專利名稱：雙饋式變速恒頻風力發(fā)電機勵磁電源網(wǎng)側(cè)變換器的控制器的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及雙饋式變速恒頻風力發(fā)電機的勵磁電源，特別是涉及變速恒頻風力發(fā)電機的勵磁電源網(wǎng)側(cè)變換器的控制器。
背景技術(shù)：
目前世界上主要的風力發(fā)電技術(shù)有以下4種定槳距調(diào)節(jié)風電技術(shù)、變槳距調(diào)節(jié)技術(shù)、主動定槳距調(diào)節(jié)技術(shù)和變速恒頻風力發(fā)電技術(shù)等。在這四種調(diào)節(jié)方式里面，從理論上講，變速恒頻風力發(fā)電技術(shù)是最優(yōu)化的技術(shù)，而且其自身又有著以下的優(yōu)點1、最大限度捕獲風能。
2、較寬的轉(zhuǎn)速運行范圍，適用由于風速變化引起的風力機轉(zhuǎn)速的變化。
3、采用先進的PWM控制技術(shù)可以抑制諧波，減小開關損耗，提高效率，降低成本。
目前兆瓦級風力發(fā)電機組已經(jīng)成為國際上的主流機型，因此兆瓦級變速恒頻風力發(fā)電技術(shù)受到了最廣泛的關注，也必將成為風力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展方向。
變速恒頻風力發(fā)電技術(shù)采用的交流勵磁雙饋發(fā)電機風力發(fā)電方案如

圖1所示。圖1中與電網(wǎng)側(cè)相連的為網(wǎng)側(cè)變換器，它的作用為為轉(zhuǎn)子側(cè)變換器提供穩(wěn)定的直流母線電壓和控制網(wǎng)側(cè)電流波形，實現(xiàn)可控功率因數(shù)。圖1中與電機轉(zhuǎn)子側(cè)相連的為轉(zhuǎn)子側(cè)變換器，它給電機的轉(zhuǎn)子輸入勵磁電流，通過調(diào)節(jié)該勵磁電流的幅值、頻率和相位，實現(xiàn)定子側(cè)輸出電壓的恒頻恒壓。
圖2為網(wǎng)側(cè)變換器傳統(tǒng)的雙閉環(huán)控制方法。
該控制方法假定三相電網(wǎng)平衡，根據(jù)理想情況下變換器的數(shù)學模型得到網(wǎng)側(cè)變換器的控制系統(tǒng)。硬件電路由L濾波電感，整流橋以及負載組成。其中整流器為三臂六管開關電路，負載可以為線性或非線性負載?；究刂圃頌閷㈦娋W(wǎng)的三相電壓和網(wǎng)側(cè)的三相電流的檢測值分別經(jīng)過靜止/旋轉(zhuǎn)坐標變換到dq坐標系下，結(jié)合給定直流側(cè)電壓和無功電流，通過電流反饋和電壓前饋控制，使整個控制系統(tǒng)有功和無功電流解藕，最終得到dq坐標下的網(wǎng)側(cè)變換器的輸入電壓信號，再對其進行旋轉(zhuǎn)坐標到兩相靜止坐標系下的反變換，得到α，β下輸入電壓的值，然后通過SVPWM(空間電壓矢量)調(diào)制，得到控制開關管導通的控制信號。如圖2所示該控制系統(tǒng)可劃分為以下幾個方面(1)電壓環(huán)調(diào)節(jié)部分將直流電壓偏差信號通過PI控制器，得到內(nèi)環(huán)輸入有功電流信號Id*。無功電流信號Iq*一般為零。
(2)電壓電流量的旋轉(zhuǎn)坐標變換由ABC坐標系到兩相靜止坐標變換，得到兩相靜止坐標系下的電網(wǎng)電壓，然后通過反正切計算得到旋轉(zhuǎn)角度θ，進而將兩相靜止坐標下的電壓通過旋轉(zhuǎn)變換得到Ed，Eq。將三相電流利用旋轉(zhuǎn)角度θ旋轉(zhuǎn)變換得到電流Id，Iq。
(3)內(nèi)環(huán)電流控制環(huán)節(jié)通過內(nèi)環(huán)PI和電流反饋與電壓前饋補償，得到在兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下網(wǎng)側(cè)變換器的輸出電壓Vd*，Vq*。通過角θ，經(jīng)過反變換，將Vd*，Vq*變換到兩相靜止坐標下Vα，Vβ。
(4)SVPWM(空間電壓矢量)產(chǎn)生部分由步驟(3)的Vα，Vβ和直流側(cè)電壓，采用空間矢量調(diào)制，產(chǎn)生控制開關管導通的PWM信號。
按上述方法設計的網(wǎng)側(cè)變換器，穩(wěn)定性比較高。在雙饋式變速恒頻風力發(fā)電機的勵磁電源的設計中基本都是采用這種控制方法。但是，當電網(wǎng)不平衡時，按上述控制方法設計的勵磁電源雖然可以部分抑制電網(wǎng)不平衡對輸出電壓和輸入電流的影響，但是由于PI本身的增益有限，并不能完全抑制不平衡電網(wǎng)所造成的影響。不平衡現(xiàn)象比較嚴重時，甚至會導致這種控制方法的失敗。而且當直流側(cè)電壓有波動時，會導致勵磁電源輸出電壓中的差摸電壓(負序電壓)和共摸電壓成分(零序電壓)增大，當勵磁電源與雙饋發(fā)電機的轉(zhuǎn)子連線比較長時，可能造成比較大的反射電壓，損壞電機的絕緣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對電網(wǎng)不平衡時現(xiàn)有勵磁電源電網(wǎng)側(cè)輸入電流諧波大，直流電壓波動和輸出差模電壓、共模電壓大的技術(shù)不足，提出了一種網(wǎng)側(cè)變換器的控制器，本發(fā)明可以有效的抑制不平衡電網(wǎng)對勵磁電源性能的影響。
本發(fā)明在現(xiàn)有技術(shù)的網(wǎng)側(cè)變換器控制方法基礎上，檢測網(wǎng)側(cè)電網(wǎng)的正負序電壓，結(jié)合系統(tǒng)的功率給定，計算電網(wǎng)不平衡時的網(wǎng)側(cè)電流正負序給定指令，對此電流進行無差跟蹤，保證在電網(wǎng)不平衡時輸出電壓的控制精度，減少網(wǎng)側(cè)電流諧波和消除直流側(cè)波動對轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的影響。
本發(fā)明采用基于預測電流的無差拍控制方法對電流進行控制，將dq坐標系下電流給定指令旋轉(zhuǎn)到兩相靜止坐標系下，得到在α，β軸的正負序電流給定量，通過加法運算可以得到兩相靜止坐標系下電流的給定；通過將電網(wǎng)電流進行靜止坐標變換，得到實際電流值的α，β分量，將給定和實際值做差，根據(jù)電流的變化率得到電感壓降，由此可以計算得到輸入電壓，然后通過SVPWM(空間電壓矢量)產(chǎn)生控制開關管導通的脈沖信號。
本發(fā)明網(wǎng)側(cè)變換器控制方法包括以下步驟(1)檢測并計算輸入電網(wǎng)電壓的正序負序分量，將輸入電壓的正負序分量分別進行旋轉(zhuǎn)坐標變換，得到在dq坐標下的正負序直流量；(2)檢測并計算輸入電網(wǎng)側(cè)的電流量，通過三相到兩相的靜止坐標變換，得到在α，β坐標系下的電流值；(3)檢測直流側(cè)電壓值；(4)將直流側(cè)電壓給定值減去檢測值，以獲得直流側(cè)電壓的偏差信號。將該偏差信號通過PI調(diào)節(jié)器，其輸出乘以直流側(cè)電壓給定值，以獲得有功功率給定，無功給定為零；(5)根據(jù)(4)中的有功無功給定和(1)中的網(wǎng)側(cè)電壓的正負序直流量，計算得到網(wǎng)側(cè)正負序電流給定指令；(6)將(5)中正負序電流給定指令進行靜止坐標變換，得到α，β坐標下的電流給定值；(7)將(6)中的電流給定與(2)中的檢測電流實際值做差，得到電流的變換率，以獲得電感壓降；由電感壓降求出變換器的輸入電壓；(8)由輸入電壓和直流母線電壓進行SVPWM調(diào)制。
在電網(wǎng)不平衡的情況下，本發(fā)明可調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)變換器的有功無功電流，控制網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，滿足電網(wǎng)對功率因數(shù)的要求；能確保網(wǎng)側(cè)變換器輸出(直流電壓)恒定；減少網(wǎng)側(cè)電流諧波；消除直流側(cè)波動時轉(zhuǎn)子側(cè)變換器輸出的共模電壓和差模電壓。
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
進一步說明本發(fā)明。
圖1是雙饋式變速恒頻風力發(fā)電框圖。
圖2是傳統(tǒng)技術(shù)的網(wǎng)側(cè)變換器的控制框圖。
圖3是本發(fā)明的網(wǎng)側(cè)變換器的硬件框圖。
圖4為本發(fā)明的網(wǎng)側(cè)變換器的控制方法原理框圖。
圖5為本發(fā)明的網(wǎng)側(cè)變換器的控制步驟。
具體實施例方式
如圖3所示，本發(fā)明的硬件電路包括電流互感器1、電壓互感器2、電壓電流處理單元3、DSP處理單元單元4、IPM驅(qū)動保護單元5、L濾波電感7、整流橋電路6。電網(wǎng)經(jīng)過濾波電感7與整流器電路6相連。電壓互感器1測量三相電網(wǎng)電壓，電流互感器2測量三相電流，將測量所得的電壓電流數(shù)字量輸入到電壓電流處理單元3。在電壓電流處理單元單元3中對電壓和電流進行濾波和AD轉(zhuǎn)換，得到電壓和電流的數(shù)字信號，輸入到DSP處理單元4。DSP處理單元4進行控制運算，輸出PWM信號，輸入到驅(qū)動保護單元5，驅(qū)動保護單元5最終輸出6路開關信號，控制整流器電路6中的六個開關管。
圖4所示為電壓不平衡時本發(fā)明的網(wǎng)側(cè)變換器的控制方法原理框圖。圖4所示的控制方法均在DSP處理單元4中進行。
在DSP處理單元4中，由模塊8對模塊3輸出的電網(wǎng)電壓進行3/2變換和正負序分解，將旋轉(zhuǎn)坐標系下的dq分量edp，edn，eqp，eqn輸入到模塊13，eα，eβ輸入到模塊17。模塊9對模塊3輸出的電流進行3/2變換，得到兩相靜止坐標系下的電流值iα，iβ，iα，iβ輸入到模塊17中。模塊10為一個加法器，將給定的直流電壓與采集的直流電壓做差，得到直流電壓的偏差信號，直流電壓的偏差信號輸出到模塊11。模塊11為PI調(diào)節(jié)器，模塊11對模塊10的偏差信號進行比例積分運算，得到直流側(cè)電流值，直流側(cè)電流值輸入到模塊12。模塊12對直流電壓給定值和直流側(cè)電流值進行乘法運算，得到有功功率給定p0*。p0*輸入到模塊13。模塊13完成對電流給定指令的計算，具體方法為為了消除不平衡電網(wǎng)對輸出的影響和保證單位功率因數(shù)，令q0*，ps2*，Pc2*都為零，電流給定可以由下式給出idp*iqp*idn*iqn*=2p0*3D1edpeqp-edn-eqn]]>其中D1=(edp)2+(eqp)2-(edn)2-(eqn)2≠0]]>將模塊13計算得到的正序電流給定指令idp*，iqp*輸出到模塊14，模塊14通過坐標變換，得到在兩相靜止坐標下的正序電流給定iαp*，iβp*。將模塊13計算得到的負序電流給定指令idn*，iqn*輸出到模塊15，通過坐標變換得到兩相靜止坐標系下的負序電流給定指令iαn*，iβn*。idn*，iqn*，iαp*，iβp*輸入到模塊16，由模塊16進行加法運算，得到兩相靜止坐標系下電流的給定iα*，iβ*。iα*，iβ*輸入到模塊17。模塊17計算控制電壓να*，νβ*，以給定電流iα*，iβ*和模塊9輸出的實際電流iα，iβ做差，得到電流的變換率，由此可以求出電感壓降vαL=Ldiαdt+Riα=Liα*-iαdt+Riα]]>結(jié)合模塊8輸出的電源電壓eα，eβ，則可以得到在兩相靜止坐標下整流器的輸入電壓vα*=eα-vαL]]>vβ*=eβ-vβL]]>να*，νβ*輸入到模塊18，進行SVWPM調(diào)制，得到控制模塊6三相丌關管的開關信號，將開關信號輸出到模塊5中，經(jīng)過驅(qū)動隔離放大，得到控制模塊6三相開關管的脈沖信號。從而實現(xiàn)本發(fā)明的控制目的。
圖5為本控制方法的步驟流程圖，是對圖4所示原理框圖控制步驟的描述。
步驟101完成對電壓和電流的采樣。然后執(zhí)行步驟102，由模塊8對模塊3輸出的電網(wǎng)電壓進行3/2變換和正負序分解，模塊9對模塊3輸出的電流進行3/2變換，計算出電壓的正負序分量和兩相靜止坐標系下的電壓電流值。再執(zhí)行步驟103，完成模塊11、12、13、14、15、16的功能模塊11為一PI調(diào)節(jié)器，將輸入的直流電壓偏差信號通過比例積分運算得到直流側(cè)有功電流；模塊12對此電流和直流給定電壓做乘法運算，得到有功功率給定。模塊13計算出在兩相靜止坐標下的正負序電流的給定指令，模塊14將正序電流給定指令通過坐標變換得到兩相靜止坐標系下的電流給定值，模塊15將模塊13計算得到的負序電流給定指令，通過坐標變換得到兩相靜止坐標系下的負序電流給定指令。然后進入步驟104，模塊17計算得到網(wǎng)側(cè)變換器的輸入電壓，實現(xiàn)基于預測電流的電流無差拍跟蹤控制。進入步驟105，模塊18進行SVPWM控制，得到控制三相開關管的六路脈沖信號，驅(qū)動網(wǎng)側(cè)變換器。
本發(fā)明可以使網(wǎng)側(cè)變換器在不平衡的電網(wǎng)電壓下，保持穩(wěn)定的直流電壓，減少交流側(cè)電流的諧波；穩(wěn)定的直流母線電壓可以減少勵磁電源的轉(zhuǎn)子側(cè)變換器輸出的共模電壓和差模電壓，從而減少對雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)子絕緣的破壞。應用本發(fā)明的網(wǎng)側(cè)變換器具有設計獨立、實現(xiàn)簡單等優(yōu)點。
權(quán)利要求
1.一種雙饋式變速恒頻風力發(fā)電機勵磁電源網(wǎng)側(cè)變換器的控制器，主要包括、電壓電流處理單元[3]、DSP處理單元單元[4]、IPM驅(qū)動保護單元[5]、L濾波電感[7]、整流橋電路[6]，整流單元[6]為三臂六管開關電路；電網(wǎng)經(jīng)過濾波電感[7]與整流器電路[6]相連，DSP的輸出與IPM驅(qū)動保護單元5相連，其特征在于還包括電流互感器[1]、電壓互感器[2]；電壓互感器[1]測量三相電網(wǎng)電壓，電流互感器[2]測量三相電流，測量結(jié)果輸入到電壓電流處理單元[3]；在電壓電流處理單元單元[3]中經(jīng)過電壓和電流的濾波和AD轉(zhuǎn)換，將所得的電壓電流數(shù)字量輸入到DSP處理單元[4]，DSP處理單元[4]輸出PWM開關信號到驅(qū)動保護單元[5]，驅(qū)動保護單元[5]最終輸出6路開關信號，控制整流器電路[6]中的六個開關管組成。
2.按照權(quán)利要求1所述的雙饋式變速恒頻風力發(fā)電機勵磁電源網(wǎng)側(cè)變換器的控制器，其特征在于DSP處理單元4完成以下動作(1)計算電網(wǎng)電壓的正負序分量，對電網(wǎng)電壓和電流進行坐標變換，得到選擇坐標系下電壓的正負序分量和兩相靜止坐標系下的電壓和電流；(2)結(jié)合功率給定，計算正負序電流的給定值。將所得的正負序電流經(jīng)過坐標變換得到在兩相靜止坐標系下的電流給定值；(3)通過基于預測電流的無差怕跟蹤控制方法，計算得到變換器輸入端的電壓值；(4)將(3)中的電壓值通過SVPWM調(diào)制，得到整流橋[6]的開關信號，驅(qū)動網(wǎng)側(cè)變換器；
3.按照權(quán)利要求1或2所述的雙饋式變速恒頻風力發(fā)電機勵磁電源網(wǎng)側(cè)變換器的控制器，其特征在于網(wǎng)側(cè)變換器控制器的控制步驟如下步驟101完成對電壓和電流的采樣；然后執(zhí)行步驟102，由模塊8對模塊3輸出的電網(wǎng)電壓進行3/2變換和正負序分解，模塊9對模塊3輸出的電流進行3/2變換，計算出電壓的正負序分量和兩相靜止坐標系下的電壓電流值；再執(zhí)行步驟103，完成模塊11、12、13、14、15、16的功能模塊11將輸入的直流電壓偏差信號通過比例積分運算得到直流側(cè)有功電流；模塊12對此電流和直流給定電壓做乘法運算，得到有功功率給定；模塊13計算出在兩相靜止坐標下的正負序電流的給定指令，模塊14將正序電流給定指令通過坐標變換得到兩相靜止坐標系下的電流給定值，模塊15將模塊13計算得到的負序電流給定指令，通過坐標變換得到兩相靜止坐標系下的負序電流給定指令；然后進入步驟104，模塊17計算得到網(wǎng)側(cè)變換器的輸入電壓，實現(xiàn)基于預測電流的電流跟蹤控制；進入步驟105，模塊18進行SVPWM控制，得到控制三相開關管的六路脈沖信號，驅(qū)動網(wǎng)側(cè)變換器。
全文摘要
雙饋式變速恒頻風力發(fā)電機勵磁電源網(wǎng)側(cè)變換器的控制器，采用基于預測電流的無差拍控制方法對電流進行控制，將dq坐標系下電流給定指令旋轉(zhuǎn)到兩相靜止坐標系下，得到在α，β軸的正負序電流給定量，通過加法運算得到兩相靜止坐標系下電流的給定；通過將電網(wǎng)電流進行靜止坐標變換，得到實際電流值的α，β分量，將給定和實際值做差，根據(jù)電流的變化率得到電感壓降，由此可以計算得到輸入電壓，然后通過SVPWM(空間電壓矢量)產(chǎn)生控制開關管導通的脈沖信號。本發(fā)明可以在電網(wǎng)不平衡的狀態(tài)下，保持直流電壓的控制精度，消除了直流側(cè)電壓的波動對轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的影響，抑制了轉(zhuǎn)子側(cè)變換器輸出的共模電壓和差模電壓，減少了處理器的負擔。
文檔編號H02P21/00GK1983785SQ200510130609
公開日2007年6月20日 申請日期2005年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月15日
發(fā)明者林資旭, 李亞西, 趙斌, 許洪華, 武鑫, 趙棟利, 潘磊, 郭金東, 付旺保 申請人:中國科學院電工研究所