[發明專利]基于逆疏松矩陣變換器的風力發電系統及其方法

有效

• 申請號: 201110047597.1
• 申請日: 2011-02-28
• 公開（公告）號: CN102110990A
• 公開（公告）日: 2011-06-29
• 發明（設計）人: 孫堯;粟梅;王輝;潘攀;羅朝旭;韓華;于晶榮;楊建;廖威;李幸;陳輝華;桂衛華;王一軍
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: H02J3/38
• 分類號: H02J3/38;H02M5/44;H02M5/458;H02J3/18;H02P9/00
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所 43114
• 代理人: 黃美成

技術領域

本發明屬于電力電子與電力傳動以及可再生能源發電系統技術領域，涉及一種新型電力電子拓撲結構，以及基于該拓撲的風力發電系統配置方案，特別涉及一種基于逆疏松矩陣變換器的風力發電系統及其方法。

背景技術

常見的永磁同步發電機(PMSG)發電系統的功率變換裝置包含：交直交變換器或交交變換器兩大類。其中，交直交變換器通常采用雙PWM變換器，通常需要大容量的電解電容，以及笨重的濾波電抗器，電解電容的存在將嚴重限制發電系統的使用壽命，笨重的濾波電抗器成本昂貴。總之，由該類拓撲組成的發電系統功能完備，但投資成本過高。還有一種經濟型功率變換裝置，由三相二極管整流橋、BOOST升壓環節和逆變器組成。該拓撲成本有所降低，但由于二極管整流器，不可避免的會導致在PMSG定子繞組中產生大量諧波電流，因此，會導致轉矩的脈動，同時諧波損耗增大。傳統的交交變換器由大量晶閘管組成，諧波嚴重，變頻范圍有限，不適合高性能風力發電系統。矩陣變換器是一種綠色交交變換器，由于其具備正弦輸入輸出電流，無需中間儲能環節，因而結構緊湊，功率密度高。矩陣變換器雖然具備諸多的優點，但由于其開關數目過于龐大，導致成本過高，可靠性降低，這些嚴重限制了矩陣變換器在發電領域中的應用。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提出一種基于逆疏松矩陣變換器的風力發電系統及其方法，該基于逆疏松矩陣變換器的風力發電系統能夠綠色、高效、可靠地變換與傳輸能量，同時保證系統結構簡單緊湊，成本低廉。

本發明的技術解決方案如下：

一種基于逆疏松矩陣變換器的風力發電系統，整流級的交流側與電網相接，整流級的直流側與逆變級的直流側對接，逆變級的交流側與永磁同步發電機的輸出端相接，永磁同步發電機與風機相接；主動保護電路的輸入側接逆變器的直流側，主動保護電路的輸出側與整流級的交流側相接；

所述的整流級為由六個功率器件組件組成的三相整流橋，每一個功率器件組件由一個可控半導體功率開關和功率二極管串接而成；逆變級是由6個IGBT組成的三相橋式逆變器。

所述的主動保護電路的電路結構如下：

整流二極管模塊是由6個整流二極管相接形成的三相整流橋式電路；電容Ce跨接在整流二極管模塊的直流側；

電容Ce的負極接IGBT?g3的發射極，IGBT?g3的集電極和逆變級直流側的地端相連、電容Ce的正極接IGBT?g1的集電極，IGBT?g1的發射極接逆變級直流側的正電壓端；

由第一分壓電阻和第二分壓電阻串接而成的取樣電路與電容Ce并聯；

滯環比較器的輸入端接第一分壓電阻和第二分壓電阻的公共連接點，滯環比較器的輸出端接IGBT?g2的驅動器，驅動器的輸出接IGBT?g2的門極，IGBT?g2的發射極接電容Ce的負極，IGBT?g2的集電極經電阻RD接電容Ce的正極。

所述的整流級的交流側通過濾波器與電網相接。

一種基于逆疏松矩陣變換器的風力發電方法，采用前述的基于逆疏松矩陣變換器的風力發電系統，將永磁同步發電機輸出的電能饋送到電網中。

基于逆疏松矩陣變換器的風力發電系統具有兩種啟動方式：

第一種啟動方法：逆變級所有IGBT均處于閉合狀態，相當于二極管整流發電狀態，而整流級則按正常方式運行，當發電機轉速上升至其所產生的反電動勢高于電網電壓時，這時發電機定子繞組有連續電流通過，再使逆變級所有IGBT完全按正常方式運行，完成了基于逆疏松矩陣變換器的風力發電系統的啟動；

第二種啟動方法，在啟動之初，關閉整流級的所有可控半導體功率開關，開啟主動保護電路中的IGBT?g1和IGBT?g3，主動保護電路和逆變級一起構成通用變頻器以控制永磁發電機，從而避免第一種啟動方式下的系統啟動之初低速運行不受控制的死區，直到發電機定子電流大于1A時，關閉IGBT?g1和g3，同時，啟動逆疏松矩陣變換器的正常調制程序，完成基于逆疏松矩陣變換器的風力發電系統的啟動。

采用基于電流空間矢量角的閉環PI控制方法控制無功功率，控制量其中θ為輸入電流參考矢量角，δ為電網電壓矢量角，δ由鎖相環電路獲取，sat(·)為飽和函數，其上限為下限為λ^-1{}為拉普拉斯反變換，s為拉普拉斯變換的復變量，i_q為無功電流，為電網電流矢量在電網電壓矢量方向上的投影，為了實現單位功率因數控制，為無功電流給定值，k_p和k_i分別為比例系數和積分系數。

控制器的輸出端通過驅動電路與可控半導體功率開關、IGBT?g1、IGBT的控制端相接，為現有技術。