CN210468817U - 九开关型双馈风机系统 - Google Patents

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CN210468817U CN201921485906.1U CN201921485906U CN210468817U CN 210468817 U CN210468817 U CN 210468817U CN 201921485906 U CN201921485906 U CN 201921485906U CN 210468817 U CN210468817 U CN 210468817U
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潘雷
徐东兴
张静梅
庞毅
王凯
殷畅
张树臣
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Abstract

本实用新型提供一种九开关型双馈风机系统，该系统包括九开关变换器、双馈风机和控制电路。九开关变换器分别与双馈风机的网侧与机侧相接，双馈风机的定子直接与电网相连，转子通过九开关变换器与电网相连；九开关变换器驱动双馈风力发电机，九开关型变换器机侧和网侧电流连接至控制电路的输入端；控制电路的输入连接至IGBT驱动电路，由IGBT驱动电路的输出信号连接至九开关变换器开关器件控制信号输入端。本实用新型的有益效果是：该映射关系很好的解决了由于双馈风机机侧变换器与网侧变换器之间的相互作用限制系统控制性能的问题，有效简化了系统控制策略的设计；有效降低了系统谐波电流含量和超调量，提高了系统的动态响应速度。

Description

九开关型双馈风机系统
技术领域
本实用新型涉及双馈风机系统，特别涉及一种九开关型双馈风机系统及控制方法。
背景技术
双馈风机(Doubly fed Induction Generator)以其容量小、价格低廉、励磁变换器谐波低等优点，在风电系统中得到了广泛的应用。由定子绕组直连定频三相电网的发电机和安装在转子绕组上的双向背靠背IGBT变流器组成。
在背靠背变换器中，为了保护变换器并成功地实现低压穿越(LVRT)，采用了铁棒或励磁涌流吸收有源电路，但增加了系统的成本、体积和复杂度。最近，九开关变换器被开发出来，并在双馈风机系统中被初步用于取代背靠背转换器。相对于背靠背变换器，开关的数量以及相关的门控驱动器、散热器、保护电路和缓冲器的数量可以从12个减少到9个，简化了系统，使得该种拓扑结构在成本和体积上具有优势。然而，对九开关变换器的数学模型研究较少，没有考虑机侧变换器与网侧变换器之间的相互作用，从而限制了系统的控制性能。
发明内容
鉴于上述问题，本实用新型的第一个目的是提供一种能够简化系统的九开关型双馈风机系统。该系统包括九开关变换器数学模型的建立。
本实用新型的第二个目的是提供一种九开关型双馈风机系统的控制方法。
为实现上述第一个目的，本实用新型采用的技术方案是：一种九开关型双馈风机系统，包括九开关变换器、双馈风机和控制电路，所述九开关变换器包括：直流侧电容、绝缘栅双极型晶体管IGBT驱动电路、控制电路、三个桥臂，所述桥臂分别串联三个IGBT；所述双馈风机包括：风轮、增速箱、发电机定子绕组和发电机转子绕组，其特征是：所述九开关变换器分别与双馈风机的网侧与机侧相接，所述双馈风机的定子直接与电网相连，转子通过九开关变换器与电网相连；所述九开关变换器驱动双馈风力发电机，所述九开关型变换器机侧和网侧电流iA1,B1,C1、iA2,B2,C2连接至控制电路的输入端；控制电路的输入连接至IGBT驱动电路，由IGBT驱动电路的输出信号连接至九开关变换器开关器件控制信号输入端。
所述双馈风机的机侧设有整流器形成双闭环机侧控制回路，跟踪给定的有功功率和无功功率指令调节有功功率和无功功率，同时电流内环对定子谐波电流进行抑制；所述双馈风机的网侧设有逆变器形成双闭环控制回路控制直流母线电压的稳定和输出三相交流电的电能质量。
所述机侧控制回路由外回路和内回路双闭环控制回路组成，所述外回路用于调节有功功率和无功功率，所述内回路采用PIR控制器调节转子电流；所述网侧为直流电压控制和电网电流控制两个双闭环控制回路，所述直流电压控制内环，所述电网电流控制外环。
所述九开关变换器建立有数学模型，所述数学模型为基于单个开关有效切换状态的数学模型与带电阻、电感和反电动势负载的九开关变换器开关函数模型，所述九开关变换器数学模型包括：基于单个开关有效切换状态的数学模型与带电阻、电感和反电动势负载的九开关变换器开关函数模型。所述九开关变换器包括：直流侧电容、绝缘栅双极型晶体管IGBT驱动电路、控制电路，三个桥臂，每个桥臂分别串联三个IGBT；连接方式为：
双馈电机的定子直接与电网相连，转子通过九开关变换器与电网相连。接下来对基于九开关变换器的双馈电机系统的机侧和网侧分别进行了分析和简化。iA1,B1,C1、iA2,B2,C2连接至控制电路的输入端；控制电路的输入连接至IGBT驱动电路，由IGBT驱动电路输出的驱动连接至九开关变换器开关器件控制信号的输入端。
将九开关变换器与双馈风机网侧与机侧相接，用九开关变换器驱动双馈风力发电机，建立九开关变换器的数学模型和双馈风机的数学模型。
所述九开关变换器的数学模型具体建立过程如下：
利用开关函数法，建立了九开关变换器的一般数学模型。该变换器的每一桥臂有三个开关，中间开关的门信号由上下两个开关的逻辑异或产生。每个开关有两种不同的开关状态，如下所示：
定义IGBT的开关状态为：
Figure BDA0002193649440000031
式中X＝A,B,C；I＝H,M,L。其中SXI分别表示九个IGBT，
九开关变换器的每个桥臂有8种切换状态，由于输出端口不能浮动，直流母线不能短路等原因，每个桥臂仅有3种有效切换状态。这三个有效状态满足以下约束关系：
Figure BDA0002193649440000032
基于开关变量的九开关变换器电压方程如下：
Figure BDA0002193649440000033
其中uJY,o为JY(J＝A,B,C；Y＝1,2)和o点之间的电压。
变换器电压可以用负载中性点电压和极电压，即每个桥臂与直流电源负极间电压表示如下：
Figure BDA0002193649440000041
其中，uni,o(i＝1,2)和uAi,ni(i＝1,2)分别为负载中性点电压和相电压。
两个交流端子三相电压平衡，则有：
uAi,ni+uBi,ni+uCi,ni＝0 (5)
则：
Figure BDA0002193649440000042
进一步的，该变换器输出电压可以用开关变量来表示：
Figure BDA0002193649440000043
利用基尔霍夫电压定律，可得九开关变换器的微分方程，如下式所示：
Figure BDA0002193649440000051
其中eAi和iAi分别为上、下两交流端三相负载的反电动势电压和相电流；Li和Ri分别为上下端子三相负载的电感和电阻。相对于背靠背的12开关变换器，开关的数量以及相关的门控驱动器、散热器、保护电路和缓冲器的数量可以从12个减少到9个，从而简化了系统。(8)为带电阻、电感和反电动势负载的九开关变换器开关函数模型。
简化九开关双馈风机系统控制，所述九开关变换器的上、下两交流端的三相输出端分别接入双馈风机的机侧和网侧、可以将所述双馈风机机侧等效为虚拟电网和得到所述双馈风机系统参数与九开关带阻感负载和反电势负载参数之间的映射关系；
为了得到精确的双馈风机数学模型，在转子坐标系中建立与双馈风机等效的电路，定子绕组和转子绕组的电压方程在转子磁场方向上表示为：
Figure BDA0002193649440000052
Figure BDA0002193649440000053
其中电流的正方向定义为给发电机供电的电流方向。一般上标“r”表示转子坐标系；下标“ABC”表示三相系统；下标“s”和“r”用于区分定子和机侧的数量或参数；Rs和Rr分别为双馈风机的定子电阻和转子电阻；is和ir分别为定子电流和转子电流；ωr转子角速度。
三相定子和转子绕组的磁链表示为：
Figure BDA0002193649440000061
Figure BDA0002193649440000062
其中Lls和Llr为泄漏电感；Lm为定子与转子间互感。
Figure BDA0002193649440000063
Figure BDA0002193649440000064
其中：Ls＝Lls+Lm；Lr＝Llr+Lm。
为了避免目前
Figure BDA0002193649440000065
在式(11)中的微分运算，将式(11)化简为：
Figure BDA0002193649440000066
其中：
Figure BDA0002193649440000067
为总漏磁系数。
由式(12)可知，从转子绕组的角度来看，可以将双馈风机机侧等效为虚拟电网，er,ABC被认为是虚拟电网电压，Rr+σLr被认为是转子参数，及其等效电路见图4。因此，该系统可以看作是一个标准的三相PWM整流器。等效机侧变换器发出可控电压ur。此外，通过调节电流的幅值和相位，用来控制电流ir。同时，机侧变换器通过控制转子电流的有功和无功分量来调节双馈风机的有功功率和无功功率。
将双馈风机数学模型(12)与九开关变换器数学模型(8)进行比较，得到映射关系如下：
Figure BDA0002193649440000071
式中，
Figure BDA0002193649440000072
为定子电压，通过对电网电压的换算可得，换算公式如下：
Figure BDA0002193649440000073
其中θr为A相转子与定子间相位差。
九开关变换器的网侧支路通过电感Lg和电阻Rg与电网相连，在确定电网电压方向的情况下，网侧可由以下电路方程描述：
Figure BDA0002193649440000074
其中ig和ug分别为交流侧的输出电流和电压；
替换上面的一些变量，得到以下表达式
Figure BDA0002193649440000075
通过以上分析，将基于九开关变换器双馈风机系统数学模型统一为(8)数学模型，并详细给出了两系统之间的参数映射关系。上述数学模型是基于九开关变换器的双馈风机系统设计的基础。通过该模型，可以有效简化系统设计。
为实现上述第二个目的，本实用新型采用的技术方案是：一种九开关型双馈风机系统的控制方法：
提出的控制策略分为两部分：(a)双馈风机的有功功率和无功功率调节由机侧整流器实现，其目的是跟踪给定的有功功率和无功功率指令；同时，电流内环还实现了对定子谐波电流的抑制。(b)网侧逆变器控制直流母线电压的稳定和输出三相交流电的电能质量。
图3左侧所示的双闭环控制回路，用于实现定子谐波电流抑制、有功功率和无功功率调节。同样，图3右侧的双闭环控制结构实现了直流母线电压的稳定和输出三相交流电的电能质量控制。
机侧控制回路由双闭环控制回路组成，外回路用于调节有功功率和无功功率，内回路采用PIR控制器调节转子电流。与机侧的控制回路相同，网侧也分为双闭环控制回路。图3右侧为直流电压控制内环和电网电流控制外环。
当定子电压及电网电压方向与dq坐标系的d轴对齐时，网侧的有功输出和无功输出分别为
Figure BDA0002193649440000081
其中Us为电网电压(也是定子电压的d轴分量)，当定子连接到电网时，转子电流ird、irq可由网侧有功功率和无功功率计算：
Figure BDA0002193649440000082
机侧等效变换器电流内环和功率外环控制框图如图3所示。
与机侧的控制回路相同，网侧也为双闭环控制回路。图3含直流电压控制内环和电网电流控制外环。
具体控制过程包括以下步骤：
步骤一：分别采集九开关型变换器的机侧和网侧的电流信号iA1,B1,C1和iA2,B2,C2，通过和双馈风机的固有参数的运算可以得到参考有功功率和参考无功功率，机侧将九开关变换器的实际有功功率和无功功率与参考信号进行比较，得到误差功率信号；网侧将九开关变换器的直流母线电压Udc与参考电压信号进行比较，得到误差电压信号；
步骤二：将所述机侧与网侧的误差信号分别经过PI控制器生成参考电流信号；
步骤三：采集九开关型变换器机侧和网侧的三相交流侧输出电流信号iA1,B1,C1和iA2,B2,C2。分别将电流信号与步骤二得到的参考电流信号进行相减比较，得到误差电流信号；
步骤四：将机侧和网侧所述的误差电流信号分别送入PIR电流控制器，作为PIR电流控制器的偏差输入信号；
步骤五：分别从PIR控制器的输出端得到了αβ两相静止坐标系下的电压信号u* α1、u* β1、u* α2和u* β2，通过αβ反变换到三相静止a-b-c坐标系下，得到两组三相电压信号u* A1、u* B1、u* C1、u* A2、u* B2和u* C2，将这两组三相电压信号进行SPWM调制，即用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制九开关变换器电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，这样u* A1、u* B1、u* C1、u* A2、u* B2和u* C2这两组电压信号的频率和幅值的改变则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。经过SPWM调制之后的波形可以直接用来驱动九开关变换器IGBT的通断，从而使九开关变换器并网侧输出端产生预期的频率稳定的输出电压。
本实用新型提供了一种九开关型双馈风机系统的数学模型和控制策略。首先，建立了九开关变换器的开关函数模型；其次，给出了dq坐标系下九开关变换器带负荷参数与双馈风机系统参数之间的映射关系，该映射关系很好的解决了由于双馈风机机侧变换器与网侧变换器之间的相互作用限制系统控制性能的问题，有效简化了系统控制策略的设计；最后，本实用新型将比例积分谐振控制器分别应用于网侧变换器和机侧变换器，有效降低了系统谐波电流含量和超调量，提高了系统的动态响应速度。
附图说明
图1本实用新型的九开关型双馈风机系统模型框图；
图2本实用新型的九开关变换器双馈风机系统拓扑结构图；
图3本实用新型的九开关变换器控制框图；
图4本实用新型的双馈风机等效为虚拟电网示意图；
图5本实用新型九开关机侧变换器的等效电路图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型做进一步说明：
一种PIR电流控制的九开关型双馈风机系统的数学模型及控制方法包括以下步骤：
步骤一：建立九开关变换器的数学模型；图1所示为九开关型双馈风机系统数学模型的结构图，由图1可知九开关型变换器包含九个IGBT开关器件，将每个开关器件的状态定义如下：
Figure BDA0002193649440000101
式中X＝A,B,C；I＝H,M,L。其中XI分别表示九个开关器件。
九开关变换器的每一桥臂有8种切换状态，由于输出端口不能浮动，直流母线不能短路等原因，每条支路只有3种有效切换状态。这三个有效状态满足以下约束关系：
Figure BDA0002193649440000111
基于开关变量的九开关变换器电压方程如下：
Figure BDA0002193649440000112
其中uJY,o为JY(J＝A,B,C；Y＝1,2)和o点之间的电压。
变换器电压可以用负载中性点电压和极电压，即每个桥臂与直流电源负极间电压表示如下：
Figure BDA0002193649440000113
其中，uni,o(i＝1,2)和uAi,ni(i＝1,2)分别为负载中性点电压和相电压。
两个交流端子三相电压平衡，则有下式：
uAi,ni+uBi,ni+uCi,ni＝0 (5)
可以得出这样的结论：
Figure BDA0002193649440000121
然后，该变换器的输出电压可以用开关变量来表示：
Figure BDA0002193649440000122
将基尔霍夫电压定律应用于图2，可得到九开关变换器的微分方程，如下所示：
Figure BDA0002193649440000123
其中eAi和iAi分别为上下两交流端三相负载的反电动势和相电流；Li和Ri分别为上下两交流端三相负载的电感和电阻。(8)为带电阻、电感和反电动势负载的九开关变换器开关函数模型。
为了得到精确的双馈风机数学模型，在转子坐标系中建立与双馈风机等效的电路，定子绕组和转子绕组的电压方程在转子磁场方向上表示为：
Figure BDA0002193649440000131
Figure BDA0002193649440000132
其中电流正方向定义为给发电机供电的电流方向。
三相定子和转子绕组的磁链表示为：
Figure BDA0002193649440000133
Figure BDA0002193649440000134
其中：Lls和Llr为漏感；Lm为定子与转子间互感。
Figure BDA0002193649440000135
Figure BDA0002193649440000136
其中：Ls＝Lls+Lm，Lr＝Llr+Lm。
为了避免目前
Figure BDA0002193649440000137
在式(11)中的微分运算，化简为下式：
Figure BDA0002193649440000138
其中：
Figure BDA0002193649440000139
为漏磁系数。
由式(12)可知，从转子绕组的角度来看，可以将双馈风机机侧等效为虚拟电网，er,ABC被认为是虚拟电网电压，Rr+σLr被认为是转子参数,及其等效电路见图4。因此，该系统可以看作是一个标准的三相PWM整流器。等效机侧变换器发出可控电压ur。此外，通过调节电流的幅值和相位，用来控制电流ir。同时，等效机侧变换器通过控制转子电流的有功和无功分量来调节双馈风机的有功和无功功率。
将双馈风机数学模型(12)与九开关变换器数学模型(8)进行比较，得到映射关系如下：
Figure BDA0002193649440000141
式中，urs,j为定子电压，可通过电网电压换算得到，换算公式如下：
Figure BDA0002193649440000142
θr为A相转子和定子间相差的角度。
九开关变换器的网侧支路通过网电感Lg和等效电阻Rg与电网相连，在确定电网电压方向的情况下，网侧可由以下电路方程描述：
Figure BDA0002193649440000143
其中：ig和ug分别为交流侧的输出电流和电压；
可得以下表达式：
Figure BDA0002193649440000151
由(15)可知，在确定电网电压方向的情况下，从网侧的角度可以将网侧变换器等效为带电阻、电感和电动势电源，该部分可以看做一个三相逆变电路，九开关变换器的并网侧支路通过并网电感和等效电阻Rg与电网eg相连，其等效电路如图5所示。同时，等效电网侧变换器负责直流母线电压的稳定和输出三相交流电能质量。
以上将基于九开关变换器双馈风机系统数学模型统一为(8)的数学模型，并详细给出了两系统间的参数映射关系。上述数学模型是基于九开关变换器双馈风机系统设计的基础。通过该模型，可以有效简化系统控制策略设计；
步骤二：九开关型双馈风机系统的控制策略设计；
本实用新型提出的控制策略分为两部分：(a)双馈风机的有功和无功调节由机侧整流器实现，其目的是跟踪给定的有功和无功指令；同时，电流内环实现了对定子谐波电流的抑制。(b)直流母线电压的稳定和输出三相交流电能质量由网侧逆变器控制。
如图3左侧所示的双闭环控制回路，用于实现定子谐波电流抑制、有功功率和无功功率解耦调节。同样，图3右侧的双闭环控制结构实现了直流母线电压的稳定和三相交流的电能质量控制。
机侧控制由双闭环控制回路组成，外回路用于调节有功功率和无功功率，内回路采用PIR调节转子电流与电机侧的控制回路相同，网侧为双闭环控制回路。图3为直流电压控制内环和电网电流控制外环。
当定子电压，也就是电网电压与dq坐标系的d轴对齐时，网侧的有功输出和无功输出分别为
Figure BDA0002193649440000161
其中Us为电网电压，也是定子电压的d轴分量，当定子连接到电网时，转子电流ird，irq可由网侧有功功率和无功功率计算：
Figure BDA0002193649440000162
机侧等效变换器电流内环和功率外环控制框图如图3所示。
与机侧的控制回路相同，网侧为双闭环控制回路。图3含直流电压控制内环和电网电流控制外环；
步骤三：分别采集九开关型变换器的机侧和网侧的电流信号iA1,B1,C1和iA2,B2,C2，通过和双馈风机的固有参数的换算可以得到参考有功功率和参考无功功率，机侧将九开关变换器的实际有功功率与无功功率与参考信号进行比较，得到误差功率信号；网侧将九开关变换器的Udc与参考电压信号进行比较，得到误差电压信号。然后将所述机侧与网侧的误差信号分别经过PI控制器生成参考电流信号；
步骤四：采集九开关型变换器机侧和网侧的三相交流侧输出电流信号iA1,B1,C1和iA2,B2,C2。分别将电流信号与步骤二得到的参考电流信号进行相减比较，得到误差电流信号；将机侧和网侧所述的误差电流信号分别送入PIR控制器的输入端作为PIR控制器的偏差输入信号；
步骤五：分别从PIR控制器的输出端得到了αβ两相静止坐标系下的电压信号u* α1、u* β1、u* α2和u* β2，通过αβ反变换到三相静止a-b-c坐标系下，得到两组三相电压信号u* A1、u* B1、u* C1、u* A2、u* B2和u* C2，将这两组三相电压信号进行SPWM调制，即用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制九开关变换器电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，这样u* A1、u* B1、u* C1、u* A2、u* B2和u* C2这两组电压信号的频率和幅值的改变则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。经过SPWM调制之后的波形可以直接用来驱动九开关变换器IGBT的通断，从而使九开关变换器并网侧输出端产生预期的频率稳定的输出电压。
本实用新型提供了一种基于九开关变换器双馈风机系统的数学模型和控制策略。建立了九开关变换器的数学模型，提出了双馈风机系统参数与九开关带阻感和反电势负载参数间的映射关系。最后，采用了一种新型PIR电流控制器，有效抑制了定子电流和电网电压的谐波，并减少了系统超调。

Claims (3)

1.一种九开关型双馈风机系统，包括九开关变换器、双馈风机和控制电路，所述九开关变换器包括：直流侧电容、绝缘栅双极型晶体管IGBT驱动电路、控制电路、三个桥臂，所述桥臂分别串联三个IGBT；所述双馈风机包括：风轮、增速箱、发电机定子绕组和发电机转子绕组，其特征是：所述九开关变换器分别与双馈风机的网侧与机侧相接，所述双馈风机的定子直接与电网相连，转子通过九开关变换器与电网相连；所述九开关变换器驱动双馈风力发电机，所述九开关型变换器机侧和网侧电流iA1,B1,C1、iA2,B2,C2连接至控制电路的输入端；控制电路的输入连接至IGBT驱动电路，由IGBT驱动电路的输出信号连接至九开关变换器开关器件控制信号输入端。
2.根据权利要求1所述的一种九开关型双馈风机系统，其特征是：所述双馈风机的机侧设有整流器形成双闭环机侧控制回路，跟踪给定的有功功率和无功功率指令调节有功功率和无功功率，同时电流内环对定子谐波电流进行抑制；所述双馈风机的网侧设有逆变器形成双闭环控制回路控制直流母线电压的稳定和输出三相交流电的电能质量。
3.根据权利要求2所述的一种九开关型双馈风机系统，其特征是：所述机侧控制回路由外回路和内回路双闭环控制回路组成，所述外回路用于调节有功功率和无功功率，所述内回路采用PIR控制器调节转子电流；所述网侧为直流电压控制和电网电流控制两个双闭环控制回路，所述直流电压控制内环，所述电网电流控制外环。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN110417060A (zh) * 2019-09-06 2019-11-05 天津城建大学 九开关型双馈风机系统及控制方法

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