一種高壓大功率風力發電系統及其控制方法與流程
2023-07-14 20:53:16 1
本發明屬於高壓大功率電力電子技術領域，特別涉及一種高壓大功率風力發電系統及其控制方法。
背景技術：
自第二次工業革命以來，電能在全世界得到了廣泛的應用，成為人們生產生活必須的二次能源，目前，電能的獲得主要來自一次能源的轉換，包括水能(水力發電)、熱能(火力發電)、原子能(核電)、風能(風力發電)及光能(太陽能發電)等，一次能源的釋放使原動機拖動發電機旋轉，從而發出交流電，電能經過長距離輸電線路輸送到用戶端。為減少輸電線路的損耗，提高輸電線路的傳輸效率，需要抬升線路的電壓等級，通常是發電機與輸電線路的首端之間加升壓變壓器，由於升壓變壓器的存在使得這種傳統的發電系統體積龐大，成本高昂，為此，本文提出了一種多相大功率風力發電系統。
技術實現要素：
本發明所解決的技術問題是，針對現有技術的不足，提供一種高壓大功率風力發電系統及其控制方法，不僅省去了發電機與高壓傳輸線之間的升壓變，節約了系統空間，減少了系統的製造成本；同時實現了電機發出低壓電到高壓大功率傳輸線的直接高壓接入。
為實現上述目的，本發明所採用的優化方案是：
一種高壓大功率風力發電系統，包括多相發電機、3n個三相全控整流橋、H橋級聯多電平逆變器；
所述多相發電機為多相永磁直驅風力發電機，其轉子與裝於風場的風力機同軸連接；多相發電機的定子有9n個繞組，n為正整數，每3個繞組構成一套三相交流繞組，共構成3n套三相交流繞組；每套繞組經過一個三相全控整流橋換流後，連接至H橋級聯多電平逆變器每個子模塊的直流側，H橋級聯多電平逆變器的交流輸出端接入三相電網。
所述多相發電機的定子的9n個繞組依次標號為：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，下標i＝0、1、…、n-1；相鄰繞組輸出的交流電相位相差360°/(9n)；每3個繞組A3i+1、B3i+1和C3i+1構成一套三相交流繞組，即A3i+1、B3i+1、C3i+1構成多相發電機定子的第3i+1套三相交流繞組，多相發電機定子共有3n套三相交流繞組；
所述3n個三相全控整流橋分別命名為：Ru1、Rv1、Rw1、…、Ru(i+1)、Rv(i+1)、Rw(i+1)、…，Run、Rvn、Rwn；下標i＝0、1、…、n-1；
Ru(i+1)的3個交流輸入端ACa、ACb、ACc分別與多相發電機的定子的第3i+1套三相交流繞組A3i+1、B3i+1、C3i+1相連；
Rv(i+1)的3個交流輸入端ACa、ACb、ACc分別與多相發電機的定子的第3i+2套三相交流繞組A3i+2、B3i+2、C3i+2相連；
Rw(i+1)的3個交流輸入端ACa、ACb、ACc分別與多相發電機的定子的第3i+2套三相交流繞組A3i+3、B3i+3、C3i+3相連；
每個三相全控整流橋由a、b、c三相橋臂構成，每相橋臂由2個IGBT管T1x、T2x構成，下標x取a、b、c，分別表示a、b、c三相；T1a的發射極與T2a的集電極相連並構成a相橋臂的交流輸入端ACa，T1b的發射極與T2b的集電極相連並構成b相橋臂的交流輸入端ACb，T1c的發射極與T2c的集電極相連並構成c相橋臂的交流輸入端ACc；T1a、T1b、T1c的集電極相連並構成該三相全控整流橋直流輸出側的正極，T2a、T2b、T2c的發射極相連並構成該三相全控整流橋直流輸出側的負極；
所述H橋級聯多電平逆變器由u、v、w三相橋臂構成；每相橋臂由1個電感Ls和n個子模塊SMy1，SMy2，…，SMyj，…，SMyn依次串聯而成，下標y取u、v、w，表示u、v、w三相，下標j＝1，2，…，n；
每個子模塊SMyj由4個IGBT管T1、T2、T3、T4和1個電容C構成；T1的發射極與T2的集電極相連並構成SMyj的正端，T3的發射極與T4的集電極相連並構成SMyj的負端；T1的集電極與T3的集電極相連並構成SMyj的直流母線正極，T2的發射極與T4的發射極相連並構成SMyj的直流母線負極；電容C的正極、負極分別與SMyj的直流母線正極、直流母線負極相連；
每相橋臂由1個電感Ls和n個子模塊SMy1，SMy2，…，SMyj，…，SMyn依次串聯而成，即電感Ls的一端構成y相橋臂的輸出端，另一端與SMy1的正端相連，處於中間的SMyk的正端與SMy(k-1)的負端相連，SMyk的負端與SMy(k+1)的正端相連，k＝2，3，…，n-1；
SMun的負端與SMvn、SMwn的負端相連並構成中性點N，中性點N接地；三相橋臂的輸出端分別與35kV高壓電網的a、b、c三相相連；
SMu(i+1)的直流母線正極、直流母線負極分別與三相全控整流橋Ru(i+1)直流輸出側的正極、負極相連；
SMv(i+1)的直流母線正極、直流母線負極分別與三相全控整流橋Rv(i+1)直流輸出側的正極、負極相連；
SMw(i+1)的直流母線正極、直流母線負極分別與三相全控整流橋Rw(i+1)直流輸出側的正極、負極相連；
其中，n＝up(Ugrid/Usm)，函數up表示向上取整，Ugrid是所述35kV高壓電網相電壓峰值，Usm取值為所述H橋級聯多電平逆變器子模塊中IGBT管額定電壓的1/2。
一種高壓大功率風力發電系統的控制方法，包括三相全控整流橋最大功率跟蹤控制和H橋級聯多電平逆變器併網控制兩部分；
所述的三相全控整流橋最大功率跟蹤控制為：針對每一個三相全控整流橋，分別進行以下控制，得到其IGBT脈衝控制信號：
(1)檢測多相發電機轉子的角速度ωr，將ωr與最佳角速度ωref進行比較，ωref由生產廠家提供，比較結果通過第一PI調節器進行調節，得到第一PI調節器的輸出結果Iqref：
Iqref＝(ωref-ωr)×(Kp1+Ki1×(1/s))
其中，1/s是積分因子，Kp1和Ki1分別為第一PI調節器的比例係數和積分係數；將Iqref除以3n，得到有功電流的參考值Iqref/3n；
(2)檢測與該三相全控整流橋相連的三相交流繞組的輸出電流iA、iB、iC，通過abc/dq坐標變換得到有功電流分量iq與無功電流分量id；
將iq和id分別與Iqref/3n和0進行比較，比較結果分別採用第二、第三PI調節器進行調節，得到PI調節的輸出結果交軸電壓分量Uq和直軸電壓分量Ud：
Uq＝(Iqref/3n-iq)×(Kp2+Ki2×(1/s))
Ud＝(0-id)×(Kp3+Ki3×(1/s))
其中，Kp2和Ki2分別為第二PI調節器的比例係數和積分係數；Kp3和Ki3分別為第三PI調節器的比例係數和積分係數；
(3)將Uq和Ud進行dq/αβ坐標變換獲得Uα和Uβ；
(4)對Uα和Uβ進行SVPWM空間矢量調製，得到該三相全控整流橋的IGBT脈衝控制信號；
所述H橋級聯多電平逆變器併網控制為：針對H橋級聯多電平逆變器的每一相橋臂，分別進行以下控制，得到其各子模塊的IGBT脈衝控制信號：
(1)檢測該相橋臂子模塊SMyk的電容電壓Uc_yk，k＝1,2，…，n，對它們求和獲得Usm_total；通過鎖相環PLL獲得與該相橋臂的輸出端相連的35kV高壓電網對應相電壓的同步相位角θ；將Usm_total與n×Usm進行比較，通過第四PI調節器進行調節，將第四PI調節器的輸出與sinθ相乘，得到該相橋臂輸出電流的參考值Iyref；即：
Iyref＝(n×Usm-Usm_total)×(Kp4+Ki4×(1/s))×sinθ
其中，Kp4和Ki4分別為第四PI調節器的比例係數和積分係數；
(2)檢測該相橋臂的輸出電流iy；將iy與Iyref進行比較，其結果通過第五PI調節器進行調節；將第五PI調節器的輸出作為H橋級聯多電平逆變器該相橋臂的調製電壓ury；即：
ury＝(iy-Iyref)×(Kp5+Ki5×(1/s))
其中，Kp5和Ki5分別為第五PI調節器的比例係數和積分係數；
(3)將該相橋臂子模塊SMyk的電容電壓Uc_yk與Usm進行比較，其結果通過第六PI調節器進行調節，並將第六PI調節器的輸出與ury/n相乘，再將乘積與ury/n進行比較，得到H橋級聯多電平逆變器該相橋臂第k個子模塊SMyk的調製電壓ur_smyk；即：
ur_smyk＝(ury/n)-(Usm-Uc_yk)×(Kp6+Ki6×(1/s))×(ury/n)
其中，Kp6和Ki6分別為第六PI調節器的比例係數和積分係數；
(4)對ur_smyk進行SPWM調製，得到H橋級聯多電平逆變器該相橋臂第k個子模塊SMyk的IGBT脈衝控制信號。
Kp1＝1，Ki1＝200；Kp2＝2，Ki2＝195；Kp3＝1，Ki3＝210；Kp4＝0.5，Ki4＝180；Kp5＝1.2，Ki5＝170；Kp6＝2.1，Ki6＝230。
本發明的原理為：
首先，由風力機捕獲風能，提供源動力，將同軸連接的多相大功率永磁同步發電機拖動發電，發電機產生9n相交流電，每三相構成一套繞組，共有3n組三相交流輸出，相鄰兩相交流電相位相差360°/(9n)，每組三相交流電輸出的有功功率相等,均為P/3n，P為通過風力機捕獲的有功功率；
然後，將發電機產生的每組三相交流電與採用全控型器件IGBT的三相全控整流橋的交流側輸入端相連，三相全控整流橋將發電機的3n組交流電變換為3n組穩定的直流輸出；
最後，將3n個三相全控整流橋的直流母線的正、負極分別與H橋級聯多電平逆變器的3n個子模塊的直流母線的正、負極相連，同時，將H橋級聯多電平逆變器三相交流輸出端併入35kV高壓電網，實現多相發電機低壓發電到高壓大功率傳輸線的直接高壓接入。
本發明的有益效果是：
1)多相大功率永磁直驅風力發電系統採用多相大功率永磁同步發電機作為激勵源，與傳統的永磁同步發電機相比，其在保證輸出功率不變的情況下通過一臺發電設備即可同時輸出多組三相交流電，降低了發電機輸出的各相交流電流，從而減小了電機的輸出線路的線徑，降低了發電機絕緣等級，降低製造成本。同時多組三相交流電的輸出，為H橋級聯多電平逆變器所需的多個獨立、有效直流電源的實現提供可行性，為該型逆變器實現換流提供了可靠的條件；
2)發電變流系統機側變流器採用三相全控整流橋，與傳統的橋式全控電路相比，其三相橋臂的六個開關器件全選用反並聯二極體的全控器件IGBT，既能用作整流，又能用作逆變，允許能量的雙向流動，可實現四象限運行。
3)發電變流系統網側變流器採用H橋級聯多電平逆變器，與傳統的二極體鉗位型多電平逆變器及飛跨電容型多電平逆變器比較，它無需大量鉗位二極體和飛跨電容，其模塊化的設計易於擴展，也支持冗餘操作，同時具備輸出電壓諧波含量少，直流側相互獨立，電壓均衡等優點。增加了逆變器的輸出電平數，提高了母線電壓的等級，可實現電機低壓發電到大功率傳輸線路的高壓接入；
4)多相大功率永磁直驅風力發電系統是將多相發電機產生的交流電經整流提供給H橋級聯多電平逆變器，逆變器交流輸出端直接併入高壓電網。隨著H橋級聯多電平逆變器子模塊數目的增加，電機產生的多組低電壓等級的交流電，經過整流與逆變的轉換，可以實現電能從低壓到高壓大功率的轉變，從而實現高壓接入，即直接併入35kV高壓電網，無需中間升壓變壓器，節省了系統空間，降低了製造成本，同時，因為發電機各三相繞組輸出電壓等級低，其絕緣要求低，故而也降低了電機的成本。
附圖說明
圖1多相大功率永磁同步發電機拓撲結構圖；
圖2三相全控整流橋拓撲結構圖；
圖 3H橋級聯多電平逆變器拓撲結構圖；
圖4高壓大功率風力發電系統拓撲結構圖；
圖5三相全控整流橋控制框圖；
圖6 H橋級聯多電平逆變器控制框圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明專利進一步說明。
圖1是多相大功率永磁同步發電機拓撲結構圖，多相發電機的轉子與風力機同軸連接，風力機將捕獲的風能轉化為機械能，拖動多相發電機發電；多相發電機的定子有9n相繞組，各相繞組依次標號為：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，i＝0，1，…，n-1；相鄰兩相繞組輸出的交流電相位相差360°/(9n)；每3相繞組A3i+1、B3i+1、C3i+1構成一套三相交流繞組，即A3i+1、B3i+1、C3i+1構成多相發電機定子的第3i+1套三相交流繞組，共有3n套三相交流繞組，每套三相交流繞組輸出的有功功率相等,均為P/3n，P為通過風力機捕獲的有功功率。
圖2是三相全控整流橋拓撲結構圖，三相全控整流橋由a、b、c三相橋臂構成；每相橋臂由2個反並聯二極體的IGBT管T1x、T2x構成，x取a、b、c，表示a、b、c相橋臂；以a相橋臂為例，IGBT管T1a的發射極與IGBT管T2a的集電極相連並構成a相橋臂的交流輸入端a，IGBT管T1a的集電極與三相全控整流橋的直流母線的正極相連，IGBT管T2a的發射極與三相全控整流橋的直流母線的負極相連，IGBT管T1a、T2a的門極均接收外部設備提供的脈衝控制信號；三相全控整流橋的b、c相橋臂結構類似；多相大功率永磁直驅風力發電系統總共有3n個三相全控整流橋Ru1，Rv1，Rw1，…，Ru(i+1)、Rv(i+1)、Rw(i+1)，…，Run，Rvn，Rwn；以三相全控整流橋Ru(i+1)為例，Ru(i+1)的3個交流輸入端a、b、c分別與多相發電機定子的第3i+1套三相交流繞組A3i+1、B3i+1、C3i+1相連；三相全控整流橋Rv(i+1)、Rw(i+1)的結構與Ru(i+1)的結構類似；Rv(i+1)的3個交流輸入端a、b、c分別與多相發電機定子的第3i+2套三相交流繞組A3i+2、B3i+2、C3i+2相連，Rw(i+1)的3個交流輸入端a、b、c分別與多相發電機定子的第3i+3套三相交流繞組A3i+3、B3i+3、C3i+3相連，三相全控整流橋將多相發電機的3n組交流電變換為3n組穩定的直流輸出。
圖3是H橋級聯多電平逆變器拓撲結構圖，H橋級聯多電平逆變器由u、v、w三相橋臂構成；每相橋臂由n個子模塊SMy1，SMy2，…，SMyj，…，SMyn和1個電感Ls構成，y取u、v、w，表示u、v、w相橋臂，j＝1，2，…，n；每個子模塊SMyj由4個反並聯二極體的IGBT管T1～T4和1個電容C構成；SMyj的IGBT管T1的發射極與IGBT管T2的集電極相連並構成SMyj的正端，IGBT管T1的集電極與SMyj的直流母線的正極相連，IGBT管T2的發射極與SMyj的直流母線的負極相連，SMyj的IGBT管T3的發射極與IGBT管T4的集電極相連並構成SMyj的負端，IGBT管T3的集電極與SMyj的直流母線的正極相連，IGBT管T4的發射極與SMyj的直流母線的負極相連，IGBT管T1～T4的門極均接收外部設備提供的脈衝控制信號，電容C的正、負極分別與SMyj的直流母線的正、負極並聯；每相橋臂由電感Ls和n個子模塊SMy1，SMy2，…，SMyn依次串聯而成；以u相橋臂為例，電感Ls的一端與SMu1的正端相連，另一端構成H橋級聯多電平逆變器的u相交流輸出端，處於中間的SMuk的正端與SMu(k-1)的負端相連，SMuk的負端與SMu(k+1)的正端相連，k＝2，3，…，n-1，SMun的負端與中性點N相連；SMu(i+1)的直流母線的正、負極分別與三相全控整流橋Ru(i+1)的直流母線的正、負極相連；v、w相橋臂的結構類似；H橋級聯多電平逆變器的中性點N接地，它的u、v、w三相交流輸出端分別與35kV高壓電網的a、b、c相相連。
n＝up(Ugrid/Usm)，其中，函數up表示向上取整，Ugrid是所述35kV高壓電網相電壓峰值，Usm取值為所述H橋級聯多電平逆變器子模塊中IGBT管額定電壓的1/2。
圖4是高壓大功率風力發電系統拓撲結構圖，其由上述多相發電機、三相全控整流橋及H橋級聯多電平逆變器組成，多相發電機由風力機拖動發電，其輸出3n組三相交流電流經三相全控整流橋、H橋級聯多電平逆變器最終送至電網，實現了低壓發電到高壓大功率送電的變換。
圖5是三相全控整流橋控制框圖，以三相全控整流橋Ru(i+1)為例，i＝0，1，2，…，n-1，控制步驟如下：
(1)檢測多相發電機轉子的角速度ωr，將ωr與最佳角速度ωref進行比較，ωref由生產廠家提供，通過第1個PI調節器進行調節，PI調節的輸出為Iqref：
Iqref＝(ωref-ωr)*(Kp1+Ki1*(1/s))
其中1/s是積分因子，Kp1＝1，Ki1＝200；
將Iqref除以3n得到多相發電機每套三相交流繞組有功電流的參考值Iqref/3n；
(2)檢測多相發電機第3i+1套三相輸出電流iA(3i+1)、iB(3i+1)、iC(3i+1)，通過abc/dq坐標變換得到有功電流分量iq_u(i+1)與無功電流分量id_u(i+1)，將iq_u(i+1)、id_u(i+1)分別與Iqref/3n、0進行比較，採用第2、3個PI調節器進行調節，PI調節的輸出分別為交軸電壓分量Uq_u(i+1)與直軸電壓分量Ud_u(i+1)：
Uq_u(i+1)＝(Iqref/3n-iq_u(i+1))*(Kp2+Ki2*(1/s))
Ud_u(i+1)＝(0-id_u(i+1))*(Kp3+Ki3*(1/s))
其中Kp2＝2，Ki2＝195，Kp3＝1，Ki3＝210；
(3)將Uq_u(i+1)、Ud_u(i+1)進行dq/αβ坐標變換獲得Uα_u(i+1)、Uβ_u(i+1)，對Uα_u(i+1)、Uβ_u(i+1)進行SVPWM空間矢量調製，得到三相全控整流橋Rui+1的IGBT脈衝控制信號；
(4)其它三相全控整流橋的控制方法類似；
圖6是H橋級聯多電平逆變器控制框圖，對於逆變器的控制主要是穩定各子模塊電容上的電壓，同時使逆變器單位功率因數輸出，以逆變器u相為例，控制步驟如下：
(1)檢測H橋級聯多電平逆變器u相橋臂子模塊SMuk的電容電壓Uc_uk，k＝1,2，…，n，對它們求和獲得Usm_total；通過鎖相環PLL獲得35kV高壓電網a相電壓ua的同步相位角θ；將Usm_total與n倍的子模塊額定電壓n*Usm進行比較，通過第4個PI調節器進行調節，PI調節器的輸出與sinθ相乘，得到H橋級聯多電平逆變器u相橋臂輸出電流的參考值Iuref：
Iuref＝(n*Usm-Usm_total)*(Kp4+Ki4*(1/s))*sinθ
其中Kp4＝0.5，Ki4＝180；
(2)檢測H橋級聯多電平逆變器u相橋臂的輸出電流iu，將iu與Iuref進行比較，通過第5個PI調節器進行調節，PI調節器的輸出為逆變器u相橋臂的調製電壓uru；
uru＝(iu-Iuref)*(Kp5+Ki5*(1/s))
其中Kp5＝1.2，Ki5＝170；
(3)將H橋級聯多電平逆變器u相橋臂子模塊SMuk的電容電壓Uc_uk與子模塊額定電壓Usm進行比較，通過第6個PI調節器進行調節，PI調節器的輸出與uru/n相乘，再將乘積與uru/n進行比較，得到逆變器u相橋臂第k個子模塊SMuk的調製電壓ur_smuk；
ur_smuk＝(uru/n)-(Usm-Uc_uk)*(Kp6+Ki6*(1/s))*(uru/n)
其中Kp6＝2.1，Ki6＝230；
(4)對ur_smuk進行SPWM調製，得到H橋級聯多電平逆變器u相橋臂第k個子模塊SMuk的IGBT脈衝控制信號；
(5)H橋級聯多電平逆變器v、w相橋臂子模塊的控制方法類似。