[发明专利]降低三电平VIENNA整流器系统共模电压的预测控制系统及方法

说明书

本发明公开了一种降低三电平VIENNA整流器系统共模电压的预测控制系统及方法，用于解决风力发电系统中三电平VIENNA整流器系统高共模电压、交流侧电流过零点畸变、直流侧中点电压不平衡的问题。该算法将系统的共模电压限制在一个很低的范围内；解决了电流过零点畸变和直流侧中点电压不平衡控制耦合问题；通过将空间电压矢量分类，大大减小了计算量。该算法不需要电流内环控制器和PWM调制模块，避免了复杂控制器的设计和复杂参数的选择。具有简单、直观、有效的特点，使该算法有很高的使用价值。

技术领域

本发明涉及一种降低三电平VIENNA整流器系统共模电压的预测控制系统及方法。

背景技术

传统非可再生能源日益减少，能源危机形势严峻；同时传统能源造成越来越多的环境污染问题，越来越受到了全世界人民的广泛关注。而可再生能源如光伏发电、风力发电、生物质发电等由于其清洁可再生得到了广泛应用。其中，风力发电因其储量丰富、分布广泛等优势使其具有巨大的发展潜力。根据IEA模型预测，到2020年，全球风力发电将达到1.569TWh，到2050年，将达到7.541TWh。作为风力发电机与电网或者负载的接口电路，AC/DC变换器为保持系统安全、稳定、可靠运行的重要部分。

在高压大功率场合，二极管箝位三电平整流器由于其耐压等级高、输出电压电平数多、交流电流谐波少、开关器件的电压应力低等优势得到了广泛应用。但是与两电平AC/DC变换器相比，这种拓扑开关器件多，控制及调制复杂。结合两电平变换器与二极管箝位三电平变换器的优点，德国学者Johann W Kolar发明了三电平VIENNA整流器系统。该拓扑功率密度高，具有两电平拓扑的开关器件少、控制及调制简单和三电平拓扑的开关器件电压应力低、输出电压与电流波形质量优的优势，在风力发电场合得到了广泛应用。

但是由于VIENNA变换器拓扑本身结构的特点，使其存在过零点畸变、直流侧中点点位不平衡本身固有问题。更重要的是，VIENNA整流器的高共模电压不仅会引起整流器的开关器件电压应力增大、电流谐波增大、共模电流增大还会引起风力发电机的轴电压增大、轴电流增大、绕组绝缘能力降低。这些问题影响风力发电系统的安全、稳定、高效、可靠运行，大大增加系统损耗。

目前，有许多学者对VIENNA整流器的过零点畸变和直流侧中点平衡问题进行了大量研究。针对过零点畸变问题：(1)通过注入零序分量法消除某些小矢量因与电流矢量极性不同引起的交流侧电流过零点畸变问题；(2)通过注入无功的方法，保证桥臂输出电压也交流电流的极性相同来解决交流侧电流过零点畸变的问题，但是系统的功率因数会降低，降低VIENNA整流器的能量转换效率。针对直流侧中点电压不平衡的问题，通常采用零序分量注入法调节正负小矢量作用时间实现直流侧中点电压的平衡控制。通过零序分量注入法解决交流侧电流过零点畸变问题时会影响直流侧中点平衡，电流过零点畸变和直流侧中点平衡的控制是互相耦合，零序分量注入法不能避免这个问题。同时以上所提的算法不容易理解、计算量大、控制复杂。更重要的是目前针对风力发电系统中VIENNA整流器高共模电压的问题，并没有很好的解决方案。

综上，针对风力发电系统中三电平VIENNA整流器系统存在的高共模电压的、交流侧电流过零点畸变、直流侧中点电压不平衡问题，研究一种简单有效的控制算法具有重大意义。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种降低三电平VIENNA整流器系统共模电压的预测控制系统及方法，本发明能够同时降低系统共模电压、解决交流侧电流过零点畸变、直流侧中点电压不平衡的问题以及交流侧电流过零点畸变和直流侧中点电压不平衡的控制耦合问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种降低三电平VIENNA整流器系统共模电压的预测控制系统，应用于基于三电平VIENNA整流器系统为AC/DC接口变换器的风力发电系统，包括依次相连的永磁同步风力发电机、三电平VIENNA整流器系统、并网逆变器和公用电网，其中：