侧；当变桨电机制动运行时，变桨电机将制动能量回馈至直流母线，引起直流母线电压升高，此时网侧整流/逆变部分作为逆变电路运行，将直流母线电压转换为与电网电压同频率的交流电流并将其回馈至电网，此时电能传输方向为从负载侧至电网侧，变桨电机制动能量通过网侧整流/逆变电路回馈至电网，从而实现变桨电机制动能量的泄放；其具体如下：

变桨系统的三相电网电压如式(1)所示：

式中，u_a、u_b、u_c为三相电网电压；U_m为电网电压幅值；ω为电网电压角频率；

采用电网电压空间矢量定向控制，即将三相电网电压空间矢量方向作为两相旋转坐标系的d轴，为了不在电网侧引入额外的无功功率，采用无功功率等于零控制，即三相电网电流的交轴分量设置为i_q＝0，此时电网电流空间矢量在两相旋转坐标系下的分量i_d、i_q与三相静止坐标系下的分量i_a、i_b、i_c之间的关系表示为如式(2)的形式：

为实现电网电压矢量定向控制，需要提取三相电网电压空间矢量电角位置ωt，从式(1)推导出三相电网电压空间矢量位置电角度如式(3)：

整个变桨系统采用电压-电流双闭环控制，外环为电压环，内环为电流环；在变桨系统运行过程中，通过实时采样母线电压U_dc与母线电压指令U_dc ^*进行比较，其差值通过电压调节器调节输出作为输入电流直轴分量指令i_d ^*，由于采用无功功率等于零控制，因此将输入电流指令交轴分量设定为i_q ^*＝0，系统运行过程中实时采样三相输入电流i_a、i_b、i_c，通过三相静止/两相旋转坐标变换将其转换为两相旋转坐标系中i_d、i_q分量，实际输入电流i_d、i_q分量分别与输入电流指令i_d ^*、i_q ^*分量进行比较，其差值分别通过电流调节器调节输出为两相旋转坐标系中电压指令分量u_d ^*、u_q ^*，电压指令分量u_d ^*、u_q ^*通过两相旋转/三相静止坐标变换转化为三相静止坐标系中的电压指令分量u_a ^*、u_b ^*、u_c ^*，而后三相电压指令作为脉宽调制环节的调制波输入，经脉宽调制后输出网侧整流/逆变部分六个IGBT的驱动信号；

其中，电压调节器采用PI调节方式，其表达式如式(4)所示：

式中k_p、k_i分别为比例系数与积分系数，并且设定k_p、k_i为正值；

当变桨电机正常运行时，U_dc ^*大于或等于U_dc，i_d ^*大于0，此时电能传输方向为从电网侧至负载侧；

当变桨电机制动运行时，制动能量通过负载侧逆变部分回馈至直流母线，此时直流母线电压升高，U_dc ^*小于U_dc，i_d ^*小于0，此时电能传输方向为从负载侧至电网侧，从而达到将变桨电机制动能量向电网侧传输的目的。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、采用制动电阻-功率开关器件构成的变桨电机制动能量泄放电路方案，制动电路能量泄放速度受到制动电阻所能承受最大功率的限制，当电机短时制动能量较大时，制动电路来不及泄放电机制动能量，直流母线电压仍会持续升高，进而造成变桨系统内部器件损坏。本方案采用网侧整流/逆变电路将电机制动能量回馈至电网，回馈能量大小只受到功率开关器件电压-电流等级的限制，因此本方案能量泄放速度相对于制动电阻-开关器件方案大大提高。

2、采用制动电阻-功率开关器件构成的变桨电机制动能量泄放电路方案，变桨电机制动过程中只是简单的将制动能量转为制动电阻的热能进行消耗，不能实现能量的回馈利用，不利于整个变桨系统效率的提高。本方案通过网侧整流/逆变电路将变桨电机制动能量回馈至电网，实现能量的回收利用，有利于整个变桨系统效率的提高。

附图说明

图1为具有网侧整流/逆变部分的风机电动变桨系统功率变换电路示意图。

图2为本发明方法控制原理框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

本实施例所提供的风机电动变桨系统功率变换电路，主要由依次相连的电源输入滤波部分、网侧整流部分、直流母线电容和负载侧逆变部分构成，而本实施例所提供的制动能量回馈控制方法，则是针对上述风机电动变桨系统功率变换电路进行控制，除了网侧整流部分以外，该电路其它部分与目前电动变桨系统所采用的功率变换电路对应部分相同。其中，该方法要求网侧整流部分同时具有整流和逆变两种功能，即为网侧整流/逆变部分，该网侧整流/逆变部分采用由G1-G6六个IGBT开关器件构成的三相桥式电路结构，且同一桥臂上下两个IGBT开关器件采用互补的方式进行开通与关断，如图1所示，三相电网电流参考方向如图中箭头所示。当变桨电机正常运行时，该部分电路作为整流电路运行，将由电网侧输入的三相交流电压转换为直流母线电压，电能传输方向为从电网侧至负载侧；当变桨电机制动运行时，变桨电机将制动能量回馈至直流母线，引起直流母线电压升高，此时网侧整流/逆变部分作为逆变电路运行，将直流母线电压转换为与电网电压同频率的交流电流并将其回馈至电网，此时电能传输方向为从负载侧至电网侧，变桨电机制动能量通过网侧整流/逆变电路回馈至电网，从而实现变桨电机制动能量的泄放。

变桨系统三相电网电压如式(1)所示：

式中u_a、u_b、u_c为三相电网电压；U_m为电网电压幅值；ω为电网电压角频率。

采用电网电压空间矢量定向控制，即将三相电网电压空间矢量方向作为两相旋转坐标系的d轴，为了不在电网侧引入额外的无功功率，采用无功功率等于零控制，即三相电网电流的交轴分量设置为i_q＝0，此时电网电流空间矢量在两相旋转坐标系下的分量i_d、i_q与三相静止坐标系下的分量i_a、i_b、i_c之间的关系可以表示为如式(2)的形式：

为实现电网电压矢量定向控制，需要提取三相电网电压空间矢量电角位置ωt，从式(1)推导出三相电网电压空间矢量位置电角度如式(3)：

基于以上电压-电流数学模型，构建本实施例上述方法的原理框图如图2所示。

整个系统采用电压-电流双闭环控制，外环为电压环，内环为电流环。在变桨系统运行过程中，通过实时采样母线电压U_dc与母线电压指令U_dc ^*进行比较，其差值通过电压调节器调节输出作为输入电流直轴分量指令i_d ^*，由于本方案采用无功功率等于零控制，因此将输入电流指令交轴分量设定为i_q ^*＝0，系统运行过程中实时采样三相输入电流i_a、i_b、i_c，通过三相静止/两相旋转坐标变换将其转换为两相旋转坐标系中i_d、i_q分量，实际输入电流i_d、i_q分量分别与输入电流指令i_d ^*、i_q ^*分量进行比较，其差值分别通过电流调节器调节输出为两相旋转坐标系中电压指令分量u_d ^*、u_q ^*，电压指令分量u_d ^*、u_q ^*通过两相旋转/三相静止坐标变换转化为三相静止坐标系中的电压指令分量u_a ^*、u_b ^*、u_c ^*，而后三相电压指令作为脉宽调制环节的调制波输入，经脉宽调制后输出网侧整流/逆变部分六个IGBT的驱动信号。

图中电压调节器采用PI调节方式，其表达式如式(4)所示：

式中k_p、k_i分别为比例系数与积分系数，并且设定k_p、k_i为正值。

当变桨电机正常运行时，U_dc ^*大于或等于U_dc，i_d ^*大于0，此时电网电流实际方向与图1中参考方向一致，电能传输方向为从电网侧至负载侧。

当变桨电机制动运行时，制动能量通过负载侧逆变部分回馈至直流母线，此时直流母线电压升高，U_dc ^*小于U_dc，i_d ^*小于0，此时电网电流实际方向与图1中电流参考方向相反，电能传输方向为从负载侧至电网侧，从而达到将变桨电机制动能量向电网侧传输的目的。

以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.风机电动变桨系统功率变换电路的制动能量回馈控制方法，所述功率变换电路包括依次相连的电源输入滤波部分、网侧整流部分、直流母线电容和负载侧逆变部分；其特征在于：该方法要求网侧整流部分同时具有整流和逆变两种功能，即为网侧整流/逆变部分，该网侧整流/逆变部分采用由六个IGBT开关器件构成的三相桥式电路结构，且同一桥臂上下两个IGBT开关器件采用互补的方式进行开通与关断；当变桨系统的变桨电机正常运行时，该部分电路作为整流电路运行，将由电网侧输入的三相交流电压转换为直流母线电压，电能传输方向为从电网侧至负载侧；当变桨电机制动运行时，变桨电机将制动能量回馈至直流母线，引起直流母线电压升高，此时网侧整流/逆变部分作为逆变电路运行，将直流母线电压转换为与电网电压同频率的交流电流并将其回馈至电网，此时电能传输方向为从负载侧至电网侧，变桨电机制动能量通过网侧整流/逆变电路回馈至电网，从而实现变桨电机制动能量的泄放；其具体如下：

变桨系统的三相电网电压如式(1)所示：

式中，u_a、u_b、u_c为三相电网电压；U_m为电网电压幅值；ω为电网电压角频率；

采用电网电压空间矢量定向控制，即将三相电网电压空间矢量方向作为两相旋转坐标系的d轴，为了不在电网侧引入额外的无功功率，采用无功功率等于零控制，即三相电网电流的交轴分量设置为i_q＝0，此时电网电流空间矢量在两相旋转坐标系下的分量i_d、i_q与三相静止坐标系下的分量i_a、i_b、i_c之间的关系表示为如式(2)的形式：

为实现电网电压矢量定向控制，需要提取三相电网电压空间矢量电角位置ωt，从式(1)推导出三相电网电压空间矢量位置电角度如式(3)：

整个变桨系统采用电压-电流双闭环控制，外环为电压环，内环为电流环；在变桨系统运行过程中，通过实时采样母线电压U_dc与母线电压指令U_dc ^*进行比较，其差值通过电压调节器调节输出作为输入电流直轴分量指令i_d ^*，由于采用无功功率等于零控制，因此将输入电流指令交轴分量设定为i_q ^*＝0，系统运行过程中实时采样三相输入电流i_a、i_b、i_c，通过三相静止/两相旋转坐标变换将其转换为两相旋转坐标系中i_d、i_q分量，实际输入电流i_d、i_q分量分别与输入电流指令i_d ^*、i_q ^*分量进行比较，其差值分别通过电流调节器调节输出为两相旋转坐标系中电压指令分量u_d ^*、u_q ^*，电压指令分量u_d ^*、u_q ^*通过两相旋转/三相静止坐标变换转化为三相静止坐标系中的电压指令分量u_a ^*、u_b ^*、u_c ^*，而后三相电压指令作为脉宽调制环节的调制波输入，经脉宽调制后输出网侧整流/逆变部分六个IGBT的驱动信号；

其中，电压调节器采用PI调节方式，其表达式如式(4)所示：

式中k_p、k_i分别为比例系数与积分系数，并且设定k_p、k_i为正值；

当变桨电机正常运行时，U_dc ^*大于或等于U_dc，i_d ^*大于0，此时电能传输方向为从电网侧至负载侧；

当变桨电机制动运行时，制动能量通过负载侧逆变部分回馈至直流母线，此时直流母线电压升高，U_dc ^*小于U_dc，i_d ^*小于0，此时电能传输方向为从负载侧至电网侧，从而达到将变桨电机制动能量向电网侧传输的目的。