CN113497569A - 一种基于内管基频调制的三电平风电变流器控制方法 - Google Patents

一种基于内管基频调制的三电平风电变流器控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于内管基频调制的三电平风电变流器控制方法，包括：控制ANPC三电平风电变流器中单相桥臂的第二开关管和第三开关管轮流工作；在所述第二开关管工作时，控制所述ANPC单相桥臂中第一开关管和第五开关管工作；在所述第三开关管工作时，控制所述ANPC单相桥臂中第六开关管和第四开关管工作。本发明的基于内管基频调制的三电平风电变流器控制方法，通过控制风电变流器的两个内管交替工作，降低了两个内管工作时散发的热量，从而有效地缓解内外管发热不均衡问题。

Description

一种基于内管基频调制的三电平风电变流器控制方法
技术领域
本发明涉及风电变流器领域，特别涉及一种基于内管基频调制的三电平风电变流器控制方法。
背景技术
现今由于全球能源问题日益突出，使得风能作为一种可再生、无污染而且储量巨大的能源受到人类的高度重视，各国政府更是将这种相对于火力发电最具有竞争力的风力发电作为促进电力结构多样化及环境与生态改善的重要途径。
风力发电系统由风力涡轮机、传动链、发电机、变流器、变压器和电气控制系统组成。其中，作为发电机和电网的接口，风电变流器是风电机组中的核心设备，是机组电气性能、变换效率、可用度的主要决定因素之一，是整个风力发电系统的关键与核心。
传统载波层叠调制容易导致三电平风电变流器单相桥臂内外管发热严重不均，进而影响风电变流器工作可靠性及实际运行功率。提出一种三电平风电变流器内管基频调制策略，控制内管的工作模式，使内管工作在基频，可有效缓解内外管发热不均衡问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种基于内管基频调制的三电平风电变流器控制方法。
本发明提出的一种基于内管基频调制的三电平风电变流器控制方法，其中，所述ANPC三电平风电变流器包括三个单相桥臂，所述ANPC单相桥臂包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第一电容和第二电容，
所述第一开关管至第六开关管均由全控电力电子器件和二极管反并联构成，即所述全控电力电子器件的第一电极连接至所述二极管的阴极，且所述全控电力电子器件的第二电极连接至所述二极管的阳极；
所述第一开关管至第四开关管的全控电力电子器件依次顺序串联，即所述第一开关管至第三开关管的中全控电力电子器件的第二电极依次分别连接至所述第二开关管至第四开关管的中全控电力电子器件的第一电极；
所述第一电容的正极连接至所述第一开关管中全控电力电子器件的第一电极，所述第一电容的负极连接至所述第二电容的正极和所述第五开关管中全控电力电子器件的第二电极，所述第二电容的负极连接至所述第四开关管中全控电力电子器件的第二电极；
所述第五开关管中全控电力电子器件的第一电极连接至所述第一开关管中全控电力电子器件的第二电极，所述第五开关管中全控电力电子器件的第二电极连接至所述第六开关管中全控电力电子器件的第一电极，所述第六开关管中全控电力电子器件的第二电极连接至所述第四开关管中全控电力电子器件的第一电极，
所述第一开关管至第六开关管中全控电力电子器件为绝缘栅双极型晶体管、集成门极换流晶闸管或注入增强型栅极晶体管，所述全控电力电子器件为绝缘栅双极型晶体管或注入增强型栅极晶体管时，所述第一电极为集电极，所述第一电极为发射极；所述全控电力电子器件为集成门极换流晶闸管时，所述第一电极为阳极，所述第一电极为阴极，
所述开关管调控方法包括步骤：
I、基于内管基频调制控制所述第二开关管和所述第三开关管轮流工作；
II、在所述第二开关管工作时，控制所述第一开关管和所述第五开关管工作；
III、在所述第三开关管工作时，控制所述第六开关管和所述第四开关管工作。
进一步，
在所述步骤I中，包括：
Ia、以方形的调制波A对三角形载波进行调制生成用于控制所述第二开关管的控制信号波SS2；
Ib、基于所述控制信号波SS2形成所述第三开关管的控制信号波SS3，其中，在任一时刻，
如果所述控制信号波SS2的信号为导通信号，则取此刻所述控制信号波SS3的信号为关断信号，
如果所述控制信号波SS2的信号为关断信号，则取此刻所述控制信号波SS3的信号为导通信号；
以所述控制信号波SS2和控制信号波SS3实现所述步骤I。
进一步，
在所述步骤I中，包括：
Ia、以方形的调制波A对三角形载波进行调制生成用于控制所述第三开关管的控制信号波SS3；
Ib、基于所述控制信号波SS3形成所述第二开关管的控制信号波SS2，其中，在任一时刻，
如果所述控制信号波SS3的信号为导通信号，则取此刻所述控制信号波SS2的信号为关断信号，
如果所述控制信号波SS3的信号为关断信号，则取此刻所述控制信号波SS2的信号为导通信号；
以所述控制信号波SS2和控制信号波SS3实现所述步骤I。
进一步，
在所述步骤Ia中，
所述调制波A的频率低于所述三角形载波的频率；
所述调制波A的波幅高于所述三角形载波的波幅；
所述调制波A的波谷低于所述三角形载波的波谷。
进一步，
以正弦波作为调制波B对三角形载波进行调制生成控制信号波SS1，所述控制信号波SS1用于控制所述第一开关管和第六开关管；
基于所述控制信号波SS1生成控制信号波SS5，所述控制信号波SS5用于控制所述第五开关管和第四开关管，其中，在任一时刻，如果所述控制信号波SS1的信号为导通信号，则取此刻所述控制信号波SS5的信号为关断信号；如果所述控制信号波SS1的信号为关断信号，则取此刻所述控制信号波SS5的信号为导通信号。
进一步，
所述调制波B的频率低于所述三角形载波的频率；
所述调制波B的波幅低于所述三角形载波的波幅；
所述调制波B的波谷低于所述三角形载波的波谷。
进一步，
所述调制波A的频率与所述调制波B频率相同。
本发明的基于内管基频调制的三电平风电变流器控制方法，通过控制风电变流器的两个内管交替工作，降低了两个内管工作时散发的热量，从而有效地缓解内外管发热不均衡问题。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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他的附图。
图1示出了采用本发明的开关管调控方法的ANPC(Active-neutral-point-clamped，有源中点箝位)三电平的单相桥臂结构；
图2示出了根据本发明实施例的ANPC三电平单相桥臂中内管调控策略及效果示意图。
具体实施方式
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、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1所示为风电变流器的ANPC三电平单相桥臂结构图。由图1可知，所述单相桥臂包括开关管S1-S6及电容Cd1和Cd2。其中，开关管S1-S6均由全控电力电子器件如IGBT(绝缘栅双极型晶体管)和二极管反并联构成，即在开关管S1-S6的任一个开关管中，所述IGBT的集电极连接至所述二极管的阴极，且所述IGBT的发射极连接至所述二极管的阳极。开关管S1-S4的IGBT依次顺序串联，即前一开关管的IGBT的发射极连接至后一开关管的IGBT的集电极；电容Cd1的正极连接至开关管S1中IGBT的集电极，电容Cd1的负极连接至电容Cd2的正极和开关管S5中IGBT的发射极；电容Cd2的负极连接至开关管S4中IGBT的发射极；开关管S5中IGBT的集电极连接至开关管S1中IGBT的发射极，开关管S5中IGBT的发射极连接至开关管S6中IGBT的集电极；开关管S6中IGBT的发射极连接至开关管S4中IGBT的集电极。图1中，iN和io分别为单相桥臂的输入电流和输出电流，Vo为单相桥臂的输出电压，E为电容Cd1或Cd2的两端的电压。其中，所述全控电力电子器件也可为IGCT(集成门极换流晶闸管)或IEGT(注入增强型栅极晶体管)。
表1、三电平ANPC单相桥臂载波层叠PWM(脉冲宽度调制)开关状态
开关状态 S1/S6 S4/S5 S2 S3 V<sub>o</sub> i<sub>N</sub>(输入)
V1 1 0 1 0 E 0(输出)
V2 0 1 1 0 0 i<sub>o</sub>(输出)
V3 1 0 0 1 0 i<sub>o</sub>(输出)
V4 0 1 0 1 -E 0(输出)
表1所示为ANPC三电平单相桥臂载波层叠PWM(脉冲宽度调制)时的各开关状态，其中，“1”代表对应的开关管中的全控器件如IGBT导通，“0”代表开关管中的全控器件如IGBT关断。
由表1可知，三电平ANPC单相桥臂载波层叠PWM时共有四个开关状态：V1、V2、V3、V4：
当单相桥臂的输入电流为iN，S1、S6及S2这三个开关管中全控器件如IGBT导通，且S4、S5及S3这三个开关管中全控器件如IGBT关断时，单相桥臂输出电压Vo为E，即电容Cd1或Cd2的两端的电压，单相桥臂输出电流为0，此时单相桥臂处于开关状态V1；
当单相桥臂的输入电流为iN，S1、S6及S3这三个开关管中全控器件如IGBT关断，且S4、S5及S2这三个开关管中全控器件如IGBT导通时，单相桥臂输出电压Vo为0，单相桥臂输出电流为io，此时单相桥臂处于开关状态V2；
当单相桥臂的输入电流为iN，S1、S6及S2这三个开关管中全控器件如IGBT导通，且S4、S5及S2这三个开关管中全控器件如IGBT关断时，单相桥臂输出电压Vo为0，单相桥臂输出电流为io，此时单相桥臂处于开关状态V3；
当单相桥臂的输入电流为iN，S1、S6及S2这三个开关管中全控器件如IGBT关断，且S4、S5及S3这三个开关管中全控器件如IGBT导通时，单相桥臂输出电压Vo为-E，单相桥臂输出电流为0，此时单相桥臂处于开关状态V4。
在所述单相桥臂中，由于开关管S5和S6的加入，使得输出零电平时有两条电流双向通路：1、单相桥臂工作于上述开关状态V2的电流通路：iN→开关管S5中二极管→开关管S2中IGBT→io；2、单相桥臂工作于上述开关状态V3的电流通路：iN→开关管S6中IGBT→开关管S3中二极管→io，因而所述单相桥臂的内管即开关管S2和S3就不必同时导通，可工作在互补模式：开关管S2和S3轮流导通。因而，ANPC三电平单相桥臂可看做是三个半桥电路的组合：S1/S5、S2/S3以及S4/S6。其中，开关管S1和S6需要具有相同的开关信号，而开关管S4和S5需要具有相同的开关信号，这样就可保证S2/S3组成的半桥始终承受半直流母线电压。所述令开关管S2和S3轮流导通的工作模式使得ANPC三电平单相桥臂的缓冲吸收电路结构简单，每个所述半桥电路只需要配备一个单电容吸收电路即可。
基于表1及上述分析，为了减小ANPC三电平单相桥臂中内管S2和S3的损耗，本发明提供的开关管调控方法是工作时将内管S2和S3控制在基波频率。如表1所示，当ANPC三电平单相桥臂中载波电压大于0时，只使用上述的开关状态V1和V2，这样S2一直导通，S3一直关断；当三电平ANPC单相桥臂中载波电压小于0时，只使用开关状态V3和V4，这样S2一直关断，S3一直导通而S1/S6和S4/S5工作在载波频率。
图2为本发明实施例的ANPC三电平风电变流器的单相桥臂开关管调控策略及效果示意图，其中，相电压即为所述Vo，线电压为两个ANPC单相桥臂之间电压。
本发明的一种基于内管基频调制的三电平风电变流器控制方法的调控策略及效果如图2所示，
参考波中的三角波为载波，方形波为内管S2的调制波A，方形波的频率为基频，相对于载波频率，调制波A的频率为低频，且调制波A的方形波的波幅高于载波的波幅、调制波A的方形波的波谷高于载波的波谷；参考波中的正弦波为开关管S1和S5的调制波B，调制波B的频率相对于载波频率亦为低频、优选与调制波A的频率相同，且调制波B的正弦波的波幅低于载波的波幅、调制波B的正弦波的波谷低于载波的波谷。
通过调制波A对载波进行调制，得到用于控制开关管S2的控制信号波SS2；通过调制波B对载波进行调制，得到用于控制开关管S1的控制信号波SS1；基于控制信号波SS1可得到用于控制开关管S5的控制信号波SS5：在任一时刻，如果控制信号波SS1的信号为导通信号，则取此刻开关管S5的控制信号波SS5的信号为关断信号，如果控制信号波SS1的信号为关断信号，则取此刻控制信号波SS5的信号为导通信号(即在图2中，在任一时刻，把控制信号波SS1中幅值为1的信号在控制信号波SS5中变成幅值为0的信号，而控制信号波SS1中幅值为0的信号在控制信号波SS5中变成幅值为1的信号)。
基于控制信号波SS2可得到用于控制开关管S3的控制信号波SS3：在任一时刻，如果控制信号波SS2的信号为导通信号，则取此刻控制信号波SS3的信号为关断信号，如果控制信号波SS2的信号为关断信号，则取此刻控制信号波SS3的信号为导通信号(如：在任一时刻，控制信号波SS2中幅值为1的信号在控制信号波SS3中变成幅值为0的信号，而控制信号波SS2中幅值为0的信号在控制信号波SS3中变成幅值为1的信号)。
然后把开关管S1的控制信号波SS1作为开关管S6的控制信号波，把开关管S5的控制信号波SS5作为开关管S4的控制信号波后，通过开关管S1-S6的控制信号波控制三电平风电变流器的ANPC单相桥臂，即可得到图2所示的线电压和相电压。
综上可知，本发明的一种基于内管基频调制的三电平风电变流器控制方法通过对ANPC内管S2和S3进行控制，从而使得所述内管S2和S3轮流工作，缓解了风电变流器单相桥臂内外管发热不均衡的问题。而本发明的开关管调控方法的另一个优点是使得风电变流器的换流路径短，在半个周期内，换流只发生在开关管S1和S5之间，或者换流只发生在开关管S4和S6之间，因而杂散电感小，电压尖峰小，吸收电路电容值小。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种基于内管基频调制的三电平风电变流器控制方法，其中，所述ANPC三电平风电变流器包括三个单相桥臂，所述ANPC单相桥臂包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第一电容和第二电容，
所述第一开关管至第六开关管均由全控电力电子器件和二极管反并联构成，即所述全控电力电子器件的第一电极连接至所述二极管的阴极，且所述全控电力电子器件的第二电极连接至所述二极管的阳极；
所述第一开关管至第四开关管的全控电力电子器件依次顺序串联，即所述第一开关管至第三开关管的中全控电力电子器件的第二电极依次分别连接至所述第二开关管至第四开关管的中全控电力电子器件的第一电极；
所述第一电容的正极连接至所述第一开关管中全控电力电子器件的第一电极，所述第一电容的负极连接至所述第二电容的正极和所述第五开关管中全控电力电子器件的第二电极，所述第二电容的负极连接至所述第四开关管中全控电力电子器件的第二电极；
所述第五开关管中全控电力电子器件的第一电极连接至所述第一开关管中全控电力电子器件的第二电极，所述第五开关管中全控电力电子器件的第二电极连接至所述第六开关管中全控电力电子器件的第一电极，所述第六开关管中全控电力电子器件的第二电极连接至所述第四开关管中全控电力电子器件的第一电极，
所述第一开关管至第六开关管中全控电力电子器件为绝缘栅双极型晶体管、集成门极换流晶闸管或注入增强型栅极晶体管，所述全控电力电子器件为绝缘栅双极型晶体管或注入增强型栅极晶体管时，所述第一电极为集电极，所述第一电极为发射极；所述全控电力电子器件为集成门极换流晶闸管时，所述第一电极为阳极，所述第一电极为阴极，
其特征在于，所述开关管调控方法包括步骤：
I、基于内管基频调制控制所述第二开关管和所述第三开关管轮流工作；
II、在所述第二开关管工作时，控制所述第一开关管和所述第五开关管工作；
III、在所述第三开关管工作时，控制所述第六开关管和所述第四开关管工作。
2.根据权利要求1所述的一种基于内管基频调制的三电平风电变流器控制方法，其特征在于，
在所述步骤I中，包括：
Ia、以方形的调制波A对三角形载波进行调制生成用于控制所述第二开关管的控制信号波SS2；
Ib、基于所述控制信号波SS2形成所述第三开关管的控制信号波SS3，其中，在任一时刻，
如果所述控制信号波SS2的信号为导通信号，则取此刻所述控制信号波SS3的信号为关断信号，
如果所述控制信号波SS2的信号为关断信号，则取此刻所述控制信号波SS3的信号为导通信号；
以所述控制信号波SS2和控制信号波SS3实现所述步骤I。
3.根据权利要求1所述的一种基于内管基频调制的三电平风电变流器控制方法，其特征在于，
在所述步骤I中，包括：
Ia、以方形的调制波A对三角形载波进行调制生成用于控制所述第三开关管的控制信号波SS3；
Ib、基于所述控制信号波SS3形成所述第二开关管的控制信号波SS2，其中，在任一时刻，
如果所述控制信号波SS3的信号为导通信号，则取此刻所述控制信号波SS2的信号为关断信号，
如果所述控制信号波SS3的信号为关断信号，则取此刻所述控制信号波SS2的信号为导通信号；
以所述控制信号波SS2和控制信号波SS3实现所述步骤I。
4.根据权利要求2或3所述的一种基于内管基频调制的三电平风电变流器控制方法，其特征在于，
在所述步骤Ia中，
所述调制波A的频率低于所述三角形载波的频率；
所述调制波A的波幅高于所述三角形载波的波幅；
所述调制波A的波谷低于所述三角形载波的波谷。
5.根据权利要求1-3任一所述的一种基于内管基频调制的三电平风电变流器控制方法，其特征在于，
以正弦波作为调制波B对三角形载波进行调制生成控制信号波SS1，所述控制信号波SS1用于控制所述第一开关管和第六开关管；
基于所述控制信号波SS1生成控制信号波SS5，所述控制信号波SS5用于控制所述第五开关管和第四开关管，其中，在任一时刻，如果所述控制信号波SS1的信号为导通信号，则取此刻所述控制信号波SS5的信号为关断信号；如果所述控制信号波SS1的信号为关断信号，则取此刻所述控制信号波SS5的信号为导通信号。
6.根据权利要求5所述的一种基于内管基频调制的三电平风电变流器控制方法，其特征在于，
所述调制波B的频率低于所述三角形载波的频率；
所述调制波B的波幅低于所述三角形载波的波幅；
所述调制波B的波谷低于所述三角形载波的波谷。
7.根据权利要求6所述的一种基于内管基频调制的三电平风电变流器控制方法，其特征在于，
所述调制波A的频率与所述调制波B频率相同。
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