永磁直驱型风力发电机机侧变流器的拓扑结构和控制方法与流程

本发明涉及一种变流器，尤其是一种永磁直驱型风力发电机机侧变流器的拓扑结构和控制方法，属于风力发电技术领域。

背景技术

传统的永磁直驱型风力发电机机侧变流器一般采用不可控整流器+boost组合或电压源变流器vsc等拓扑结构。不可控整流器会造成大量谐波，定子电流中的谐波使得发电机转矩波形中含有纹波，而转矩纹波也可能会使风电机组产生额外的机械振动和扭振。对于电压源变流器vsc，虽是可控整流，但它的du/dt引起的高尖峰电压脉冲将对发电机的定子绕组绝缘造成极大的威胁，这就使得电机要完全按照高压发电机设计，从而增加了绕组的绝缘厚度和电机成本，且使电机的散热条件变坏。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于：针对上述现有技术存在的不足，提供一种谐波含量小、耐压等级高的一种永磁直驱型风力发电机机侧变流器的拓扑结构和控制方法。

为了达到以上目的，本发明永磁直驱型风力发电机机侧变流器的拓扑结构包括维也纳整流器和dc/dc升压变流器；所述维也纳整流器的一端与所述永磁直驱型风力发电机的定子相连，另一端与所述dc/dc升压变流器的一端相连；所述dc/dc升压变流器的另一端与直流母线相连。

所述维也纳整流器包括三个滤波电感、六个整流二极管、三个双向开关单元、两个输出电容；所述三个滤波电感的一端分别与永磁直驱型风力发电机的定子三相绕组相连；所述双向开关单元由两个开关管组成，由一路驱动信号控制；所述两个输出电容为串联连接，其中，与所述维也纳整流器的直流输出端正极相连的称为上电容，与所述维也纳整流器的直流输出端负极相连的称为下电容。

所述dc/dc升压变流器包括电感l、开关管vt、快速恢复二极管vd、电容c，用于将所述维也纳整流器的直流输出电压vdc升至所述直流母线所需水平，尤其在低风速时；同时实现永磁直驱型风力发电机最大功率点跟踪控制。

本发明一种永磁直驱型风电机组机侧变流器的控制方法，包括以下步骤：

步骤1，所述维也纳整流器采用零序分量注入法实现谐波最小化整流，具体步骤为：

11)所述永磁直驱型风力发电机的定子输出的频率和幅值均可变化的三相交流电经所述维也纳整流器的三个滤波电感后，将其电压分别记为ua、ub、uc，其电流分别记为ia、ib、ic；将ua、ub、uc经abc/dq坐标变换得到ud和uq；将ia、ib、ic经abc/dq坐标变换得到id和iq；

12)将id的参考值id_ref与当前实际值id之差经pi控制器，其输出作为ud的参考值ud_ref；

13)将所述维也纳整流器的直流输出电压参考值vdc_ref与其当前实际测量值vdc之差经pi控制器，其输出为iq的参考值iq_ref；将此参考值iq_ref与当前实际值iq之差经pi控制器，其输出作为uq的参考值uq_ref；

14)将步骤12)和13)得到的参考值ud_ref和uq_ref，经abc/dq逆变换得到电压ua、ub、uc的参考值ua_ref、ub_ref、uc_ref，求出ua_ref、ub_ref、uc_ref中的最大值且记为umax，求出ua_ref、ub_ref、uc_ref中的最小值且记为umin；

15)按式(1)计算零序分量u0：

u0＝-(umax+umin)/2(1)

16)令△v＝v1-v2，其中，v1为所述维也纳整流器的上电容的两端电压，v2为所述维也纳整流器的下电容的两端电压；将△v的参考值记为△vref；

17)将△vref/vdc_ref与其当前实际值△v/vdc之差经pi控制器，其输出记为不平衡因子k；将此不平衡因子k与步骤5)得到的u0相加，得到需要注入的零序分量u0_inj；

18)将步骤17)得到的需要注入的零序分量u0_inj分别与步骤14)得到的ua_ref、ub_ref、uc_ref相加，得到修正后的电压参考值ua_refm、ub_refm、uc_refm；

19)将修正后的电压参考值ua_refm、ub_refm、uc_refm通过载波脉宽调制(cb-pwm)得到所述维也纳整流器的三个双向开关单元的驱动信号，驱动三个双向开关单元工作。

步骤2，所述dc/dc升压变流器采用如下控制方法，实现所述永磁直驱型风力发电机的最大功率点跟踪控制：

21)测量风速vw；

22)根据所述永磁直驱型风力发电机的风速-有功功率曲线，得到当前风速vw下的输出功率参考值pref；

23)将此参考值pref除以当前所述维也纳整流器的直流输出电流idc得到所述维也纳整流器的直流输出端电压参考值vdc_ref；

24)将此参考值vdc_ref与其当前实际测量值vdc之差经pi控制器，其输出为所述直流母线的电流参考值idcbus_ref；

25)将此参考值idcbus_ref与其当前实际测量值idcbus之差经pi控制器，其输出与锯齿波比较，即得到所述dc/dc升压变流器中开关管的驱动信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)维也纳整流器具有无须考虑死区、谐波含量小、功率密度大等优点，克服了传统电压源变流器由du/dt而引起高尖峰电压脉冲这样的固有缺陷，从而降低了发电机的定子绕组绝缘要求，使发电机制造工艺简化、成本降低；同时使得风力发电机定子电流谐波小，避免风电机组产生额外的机械振动和扭振现象。

2)由于维也纳整流器中的开关器件所承受的电压仅为传统电压源变流器vsc的一半，提高了工作可靠性，使得本发明所述变流器尤其适合高电压、大功率场合；同时变流器中的开关器件成本大大降低，因此，即使增加了dc/dc升压变流器，总体成本不会增加。

附图说明

图1为本发明所述永磁直驱型风力发电机机侧变流器的拓扑结构示意图。

图2为采用本发明机侧变流器的永磁直驱型风力发电系统结构示例。

图3为采用本发明机侧变流器构成的柔性直流输电系统结构示例。

图4为本发明所述维也纳整流器的控制框图。

图5为本发明所述dc/dc升压变流器的控制框图。

其中，1-维也纳整流器；2-dc/dc升压变流器；3-永磁直驱型风力发电机；4-直流母线；5-网侧变流器；6-送端站变流器；7-直流电缆；8-受端站变流器

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明一种永磁直驱型风力发电机机侧变流器的拓扑结构，包括维也纳整流器1和dc/dc升压变流器2；维也纳整流器1的一端与永磁直驱型风力发电机3的定子相连，另一端与dc/dc升压变流器2相连，dc/dc升压变流器2的另一端与直流母线4相连。

如图1所示，维也纳整流器11包括三个滤波电感la、lb、lc，六个整流二极管vd1～vd6，三个双向开关单元sa、sb、sc，两个输出电容c1、c2，c1与c2串联，两者连接点为o，c1称为上电容，c2称为下电容；三个滤波电感la、lb、lc的一端分别与永磁直驱型风力发电机3的定子三相绕组相连，另一端分别标为a、b、c点，分别与三个双向开关单元sa、sb、sc的一端相连，且与整流二极管vd1和vd2、vd3和vd4、vd5和vd6的连接点分别相连；三个双向开关单元sa、sb、sc的另一端短接并与o点相连；每个双向开关单元由两个开关管组成，两者反向连接，由一路驱动信号控制。

dc/dc升压变流器2包括电感l、开关管vt、快速恢复二极管vd、电容c，它用于将维也纳整流器1的直流输出电压升至直流母线4工作所需水平，尤其是低风速时；同时实现最大功率点跟踪控制。作为例子，如图2所示，直流母线4可后接网侧变流器5，网侧变流器5实现并网控制，这样机侧变流器(由维也纳整流器1和dc/dc升压变流器2组成)和网侧变流器5就构成了永磁直驱型风电机组变流器。作为另一例子，如图3所示，直流母线4也可后接送端站变流器6(是一种dc/dc变流器)进行进一步升压，通过直流电缆7与受端站变流器8相连，构成柔性直流输电系统。

本发明一种永磁直驱型风力发电机机侧变流器的控制方法，包括以下步骤：

步骤1，如图1、图4所示，维也纳整流器1采用零序分量注入法实现谐波最小化整流，具体步骤为：

11)永磁直驱型风力发电机3的定子发出的频率和幅值均可变化的三相交流电经维也纳整流器1的三个滤波电感la、lb、lc后，将a、b、c点的电压分别电压记为ua、ub、uc，其电流记为ia、ib、ic，将ua、ub、uc经abc/dq坐标变换得到ud和uq；将ia、ib、ic经abc/dq坐标变换得到id和iq，其中id与无功功率有关，iq与有功功率有关，因此，id的参考值id_ref可设置为0，以实现单位功率因数运行，而iq的参考值iq_ref取自于维也纳整流器1的直流输出端电压pi控制器(图4)；

12)将id的参考值id_ref(可令id_ref＝0)与当前实际值id之差经pi控制器，其输出作为ud的参考值ud_ref；

13)将维也纳整流器1的直流输出端电压参考值vdc_ref与其当前实际测量值vdc之差经pi控制器，其输出为iq的参考值iq_ref；将此参考值iq_ref与当前实际值iq之差经pi控制器，其输出作为uq的参考值uq_ref；

14)将步骤12)和13)得到的参考值ud_ref和uq_ref，经abc/dq反变换得到电压ua、ub、uc的参考值ua_ref、ub_ref、uc_ref，并将ua_ref、ub_ref、uc_ref中的最大值记为umax，将ua_ref、ub_ref、uc_ref中的最小值记为umin，即：

umax＝max(ua_ref,ub_ref,uc_ref)，

umin＝min(ua_ref,ub_ref,uc_ref)；

15)按式(1)计算零序分量u0：

u0＝-(umax+umin)/2(1)

16)令△v＝v1-v2，其中，v1为维也纳整流器1的上电容c1两端电压，v2为维也纳整流器1的下电容c2的两端电压；△v的参考值记为△vref；

17)将△vref/vdc_ref与其当前实际值△v/vdc之差经pi控制器，其输出记为不平衡因子k，它反映上电容c1和下电容c2的电压平衡情况；将此不平衡因子k与步骤15)得到的u0相加，得到需要注入的零序分量u0_inj，即：

u0_inj＝u0+k＝(umax+umin)/2+k

18)将步骤17)得到的需要注入的零序分量u0_inj分别与步骤14)得到的ua_ref、ub_ref、uc_ref相加，得到修正后的电压参考值ua_refm、ub_refm、uc_refm，即：

ua_refm＝ua_ref+u0_inj

ub_refm＝ub_ref+u0_inj

uc_refm＝uc_ref+u0_inj

19)将修正后的电压参考值ua_refm、ub_refm、uc_refm通过载波脉宽调制(cb-pwm)得到维也纳整流器1的三个双向开关单元sa、sb、sc的驱动信号，驱动三个双向开关单元sa、sb、sc工作。

步骤2，如图1、图5所示，dc/dc升压变流器2采用如下控制方法，实现永磁直驱型风力发电机3的最大功率点跟踪控制：

21)测量风速vw和当前维也纳整流器1的直流输出电流idc、直流输出端电压vdc、直流母线4的电流idcbus；

22)根据永磁直驱型风力发电机3的风速-有功功率曲线，得到当前风速vw下的输出功率参考值pref；

23)将此参考值pref除以当前维也纳整流器1的直流输出电流idc得到维也纳整流器1的直流输出端电压参考值vdc_ref；

24)将此参考值vdc_ref与其当前实际测量值vdc之差经pi控制器，其输出为直流母线4的直流电流参考值idcbus_ref；

25)将此参考值idcbus_ref与当前直流母线4的电流实际测量值idcbus之差经pi控制器，其输出与锯齿波比较，即得到dc/dc升压变流器2的开关管vt的驱动信号。