CN107508311B - 并联型风电变流器的提升运行效率的方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种并联型风电变流器的提升运行效率的方法级***，包括：根据并联型风电变流器中变换器各工作点的效率值，利用数值拟合方法，得到并联型风电变流器的效率曲线与效率函数；通过优化目标函数离线计算并联型风电变流器各个工作点下的最优效率及最优功率分配比；将离线计算得到的最优功率分配比制成查找表，设定并联型风电变流器各个工作点下的功率分配比。通过优化各并联变换器间的功率分配，实现并联型变流器的整体效率提升。该方法仅需对并联型变流器的控制策略进行修改，无需增加其他设备，并且动态响应快，控制灵活度高。

Description

并联型风电变流器的提升运行效率的方法及***

技术领域

本发明涉及电学技术领域，具体地，涉及并联型风电变流器的提升运行效率的方法及***。

背景技术

目前，可再生能源发展迅速，尤其是风电和光伏。随着风电技术的日益成熟，风电在世界范围内大规模发展。随着陆上风电资源的不断开发，风电开始从陆上向海上发展，海上风电机组大容量化是发展趋势。高可靠性是对海上风电变流器最基本的要求，多变换器并联运行的方式可以大幅提高风电变流器的可靠性，所以海上风电变流器一般采用多变换器并联的方式实现。

传统控制方式下，并联变换器***多采用功率均分模式运行，这种模式适用于负载功率稳定的应用场合。对于风电变流器来讲，风能的随机、波动特性使得变换器上的负载功率波动很大，其平均负载功率低于额定功率的50％。变流器的运行效率取决于其负载功率，不同工作点下，其效率差异较大，尤其是低载工作点，其效率比额定效率低很多。功率均分控制不适合并联型风电变流器***，需要提出新的运行控制策略，提升其整体运行效率。

目前，国内外针对提升变流器效率的研究集中在单个变换器效率的提升上，主要有采用新型功率器件、优化变流器拓扑、优化调制方式和控制算法等。针对波动功率下并联型变流器***运行效率的提升方法尚未见报导。例如公开号为CN105870957A的发明专利公开了一种提高背靠背变流器效率的动态直流母线电压控制方法，该发明通过动态调节直流母线电压参考值，使变流器自适应的工作在最小直流母线电压上，从而减小电力电子器件电应力并提高变流器效率。该方法只适用于单个变流器的效率提升，不适用与并联***效率的提升，且动态调节母线给定值，会造成直流电容上电压波动较大，增加电容应力，会降低电容、***的可靠性。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种并联型风电变流器的提升运行效率的方法。

根据本发明提供的并联型风电变流器的自适应优化组合提升运行效率的方法，包括：

数值拟合步骤：根据并联型风电变流器中变换器各工作点的效率值，利用数值拟合方法，得到并联型风电变流器的效率曲线与效率函数；

优化目标函数步骤：通过优化目标函数离线计算并联型风电变流器各个工作点下的最优效率及最优功率分配比；

查找表制作步骤：将离线计算得到的最优功率分配比制成查找表，设定并联型风电变流器各个工作点下的功率分配比。

优选的，所述优化目标函数步骤以1‰的功率分辨率通过优化目标函数离线计算并联型风电变流器各个工作点下的最优效率及最优功率分配比。

优选的，还包括：

自适应优化组合控制步骤：通过查找表得到任意工况下各个变换器的功率指令，实现自适应优化组合控制。

优选的，优化目标函数为：

g＝max{η_T(P_IN,1,P_IN,2,…P_IN,i…P_IN,n)}；

η_T(P_IN,1,P_IN,2,…P_IN,i…P_IN,n)为输入功率为P_IN时并联***的总效率，P_IN,i为变换器i的输入功率，i＝1，2...n。

优选的，优化目标函数的约束条件为：

P_R为单个变换器的额定功率。

根据本发明提供的一种并联型风电变流器的提升运行效率的***，包括：

数值拟合模块：根据并联型风电变流器中变换器各工作点的效率值，利用数值拟合方法，得到并联型风电变流器的效率曲线与效率函数；

优化目标函数模块：通过优化目标函数离线计算并联型风电变流器各个工作点下的最优效率及最优功率分配比；

查找表制作模块：将离线计算得到的最优功率分配比制成查找表，设定并联型风电变流器各个工作点下的功率分配比。

优选的，所述优化目标函数步骤以1‰的功率分辨率通过优化目标函数离线计算并联型风电变流器各个工作点下的最优效率及最优功率分配比。

优选的，还包括：

自适应优化组合控制步骤：通过查找表得到任意工况下各个变换器的功率指令，实现自适应优化组合控制。

优选的，优化目标函数为：

g＝max{η_T(P_IN,1,P_IN,2,…P_IN,i…P_IN,n)}；

η_T(P_IN,1,P_IN,2,…P_IN,i…P_IN,n)为输入功率为P_IN时并联***的总效率，P_IN,i为变换器i的输入功率，i＝1，2...n。

优选的，优化目标函数的约束条件为：

P_R为单个变换器的额定功率。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、通过变流器本身的控制技术实现各变换器的优化组合控制，不需要增加任何辅助设备；

2、能够实现各并联变换器的载荷自适应优化；

3、响应速度快。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为并联变流器***的结构示意图；

图2为并联变流器的功率变换示意图；

图3为并联型风电变流器的提升运行效率的方法的流程图；

图4为单个变流器的效率曲线图；

图5为优化目标函数的算法流程图；

图6为两个变换器并联***的优化效率曲线图；

图7为两个变换器并联***优化组合的功率分配图；

图8为功率均分、自适应优化组合控制下并联***的静态效率曲线图；

图9为功率均分、自适应优化组合控制下两个变换器的静态功率分配图；

图10为风功率曲线图；

图11为功率均分、自适应优化组合控制下并联***的动态效率曲线图；

图12为功率均分、自适应优化组合控制下各个并联变换器的动态功率分配图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明是针对并联型风电变流器提出一种自适应优化组合控制方法，通过优化各并联变换器间的功率分配，实现并联型变流器的整体效率提升。该方法仅需对并联型变流器的控制策略进行修改，无需增加其他设备，并且动态响应快，控制灵活度高。

并联型变流器是指几个独立的三相电压源变换器(VSC)共用交流母线组成的***，如图1所示，每个变换器可独立地进行有功、无功电流解耦控制。依据风功率的波动状况，自动组合变换器运行个数并实时优化各个变换器承担的负载功率，从而提升并联型变流器***的整体效率。

以n个变换器并联为例，其功率变换示意图如图2所示，η_T(P_IN)为输入功率为P_IN时并联***的总效率，P_IN、P_OUT分别为并联***的总输入、输出功率，P_IN,i、P_OUT,i分别为变换器i的输入、输出功率，η_i(P_IN,i)为输入功率P_IN,i时变换器i的效率，并联型变流器的总效率为：

由于各个变换器均相同，因此η_i(P)＝η(P)(i＝1,2…n)，η(P)表示输入功率为P时候的变换器效率，带有下标就表示变换器i的在输入功率为P时候的变换器效率，因为各个变换器的效率曲线相同，所以就用η(P)表示，这里的P、η是对前面P_in、η_i的简化，并联型变流器的总效率可简化为：

建立优化目标函数：

g＝max{η_T(P_IN,1,P_IN,2,…P_IN,i…P_IN,n)}

约束条件为：

单个变换器的额定功率为P_R，为了简化分析，采用标幺***，则0≤P_n≤1。为了实现并联型变流器全功率段的自适应优化组合，以1‰的功率分辨率离线计算***各个工作点下的最优效率及其最优功率分配比。

以两个变换器并联为例，其自适应优化组合控制下的优化效率、功率分配比曲线如图5所示，将离线优化得到的功率分配比制成查找表，设定***各个工作点下的功率分配比，便于在线自适应优化组合，提高控制算法的速度。

如图3所示，本方法具体实现的步骤如下：

数值拟合：根据变换器各工作点的效率值，利用数值拟合方法，得到其效率曲线与效率函数。

优化目标函数：通过目标函数离线计算并联***各个工作点下的最优效率及其最优功率分配比，功率分辨率为1‰。

查找表制作：将离线优化得到的功率分配比制成查找表，设定并联***各个工作点下的功率分配比，提高控制算法的速度。

自适应优化组合控制：通过查找表得到任意工况下各个变换器的功率指令，实现自适应优化组合控制，提高***的整体效率。

如图1所示，以3MW/4MVA并联型风电变流器为例，其接口电网电压为690V/50Hz，由2台2MVA的变换器并联而成，每个变换器的直流母线电容器为38.8mF，直流母线电压给定值为1100V，开关频率为3kHz，LCL滤波器参数为：变流器侧电感为100μH、中间滤波电容为668.4μF、电网等效电感为170μH，功率模块采用Semikron公司的SKiiP1814GB17E4-3DUW。

根据上述并联型风电变流器的参数，基于Matlab/Simulink建立仿真分析***，验证自适应优化组合控制方法的静、动态性能：

(1)静态：变流器各个工作点下的效率优化；

(2)动态：波动功率下自适应优化***效率。

根据图4的单个变换器效率曲线，利用MATLAB曲线拟合工具cftool得到变换器的拟合效率函数，通过目标函数离线计算***各个工作点下的最优功率分配比，优化算法流程如图5所示，其中，程序计算产生的中间变量包括：

P_{1_opt}表示变换器1的最优功率分配值；

P_{2_opt}表示变换器2的最优功率分配值；

g_{_opt}表示优化函数最优值；

P表示***运行功率值；

P_1i表示变换器1的第i个工作点；

P_2i表示变换器2的第i个工作点；

η_i表示第i个工作点下，并联***的效率；

P₁表示***输入功率为P时变换器1的功率分配值；

P₂表示***输入功率为P时变换器2的功率分配值；

η_op表示***输入功率为P时并联***的最优效率。

并联***的最优效率曲线如图6所示，根据图5中的最优功率分配，并联***运行效率最优。并联***优化组合的功率分配比如图7所示，***负载功率低于0.329pu，***处于单机运行模式；负载功率高于0.329pu，各变换器的功率优化分配。

图8、图9分别为功率均分控制和自适应优化组合控制策略下，并联***的静态效率曲线、静态功率分配，对比分析可见：

(1)当变流器的负载功率低于额定功率的38％时，自适应优化组合控制可以有效提升并联***的运行效率。

(2)当变流器的负载功率低于额定功率的32.9％时，自适应优化组合控制策略下，并联***只有一个变换器实际运行，该优化控制策略可以根据负载功率情况组合变换器的运行数量。

图10为风电机组70分钟的风功率曲线，图11、图12分别为功率均分控制和自适应优化组合控制策略下，波动风功率时并联***的动态效率曲线、各变换器的动态功率分配，对比分析可见：

(1)自适应优化组合控制策略能够提升波动功率下的并联型变流器***的整体效率。

(2)自适应优化组合策略可以根据风功率波动状况，自动组合变换器运行个数并实时优化各个变换器承担的负载功率。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (4)

1.一种并联型风电变流器的提升运行效率的方法，其特征在于，包括：

数值拟合步骤：根据并联型风电变流器中变换器各工作点的效率值，利用数值拟合方法，得到并联型风电变流器的效率曲线与效率函数；

优化目标函数步骤：通过优化目标函数离线计算并联型风电变流器各个工作点下的最优效率及最优功率分配比；

查找表制作步骤：将离线计算得到的最优功率分配比制成查找表，设定并联型风电变流器各个工作点下的功率分配比；

其中，并联型变流器的总效率为：

η_T(P_IN)为输入功率为P_IN时并联***的总效率，P_IN、P_OUT分别为并联***的总输入、输出功率，P_IN,i、P_OUT,i分别为变换器i的输入、输出功率，η_i(P_IN,i)为输入功率P_IN,i时变换器i的效率，

由于各个变换器均相同，因此η_i(P)＝η(P)(i＝1,2…n)，η(P)表示输入功率为P时候的变换器效率，带有下标就表示变换器i的在输入功率为P时候的变换器效率，各个变换器的效率曲线相同，用η(P)表示，这里的P、η是对前面P_IN、η_i的简化，并联型变流器的总效率简化为：

建立优化目标函数：

g＝max{η_T(P_IN,1,P_IN,2,…P_IN,i…P_IN,n)}；

约束条件为：

单个变换器的额定功率为P_R，采用标幺***，则0≤P_n≤1，以1‰的功率分辨率离线计算并联型风电变流器各个工作点下的最优效率及最优功率分配比。

2.根据权利要求1所述的并联型风电变流器的提升运行效率的方法，其特征在于，还包括：

自适应优化组合控制步骤：通过查找表得到任意工况下各个变换器的功率指令，实现自适应优化组合控制。

3.一种并联型风电变流器的提升运行效率的***，其特征在于，包括：

数值拟合模块：根据并联型风电变流器中变换器各工作点的效率值，利用数值拟合方法，得到并联型风电变流器的效率曲线与效率函数；

优化目标函数模块：通过优化目标函数离线计算并联型风电变流器各个工作点下的最优效率及最优功率分配比；

查找表制作模块：将离线计算得到的最优功率分配比制成查找表，设定并联型风电变流器各个工作点下的功率分配比；

其中，并联型变流器的总效率为：

η_T(P_IN)为输入功率为P_IN时并联***的总效率，P_IN、P_OUT分别为并联***的总输入、输出功率，P_IN,i、P_OUT,i分别为变换器i的输入、输出功率，η_i(P_IN,i)为输入功率P_IN,i时变换器i的效率，

由于各个变换器均相同，因此η_i(P)＝η(P)(i＝1,2…n)，η(P)表示输入功率为P时候的变换器效率，带有下标就表示变换器i的在输入功率为P时候的变换器效率，各个变换器的效率曲线相同，用η(P)表示，这里的P、η是对前面P_IN、η_i的简化，并联型变流器的总效率简化为：

建立优化目标函数：

g＝max{η_T(P_IN,1,P_IN,2,…P_IN,i…P_IN,n)}；

约束条件为：

单个变换器的额定功率为P_R，采用标幺***，则0≤P_n≤1，以1‰的功率分辨率离线计算并联型风电变流器各个工作点下的最优效率及最优功率分配比。

4.根据权利要求3所述的并联型风电变流器的提升运行效率的***，其特征在于，还包括：

自适应优化组合控制步骤：通过查找表得到任意工况下各个变换器的功率指令，实现自适应优化组合控制。