CN114726188A - 模块化多电平拓扑风电变换器的恒电容电压纹波控制方法 - Google Patents

模块化多电平拓扑风电变换器的恒电容电压纹波控制方法 Download PDF

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刘智杰
钱建行
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Abstract

本发明属于电力系统技术领域，提供了一种模块化多电平拓扑风电变换器的恒电容电压纹波控制方法。包括以下过程：获取模块化多电平拓扑风电变换器的运行参量，所述运行参量至少包括风速，并获取最高频率风速；向模块化多电平拓扑风电变换器中注入循环电流二倍频分量；其中，循环电流二倍频分量满足如下条件：注入的循环电流二倍频分量的角度为最佳角度，当实际风速大于最高频率风速时的子模块电容电压纹波与最高频率风速下的子模块电容电压纹波保持一致；与传统方法相比，本发明通过注入循环电流的二次谐波分量，可以显著降低子模块电容器的电压纹波，减小设备的体积，降低设备的成本，提高设备的运行可靠性。

Description

模块化多电平拓扑风电变换器的恒电容电压纹波控制方法
技术领域
本发明涉及电力系统技术领域，特别涉及一种模块化多电平拓扑风电变换器的恒电容电压纹波控制方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
常规能源是不可再生的，会造成环境污染。可再生能源，尤其是风能的开发已经引起了越来越多的关注。随着风力发电技术的不断进步，风能转换系统的容量也在逐渐增大。在过去的三十年里，风能转换系统的规模和容量呈指数级增长。一些制造商甚至开始开发容量为10MW的风能转换系统。
在兆瓦级风力发电系统中，永磁同步发电机(Permanent Magnet SynchronousGenerator，PMSG)和全功率变换器已被广泛采用。随着相关技术的进步，模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)已广泛应用于海上风力发电和高压直流技术。然而，与传统的两电平和三电平变换器不同，MMC的电容器不直接连接到直流母线。其电容器安装在子模块中。在MMC运行期间，臂电流将通过子模块电容器，这将导致电容器电压波动。通常，电容器电压纹波不应增加标称电容器电压的10％，否则过电压会导致半导体和电容器击穿。因此，MMC通常需要电容值较大的电容器。大电容不仅会增加成本，而且会增加换流器的空间。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种模块化多电平拓扑风电变换器的恒电容电压纹波控制方法，通过注入循环电流的二次谐波分量，抑制了子模块电容器的电压纹波，从而可以使用电容值更小的子模块电容。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明第一方面提供了一种模块化多电平拓扑风电变换器的恒电容电压纹波控制方法。
一种模块化多电平拓扑风电变换器的恒电容电压纹波控制方法，包括以下过程：
获取模块化多电平拓扑风电变换器的运行参量，所述运行参量至少包括风速，并获取最高频率风速；
向模块化多电平拓扑风电变换器中注入循环电流二倍频分量；
其中，循环电流二倍频分量满足如下条件：注入的循环电流二倍频分量的角度为最佳角度，当实际风速大于最高频率风速时的子模块电容电压纹波与最高频率风速下的子模块电容电压纹波保持一致。
本发明第二方面提供了一种模块化多电平拓扑风电变换器的恒电容电压纹波控制系统。
一种模块化多电平拓扑风电变换器的恒电容电压纹波控制系统，包括：
数据获取模块，被配置为：获取模块化多电平拓扑风电变换器的运行参量，所述运行参量至少包括风速，并获取最高频率风速；
纹波控制控制模块，被配置为：向模块化多电平拓扑风电变换器中注入循环电流二倍频分量；
其中，循环电流二倍频分量满足如下条件：注入的循环电流二倍频分量的角度为最佳角度，当实际风速大于最高频率风速时的子模块电容电压纹波与最高频率风速下的子模块电容电压纹波保持一致。
本发明第三方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的模块化多电平拓扑风电变换器的恒电容电压纹波控制方法中的步骤。
本发明第四方面提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明第一方面所述的模块化多电平拓扑风电变换器的恒电容电压纹波控制方法中的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明所述的模块化多电平拓扑风电变换器的恒电容电压纹波控制方法，通过注入循环电流的二次谐波分量，解决了传统的模块化多电平换流器拓扑中子模块电容值较大的问题，显著降低子模块电容器的电压纹波，从而可以使用电容值更小的子模块电容。
2、本发明所述的模块化多电平拓扑风电变换器的恒电容电压纹波控制方法，减小了设备的体积，降低了设备的成本，提高了设备的运行可靠性，。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1提供的模块化多电平拓扑大功率风力发电变换器的拓扑图。
图2为本发明实施例1提供的用于模块化多电平拓扑大功率风力发电变换器的恒电容电压纹波控制方法流程图。
图3为本发明实施例1提供的用于模块化多电平拓扑大功率风力发电变换器的恒电容电压纹波控制方法的控制图。
图4为本发明实施例1提供的最高频率风速示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1：
由于模块化多电平换流器(MMC)的子模块电容器的设计应考虑实际运行条件，特别是风速的影响，因为风速会影响子模块电容器的电压纹波和电压幅值。在传统方法中，子模块电容器的电容设计将基于相对较高的风速，并留有一定的安全裕度。然而，在大多数情况下，设备在最高频率风速下运行。针对模块化多电平拓扑大功率风力发电变换器，本发明实施例1提出了一种恒电容电压控制方法，通过本实施例所述的方法，通过注入循环电流的二次谐波分量，可以显著降低子模块电容器的电压纹波。
具体的，如图1、图2和图3所示，包括以下过程：
S1：输入模块化多电平拓扑大功率风力发电变换器的运行工况，特别的，这里所提到的工况指设备运行时的风速，并寻找最高频率风速。
例如，某地风电厂风频分布拟合曲线如图4所示，则该地区最高频率风速为8m/s。
S2：计算永磁同步发电机和模块化多电平换流器的电气量。
S3：计算最高频率风速下子模块电容电压纹波值；计算不同注入循环电流二倍频分量幅值下的最佳注入相角。
S4：计算当风速大于最高频率风速时的循环电流二倍频分量注入幅值，向模块化多电平换流器中注入循环电流的二倍频分量。
S1中，包括：
输入模块化多电平拓扑大功率风力发电变换器的运行工况，并寻找最高频率风速，最高频率风速定义为在该风速下，设备运行的时间最长。
S2中，包括：
计算永磁同步发电机的机械功率和机械转速，计算模块化多电平换流器的角速度、相电流，计算模块化多电平换流器的调制信号，计算模块化多电平换流器的子模块电容电压，具体包括：
S2.1：计算永磁同步发电机的机械功率：
Figure BDA0003641356620000041
式(1)中，ρ为空气质量密度；A是风机叶片覆盖的区域；vwind表示风速；Cp是性能系数，由桨距角β和叶尖速比λ决定。
S2.2：计算永磁同步发电机的机械转速：
Figure BDA0003641356620000042
其中，
Figure BDA0003641356620000043
式(3)中，P0表示永磁同步电机的空载损耗，rwind是风机叶片的半径；λopt是最佳叶尖速比，它是一个恒定值，可以从制造商的数据中获得。
S2.3：计算模块化多电平换流器的角速度：
ω＝ωr＝pωm (4)
式(4)中，ω是模块化多电平换流器的角速度；ωr是永磁同步电机中转子的电气角速度；p是极对数。
S2.4：计算模块化多电平换流器的相电流：
Figure BDA0003641356620000044
式(5)中，id和iq分别为d-q坐标系中的相电流。
S2.5：计算模块化多电平换流器的调制信号
Figure BDA0003641356620000051
其中，Sup,a(t)和Sdn,a(t)分别表示模块化多电平换流器上桥臂和下桥臂的控制信号；Adc是调制信号中的直流分量；A1和θ1是调制信号中1ω分量的振幅和相位角；A2和θ2是调制信号中2ω分量的振幅和相位角。
S2.6：计算模块化多电平换流器的子模块电容电压。
Figure BDA0003641356620000052
式中，iap(t)表示模块化多电平换流器的上桥臂电流；ucap,a.1ω(t)、ucap,a.2ω(t)和ucap,a.3ω(t)分别表示子模块电容电压的1ω分量、2ω分量和3ω分量；Ucap.0是电容器电压中的直流分量；CSM是子模块电容器的电容值。
S3中，包括：
计算最高频率风速下子模块电容电压纹波值，计算不同注入循环电流二倍频分量幅值下的最佳注入相角，具体包括：
S3.1：计算最高频率风速下子模块电容电压纹波值
基于S2中提出的稳态分析方法，计算最高频率风速下子模块电容电压纹波值；
3.2：计算不同注入循环电流二倍频分量幅值下的循环电流最佳注入相角
基于S2中提出的稳态分析方法，改变循环电流的幅值，计算循环电流角从0变为2π时子模块电容电压波动的值，并在其中找到子模块电容电压波动的最小值，相应的角度就是所需注入循环电流二倍频分量的最佳相角。
S4中，包括：
计算当风速大于最高频率风速时的循环电流二倍频分量注入幅值，向模块化多电平换流器中注入循环电流的二倍频分量。
注入的循环电流二倍频分量应满足：
S4.1：注入的循环电流二倍频分量的角度为最佳角度；
S4.2：当实际风速大于最高频率风速时的子模块电容电压纹波与最高频率风速下的子模块电容电压纹波保持一致。
实施例2：
本发明实施例2提供了一种模块化多电平拓扑风电变换器的恒电容电压纹波控制系统。
一种模块化多电平拓扑风电变换器的恒电容电压纹波控制系统，包括：
数据获取模块，被配置为：获取模块化多电平拓扑风电变换器的运行参量，所述运行参量至少包括风速，并获取最高频率风速；
纹波控制控制模块，被配置为：向模块化多电平拓扑风电变换器中注入循环电流二倍频分量；
其中，循环电流二倍频分量满足如下条件：注入的循环电流二倍频分量的角度为最佳角度，当实际风速大于最高频率风速时的子模块电容电压纹波与最高频率风速下的子模块电容电压纹波保持一致。
所述系统的具体工作过程与实施例1提供的模块化多电平拓扑风电变换器的恒电容电压纹波控制方法相同，这里不再赘述。
实施例3：
本发明实施例3提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本发明实施例1所述的模块化多电平拓扑风电变换器的恒电容电压纹波控制方法中的步骤。
实施例4：
本发明实施例4提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明实施例1所述的模块化多电平拓扑风电变换器的恒电容电压纹波控制方法中的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模块化多电平拓扑风电变换器的恒电容电压纹波控制方法，其特征在于：
包括以下过程：
获取模块化多电平拓扑风电变换器的运行参量，所述运行参量至少包括风速，并获取最高频率风速；
向模块化多电平拓扑风电变换器中注入循环电流二倍频分量；
其中，循环电流二倍频分量满足如下条件：注入的循环电流二倍频分量的角度为最佳角度，当实际风速大于最高频率风速时的子模块电容电压纹波与最高频率风速下的子模块电容电压纹波保持一致。
2.如权利要求1所述的模块化多电平拓扑风电变换器的恒电容电压纹波控制方法，其特征在于：
最佳角度的获取，包括：
改变循环电流的幅值，计算循环电流角从0变为2π时子模块电容电压波动的值，并在子模块电容电压波动的最小值对应的角度为最佳角度。
3.如权利要求1所述的模块化多电平拓扑风电变换器的恒电容电压纹波控制方法，其特征在于：
子模块电容电压为：
Figure FDA0003641356610000011
其中，iap(t)为模块化多电平换流器的上桥臂电流，ucap,a.1ω(t)、ucap,a.2ω(t)和ucap,a.3ω(t)分别表示子模块电容电压的1ω分量、2ω分量和3ω分量，Ucap.0为电容器电压中的直流分量；CSM是子模块电容器的电容值。
4.如权利要求3所述的模块化多电平拓扑风电变换器的恒电容电压纹波控制方法，其特征在于：
Sup,a(t)＝Adc-A1cos(ωt+θ1)-A2cos(ωt+θ2)
其中，Adc为调制信号中的直流分量，A1和θ1为调制信号中1ω分量的振幅和相位角；A2和θ2为调制信号中2ω分量的振幅和相位角。
5.一种模块化多电平拓扑风电变换器的恒电容电压纹波控制系统，其特征在于：
包括：
数据获取模块，被配置为：获取模块化多电平拓扑风电变换器的运行参量，所述运行参量至少包括风速，并获取最高频率风速；
纹波控制控制模块，被配置为：向模块化多电平拓扑风电变换器中注入循环电流二倍频分量；
其中，循环电流二倍频分量满足如下条件：注入的循环电流二倍频分量的角度为最佳角度，当实际风速大于最高频率风速时的子模块电容电压纹波与最高频率风速下的子模块电容电压纹波保持一致。
6.如权利要求5所述的模块化多电平拓扑风电变换器的恒电容电压纹波控制系统，其特征在于：
最佳角度的获取，包括：
改变循环电流的幅值，计算循环电流角从0变为2π时子模块电容电压波动的值，并在子模块电容电压波动的最小值对应的角度为最佳角度。
7.如权利要求5所述的模块化多电平拓扑风电变换器的恒电容电压纹波控制系统，其特征在于：
子模块电容电压为：
Figure FDA0003641356610000021
其中，iap(t)表示模块化多电平换流器的上桥臂电流；ucap,a.1ω(t)、ucap,a.2ω(t)和ucap,a.3ω(t)分别表示子模块电容电压的1ω分量、2ω分量和3ω分量；Ucap.0是电容器电压中的直流分量；CSM是子模块电容器的电容值。
8.如权利要求7所述的模块化多电平拓扑风电变换器的恒电容电压纹波控制系统，其特征在于：
Sup,a(t)＝Adc-A1cos(ωt+θ1)-A2cos(ωt+θ2)
其中，Adc为调制信号中的直流分量，A1和θ1为调制信号中1ω分量的振幅和相位角；A2和θ2为调制信号中2ω分量的振幅和相位角。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-4任一项所述的模块化多电平拓扑风电变换器的恒电容电压纹波控制方法中的步骤。
10.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-4任一项所述的模块化多电平拓扑风电变换器的恒电容电压纹波控制方法中的步骤。
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