CN101316074A

CN101316074A - 风力发电***的背靠背三电平中点箝位变流器

Info

Publication number: CN101316074A
Application number: CNA2008101027538A
Authority: CN
Inventors: 李建林; 朱颖; 赵斌; 许洪华
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS; Beijing Corona Science and Technology Co Ltd
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS; Beijing Corona Science and Technology Co Ltd
Priority date: 2008-03-26
Filing date: 2008-03-26
Publication date: 2008-12-03
Anticipated expiration: 2028-03-26
Also published as: CN101316074B

Abstract

一种用于风力发电***的背靠背三电平中点箝位变流器，它包括电机侧整流器和网侧逆变器，其交流输入端与永磁同步发电机的定子侧输出端子相连，逆变器输出端接到电网。整流器的输出和逆变器的输入相连，两者的二极管箝位后的中点也相连。整流器和逆变器都需要用数字信号处理芯片DSP控制。本发明利用了二极管中点箝位的三电平整流器和逆变器，通过空间矢量控制方法，增加了风力发电***的容量，并明显地改善了输出到电网电压波形的形状，以更好地适应电网并网的标准。

Description

风力发电***的背靠背三电平中点箝位变流器

技术领域

本发明涉及风力发电***中的背靠背三电平中点箝位变流器。

背景技术

近年来，多电平变流器在高压、大功率领域受到了国内外学者的普遍关注。多电平变流器的思想最早于1981年由Nablae等人提出的，它的基本思路是由几个电平台阶合成阶梯波以逼近正弦输出电压。多电平变流器作为一种新型的高压大容量功率变流器，从电路拓扑结构入手，在得到高质量输出波形的同时，克服了两电平变流器的诸多缺点，无须输出变压器和动态均压电路，开关频率低，并有开关器件应力小，***效率高等一系列优点。

随着开关器件容量的上升，开关导通特性的改善，多电平变流器的优点越来越显著。其优点主要体现在减少输入输出谐波，减小了输入滤波器的体积与容量，降低电磁干扰(EMI)。相对两电平变流器，多电平变流器开关频率降低了25％，因此可以减少开关损耗。多电平变流器的主要缺点在于直流电压的平衡问题。针对该问题，有硬件和软件的解决方法。硬件法需要额外的开关管，增加***的成本并减少稳定性，软件法需要对调制信号进行控制增加了计算负担。对多电平的均压问题，各国学者已有比较成熟的解决方案。

风力机市场的趋势是额定容量、电压电流等级不断提高。而传统的变流器由于电压电流容量的限制不能直接应用于大容量风力发电***。比如美国专利7,239,535，是一个普通的两电平6个功率开关管的电压变流器，其控制方法也只是对其每相桥臂的两个开关管进行互补导通，即上下两个开关管轮流导通，输出的相电压只有高低两种电平。从其附图5可以看出，其输出的电流波形锯齿很多，质量较差。因此也限制了其电流电压容量。所以多电平变流器的诸多优点使其很适合应用于新型的风力机。随着电压等级的增加，多电平变流器可以直接接入分布式电网，省去沉重的升压变压器。

多电平变流器的思想提出至今，出现了许多电路拓扑，归纳起来主要有以下三种：二极管箝位型多电平变流器(diode-clamped multi-level converter)、级联H桥型多电平变流器(cascade Hbridge multi-level converter)和飞跨电容型多电平变流器(flying-capacitor multi-level converter)。在这三种拓扑结构中，二极管箝位三电平变流器由于其同时具有多重化和脉宽调制的特点，具有输出功率大，器件开关频率低，等效开关频率高；交流侧不需要变压器连接，动态响应好，传输带宽较宽等优点在中高压大功率场合应用最为广泛。

发明内容

本发明的目的是克服现有变流器容量低谐波含量高的缺点，提出一种新的变流器拓扑结构和控制方法。本发明能够大幅度地提高变流器的电压电流容量，并明显地改善输出波形的形状，以更好地适应电网并网的标准。

本发明采用功率二极管作为箝位器件形成“多电平”功能。相对于传统的两电平变流器，本发明的主要优点在于：单个器件承受的电压应力小，更容易实现高压大功率；在相同开关频率下，输出波形更接近正弦波，谐波含量更低；同时还大大减轻了电磁干扰(EMI)问题。

本发明背靠背三电平中点箝位变流器所在的风力发电***由风电机组、发电机、发电机侧变流器、直流侧电容、直流侧卸荷电路、电网侧变流器、电网侧滤波电感和电网构成。

由风电机组拖动风力发电机，把捕获的风能转化为电能，通过发电机侧变流器转化为直流电，直流侧电容作为能量缓冲环节，稳定直流侧电压，由电网侧变流器把直流电逆变为交流电，通过滤波电感并入电网。

本发明背靠背三电平中点箝位变流器包括风机侧的整流器和电网侧的逆变器，它们的拓扑结构的原理相同，整流器在风机侧负责将交流电转换为直流电，逆变器在电网侧负责将直流电转换为交流电，由于本发明背靠背三电平中点箝位变流器的拓扑结构允许能量双向流动，所以如果将整流器的输入和输出调换，就成了逆变器，反之亦然。本发明背靠背三电平中点箝位变流器在整流器和逆变器的直流母线连接处并入了一对串联的电容，提供中点电压和缓冲能量。

本发明采用数字信号处理芯片DSP作为控制器的核心，DSP能够实现对采样信号的实时处理，并根据控制需要发出相应的控制信号。由它实现本发明中对电机侧整流器和网侧逆变器的空间矢量调制。***电路包括采样电路和信号调理电路。采样电路通过电压、电流传感器采集三相电网电压、电流、以及每个变流器的交流电流、电容两端的直流电压等，送入信号调理电路进行信号调理，然后送入DSP的AD采样通道。DSP计算出每个开关所需的导通、关断时间后，由DSP的PWM口发出控制变流器每个开关所需要的开关信号，经过驱动电路放大、隔离后连接到每个功率器件的驱动门极上，从而控制电机侧整流器和网侧逆变器正常工作。

本发明工作过程如下：

在额定风速以下，桨距角基本不变以保持风能利用系数最大。风力发电***根据最大功率算法得到***输入到电网的最大功率，由此得到发电机的最佳转速，通过调节并网逆变器的有功电流使得***的输出功率最大，电机运行在最佳转速。

在额定风速之上，通过变桨来保持风能利用系数最大。电机和变流器都运行在额定条件下，***输出到电网的功率最大。

当风速超过切出风速时，***停机，输出到电网的功率为零。

背靠背变流器中的整流器可以调节发电机输出的无功功率，有效调节电机输出功率因数，当需要电机输出为单位功率因数时，令无功电流为零，这样可以使电机输出最大有功功率。同时，由于无功输出可调，使发电机转速范围更宽。电机侧整流器还可以稳定直流侧电压，给并网逆变器提供稳定的直流电源。网侧逆变器负责调解风力发电***输入到电网的有功功率和无功功率，当电网需要超前无功时，设定无功电流为负值；当电网需要滞后无功时，设定无功电流为正值；当需要输入到电网的有功功率最大，无功功率为零时，可以设定无功电流为零，网侧功率因数为1。以上为目前常用的直驱式风力发电***的工作状态。

本发明通过12个功率开关管的27种开关状态组合，每相桥臂输入端产生3种电平，多个二极管对相应开关元件进行箝位，以保证每次一个桥臂只有一个开关动作，并实现三电平输出，而每个开关器件只承受1/2的直流母线电压，既实现了交流侧功率因数可调，减小了波形畸变率，也可实现大功率的传输。

附图说明

图1直驱式风力发电***示意图；

图2背靠背三电平中点箝位变流器拓扑结构图；

图3逆变器一相原理图；

图4逆变器一相三电平生成原理图；

图5背靠背变流器控制框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，直驱式风力发电机组包括风电机组、发电机、风机侧整流器、直流侧电容、直流侧卸荷电路、电网侧逆变器、电网侧滤波电感和电网。本发明背靠背三电平中点箝位变流器包括风机侧整流器和电网侧的逆变器。风力发电机组的定子三相电线分别连接到开关管S2和S3之间、S6和S7之间、S10和S11之间。整流器的输出与逆变器的输入连接于点A和点B，如图2所示。和整流器的输入一样，逆变器的输出经过电感L后接到电网G。

图2为本发明背靠背三电平中点箝位变流器拓扑结构。

本发明背靠背三电平中点箝位变流器包括风机侧的整流器和电网侧的逆变器，它们的拓扑结构的原理相同，只不过在电网侧的逆变器是把风机侧的整流器的输入输出调换后工作，也即所谓的背靠背。如图2所示，风机侧的整流器和电网侧的逆变器由开关管和功率二极管组成。每相包含四个开关管，一共三相。每个开关管都反并联了一个功率二极管，以提供反向导通。其具体连接方式是每相四个开关管S1～S4、S5～S8、S9～S12串联。以开关管S1、S2、S3和S4串联的一相为例，开关管S1的阳极连接到直流母线A，开关管S1的阴极连接S2的阳极，开关管S2的阳极连接风力发电机一相交流电线的输入和开关管S3的阳极，开关管S3的阴极连接开关管S4的阳极，开关管S4的阴极连接直流母线B。在开关管S1和S2之间连接的是二极管D1的阴极，二极管D1的阳极连接到中点点位母线C和二极管D2的阴极，二极管D2的阳极连接到开关管S3和S4之间。第二相是开关管S5、S6、S7和S8串联，开关管S5的阳极连接到直流母线A，开关管S5的阴极连接S6的阳极，开关管S6的阳极连接风力发电机一相交流电线的输入和开关管S7的阳极，开关管S7的阴极连接开关管S8的阳极，开关管S8的阴极连接直流母线B；在开关管S5和S6之间连接的是二极管D3的阴极，二极管D3的阳极连接到中点点位母线C和二极管D4的阴极，二极管D4的阳极连接到开关管S7和S8之间；第三相是开关管S9、S10、S11和S12串联，开关管S9的阳极连接到直流母线A，开关管S9的阴极连接S10的阳极，开关管S10的阳极连接风力发电机一相交流电线的输入和开关管S11的阳极，开关管S11的阴极连接开关管S12的阳极，开关管S12的阴极连接直流母线B；在开关管S9和S10之间连接的是二极管D5的阴极，二极管D5的阳极连接到中点点位母线C和二极管D6的阴极，二极管D6的阳极连接到开关管S11和S12之间。

风力发电机的三相交流电输入到每相整流桥的中间。以一相为例，风力发电机的三相交流电输入到开关管S2和开关管S3之间。整流器的输出是的两条直流母线A和B，中间的是中点电位母线C。逆变器的输入是整流器输出的两条直流母线A和B，其拓扑结构和整流器相同，输出通过串联电感L接到电网G。

在两条直流母线A和B之间串联了两个电容C1和C2，而C1和C2之间连接的就是中点电位母线C。

本发明的风力发电***在运行时，依据外界风速的大小，主要有三种工作状态：

(1)当风速低于***工作的额定风速时，桨距角基本不变，以保持风能利用系数最大。***根据最大功率算法得到***输入到电网的最大功率，由此得到发电机的最佳转速，通过调节并网逆变器的有功电流使得***的输出功率最大，电机运行在最佳转速。一般无功功率给定为零，使得***工作在最大有功功率输出状态，提高***的效率。当电网需要无功支持的时候，可以根据需要向电网发送或者吸收电网的无功功率。有功功率和无功功率能够实现独立调节。

(2)当风速高于***的额定风速时，通过变桨来保持风能利用系数最大。电机和变流器都运行在额定条件下，***输出到电网的功率最大。

(3)当风速超过***的切出风速时，***停机，输出到电网的功率为零。

本发明的整流器的开关状态组合如下：

对一相的开关管的开关状态，如下表，“1”表示打开，“0”表示关闭：

可以看出，对应于3种相电压，4个开关管分别有3种开关状态，所以对于三相的情况，12个开关管就有3³＝27种开关状态。

网侧逆变器的三电平产生：

图3为一个电网侧逆变器其中一相的原理图，二极管D1和D2用于电压箝位，电容C1和C2为三电平变流器提供E/2和-E/2的直流电压。

结合图3和图4，可以看出，二极管箝位三电平的工作原理如下：

(1)开关管Q1、Q2导通，Q3、Q4关断时：如图4a所示，电流I_a为流出方向，则电容C1通过负载放电，电流流过开关管Q1、Q2，忽略管压降，该相输出端电压V_out＝E/2。如图4b所示，电流I_a为流入方向，电流流过与开关管Q1、Q2并联的续流二极管对电容C1充电，则该相输出端电压是V_out＝E/2。

(2)开关管Q2、Q3导通，Q1、Q4关断时：如图4c所示，电流I_a为流出方向，则电流流过箝位二极管D1、开关管Q2，此时该相输出端电压V_out＝0，并对电容C2进行充电。如图4d所示，电流I_a为流入方向，则电流流过主管Q3，再流过箝位二极管D2，则该相输出端电压是V_out＝0，并对电容C1进行充电。

(3)开关管Q3、Q4导通，Q1、Q2关断时：如图4e所示，电流I_a为流出方向，则电容C2通过负载放电，电流流过主管Q3、Q4，该相输出端电压V_out＝-E/2；如图4F所示，电流I_a为流入方向，电流流过与开关管Q3、Q4并联的二极管D1、D2对电容C2充电，则该相输出端电压是V_out＝-E/2。

图4a、c、e为变流器电流从直流电源E流出时的工作状态。当如图4a和图4c两种状态交替变化时，开关管Q2始终是处于开通状态，那么开关管Q1和开关管Q3、Q4的续流二极管D1、D2，以及负载电感就构成了典型的BUCK电路，该相输出的电压在E/2、0之间切换。当如图4(c)和图4(e)两种状态交替变化时，该桥臂仍然工作在BUCK电路状态，该相输出电压在0、-E/2之间切换。

图4b、d、f为变流器电流向直流电源E流入时的工作状态。当如图4b和图4d两种状态交替变化时，开关管Q3，开关管Q1、Q2的二极管D1、D2，以及负载电感就构成了典型的boost电路，该相输出的电压在E/2、0之间切换。当如图4d和图4f两种状态交替变化时，开关管Q3始终是处于开通状态，该桥臂仍然工作在boost电路状态，该相输出的电压在0、-E/2之间切换。

整个风力发电***的控制框图如图5所示：整流器采样电机输出的电流i_a，i_b，i_c，利用光电码盘或者无速度传感器得到电机的转子位置角θ_r，电流经过派克变换得到电流的dq分量i_d和i_q。u_dc和u_dc的给定u_dc ^*做差后进行PI调节，输出为i_q的给定i_q ^*，i_d给定为i_d ^*，由电机侧功率因数的要求给定，一般为零，使得电机输出有功功率最大。i_q和i_q ^*作差，i_d和i_d ^*作差后分别进行PI调节后加上以上两个差的补偿项ω(L_di_d+ψ_f)和-ωL_qi_q就可以得到整流器参考电压的dq分量u_d和u_q，再经过派克反变换得到三相电压的计算结果u_u，u_v，u_w。最后经过SVM算法得到控制信号，整流器在稳定直流侧电压u_dc的同时，实现电机输出无功电流i_d的控制。

逆变器采样电网侧电压u_sa，u_sb，u_sc和输出到电网的电流i_sa，i_sb，i_sc，经过功率计算单元得到实际输送到电网的有功功率P和无功功率Q。根据最大功率算法，利用有功功率P和电机转速ω得到电机最佳转速参考ω^*，ω^*和ω做差后经过一个PI环，得到变流器输入到电网的有功电流参考i_sq ^*，无功电流参考i_sd ^*一般给定为零，让变流器输入电网的有功功率最大，提高***的效率。有功电流参考量i_sq ^*和无功电流参考量i_sd ^*和实际的有功无功电流分别做差后，经过PI调节器再加上以上两个差补偿项ωL_sdi_d和-ωL_sqi_q得到逆变器的电压参考u_sd，u_sq，再经过派克反变换得到u_a，u_b，u_c。最后经过一个SVPWM控制的PWM发生器就能令逆变器工作在电网功率因数为1。由于有功功率等于电压、电流和功率因数三者的乘积，而功率因数总是小于等于1，所以，当电网功率因数为1时，输入到电网的有功功率最大。

本发明使用了箝位功率二极管，在结构上实现了三个电平的输入输出。在控制方法中加入了中点电位u_dc的控制。两者结合起来可以很好的避免现有的全功率变流器由于功率流动不平衡，导致背靠背结构中的中间电容电压的升高的问题。

Claims

1、一种风力发电***的背靠背三电平中点箝位变流器，包括一个电机侧整流器和一个网侧逆变器，其特征在于，电机侧整流器和网侧逆变器背靠背连接，即电机侧整流器的直流输出和网侧逆变器的直流输入连接；电机侧整流器和网侧逆变器均使用二极管实现中点电位的稳定；电机侧整流器和网侧逆变器的直流母线连接处并入了一对串联的电容C1、C2，提供中点电压和缓冲能量。

2、根据权利要求1所述的风力发电***的背靠背三电平中点箝位变流器，其特征在于所述的电机侧整流器中，每相四个开关管S1～S4、S5～S8、S9～S12串联；第一相是开关管S1、S2、S3和S4串联，开关管S1的阳极连接到直流母线A，开关管S1的阴极连接S2的阳极，开关管S2的阳极连接风力发电机一相交流电线的输入和开关管S3的阳极，开关管S3的阴极连接开关管S4的阳极，开关管S4的阴极连接直流母线B；在开关管S1和S2之间连接的是二极管D1的阴极，二极管D1的阳极连接到中点点位母线C和二极管D2的阴极，二极管D2的阳极连接到开关管S3和S4之间；第二相是开关管S5、S6、S7和S8串联，开关管S5的阳极连接到直流母线A，开关管S5的阴极连接S6的阳极，开关管S6的阳极连接风力发电机一相交流电线的输入和开关管S7的阳极，开关管S7的阴极连接开关管S8的阳极，开关管S8的阴极连接直流母线B；在开关管S5和S6之间连接的是二极管D3的阴极，二极管D3的阳极连接到中点点位母线C和二极管D4的阴极，二极管D4的阳极连接到开关管S7和S8之间；第三相是开关管S9、S10、S11和S12串联，开关管S9的阳极连接到直流母线A，开关管S9的阴极连接S10的阳极，开关管S10的阳极连接风力发电机一相交流电线的输入和开关管S11的阳极，开关管S11的阴极连接开关管S12的阳极，开关管S12的阴极连接直流母线B；在开关管S9和S10之间连接的是二极管D5的阴极，二极管D5的阳极连接到中点点位母线C和二极管D6的阴极，二极管D6的阳极连接到开关管S11和S12之间。

3、根据权利要求1所述的风力发电***的背靠背三电平中点箝位变流器，其特征在于所述的网侧逆变器中，使用了两个二极管对相应开关管进行箝位，以保证每次一个桥臂只有一个开关动作，并实现三电平输出，而每个开关器件只承受1/2的直流母线电压；通过使用空间矢量调制方法，输出的交流电为三个电平。假设其直流输入电压为E，则输出的交流电组成分为E/2、0、-E/2三个电平。