CN113726209B - 一种风电变流器用卸荷电路及其控制方法 - Google Patents

一种风电变流器用卸荷电路及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供本发明提供一种风电变流器用卸荷电路及其控制方法，所述风电变流器用卸荷电路包括：串联的第一电容(Cbus1)和第二电容(Cbus2)，所述第一电容(Cbus1)的第二端连接第二电容(Cbus2)的第一端，所述第一电容(Cbus1)并联有第一并联电路，所述第二电容(Cbus2)并联有第二并联电路。本发明的风电变流器用卸荷电路中，开关管配有吸收电路，可防止开关管在开断过程中产生过电压、过电流，抑制du/dt、di/dt，能减小开关损耗并起到保护器件的作用。本发明的控制方法采用了直流功率偏差、直流电压的双判据，控制难度适中，控制效果好。

Description

一种风电变流器用卸荷电路及其控制方法
技术领域
本发明属于海上风电领域，特别涉及一种风电变流器用卸荷电路及其控制方法。
背景技术
当海上风电场采用柔性直流输电的方式接入电网时，如果受端电网发生故障，并网点电压跌落，海上风电网侧变流器向电网输送的功率下降，功率在直流母线处堆积，使得直流母线电压上升，严重时可能导致风电场停机保护及脱网，进一步加剧并网点电压的不稳定。因此，必须采取一定的措施使得柔性直流并网系统能“穿越”这一段低电压的时间，这就是海上风电的故障穿越问题。
要实现海上风电变流器的低电压穿越，其关键就是不平衡功率P的处理方法，可以从以下三个方面着手：减少机侧变流器的输入功率，增加网侧变流器的输出功率，直接消耗直流母线处的不平衡能量。其中，基于卸荷电路的不平衡能量消耗方法，具有方案简单、动作速度快、可靠性高等优点。但现有的卸荷电路多适用于两电平变流器，不满足三电平中性点箝位型变流器的需要。此外，现有的卸荷电路未考虑变流器中杂散电感对开关管的影响，开关过程中电路中可能出现过电压、过电流，且开关损耗较大。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种风电变流器用卸荷电路及其控制方法。
本发明的风电变流器用卸荷电路，包括：
串联的第一电容(Cbus1)和第二电容(Cbus2)，所述第一电容(Cbus1)的第二端连接第二电容(Cbus2)的第一端，
所述第一电容(Cbus1)并联有第一并联电路；
其中，所述第一并联电路包括依次串联的第一开关管(T1)和第一电阻(R1)，所述第一开关管(T1)的第一端作为所述第一并联电路的第一端连接所述第一电容(Cbus1)的第一端，所述第一开关管(T1)的第二端连接所述第一电阻(R1)的第一端，所述第一电阻(R1)的第二端作为所述第一并联电路的第二端连接所述第一电容(Cbus1)的第二端；
所述第二电容(Cbus2)并联有第二并联电路；
其中，所述第二并联电路包括依次串联的第二电阻(R2)和第二开关管(T2)；
所述第二电阻(R2)的第一端作为所述第二并联电路的第一端连接所述第二电容(Cbus2)的第一端，所述第二电阻(R2)的第二端连接所述第二开关管(T2)的第一端，所述第二开关管(T2)的第二端作为所述第二并联电路的第二端连接所述第二电容(Cbus2)的第二端；
其中，对釆集到的第一电容(Cbus1)或第二电容(Cbus2)直流侧输入和输出有功功率进行比对，得到有功差值△P；
A、以所述有功差值△P作为第一判断条件确定卸荷电路的投切，投入卸荷电路时，根据所述有功差值△P确定功率器件的占空比，其中，有功差值△P＝Pmdc-Pgdc，Pmdc为机侧变流器流向直流母线的有功功率，Pgdc为所述直流母线流向网侧变流器的有功功率；
B、当根据所述有功差值△P对卸荷电路控制滞后达到或超过预定值，或直流侧电压升高速度达到或超过预设值，由直流侧电压作为判断条件进行控制：当直流母线电压Udc大于Udc_max时，令所述占空比为1，Udc_max为设定的直流母线电压最大值。
进一步，
还包括第一二极管(D1)和第二二极管(D2)，
所述第一开关管(T1)与所述第一二极管(D1)构成反并联结构，即所述第一开关管(T1)的第一端连接所述第一二极管(D1)的阴极，所述第一开关管(T1)的第二端连接所述第一二极管(D1)的阳极，
所述第二开关管(T2)与所述第二二极管(D2)构成反并联结构，即所述第二开关管(T2)的第一端连接所述第二二极管(D2)的阴极，所述第二开关管(T2)的第二端连接所述第二二极管(D2)的阳极。
进一步，
还包括第一电阻-电容电路和第二电阻-电容电路，
所述第一开关管(T1)与所述第一电阻-电容电路并联，即所述第一开关管(T1)的第一端连接所述第一电阻-电容电路的第一端，所述第一开关管(T1)的第二端连接所述第一电阻-电容电路的第二端；
所述第二开关管(T2)与所述第二电阻-电容电路并联，即所述第二开关管(T2)的第一端连接所述第二电阻-电容电路的第一端，所述第二开关管(T2)的第二端连接所述第二电阻-电容电路的第二端。
进一步，
所述第一电阻-电容电路包括串联的第一串联电阻(RS1)和第一串联电容(CS1)，所述第一串联电阻(RS1)的第一端作为所述第一电阻-电容电路的第一端，所述第一串联电阻(RS1)的第二端连接所述第一串联电容(CS1)的第一端，所述第一串联电容(CS1)的第二端作为所述第一电阻-电容电路的第二端；
所述第二电阻-电容电路包括串联的第二串联电阻(RS2)和第二串联电容(CS2)，所述第二串联电阻(RS2)的第一端作为所述第二电阻-电容电路的第一端，所述第二串联电阻(RS2)的第二端连接所述第二串联电容(CS2)的第一端，所述第二串联电容(CS2)的第二端作为所述第二电阻-电容电路的第二端。
进一步，
所述第一开关管(T1)和第二开关管(T2)为集成门极换流晶闸管或绝缘栅双极晶体管，
所述第一开关管(T1)和第二开关管(T2)为集成门极换流晶闸管时，所述第一开关管(T1)和第二开关管(T2)的第一端为阳极，第二端为阴极；
所述第一开关管(T1)和第二开关管(T2)为绝缘栅双极晶体管时，所述第一开关管(T1)和第二开关管(T2)的第一端为集电极，第二端为发射极。
本发明还提供一种风电变流器用卸荷电路控制方法，应用于一种风电变流器用卸荷电路中，其特征在于，
所述有功差值△P达到或超过某一设定值时，投入卸荷电路。
进一步，
投入卸荷电路时，所述有功差值△P经PI调节器后作为调制波信号，控制所述第一开关管(T1)或第二开关管(T2)的占空比D。
进一步，
占空比D满足：
其中，
Rd为第一电阻(R1)或第二电阻(R2)的阻值，Udc_ref为直流母线电压目标值；
当直流母线电压Udc大于Udc_max时，令所述占空比D为1，Udc_max为设定的直流母线电压最大值。
本发明的风电变流器用卸荷电路及其控制方法适用于三电平的中性点箝位型变流器。本发明的风电变流器用卸荷电路中，开关管配有吸收电路，可防止开关管在开断过程中产生过电压、过电流，抑制du/dt、di/dt，能减小开关损耗并起到保护器件的作用。本发明的控制方法采用了直流功率偏差、直流电压的双判据，控制难度适中，控制效果好。
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示出了根据本发明实施例的风电变流器用卸荷电路结构示意图；
图2示出了根据本发明实施例的风电变流器用卸荷电路控制方法功能框图。
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所示为本发明的风电变流器用卸荷电路结构。如图1所示，本发明的风电变流器用卸荷电路基于三电平有源钳位风电变流器拓扑，包括：串联的第一电容Cbus1和第二电容Cbus2，第一电容Cbus1的第二端连接第二电容Cbus2的第一端。
第一电容Cbus1并联第一并联电路，所述第一并联电路包括依次串联的第一开关管T1和第一电阻R1，第一开关管T1的第一端作为第一并联电路的第一端连接第一电容Cbus1的第一端，第一开关管T1的第二端连接第一电阻R1的第一端，第一电阻R1的第二端作为第一并联电路的第二端连接第一电容Cbus1的第二端。所述第一开关管T1与第一二极管D1构成反并联结构，即第一开关管T1的第一端连接第一二极管D1的阴极，第一开关管T1的第二端连接第一二极管D1的阳极。所述第一开关管T1还与第一电阻-电容(RC)电路并联，即第一开关管T1的第一端连接第一RC电路的第一端，第一开关管T1的第二端连接第一RC电路的第二端。第一RC电路包括串联的第一串联电阻RS1和第一串联电容CS1，第一串联电阻RS1的第一端作为第一RC电路的第一端，第一串联电阻RS1的第二端连接第一串联电容CS1的第一端，第一串联电容CS1的第二端作为第一RC电路的第二端。
第二电容Cbus2并联第二并联电路，所述第二并联电路包括依次串联的第二电阻R2和第二开关管T2，第二电阻R2的第一端作为第二并联电路的第一端连接第二电容Cbus2的第一端，第二电阻R2的第二端连接第二开关管T2的第一端，第二开关管T2的第二端作为第二并联电路的第二端连接第二电容Cbus2的第二端。所述第二开关管T2与第二二极管D2构成反并联结构，即第二开关管T2的第一端连接第二二极管D2的阴极，第二开关管T2的第二端连接第二二极管D2的阳极。所述第二开关管T2还与第二RC电路并联，即第二开关管T2的第一端连接第二RC电路的第一端，第二开关管T2的第二端连接第二RC电路的第二端。第二RC电路包括串联的第二串联电阻RS2和第二串联电容CS2，第二串联电阻RS2的第一端作为第二RC电路的第一端，第二串联电阻RS2的第二端连接第二串联电容CS2的第一端，第二串联电容CS2的第二端作为第二RC电路的第二端。
其中，对釆集到的第一电容(Cbus1)或第二电容(Cbus2)直流侧输入和输出有功功率进行比对，得到有功差值△P；
A、以所述有功差值△P作为第一判断条件确定卸荷电路的投切，投入卸荷电路时，根据所述有功差值△P确定功率器件的占空比，其中，有功差值△P＝Pmdc-Pgdc，Pmdc为机侧变流器流向直流母线的有功功率，Pgdc为所述直流母线流向网侧变流器的有功功率；
B、当根据所述有功差值△P对卸荷电路控制滞后达到或超过预定值，或直流侧电压升高速度达到或超过预设值，由直流侧电压作为判断条件进行控制：当直流母线电压Udc大于Udc_max时，令所述占空比为1，Udc_max为设定的直流母线电压最大值。
所述第一开关管T1和第二开关管T2可为集成门极换流晶闸管(IGCT)或绝缘栅双极晶体管(IGBT)。所述第一开关管T1和第二开关管T2为IGCT时，第一开关管T1和第二开关管T2的第一端为阳极，第一开关管T1和第二开关管T2的第二端为阴极。所述第一开关管T1和第二开关管T2为IGBT时，第一开关管T1和第二开关管T2的第一端集电极，第一开关管T1和第二开关管T2的第二端为发射极。
基于上述风电变流器用卸荷电路，本发明同时提供一种电变流器用卸荷电路控制方法，以用于所述卸荷电路的功率偏差调节。图2为本发明的风电变流器用卸荷电路控制方法功能框图，其中，Pmdc为机侧变流器流向直流母线的有功功率，Pgdc为直流母线流向网侧变流器的有功功率。如图2所示，变流器正常工作时，直流母线电压Vdc、支撑电容(即上述第一电容Cbus1或第二电容Cbus2)两端功率差即有功差值(Pmdc-Pgdc)存在一定的纹波，此时卸荷电阻不应动作。当支撑电容两端有功差值(Pmdc-Pgdc)达到或超过某一设定值时，该有功差值经PI调节器后作为调制波信号，控制功率器件(即所述第一开关管T1或第二开关管T2)的占空比D。记支撑电容两端有功差值△P＝Pmdc-Pgdc，一个功率器件(所述T1或T2)的开关周期T内，耗能电阻(即上述第一电阻R1或第二电阻R2，耗能电阻阻值为Rd)消耗的能量应满足：
其中，Udc为直流母线电压(即所述Vdc)，t代表时间，假定直流母线电压维持在目标值Udc_ref，则占空比D应满足
此外，当采集到的直流母线电压Udc大于设定的最大值Udc_max时，令占空比D为1，完全投入卸荷电路。
本发明的风电变流器用卸荷电路控制方法是以风电变流器的直流侧电压及功率偏差为双判据，对釆集到的风电变流器的直流侧输入和输出有功功率(即上述第一电容Cbus1或第二电容Cbus2两端功差)进行比对，得到直流侧输入和输出有功功率的功率偏差即功率差或者说有功差值。以直流侧输入和输出有功功率的功率偏差作为首要判断条件确定卸荷电路的投切，投入卸荷电路时，调节器根据所述功率偏差确定功率器件的占空比。而直流侧电压则作为辅助判断条件，当根据功率偏差对卸荷电路控制滞后较大(即所述有功差值△P对卸荷电路控制滞后达到或超过预定值)或直流侧电压升高过快时(即直流侧电压升高速度达到或超过预设值)，由直流侧电压作为判断条件进行控制，即当采集到的直流母线电压Udc大于设定的最大值Udc_max时，令占空比D为1，完全投入卸荷电路。
本发明的风电变流器用卸荷电路及其控制方法适用于三电平的中性点箝位型变流器。本发明的风电变流器用卸荷电路中，开关管配有吸收电路，可防止开关管在开断过程中产生过电压、过电流，抑制du/dt、di/dt，能减小开关损耗并起到保护器件的作用。本发明的控制方法采用了直流功率偏差、直流电压的双判据，控制难度适中，控制效果好。
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 (8)

1.一种风电变流器用卸荷电路，其特征在于，包括：
串联的第一电容(Cbus1)和第二电容(Cbus2)，所述第一电容(Cbus1)的第二端连接第二电容(Cbus2)的第一端，
所述第一电容(Cbus1)并联有第一并联电路；
其中，所述第一并联电路包括依次串联的第一开关管(T1)和第一电阻(R1)，所述第一开关管(T1)的第一端作为所述第一并联电路的第一端连接所述第一电容(Cbus1)的第一端，所述第一开关管(T1)的第二端连接所述第一电阻(R1)的第一端，所述第一电阻(R1)的第二端作为所述第一并联电路的第二端连接所述第一电容(Cbus1)的第二端；
所述第二电容(Cbus2)并联有第二并联电路；
其中，所述第二并联电路包括依次串联的第二电阻(R2)和第二开关管(T2)；
所述第二电阻(R2)的第一端作为所述第二并联电路的第一端连接所述第二电容(Cbus2)的第一端，所述第二电阻(R2)的第二端连接所述第二开关管(T2)的第一端，所述第二开关管(T2)的第二端作为所述第二并联电路的第二端连接所述第二电容(Cbus2)的第二端；
其中，对釆集到的第一电容(Cbus1)或第二电容(Cbus2)直流侧输入和输出有功功率进行比对，得到有功差值△P；
A、以所述有功差值△P作为第一判断条件确定卸荷电路的投切，投入卸荷电路时，根据所述有功差值△P确定功率器件的占空比，其中，有功差值△P＝Pmdc-Pgdc，Pmdc为机侧变流器流向直流母线的有功功率，Pgdc为所述直流母线流向网侧变流器的有功功率；
B、当根据所述有功差值△P对卸荷电路控制滞后达到或超过预定值，或直流侧电压升高速度达到或超过预设值，由直流侧电压作为判断条件进行控制：当直流母线电压Udc大于Udc_max时，令所述占空比为1，Udc_max为设定的直流母线电压最大值。
2.根据权利要求1所述的一种风电变流器用卸荷电路，其特征在于，
还包括第一二极管(D1)和第二二极管(D2)，
所述第一开关管(T1)与所述第一二极管(D1)构成反并联结构，即所述第一开关管(T1)的第一端连接所述第一二极管(D1)的阴极，所述第一开关管(T1)的第二端连接所述第一二极管(D1)的阳极，
所述第二开关管(T2)与所述第二二极管(D2)构成反并联结构，即所述第二开关管(T2)的第一端连接所述第二二极管(D2)的阴极，所述第二开关管(T2)的第二端连接所述第二二极管(D2)的阳极。
3.根据权利要求2所述的一种风电变流器用卸荷电路，其特征在于，
还包括第一电阻-电容电路和第二电阻-电容电路，
所述第一开关管(T1)与所述第一电阻-电容电路并联，即所述第一开关管(T1)的第一端连接所述第一电阻-电容电路的第一端，所述第一开关管(T1)的第二端连接所述第一电阻-电容电路的第二端；
所述第二开关管(T2)与所述第二电阻-电容电路并联，即所述第二开关管(T2)的第一端连接所述第二电阻-电容电路的第一端，所述第二开关管(T2)的第二端连接所述第二电阻-电容电路的第二端。
4.根据权利要求3所述的一种风电变流器用卸荷电路，其特征在于，
所述第一电阻-电容电路包括串联的第一串联电阻(RS1)和第一串联电容(CS1)，所述第一串联电阻(RS1)的第一端作为所述第一电阻-电容电路的第一端，所述第一串联电阻(RS1)的第二端连接所述第一串联电容(CS1)的第一端，所述第一串联电容(CS1)的第二端作为所述第一电阻-电容电路的第二端；
所述第二电阻-电容电路包括串联的第二串联电阻(RS2)和第二串联电容(CS2)，所述第二串联电阻(RS2)的第一端作为所述第二电阻-电容电路的第一端，所述第二串联电阻(RS2)的第二端连接所述第二串联电容(CS2)的第一端，所述第二串联电容(CS2)的第二端作为所述第二电阻-电容电路的第二端。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种风电变流器用卸荷电路，其特征在于，
所述第一开关管(T1)和第二开关管(T2)为集成门极换流晶闸管或绝缘栅双极晶体管，
所述第一开关管(T1)和第二开关管(T2)为集成门极换流晶闸管时，所述第一开关管(T1)和第二开关管(T2)的第一端为阳极，第二端为阴极；
所述第一开关管(T1)和第二开关管(T2)为绝缘栅双极晶体管时，所述第一开关管(T1)和第二开关管(T2)的第一端为集电极，第二端为发射极。
6.一种风电变流器用卸荷电路控制方法，应用于权利要求1至5中任一项所述的风电变流器用卸荷电路中，其特征在于，
所述有功差值△P达到或超过某一设定值时，投入卸荷电路。
7.根据权利要求6所述的一种风电变流器用卸荷电路控制方法，其特征在于，
投入卸荷电路时，所述有功差值△P经PI调节器后作为调制波信号，控制所述第一开关管(T1)或第二开关管(T2)的占空比D。
8.根据权利要求7的一种风电变流器用卸荷电路控制方法，其特征在于，
占空比D满足：
其中，
Rd为第一电阻(R1)或第二电阻(R2)的阻值，Udc_ref为直流母线电压目标值；
当直流母线电压Udc大于Udc_max时，令所述占空比D为1，Udc_max为设定的直流母线电压最大值。
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