[发明专利]一种高压大功率风力发电系统及其控制方法

摘要

本发明公开了一种高压大功率风力发电系统及其控制方法，由多相永磁直驱风力发电机，3n个三相全控整流桥换和H桥级联多电平逆变器组成。多相大功率永磁直驱风力发电机共有9n相输出，n为正整数，每3相构成一套绕组，共构成3n套绕组；每套绕组经过一个三相全控整流桥换流后，连接至H桥级联多电平逆变器每个子模块的直流侧，H桥级联多电平逆变器交流输出端接入三相电网。三相全控整流桥采用最大功率跟踪控制，实现风力发电机的单位功率因数输出。H桥级联多电平逆变器实现高压接入，交流侧直接接入35kV交流电。本发明可以将低压大功率永磁直驱风力发电系统通过变流器直接接入高压输电系统，省略了升压变压器，降低了成本。

主权项

1.一种高压大功率风力发电系统的控制方法，其特征在于，所述高压大功率风力发电系统包括多相发电机、3n个三相全控整流桥、H桥级联多电平逆变器；所述多相发电机为多相永磁直驱风力发电机，其转子与装于风场的风力机同轴连接；多相发电机的定子有9n个绕组，n为正整数，每3个绕组构成一套三相交流绕组，共构成3n套三相交流绕组；每套绕组经过一个三相全控整流桥换流后，连接至H桥级联多电平逆变器每个子模块的直流侧，H桥级联多电平逆变器的交流输出端接入三相电网；所述多相发电机的定子的9n个绕组依次标号为：A1、B1、C1、A2、B2、C2、A3、B3、C3、…、A3i+1、B3i+1、C3i+1、A3i+2、B3i+2、C3i+2、A3i+3、B3i+3、C3i+3、…、A3n、B3n、C3n，下标i＝0、1、…、n‑1；相邻绕组输出的交流电相位相差360°/(9n)；每3个绕组A3i+1、B3i+1和C3i+1构成一套三相交流绕组，即A3i+1、B3i+1、C3i+1构成多相发电机定子的第3i+1套三相交流绕组，多相发电机定子共有3n套三相交流绕组；所述3n个三相全控整流桥分别命名为：Ru1、Rv1、Rw1、…、Ru(i+1)、Rv(i+1)、Rw(i+1)、…，Run、Rvn、Rwn；下标i＝0、1、…、n‑1；Ru(i+1)的3个交流输入端ACa、ACb、ACc分别与多相发电机的定子的第3i+1套三相交流绕组A3i+1、B3i+1、C3i+1相连；Rv(i+1)的3个交流输入端ACa、ACb、ACc分别与多相发电机的定子的第3i+2套三相交流绕组A3i+2、B3i+2、C3i+2相连；Rw(i+1)的3个交流输入端ACa、ACb、ACc分别与多相发电机的定子的第3i+2套三相交流绕组A3i+3、B3i+3、C3i+3相连；每个三相全控整流桥由a、b、c三相桥臂构成，每相桥臂由2个IGBT管T1x、T2x构成，下标x取a、b、c，分别表示a、b、c三相；T1a的发射极与T2a的集电极相连并构成a相桥臂的交流输入端ACa，T1b的发射极与T2b的集电极相连并构成b相桥臂的交流输入端ACb，T1c的发射极与T2c的集电极相连并构成c相桥臂的交流输入端ACc；T1a、T1b、T1c的集电极相连并构成该三相全控整流桥直流输出侧的正极，T2a、T2b、T2c的发射极相连并构成该三相全控整流桥直流输出侧的负极；所述H桥级联多电平逆变器由u、v、w三相桥臂构成；每相桥臂由1个电感Ls和n个子模块SMy1，SMy2，…，SMyj，…，SMyn依次串联而成，下标y取u、v、w，表示u、v、w三相，下标j＝1，2，…，n；每个子模块SMyj由4个IGBT管T1、T2、T3、T4和1个电容C构成；T1的发射极与T2的集电极相连并构成SMyj的正端，T3的发射极与T4的集电极相连并构成SMyj的负端；T1的集电极与T3的集电极相连并构成SMyj的直流母线正极，T2的发射极与T4的发射极相连并构成SMyj的直流母线负极；电容C的正极、负极分别与SMyj的直流母线正极、直流母线负极相连；每相桥臂由1个电感Ls和n个子模块SMy1，SMy2，…，SMyj，…，SMyn依次串联而成，即电感Ls的一端构成y相桥臂的输出端，另一端与SMy1的正端相连，处于中间的SMyk的正端与SMy(k‑1)的负端相连，SMyk的负端与SMy(k+1)的正端相连，k＝2，3，…，n‑1；SMun的负端与SMvn、SMwn的负端相连并构成中性点N，中性点N接地；三相桥臂的输出端分别与35kV高压电网的a、b、c三相相连；SMu(i+1)的直流母线正极、直流母线负极分别与三相全控整流桥Ru(i+1)直流输出侧的正极、负极相连；SMv(i+1)的直流母线正极、直流母线负极分别与三相全控整流桥Rv(i+1)直流输出侧的正极、负极相连；SMw(i+1)的直流母线正极、直流母线负极分别与三相全控整流桥Rw(i+1)直流输出侧的正极、负极相连；其中，n＝up(Ugrid/Usm)，函数up()表示向上取整，Ugrid是所述35kV高压电网相电压峰值，Usm取值为所述H桥级联多电平逆变器子模块中IGBT管额定电压的1/2；上述高压大功率风力发电系统的控制方法包括三相全控整流桥最大功率跟踪控制和H桥级联多电平逆变器并网控制两部分；所述的三相全控整流桥最大功率跟踪控制为：针对每一个三相全控整流桥，分别进行以下控制，得到其IGBT脉冲控制信号：(1)检测多相发电机转子的角速度ωr，将ωr与最佳角速度ωref进行比较，比较结果通过第一PI调节器进行调节，得到第一PI调节器的输出结果Iqref：Iqref＝(ωref‑ωr)×(Kp1+Ki1×(1/s))其中，1/s是积分因子，Kp1和Ki1分别为第一PI调节器的比例系数和积分系数；将Iqref除以3n，得到有功电流的参考值Iqref/3n；(2)检测与该三相全控整流桥相连的三相交流绕组的输出电流iA、iB、iC，通过abc/dq坐标变换得到有功电流分量iq与无功电流分量id；将iq和id分别与Iqref/3n和0进行比较，比较结果分别采用第二、第三PI调节器进行调节，得到PI调节的输出结果交轴电压分量Uq和直轴电压分量Ud：Uq＝(Iqref/3n‑iq)×(Kp2+Ki2×(1/s))Ud＝(0‑id)×(Kp3+Ki3×(1/s))其中，Kp2和Ki2分别为第二PI调节器的比例系数和积分系数；Kp3和Ki3分别为第三PI调节器的比例系数和积分系数；(3)将Uq和Ud进行dq/αβ坐标变换获得Uα和Uβ；(4)对Uα和Uβ进行SVPWM空间矢量调制，得到该三相全控整流桥的IGBT脉冲控制信号；所述H桥级联多电平逆变器并网控制为：针对H桥级联多电平逆变器的每一相桥臂，分别进行以下控制，得到其各子模块的IGBT脉冲控制信号：(1)检测该相桥臂子模块SMyk的电容电压Uc_yk，k＝1,2，…，n，对它们求和获得Usm_total；通过锁相环PLL获得与该相桥臂的输出端相连的35kV高压电网对应相电压的同步相位角θ；将Usm_total与n×Usm进行比较，通过第四PI调节器进行调节，将第四PI调节器的输出与sinθ相乘，得到该相桥臂输出电流的参考值Iyref；即：Iyref＝(n×Usm‑Usm_total)×(Kp4+Ki4×(1/s))×sinθ其中，Kp4和Ki4分别为第四PI调节器的比例系数和积分系数；(2)检测该相桥臂的输出电流iy；将iy与Iyref进行比较，其结果通过第五PI调节器进行调节；将第五PI调节器的输出作为H桥级联多电平逆变器该相桥臂的调制电压ury；即：ury＝(iy‑Iyref)×(Kp5+Ki5×(1/s))其中，Kp5和Ki5分别为第五PI调节器的比例系数和积分系数；(3)将该相桥臂子模块SMyk的电容电压Uc_yk与Usm进行比较，其结果通过第六PI调节器进行调节，并将第六PI调节器的输出与ury/n相乘，再将乘积与ury/n进行比较，得到H桥级联多电平逆变器该相桥臂第k个子模块SMyk的调制电压ur_smyk；即：ur_smyk＝(ury/n)‑(Usm‑Uc_yk)×(Kp6+Ki6×(1/s))×(ury/n)其中，Kp6和Ki6分别为第六PI调节器的比例系数和积分系数；(4)对ur_smyk进行SPWM调制，得到H桥级联多电平逆变器该相桥臂第k个子模块SMyk的IGBT脉冲控制信号。