CN110299721B - 制动功率控制方法和装置、风力发电机组 - Google Patents

制动功率控制方法和装置、风力发电机组 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种制动功率控制方法和装置、风力发电机组。该方法包括：根据制动功率给定值和制动电阻的阻值，得到第一制动电压；根据制动功率给定值、直流母线电压值和直流母线电流值，得到第二制动电压；根据第一制动电压、第二制动电压和直流母线电压值，得到用于驱动制动功率模块的开关器件的脉冲宽度调制信号，以使制动单元的实际制动功率与制动功率给定值之间的差值小于预设阈值。采用本发明实施例中的技术方案，能够提高变流器网侧的有功功率的控制精度。

Description

制动功率控制方法和装置、风力发电机组
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种制动功率控制方法和装置、风力发电机组。
背景技术
风力发电机组发电量需要通过变流器并入电网中。当风力发电机组处于并网发电状态时时，变流器网侧的有功功率受机侧整流器输入控制。当风力发电机组处于待机状态(即机侧整流器输入为0)时，为使得变流器网侧的有功功率可控，需要启动位于变流器的机侧整流器和网侧逆变器之间制动单元。制动单元包括制动电阻和制动功率模块，制动功率模块包括多个开关器件，制动功率模块通过脉冲宽度调制信号驱动开关器件的通断，以控制制动电阻消耗的有功功率。
现有技术中，用于驱动开关器件通断的脉冲宽度调制信号主要使基于固定占空比生成的。占空比是指在一个脉冲循环内，通电时间相对于总时间所占的比例。
但是，本申请的发明人发现，制动电阻的阻值容易受温度影响而发生漂移现象，现有技术中的基于固定占空比的控制方式，会使得变流器网侧的有功功率随制动电阻进行漂移，降低了变流器网侧的有功功率的控制精度。
发明内容
本发明实施例提供了一种制动功率控制方法和装置、风力发电机组，能够提高变流器网侧的有功功率的控制精度。
第一方面，本发明实施例提供一种制动功率控制方法，用于变流器的制动单元，制动单元包括制动电阻和制动功率模块，该方法包括：
根据制动功率给定值和制动电阻的阻值，得到第一制动电压；
根据制动功率给定值、直流母线电压值和直流母线电流值，得到第二制动电压；
根据第一制动电压、第二制动电压和直流母线电压值，得到用于驱动制动功率模块的开关器件的脉冲宽度调制信号，以使制动单元的实际制动功率与制动功率给定值之间的差值小于预设阈值。
在第一方面的一种可能的实施方式中，根据制动功率给定值、直流母线电压值和直流母线电流值，得到第二制动电压，包括：根据直流母线电压值和直流母线电流值，得到制动功率反馈值；根据制动功率反馈值和制动功率给定值，得到第二制动电压。
在第一方面的一种可能的实施方式中，根据制动功率反馈值和制动功率给定值，得到第二制动电压，包括：对制动功率反馈值进行低通滤波处理，根据低通滤波处理后的制动功率反馈值和制动功率给定值，得到第二制动电压；或者，将制动功率反馈值作为反馈调节器的第一输入值，将制动功率给定值作为反馈调节器的第二输入值，将反馈调节器的输出值作为第二制动电压。
在第一方面的一种可能的实施方式中，根据第一制动电压、第二制动电压和直流母线电压值，得到用于驱动制动功率模块中的开关器件的脉冲宽度调制信号，包括：计算第一制动电压和第二制动电压的和值，并将和值与直流母线电压值的比值作为调节后的占空比；根据调节后的占空比生成用于驱动制动功率模块的开关器件的脉冲宽度调制信号。
第二方面，本发明实施例提供一种制动功率控制装置，用于变流器的制动单元，制动单元包括制动电阻和制动功率模块，该装置包括：
解算模块，用于根据制动功率给定值和制动电阻的阻值，得到第一制动电压；
调节模块，用于根据制动功率给定值、直流母线电压值和直流母线电流值，得到第二制动电压；
信号生成模块，用于根据第一制动电压、第二制动电压和直流母线电压值，得到用于驱动制动功率模块的开关器件的脉冲宽度调制信号，以使制动单元的实际制动功率与制动功率给定值之间的差值小于预设阈值。
在第二方面的一种可能的实施方式中，调节模块包括：制动功率计算单元，用于根据直流母线电压值和直流母线电流值，得到制动功率反馈值；调节单元，用于根据制动功率反馈值和制动功率给定值，得到第二制动电压。
在第二方面的一种可能的实施方式中，调节单元为反馈调节器，反馈调节器的第一输入值为制动功率反馈值，反馈调节器的第二输入值为制动功率给定值，反馈调节器的输出值为第二制动电压。
在第二方面的一种可能的实施方式中，信号生成模块包括：占空比计算器，用于计算第一制动电压和第二制动电压的和值，并将和值与直流母线电压值的比值作为调节后的占空比；信号生成器，用于根据调节后的占空比生成用于驱动制动功率模块的开关器件的脉冲宽度调制信号，以使制动单元的实际制动功率与制动功率给定值之间的差值小于预设阈值。
在第二方面的一种可能的实施方式中，制动功率控制装置设置在变流器控制器中。
第三方面，本发明实施例提供一种风力发电机组，该风力发电机组设置有上所述的制动功率控制装置。
在本发明实施例中，为使变流器网侧的有功功率随制动电阻的漂移处于可控范围内，可以根据制动功率给定值和制动电阻的阻值，得到第一制动电压；根据制动功率给定值、直流母线电压值和直流母线电流值，得到第二制动电压；根据第一制动电压、第二制动电压和直流母线电压值，得到用于驱动制动功率模块的开关器件的脉冲宽度调制信号。
由于本发明实施例中的用于驱动制动功率模块的开关器件的脉冲宽度调制信号是基于制动功率给定值、直流母线电压值和直流母线电流值(即制动单元的电压反馈值和电流反馈值)生成的，因此，与现有技术中的基于固定占空比的控制模式相比，本发明实施例中的制动功率控制方法能够在制动电阻漂移的前提下，实时调整脉冲宽度调制信号，使得制动单元的实际制动功率与制动功率给定值之间的差值小于预设阈值，即使制动单元输出的制动功率能够趋近于制动功率给定值，从而实现制动功率的闭环控制，进而能够提高变流器网侧的有功功率的控制精度。
附图说明
从下面结合附图对本发明的具体实施方式的描述中可以更好地理解本发明其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。
图1为本发明实施例提供的风力发电机组的并网结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的制动功率控制方法的流程示意图；
图3为本发明一实施例提供的制动功率控制装置的结构示意图；
图4为本发明另一实施例提供的制动功率控制方法的流程示意图；
图5为本发明另一实施例提供的制动功率控制装置的结构示意图；
图6为本发明又一实施例提供的制动功率控制装置的结构示意图。
附图标记说明：
101-发电机；102-整流器；103-制动单元；1031-制动电阻；
1032-制动功率模块；10321-开关器件；104-逆变器；301-解算模块；
302-制动功率计算单元；303-反馈调节器；304-占空比计算器；
305-信号生成器，502-调节模块；5022-调节单元；
503-信号生成模块。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明实施例的全面理解。
本发明实施例提供了一种制动功率控制方法和装置、风力发电机组，能够根据制动功率给定值和制动功率反馈值调整占空比，并基于调整后的占空比生成用于驱动开关器件通断的脉冲宽度调制信号，以使制动单元输出的制动功率趋近于制动功率给定值，从而实现制动功率的闭环控制，进而能够提高变流器网侧的有功功率的控制精度。
需要说明的是，本发明实施例中变流器制动单元的制动功率控制方法和装置，适用于各种类型的风力发电机组，包括直驱式风力发电机组(比如，直驱永磁风力发电机组)和非直驱式风力发电机组。
图1为本发明实施例提供的风力发电机组的并网结构示意图。如图1所示，风力发电机组和电网之间设置有变流器，变流器从机侧到网侧依次包括整流器102、制动单元103和逆变器104。
其中，整流器102用于对风力发电机组的发电机101发电产生的三相交流电进行整流，逆变器104用于将整流后的直流电重新转换为三相交流电并入电网。图1中示出的PMSG(Directly Driven Permanent Magnetic Synchronous Generator，直驱永磁同步发电机)为风电领域一种常用的发电机。
如图1所示，制动单元103包括制动电阻1031和制动功率模块1032。制动功率模块1032包括开关器件10321，比如IGBT。制动功率模块1032通过PWM(Pluse WidthModulation，脉冲宽度调制)信号驱动IGBT的通断，以控制制动电阻1031消耗的有功功率。
图1中还示出了位于制动电阻1031和制动功率模块1032之间的电压采样点S1和电流采样点S2。其中，从电压采样点S1可以采集直流母线电压信号UDC_fb，从电流采样点S2可以直流母线电流信号IDC_fb。
在一个可选实施例中，可以在电压采样点S1处集成电压传感器，以实现电压采样，并在电流采样点S2处集成电流传感器，以实现电流采样。
图2为本发明一实施例提供的制动功率控制方法的流程示意图，用于制动单元。如图2所示，该制动功率控制方法包括步骤201至步骤203。
在步骤201中，根据制动功率给定值和制动电阻的阻值，得到第一制动电压。
在步骤202中，根据制动功率给定值、直流母线电压值和直流母线电压值，得到第二制动电压。
在一个可选实施例中，可以根据直流母线电压值UDC_fb和直流母线电压值IDC_fb，得到制动功率反馈值Pfb，然后根据制动功率反馈值Pfb和制动功率给定值P*，得到第二制动电压U2。
在一个可选实施例中，可以对制动功率反馈值Pfb进行低通滤波处理；根据低通滤波处理后的制动功率反馈值Pfb_filtered和制动功率给定值P*，得到第二制动电压U2。
在一个可选实施例中，可以利用反馈调节器计算第二制动电压U2。
具体地，可以将制动功率反馈值Pfb作为反馈调节器的第一输入值，将制动功率给定值P*作为反馈调节器的第二输入值，将反馈调节器的输出值作为第二制动电压U2。
在步骤203中，根据第一制动电压、第二制动电压和直流母线电压值，得到用于驱动制动功率模块的开关器件的PWM信号，使制动单元的实际制动功率与制动功率给定值之间的差值小于预设阈值。在一个示例中，预设阈值可以为0，即使制动单元输出的实际制动功率无限趋近于制动功率给定值。
在本发明实施例中，为使得变流器网侧的有功功率随制动电阻的漂移处于可控范围内，可以根据制动功率给定值和制动电阻的阻值，得到第一制动电压；根据制动功率给定值、直流母线电压值和直流母线电流值，得到第二制动电压；根据第一制动电压、第二制动电压和直流母线电压值，得到用于驱动制动功率模块的开关器件的PWM信号。
由于本发明实施例中的用于驱动制动功率模块的开关器件的PWM信号是基于制动功率给定值、直流母线电压值和直流母线电流值(即制动单元的电压反馈值和电流反馈值)生成的，与现有技术中的基于固定占空比的控制模式相比，本发明实施例中的制动功率控制方法能够在制动电阻漂移的前提下，实时调整PWM信号，使得制动单元输出的制动功率能够趋近于制动功率给定值，从而实现制动功率的闭环控制，进而能够提高变流器网侧的有功功率的控制精度。
此外，采用本发明实施例中的制动功率控制方法，有利于变流器做有功功率输入测试。由于网侧逆变器有功功率与制动功率成正比，在机侧整流器停止工作的情况下，可以通过对制动单元的制动功率进行闭环控制，使制动功率稳定在制动功率给定值，即使网侧逆变器有功功率也稳定在某一值，从而完成变流器的有功功率输入测试。
图3为本发明一实施例提供的制动功率控制装置的结构示意图。图3中示出了制动功率控制装置的元器件构成及各元器件之间的连接关系。
图3中示出的元器件包括：解算模块301、制动功率计算单元302、反馈调节器303、占空比计算器304和信号生成器305。
图4为本发明另一实施例提供的制动功率控制方法的流程示意图。用于结合图3中的制动功率控制装置对本发明实施例中的制动功率控制方法进行详细举例说明。如图4所示，该制动功率控制方法包括步骤401至步骤407。
在步骤401中，利用图3中的解算模块301计算第一制动电压U1。具体地，可以根据公式(1)计算第一制动电压U1：
Figure BDA0001606653410000071
其中，P*为制动功率给定值，R为制动电阻的阻值。
在步骤402中，利用图3中的制动功率计算单元302计算制动功率反馈值Pfb。具体地，可以根据公式(2)计算制动功率反馈值Pfb：
Pfb＝UDC_fb×IDC_fb (2)
其中，UDC_fb为直流母线电压值值，IDC_fb为直流母线电流值。
在步骤403中，对制动功率反馈值Pfb进行低通滤波处理，得到低通滤波处理后的制动功率反馈值Pfb_filtered。
在步骤404中，利用图3中的反馈调节器303基于制动功率的闭环控制策略求解第二制动电压U2。
其中，反馈调节器303可以为PI(比例-积分)调节器或者PID(比例-积分-微分)调节器。以PI调节器为例，第二制动电压U2的求解原理为：
Perr(k)＝P*(k)-Pfb_filtered(k) (3)
ΔU2(k)＝kp×[Perr(k)-Perr(k-1)]+ki×Perr(k) (4)
U2(k)＝ΔU2(k)+U2(k-1) (5)
其中，Perr(k)为第k个采样周期的制动功率偏差；P*(k)为第k个采样周期的制动功率给定值，Pfb_filtered(k)为第k个采样周期的制动功率计算值，ΔU2(k)为第k个采样周期的制动功率增量，kp为PI调节器的比例调节值，ki为PI调节器的积分调节值，U2(k)为第k个采样周期的第二制动电压。
在步骤405中，计算第K个采样周期的联合制动电压U*(k)：
U*(k)＝U1(k)+U2(k) (6)
在步骤406中，利用图3中的占空比计算器304计算第K个周期的占空比给定值D*(k)：
D*(k)＝U*(k)/UDC_fb (7)
在步骤407中，利用图3中的信号生成器305生成用于驱动制动功率模块的开关器件的PWM信号，以使制动单元的实际制动功率与制动功率给定值P*之间的差值小于预设阈值。
图5为本发明另一实施例提供的制动功率控制装置的结构示意图，如图5所示，该装置包括解算模块301、调节模块502和信号生成模块503。
其中，解算模块301用于根据制动功率给定值和制动电阻的阻值，得到第一制动电压。
调节模块502用于根据制动功率给定值、直流母线电压值和直流母线电流值，得到第二制动电压。
信号生成模块503用于根据第一制动电压、第二制动电压和直流母线电压值，得到用于驱动制动功率模块的开关器件的PWM信号，以使制动单元的实际制动功率与制动功率给定值之间的差值小于预设阈值。
图6为本发明又一实施例提供的制动功率控制装置的结构示意图，用于对图5中的调节模块502和信号生成模块503的元器件构成进行详细说明。
在一个可选实施例中，调节模块502可细化为制动功率计算单元302和调节单元5022。
其中，制动功率计算单元302用于根据直流母线电压值和直流母线电流值，得到制动功率反馈值。
调节单元5022用于根据制动功率反馈值和制动功率给定值，得到第二制动电压。
在一个可选实施例中，调节单元5022可以为图3中的反馈调节器303，反馈调节器303的第一输入值为制动功率反馈值，反馈调节器303的第二输入值为制动功率给定值，反馈调节器303的输出值为第二制动电压。
在一个可选实施例中，图5中的信号生成模块503可细化为图3中的占空比计算器304和信号生成器305。
其中，占空比计算器304用于计算第一制动电压和第二制动电压的和值，并将和值与直流母线电压值的比值作为调节后的占空比。
信号生成器305用于根据调节后的占空比生成用于驱动制动功率模块的开关器件的PWM信号，以使制动单元的实际制动功率与制动功率给定值之间的差值小于预设阈值。
在一个可选实施例中，如上所述的制动功率控制装置可以设置在变流器控制器中，以避免对现有硬件的改造，也可以设置在具有独立逻辑运算功能的器件中，此处不进行限定。
本发明实施例还提供一种风力发电机组，该风力发电机组设置有如上所述的制动功率控制装置。
需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于装置实施例而言，相关之处可以参见方法实施例的说明部分。本发明实施例并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。本领域的技术人员可以在领会本发明实施例的精神之后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
以上所述的结构框图中所示的功能块可以实现为硬件、软件、固件或者它们的组合。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(ASIC)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明实施例的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、ROM、闪存、可擦除ROM(EROM)、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质、射频(RF)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。
本发明实施例可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。例如，特定实施例中所描述的算法可以被修改，而系统体系结构并不脱离本发明实施例的基本精神。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本发明实施例的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明实施例的范围之中。

Claims (8)

1.一种制动功率控制方法，用于变流器的制动单元，所述制动单元包括制动电阻和制动功率模块，其特征在于，所述方法包括：
根据制动功率给定值和所述制动电阻的阻值，得到第一制动电压；
根据所述制动功率给定值、直流母线电压值和直流母线电流值，得到第二制动电压；
根据所述第一制动电压、所述第二制动电压和所述直流母线电压值，得到用于驱动所述制动功率模块的开关器件的脉冲宽度调制信号，以使所述制动单元的实际制动功率与所述制动功率给定值的差值小于预设阈值；
所述根据所述第一制动电压、所述第二制动电压和所述直流母线电压值，得到用于驱动所述制动功率模块的开关器件的脉冲宽度调制信号，包括：
计算所述第一制动电压和所述第二制动电压的和值，并将所述和值与所述直流母线电压值的比值作为调节后的占空比；
根据所述调节后的占空比生成用于驱动所述制动功率模块的开关器件的脉冲宽度调制信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述制动功率给定值、直流母线电压值和直流母线电流值，得到第二制动电压，包括：
根据所述直流母线电压值和所述直流母线电流值，得到制动功率反馈值；
根据所述制动功率反馈值和所述制动功率给定值，得到所述第二制动电压。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述制动功率反馈值和所述制动功率给定值，得到所述第二制动电压，包括：
对所述制动功率反馈值进行低通滤波处理，根据低通滤波处理后的制动功率反馈值和所述制动功率给定值，得到所述第二制动电压；或者，
将所述制动功率反馈值作为反馈调节器的第一输入值，将所述制动功率给定值作为所述反馈调节器的第二输入值，将所述反馈调节器的输出值作为所述第二制动电压。
4.一种制动功率控制装置，用于变流器的制动单元，所述制动单元包括制动电阻和制动功率模块，其特征在于，所述装置包括：
解算模块，用于根据制动功率给定值和所述制动电阻的阻值，得到第一制动电压；
调节模块，用于根据所述制动功率给定值、直流母线电压值和直流母线电流值，得到第二制动电压；
信号生成模块，用于根据所述第一制动电压、所述第二制动电压和所述直流母线电压值，得到用于驱动所述制动功率模块的开关器件的脉冲宽度调制信号，以使所述制动单元的实际制动功率与所述制动功率给定值的差值小于预设阈值；
所述信号生成模块包括：
占空比计算器，用于计算所述第一制动电压和所述第二制动电压的和值，并将所述和值与所述直流母线电压值的比值作为调节后的占空比；
信号生成器，用于根据所述调节后的占空比生成用于驱动所述制动功率模块的开关器件的脉冲宽度调制信号，以使所述制动单元的实际制动功率与所述制动功率给定值之间的差值小于预设阈值。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述调节模块包括：
制动功率计算单元，用于根据所述直流母线电压值和所述直流母线电流值，得到制动功率反馈值；
调节单元，用于根据所述制动功率反馈值和所述制动功率给定值，得到所述第二制动电压。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述调节单元为反馈调节器，所述反馈调节器的第一输入值为所述制动功率反馈值，所述反馈调节器的第二输入值为所述制动功率给定值，所述反馈调节器的输出值为所述第二制动电压。
7.根据权利要求4-6中任意一项所述的装置，其特征在于，所述制动功率控制装置设置在变流器控制器中。
8.一种风力发电机组，其特征在于，设置有如权利要求4-7任意一项所述的制动功率控制装置。
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