[發明專利]一種基于開繞組結構的風力發電高壓直流并網系統及其控制方法

有效

• 申請號: 201310206474.7
• 申請日: 2013-05-29
• 公開（公告）號: CN103280838A
• 公開（公告）日: 2013-09-04
• 發明（設計）人: 年珩;曾恒力;周義杰
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H02J3/38
• 分類號: H02J3/38
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

技術領域

本發明屬于風力發電技術領域，具體涉及一種基于開繞組結構的風力發電高壓直流并網系統及其控制方法。

背景技術

能源是人類賴以生產、社會得以發展的重要物質基礎，而隨著煤炭、石油等不可再生能源的逐漸枯竭，并且煤炭和石油等帶來的污染問題日趨嚴重，對世界各個國家來講尋找新的清潔可再生能源已經是一個刻不容緩的任務。風能作為一種可再生新能源，由于其蘊藏量巨大，清潔無污染，具有廣闊的開采前景。

隨著風能的開發利用，全球的風力發電連續多年來保持快速、持續的增長。永磁直驅式風電機組具有可靠性高、結構簡單、維護成本低、并網適應性強等優點，特別適合用作大功率海上永磁同步風力發電機組。傳統的永磁同步風電系統結構如圖1所示，電機繞組單端出口，并且采用交流輸電，工作時將機械能轉換為電能，再通過機側變流器和網側變流器接入電網，通過控制兩個變流器電力電子開關器件的通斷，即可達到控制目的。

傳統系統需要機側和網側兩個全功率變流器才能保證其正常運行。其使用的兩電平變流器，一方面會給電流帶來一定的諧波分量，另一方面，隨著風機容量的不斷增加，全功率變流器需要更大容量的電力電子開關器件，會大幅度增加系統成本。使用全功率的變流器時，會給開關器件帶來較大的電壓應力，降低開關器件的壽命。在現有的技術方案里，有通過開關管串聯分壓解決方案，但是存在開關管均壓的技術難題，也有通過H橋級聯方案，此方案存在系統結構復雜的缺點。同時，傳統的系統采用三相交流輸電，隨著海上風電的容量不斷增大，交流輸電電纜線間的電容效應將會產生越來越大的損耗，因此不但限制了輸電容量而且限制了輸電距離。

基于以上考慮，有人提出了基于開繞組永磁同步電機的直流并網系統，如圖2所示，該系統采用永磁同步電機進行發電，經過背靠背式的雙PWM變流器，再經過交流升壓器太高電壓，最后通過整流器，將電能傳輸到直流母線，很容易看出該系統電能經過兩個變流器，一個變壓器和一個整流器四個環節并入直流電網，其具有復雜的結構和眾多的設備導致系統運行效率低且成本高。

發明內容

針對現有技術所存在的上述技術問題，本發明提供了一種基于開繞組結構的風力發電高壓直流并網系統及其控制方法，結構簡單，成本低。

一種基于開繞組結構的風力發電高壓直流并網系統，包括：一臺永磁同步風力發電機、兩臺機側變流器J1～J2、兩臺直流升壓器S1～S2和一控制器；所述的永磁同步風力發電機具有三相繞組，所述的機側變流器采用三相全橋可控整流器；

所述的永磁同步風力發電機任一相繞組的一端與機側變流器J1中對應相上下橋臂的中心接點相連，另一端與機側變流器J2中對應相上下橋臂的中心接點相連；

機側變流器J1的直流輸出端與直流升壓器S1的輸入端對應連接，機側變流器J2的直流輸出端與直流升壓器S2的輸入端對應連接，直流升壓器S1的輸出端與直流升壓器S2的輸出端串聯后并入直流輸電母線；

所述的控制器用于采集永磁同步風力發電機的端電壓、相電流以及兩臺機側變流器的直流輸出電壓，進而通過控制策略構造出PWM信號以對兩臺機側變流器以及兩臺直流升壓器進行控制。

所述的機側變流器的直流輸出端并聯有直流母線電容。

所述的直流升壓器由一電抗器、一逆變器、一變壓器和一整流器依次連接組成。

所述的逆變器采用單相全橋可控逆變器，所述的整流器采用單相全橋不控整流器，所述的變壓器采用單相高頻交流變壓器。

上述風力發電高壓直流并網系統的控制方法，包括如下步驟：

對于機側變流器的控制：

A1.采集永磁同步風力發電機的端電壓和相電流以及兩臺機側變流器的直流輸出電壓，進而估算出永磁同步風力發電機的轉速和轉子位置角；

A2.利用所述的轉子位置角對相電流進行dq變換，得到相電流的d軸分量和q軸分量；

A3.根據所述的轉速以及相電流的d軸分量和q軸分量，計算出永磁同步風力發電機的實際輸出功率、有功軸電壓補償量和無功軸電壓補償量；進而根據基于無功軸電流為零的矢量控制算法計算出有功軸電壓指令和無功軸電壓指令；

A4.對有功軸電壓指令和無功軸電壓指令進行分配，得到兩臺機側變流器各自的有功軸電壓指令分量和無功軸電壓指令分量；進而通過SVPWM（空間矢量脈寬調制）技術構造得到兩組PWM信號以分別對兩臺機側變流器進行控制；

對于直流升壓器的控制：

B1.對于任一臺直流升壓器，使該直流升壓器所連接機側變流器的直流輸出電壓與預設的直流參考電壓進行比較，得到直流電壓誤差；