基於直驅模塊化多電平變換器的風力發電併網控制系統的製作方法

2023-05-27 00:53:51 1

專利名稱：基於直驅模塊化多電平變換器的風力發電併網控制系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及電力技術領域，尤其涉及一種無需加裝濾波設備、對電網衝擊小且便於拓展的基於直驅模塊化多電平變換器的風力發電併網控制系統。
背景技術：
隨著全球經濟的發展，新能源的開發和利用受到越來越廣泛的重視。風能，作為一種清潔綠色的可再生能源，其市場也迅速發展起來。因此，風力發電併網控制系統具有很高的實用意義。現在廣泛應用於風力發電併網系統的接入技術主要有恆速恆頻機組接入和變速恆頻機組接入。風力發電機組的出口頻率一般在12 18HZ之間，隨著風力發電機組容量的上升，低速發電機無法滿足併網控制的要求，進而需用增速齒輪箱將發電機組的頻率升高至工頻附近。這不僅增加了設計的難度，也給安裝和維護帶來極大的不便，同時機組的效率也不理想。
此外，考慮到我國風電場資源分布的特殊性，即我們風能資源主要集中於新疆、河兩走廊、內蒙和沿海地區，而電力消耗主要集中在我國東部，中部和南部地區，大容量長距離的輸電線路要求也隨之升高。並且，風力發電機組在併網時對電網造成的衝擊也越來越大。其中，將風機輸出電壓變換為工頻接入併網的變換器是風力發電併網控制系統的關鍵設備。目前，變換器主要採用交-直-交的拓撲結構，該種結構複雜，有直流環節，且效率較低。所以，解決上述問題以保證風力發電併網經濟、可靠地運行是當務之急。中國專利申請號為200810220070. 2的發明專利公開了一種基於矩陣式變換器的無刷雙饋風力發電機控制系統，該系統採用3X3雙向開關矩陣式變換器，一側連接無刷雙饋發電機組的控制繞組，另一側接入電網。根據無刷雙饋發電機的轉子轉速，進行交-交變頻，實現功率繞組的輸出電能頻率恆定，即變速恆頻。但由於採用矩陣式變換器，其輸出諧波較大，需在電網側加裝濾波設備。並且，由於矩陣式變換器的特殊拓撲結構，它的輸出電壓電平少，輸出電流不連續，會對電網造成一定的衝擊。另外，該系統僅涉及單一風力發電機的併網控制，而就目前發展形勢來看，大規模的風力發電機組是趨勢所至，若採用該系統應用於大規模的風力發電機組則需要與風力發電機數量相同的矩陣式變換器，這勢必會造成經濟、佔地、維護等眾多問題，因此，該系統不能滿足大規模風力發電機組的發展需求。

發明內容
本發明的目的在於提供一種基於直驅模塊化多電平變換器的風力發電併網控制系統，以解決現有風力發電併網控制系統存在的安裝維護不便以及輸出諧波大，需加裝濾波設備；輸出電流不連續，衝擊電網且不能滿足大規模風力發電機組發展需求的技術問題。為達到上述目的，本發明提供一種基於直驅模塊化多電平變換器的風力發電併網控制系統，分別與電網和風力發電機組連接，包括直驅模塊化多電平變換器、A/D採樣模塊和主控制模塊，其中，直驅模塊化多電平變換器一側與電網相連，另一側與風力發電機組經升壓變壓器後的低頻輸電線路相連，用以進行變速恆頻控制及功率控制，實現安全可靠經濟的併網，其進一步包括9Xn級聯單元模塊矩陣；A/D採樣模塊與直驅模塊化多電平變換器連接，用以採集各單元模塊的電器參數；主控制模塊分別與直驅模塊化多電平變換器和A/D採樣模塊連接，用以根據A/D採樣模塊採集的電氣參數，給出每個單元模塊的開關動作信號。依照本發明較佳實施例所述的基於直驅模塊化多電平變換器的風力發電併網控制系統，其9Xn級聯單元模塊矩陣包括9個橋臂，每個橋臂由一個緩衝電抗器及N個單元模塊級聯而成，且級聯橋臂為3X3陣列，陣列的一側的三相輸入端與電網相連，另一側的三相輸出端與風力發電機組經低頻升壓變壓器後的低頻輸電線路相連。依照本發明較佳實施例所述的基於直驅模塊化多電平變換器的風力發電併網控 制系統，上述的單元模塊進一步包括H橋單元、子A/D採樣模塊和子控制模塊，其中，H橋單元為由四個IGBT開關與電解電容搭建而成的單相逆變器；子A/D採樣模塊與H橋單元連接，用以採集電容電壓；子控制模塊分別與H橋單元和子A/D採樣模塊連接，用以與主控制模塊進行通訊，傳輸電壓信息，接收控制信號，驅動4個IGBT開關。依照本發明較佳實施例所述的基於直驅模塊化多電平變換器的風力發電併網控制系統，其主控制模塊採用階梯波調製及排序選擇的電容電壓平衡方法輸出波形調製。依照本發明較佳實施例所述的基於直驅模塊化多電平變換器的風力發電併網控制系統，其主控制模塊將級聯單元模塊矩陣等效為電流源矩陣，進而進行電流閉環控制。相對於現有技術，本發明具有以下優點I、該系統不需要將風力發電機組的頻率升至工頻附近，可省去機組杆塔上方的增速齒輪箱，不僅降低成本，還能提高系統運行的可靠性。2、該系統採用低頻輸電較工頻輸電可達到更長的距離，且損耗低。3、該系統可實時調節直驅模塊化多電平變換器的低頻側頻率，以提高風力發電機組的整體運行效率。4、該系統可根據系統潮流情況控制低頻側電壓，調節低頻側無功潮流，滿足系統電能質量和無功配置的要求。5、該系統採用模塊化設計，便於根據不同的系統容量進行拓展，能夠滿足大規模風力發電機組的發展需求。同時，冗餘設計使得維護更加便利；6、相較於傳統的兩電平與三點平輸出，該系統米用多電平輸出，其諧波含量大大減少，且輸出電流連續，故在併網側無須加裝額外的濾波設備，同時對電網衝擊較小。


圖I為本發明基於直驅模塊化多電平變換器的風力發電併網控制系統的整體結構示意圖；圖2為本發明實施例的直驅模塊化多電平變換器的單元模塊的結構示意圖；圖3為本發明實施例的直驅模塊化多電平變換器的控制原理圖；圖4為本發明實施例的直驅模塊化多電平變換器的等效電路圖。
具體實施例方式下面將結合附圖詳細講解本發明專利提供的基於直驅模塊化多電平變換器的風力發電併網控制系統結構和原理。請參閱圖1，一種基於直驅模塊化多電平變換器的風力發電併網控制系統，包括直驅模塊化多電平變換器10、A/D採樣模塊20和主控制模塊30。直驅模塊化多電平變換器10—側與電網40相連，另一側與風力發電機組50經升壓變壓器後的低頻輸電線路相連，用以進行變速恆頻控制及功率控制，實現安全可靠經濟的併網，其包括9Xn級聯單元模塊矩陣，且9Xn級聯單元模塊矩陣包括9個橋臂，每個橋臂由一個緩衝電抗器及N個單元模塊級聯而成，如圖所示，級聯橋臂為3X 3陣列，陣列的一側的三相輸入端與電網40相連，另一側的三相輸出端與風力發電機組50經低頻升壓變壓器後的低頻輸電線路相連。A/D採樣模塊20與直驅模塊化多電平變換器10連接，用以採集各單元模塊的電器參數；主控制模塊30分別與直驅模塊化多電平變換器10和A/D採樣模塊20連接，用以根據A/D採樣模塊20 採集的電氣參數，給出每個單元模塊的開關動作信號。請再參閱圖2，單元模塊包括H橋單60、子控制模塊70和子A/D採樣模塊80。H橋單元60包括4個IGBT開關和I個電解電容，如圖所示連接，4個IGBT開關和I個電解電容搭建成一單向逆變器。子A/D採樣模塊70與H橋單元60連接，用以採集電容電壓。子控制模塊80分別與H橋單元60和子A/D採樣模塊70連接，用以與主控制模塊30進行通訊，傳輸電壓信息，接收控制信號，驅動4個IGBT開關。本發明的主控制模塊採用階梯波調製及排序選擇的電容電壓平衡方法輸出波形調製，並將級聯單元模塊矩陣等效為電流源矩陣，以進行電流閉環控制。請參閱圖3，控制算法部分以TI公司C2000系列的TMS320F2812高速數位訊號處理晶片為核心，其功能為根據A/D採樣模塊部分檢測的各電器參數計算直驅模塊化多電平變換器的各路調製信號，進行併網及功率控制。外部時鐘為30MHZ的晶振，給DSP晶片提供時鐘信號。由於DSP晶片PWM埠較少，遠不能滿足驅動所有級聯模塊中的開關的要求，且I/
O口有限，無法連接所有單元模塊，故須額外晶片進行脈衝分配及信號採集。選取Xilinx公司Spartan-3AN系列的XC3S400AN晶片來完成輔助功能。利用9塊XC3S400AN晶片分別對應直驅模塊化多電平變換器的九個橋臂。其功能是DSP的調製信號，進行階梯波調製，並根據該橋臂各電容電壓值進行電壓平衡控制；同時與該橋臂內的所有子控制模塊通訊，接受採樣信息，傳輸控制信號。本發明將級聯單元模塊矩陣等效為電流源矩陣，進而進行電流閉環控制。請參考圖4，將直驅模塊化多電平變換器的各橋臂等效成電流源。電網側三相電流分別為Ial，Ibl,Icl，風力發電機組側三相電流分別為Ia2，Ib2, Ic3。若三相完全平衡，則每個等效電流源的指令電流信號如下
(Jol _ (^al ~ hi) (Jai - h)Is = — · (Ihl - Ia2) (^*i _ hi) (,μ—人.2)(I)
_(,cl " Ial ) (,Cl " hi ) (,Cl 一 )_考慮到電容電壓的平衡，則電網與風力發電機組的有功功率平衡
權利要求
1.一種基於直驅模塊化多電平變換器的風力發電併網控制系統，分別與電網和風力發電機組連接，其特徵在於，包括直驅模塊化多電平變換器、A/D採樣模塊和主控制模塊，其中， 所述直驅模塊化多電平變換器一側與電網相連，另一側與風力發電機組經升壓變壓器後的低頻輸電線路相連，用以進行變速恆頻控制及功率控制，實現安全可靠經濟的併網，其進一步包括9Xn級聯單元模塊矩陣； 所述A/D採樣模塊與所述直驅模塊化多電平變換器連接，用以採集所述各單元模塊的電氣參數； 所述主控制模塊分別與所述直驅模塊化多電平變換器和A/D採樣模塊連接，用以根據所述A/D採樣模塊採集的電氣參數，給出每個所述單元模塊的開關動作信號。
2.如權利要求I所述的基於直驅模塊化多電平變換器的風力發電併網控制系統，其特徵在於9Xn級聯單元模塊矩陣包括9個橋臂，每個所述橋臂由一個緩衝電抗器及N個單元模塊級聯而成，且所述級聯橋臂為3X3陣列，所述陣列的一側的三相輸入端與電網相連，另一側的三相輸出端與風力發電機組經低頻升壓變壓器後的低頻輸電線路相連。
3.如權利要求2所述的基於直驅模塊化多電平變換器的風力發電併網控制系統，其特徵在於所述單元模塊進一步包括H橋單元、子A/D採樣模塊和子控制模塊，其中， 所述H橋單元為由四個IGBT開關與電解電容搭建而成的單相逆變器； 所述子A/D採樣模塊與所述H橋單元連接，用以採集電容電壓； 所述子控制模塊分別與所述H橋單元和子A/D採樣模塊連接，用以與所述主控制模塊進行通訊，傳輸電壓信息，接收控制信號，驅動所述4個IGBT開關。
4.如權利要求I所述基於直驅模塊化多電平變換器的風力發電併網控制系統，其特徵在於所述主控制模塊採用階梯波調製及排序選擇的電容電壓平衡方法輸出波形調製。
5.如權利要求4所述基於直驅模塊化多電平變換器的風力發電併網控制系統，其特徵在於所述主控制模塊將所述級聯單元模塊矩陣等效為電流源矩陣，進而進行電流閉環控制。
全文摘要
一種基於直驅模塊化多電平變換器的風力發電併網控制系統，包括直驅模塊化多電平變換器、A/D採樣模塊和主控制模塊，其中，直驅模塊化多電平變換器一側與電網相連，另一側與風力發電機組經升壓變壓器後的低頻輸電線路相連，用以進行變速恆頻控制及功率控制，其進一步包括9×n級聯單元模塊矩陣；A/D採樣模塊與直驅模塊化多電平變換器連接，用以採集各單元模塊的電氣參數；主控制模塊分別與直驅模塊化多電平變換器和A/D採樣模塊連接，用以根據A/D採樣模塊採集的電氣參數給出每個單元模塊的開關動作信號。本發明具有安裝維護方便、無需濾波設備、對電網衝擊小且便於拓展，能夠滿足大規模風力發電機組發展需求的優點。
文檔編號H02J3/38GK102832635SQ20111039360
公開日2012年12月19日 申請日期2011年12月1日 優先權日2011年12月1日
發明者姜建國, 高淳, 徐亞軍, 趙劍飛, 曹凱, 楊興武, 羅*, 楊興華 申請人:上海交通大學