功率轉換器控制方法

2023-04-24 03:25:21

專利名稱：功率轉換器控制方法
技術領域：
本發明涉及一種用於操作與發電機、並且更具體地與風カ渦輪機發電機相關聯的功率轉換器的方法。
背景技術：
目前，風能已被鞏固為傳統能源的最穩固的替選。該鞏固是由於所使用的技術的改進，這使得可以享有所安裝的風カ發電機和風カ發電廠的數量大大增長。然而，這種增長可能會由於電網中由於高度的風能滲透導致的融合問題而減慢。風カ發電機的主要問題之一與其對於電網中產生的事件(諸如電壓暫降)的性能相關。為此，當今的大部分國家已被迫使規定風力發電機針對所述電壓暫降的性能，並且這些規定正變得越來越嚴格。所安裝的大量風カ渦輪機使用雙饋感應發電機(DFIG)和全功率轉換器(FC)。這兩種技術均基於通過背對背或AC/DC/AC (交流-直流-交流)轉換器連接到電網的電カ發電機。在DFIG系統的情況下，轉換器連接在發電機轉子與電カ電網之間，而在FC系統的情況下，其連接在發電機定子與電カ電網之間。所述AC/DC/AC轉換器基本上包括發電機側轉換器和電網側轉換器，二者藉助於 DC總線來連接。所述發電機的主要缺點之一在於其在面對電網事件尤其是電壓暫降時的性能。在 DFIG系統的情況下，所述電壓暫降引起所述發電機側轉換器中出現升高的暫態電流，這會引起對所述轉換器的嚴重損壞，甚至引起所述轉換器的毀壞。在FC系統的情況下，電壓暫降的出現限制了對電網的電カ釋放。用於解決該缺點的最常用傳統解決方案之ー是在DC總線中包括斷路器 (chopper)。例如，在變速裝置中，以受控方式操作負載以釋放來自功率轉換器的連續總線的電カ已進行了幾十年。圖1表示這種解決方案，其形成了現有技術的一部分(Source: Power electronics :converters, applications, and design, Nea Mohan, iid. John Wiley & Sons, 1989，421 頁，圖 14-20 (a))。在JP7194196中公開了斷路器的操作方法的ー個示例。所述斷路器包括多個根據 DC總線的電壓電平而被激活和去激活(deactivate)的阻性分支。在美國專利US7015595中找到了操作斷路器的其它示例，該專利公開了ー種斷路器方法和作業系統。類似地，專利申請US2009079193A1公開了用於具有兩個分支的斷路器的控制方法。與斷路器相關聯的大部分控制實施滯環控制。滯環控制是根據功率轉換器的DC 總線的兩個預置電壓電平而激活或去激活斷路器的簡單控制。在轉換器用在針對電網暫態需要快速響應的、到電網的連接應用中的情況下，這種控制不允許足夠迅速的動態特性，從而使得總線電壓會脫離正常操作條件的範圍。現有技術所提出的另ー解決方案是藉助於PWM調製(脈寬調製)來控制斷路器。這種調製將總線的電壓電平維持在期望的電平，但是與本發明提出解決方案相比，需要更複雜且昂貴的硬體控制。

發明內容
本發明提出了一種通過提供電カ發電系統來解決上述缺點的控制方法，其針對電網中產生的事件(諸如電壓暫降或過電壓)，優化電力發電機優選地為風カ渦輪機發電機的操作和控制。本發明的方法旨在控制位於功率轉換器的DC總線中的斷路器。因此，其不僅控制 DC總線電壓(如在現有技術的滯環控制中一祥)，並且還控制從發電機或從電網進入DC總線的電流。以此方式，其使得系統具有更強的可觀測性，這使得可以預測在電網中或發電機中產生暫態的情況下的、DC總線的突然電壓變化。因此，減小了斷路器控制的響應時間，這允許總是將DC總線的電壓維持在正常操作範圍之內，從而防止系統的停エ或斷開。例如，當在DFIG型系統中在電網中發生電壓暫降吋，在發電機轉子中產生電流暫態，這進而產生了總線過電壓。觀察從發電機進入DC總線的電壓的事實實現了對DC總線電壓將經歷的變化的預測，以使得不需要等到DC總線電壓超過特定閾值才激活斷路器。類似地，如果進入DC總線的電流減小，則控制方法允許不需要等到DC總線電壓下降到特定閾值以下才去激活斷路器。利用這種方法，實現了與其它系統類似的性能，其它系統的特徵在於更複雜的硬體並使用基於PWM調製技術的控制方法。斷路器系統控制方法包括以下步驟-檢測DC總線電壓超過在正常條件下建立的最大操作限制，-使能斷路器激活允許，-根據DC總線電壓電平和從發電機或從電網進入DC總線的電流的水平而激活斷路器的不同操作狀態，-檢測DC總線電壓電平在正常操作範圍之內-使能斷路器去激活允許-根據DC總線電壓電平和從發電機或從電網進入DC總線的電流的水平而去激活斷路器的不同操作狀態。從發電機或從電網進入DC總線的電流從以下值之ー產生-在發電機中測得的電流-在電網側轉換器中測得的電流-在發電機側轉換器中測得的電流，以及-在DC總線中測得的電流。正常條件被理解為如下條件其中DC總線電壓取在由一般功率轉換器控制器建立的操作範圍內的值。在本發明的優選實施例中，斷路器包括多個分支。基於所測得的電流的水平，確定至少ー個斷路器分支的去激活是否會引起對DC總線的正確操作的危險過電壓。根據本發明的示例，基於所測得的電流的水平，確定斷路器分支之一的連接是否可以使得DC總線電壓減小到維持控制所需的最小閾值(最小操作電壓)以下。該最小操作電壓必須使得其工作在安全限制之內，因此必須考慮電網電壓和發電機施加的電壓兩者。 無論該電壓是雙饋拓撲中的轉子的電壓還是全功率轉換器拓撲中的定子的電壓，其又由變速裝置來施加。在優選實施例中，根據DC總線電壓電平和/或進入DC總線的電流的水平來確定斷路器的激活。根據另ー優選實施例，通過功率轉換器控制器的獨立或相關控制器來控制斷路器系統。


為了補充所進行的描述並且為了幫助更好地理解本發明的特性，根據本發明的實際實施例的優選示例，附上ー組圖作為所述描述的組成部分，其中以說明性而非限制性的附圖標記來表示以下圖1示出了斷路器的現有技術的一般表示。圖2示出了具有多個分支的斷路器的現有技術的一般系統。圖3示出了根據本發明的優選實施例的控制圖。圖4示出了應用於「η」個分支的斷路器的本發明的優選實施例的控制方法。
具體實施例方式以下，在記住上述附圖的情況下，描述本發明的優選實施例。圖1表示形成現有技術的一部分的功率轉換器100的斷路器101。另ー方面，在圖2中可以觀察到由多個分支(1...Π)組成的斷路器系統201。分支 (1. . . η)中的每ー個又包括與至少ー個阻性元件203串聯的至少ー個開關元件202。所述圖2示出了開關元件202是具有反並聯ニ極管的IGBT電晶體。類似地，阻性元件203可以是電阻器或者具有並聯ニ極管的電阻器。圖3示出了根據本發明的優選實施例的斷路器201的一般控制圖，其包括從讀取 DC總線電壓(Vbus) 301開始的以下步驟-如果DC總線電壓(Vbus)301超過在正常條件下建立的最大操作限制(Vbus> Vb_J，則其藉助於滯環塊302而使能斷路器激活允許(Ch0pper_enable =接通)303，-根據DC總線電壓電平(Vbus)301和從發電機(IgeneratJ或從電網(IgHd)進入DC總線的電流(Iiabus)，激活斷路器201的不同操作狀態304 (cl. . . cm)。操作狀態304 (cl. . . cm) 被理解為可以通過激活或去激活(pl...pn)斷路器201的不同分支(1...Π)而實現的不同等效電阻水平(ReqyoReqmK例如，當分支數量是4 (n = 4)吋，可以實現16個不同的等效電阻值(m = 16)，即，16個操作狀態304，-取決於所獲得的操作狀態304，確定斷路器201的分支(1.. . η)的所需激活或去激活(ρ1· · · ρη)，-如果DC總線電壓電平(Vbus)301在最小總線電壓電平以下(Vbus Vbusmax)，則藉助於滯環塊302使能斷路器的激活允許(Ch0pper_enable =接通)303。取決於所測得的進入DC總線的電流的水平(Iin. bus)，區分兩種不同的控制序列-如果進入DC總線的電流(Iin.bus)超過一定百分比的額定電流，則根據操作狀態表304，基於所達到的DC總線電壓電平(Vbus) 301確定要連接的等效電阻值(Req1. .. Reqm)。-如果進入DC總線的電流(Iin.bus)在一定百分比的額定電流以下，則根據操作狀態表304，基於所達到的總線電壓電平(Vbus) 301確定要連接的等效電阻值(Req1. . . Reqffl)， 但是狀態限制於最小狀態(Mir^tate)401，(在示例中，限制於狀態5)。以此方式，低於最小電阻值(在示例中為1Ω)的電阻器將不被連接，這將引起過度的電流消耗和DC總線電壓(Vbus) 301下降到正常操作範圍以下。一旦確定了需要連接的等效電阻值，則根據表305確定斷路器201的不同分支 (l...n)的激活或去激活(pl...pn)。在連接了斷路器201的情況下，當DC總線電壓(Vbus) 301減小時，根據表305中的特定狀態，去激活相應斷路器201的分支(1. . . η)。取決於所測得的進入DC總線的電流的水平(Iin.bus)，區分兩種不同的控制序列-如果進入DC總線的電流(Iin.bus)超過一定百分比的額定電流，則迫使從等效電阻狀態進入到下一依次更大的狀態402。該漸進電阻增加防止電流的突然崩潰引起可能損壞系統的過電壓。這種斷開允許將不被使能，從而在非連續狀態(Rrantral)之間改變。-如果進入DC總線的電流(Iin.bus)在一定百分比的額定電流以下，或者DC總線電壓電平(Vbus) 301足夠低403，則斷路器201的順序斷開過程可以使得DC總線電壓(Vbus) 301 減小到操作範圍內允許的最小電平以下。在該情況下，將允許從ー個等效電阻到另ー非連續電阻的跳躍。該斷開允許將被使能，從而在非連續狀態(R。。ntMl)之間改變。一旦DC總線電壓電平(Vbus)301在最小總線電壓電平以下(Vbus < Vbusmin)，並且斷路器201的所有分支(1. . . η)都已被去激活，則藉助於滯環塊302來使能斷路器201的去激活允許(chopper_enable =關斷)303。在以下表1中，取決於等效電阻值而示出不同的操作狀態304。表 權利要求
1.一種與發電機相關聯的功率轉換器控制方法，所述轉換器的特徵在於DC總線中的斷路器001)，其特徵在幹，所述方法包括以下步驟-檢測DC總線電壓(Vbus) (301)超過確定所述斷路器O01)的激活的閾值，-使能斷路器O01)激活允許，-根據DC總線電壓電平(Vbus) (301)和從所述發電機或從電網進入所述DC總線的電流的水平(Iin.bus)而激活所述斷路器O01)的不同操作狀態(304)，-檢測DC總線電壓電平(Vbus) (301)低於確定所述斷路器O01)的去激活的閾值，-使能斷路器O01)去激活允許-根據DC總線電壓電平(Vbus) (301)和從所述發電機或從所述電網進入所述DC總線的電流的水平(Iiabus)而去激活所述斷路器O01)的所述不同操作狀態(304)。
2.根據權利要求1所述的控制方法，其特徵在於，進入所述DC總線的電流(Iiabus)從選自以下的值獲得-在所述發電機中測得的電流-在電網側轉換器中測得的電流-在發電機側轉換器中測得的電流，以及-在所述DC總線中測得的電流。
3.根據權利要求1所示的控制方法，其特徵在幹，激活和去激活包括多個分支(1.. . η) 的斷路器001)。
4.根據權利要求3所述的控制方法，其特徵在幹，根據所述斷路器Ο01)的所述分支 (1. · · η)的激活或去激活(pi. · · pn)來實現不同的等效電阻水平(Req1. · · Reqffl)。
5.根據權利要求1所示的控制方法，其特徵在幹，根據進入所述DC總線的電流的水平 (Iin.bus)進行所述斷路器O01)的激活確定。
6.根據權利要求4所示的控制方法，其特徵在幹，如果進入所述DC總線的電流(Iin.bus) 超過一定百分比的額定電流，則基於所達到的DC總線電壓水平(Vbus) 301確定要連接的等效電阻值(Req1. · · Reqm)。
7.根據權利要求4所述的控制方法，其特徵在幹，如果進入所述DC總線的電流(Iin.bus) 在一定百分比的額定電流以下，則基於所達到的總線電壓電平(Vbus) (301)確定要連接的等效電阻值(Req1. . . Reqm)，並且建立最小電阻值。
8.根據權利要求4所述的控制方法，其特徵在幹，如果進入所述DC總線的電流(Iin.bus) 超過一定百分比的額定電流，則迫使從等效電阻狀態進入下一依次更大的狀態。
9.根據權利要求4所述的控制方法，其特徵在幹，如果進入所述DC總線的電流(Iin.bus) 在一定百分比的額定電流以下，或者DC總線電壓電平(Vbus) (301)足夠低，則允許從ー個等效電阻(Req1. · · Reqffl)到另ー非連續電阻的跳躍。
全文摘要
本發明公開了一種功率轉換器控制方法，其針對電力電網中產生的諸如電壓暫降或過電壓的事件而優化電力發電機的操作和控制，該方法包括以下步驟檢測DC總線電壓電平(Vbus)(301)超過在正常條件下建立的最大操作限制；使能斷路器(201)的激活允許；根據DC總線電壓電平(Vbus)(301)和從發電機進入DC總線的電流(Iin.bus)而激活斷路器(201)的不同操作狀態(304)；檢測DC總線電壓電平(Vbus)(301)在正常操作範圍內；使能斷路器(201)的去激活允許；根據DC總線電壓電平(Vbus)(301)和從發電機進入DC總線的電流(Iin.bus)而去激活斷路器(201)的不同操作狀態(304)。
文檔編號H02J1/14GK102545202SQ20111036911
公開日2012年7月4日 申請日期2011年11月11日 優先權日2010年11月11日
發明者埃內科·奧萊亞奧雷吉, 大衛·舒萊洛佩斯, 約蘇·埃洛裡亞加拉諾斯, 艾恩華·卡爾卡馬約爾 申請人:英捷能源有限公司