[发明专利]一种六相风力发电机直流并网结构的控制方法

摘要

本发明公开了一种六相风力发电机直流并网结构的控制方法，所述结构包括六相开绕组直驱永磁风力发电机、6个单相MMC半桥变换器；每个变换器的交流侧与六相开绕组直驱永磁风力发电机的一相绕组相连，六个变换器的直流侧依次串联接入中压直流电网。变换器控制策略包括桥臂电容电压控制、最大功率跟踪控制、子模块电容电压平衡控制和子模块电容电压波动抑制控制。本发明提高了系统输出电压大小，提高了系统输出电压灵活性。

主权项

1.一种六相风力发电机直流并网结构，其特征在于，所述的六相风力发电机直流并网结构包括六相开绕组直驱永磁风力发电机、6个单相MMC半桥变换器；所述的六相开绕组直驱永磁风力发电机，其绕组依次标号为：Ak，k＝1，2，3，4，5，6；所述的6个单相MMC半桥变换器用MMCk表示；第k个单相MMC半桥变换器MMCk由一个滤波电容Cv，两个双向晶闸管T1、T2和E，F两相桥臂组成；E相桥臂包括上下两个桥臂，每个桥臂由N个SM子模块和一个桥臂电感串联而成；上桥臂的N个SM子模块依次记为SMp1，SMp2，…，SMpN；下桥臂的N个SM子模块依次记为SMn1，SMn2，…，SMnN；上桥臂的桥臂电感记为Lp；下桥臂的桥臂电感记为Ln；所述的SM子模块由1个电容Csm和2个IGBT管Tsm1、Tsm2构成；Csm的正极和Tsm1的集电极相连，Csm的负极和Tsm2的发射极相连；Tsm1的发射极和Tsm2的集电极相连构成半桥子模块的输出端正极，Tsm2的发射极作为半桥子模块的输出端负极；每相上桥臂的N个SM子模块和Lp依次串联，即SMp1的负端与SMp2正端相连；处于中间的SMpi的正端与SMp(i‑1)的负端相连，SMpi的负端与SMp(i+1)的正端相连，i＝2，3，…，N‑1；SMpN负端与Lp一端相连，Lp另一端和Ln的一端相连，作为MMCk的输入端正极；每相下桥臂的Ln和N个SM子模块依次串联，即Ln另一端与SMn1正端相连；处于中间的SMni的正端与SMn(i‑1)的负端相连，SMni的负端与SMn(i+1)的正端相连，i＝2，3，…，N‑1；F相桥臂包括四个电容C1，C2，C3，C4；C1的负极和C2的正极相连，连接点和T1的b端相连；C3的负极和C4的正极相连，连接点和T2的b端相连；T1的a端和T2的a端相连，作为MMCk的输入端负极；SMp1的正端、C1的正极和C3的正极两两相连，作为MMCk的输出端正极；SMnN的负端、C2的负极和C4的负极两两相连，作为MMCk的输出端负极；滤波电容Cv的两端分别和MMCk的输入端正极、输入端负极相连；MMCk的输入端正极与绕组Ak的正极相连；MMCk的输入端负极与绕组Ak的负极相连；MMC1的输出端正极与直流电网正极相连；MMCj的输出端正极与MMC(j‑1)的输出端负极相连，MMCj的输出端负极与MMC(j+1)的输出端正极相连，j＝2，3，4，5；MMC6的输出端负极与直流电网的负极相连。6个单相MMC半桥变换器的控制方法相同；对于任意一个单相MMC半桥变换器，其控制方法包括桥臂电容电压控制、最大功率跟踪控制、子模块电容电压平衡控制、子模块电容电压波动抑制控制；所述的桥臂电容电压控制的步骤如下：(1)检测MMCk输出端电压Udc，与给定值Udcref比较，比较结果通过第一PI调节器进行调节，得到第一PI调节器的输出结果k1：其中，kp1和ki1是第一PI调节器的比例系数和积分系数；(2)检测当前交流侧电流iout，得到方向信号Sd1；具体为，当iout为正时，Sd1＝1；当iout为负时，Sd1＝‑1；当iout为0时，Sd1＝0；(3)检测C2电压UC2，与给定值UC2ref比较，比较结果通过第二PI调节器后再与Sd1以及当前T1的开关状态S1相乘，得到电流补偿因子k2：其中，kp2和ki2是第二PI调节器的比例系数和积分系数；当T1导通时，S1＝1；当T1关断时，S1＝0；(4)检测C4电压UC4，与给定值UC4ref比较，比较结果通过第三PI调节器后再与Sd1以及当前T2的开关状态S2相乘，得到电流补偿因子k3：其中，kp3和ki3是第三PI调节器的比例系数和积分系数；当T2导通时，S2＝1；当T2关断时，S2＝0；所述的最大功率跟踪控制的步骤如下：(1)检测当前风速v，与六相电机的叶片半径R和最佳叶尖速比λopt一起计算电机转子的角速度给定值ωref：(2)检测六相电机转子的角速度ω，将其与ωref进行比较，比较结果通过第四PI调节器进行调节，得到第四PI调节器的输出结果iqinref：其中，kp4和ki4是第四PI调节器的比例系数和积分系数；(3)将iqinref通过下式进行修正，得到q轴电流给定值iqref：iqref＝(1+k1‑k2‑k3)iqinref(4)检测当前六相电机转子位置θr，通过下式得到虚拟β轴电流分量iβ：iβ＝iqrefcos(θ)θ＝pθr+δ其中，θ是同步角；p是电机极对数；δ是绕组相移，MMC1～MMC6的δ分别为0，2π/3，4π/3，π/6，5π/6，9π/6；(5)将iout和iβ进行αβ/dq坐标变换，得到d、q轴电流分量id，iq；(6)将id与d轴电流给定值idref进行比较，比较结果通过第五PI调节器，再加上前馈分量pωLqiq，得到d轴电压分量ud：其中，kp5和ki5是第五PI调节器的比例系数和积分系数；Lq是电机交轴电感；(7)将iq与q轴电流给定值iqref进行比较，比较结果通过第六PI调节器，再加上前馈分量‑pωLdid和pωΨf得到q轴电压分量uq：其中，kp6和ki6是第六PI调节器的比例系数和积分系数；Ld是电机直轴电感；Ψf是电机转子磁链；(8)将ud和uq进行dq/αβ坐标变换，得到α轴电压分量uoutref；所述子模块电容电压平衡控制的步骤如下：(1)检测各个SM子模块电容电压usmp_h和usmn_h，h＝1，2，…，N，分别计算上、下桥臂子模块电容总能量Wsmp和Wsmn：(2)将Wsmp、Wsmn之和与给定值Wsmref比较，比较结果通过第七PI调节器，得到第七PI调节器输出结果icir1ref：其中，kp7和ki7是第七PI调节器的比例系数和积分系数；(3)将uoutref和注入的高频方波电压ucmref相加后取反，得到上下桥臂子模块级联电压差值信号Δu，根据Δu得到调制方向信号Sd2；具体为，当Δu为正时，Sd2＝1；当Δu为负时，Sd2＝‑1；当Δu为0时，Sd2＝0；ucmref是幅值为Ucm，频率为fcm，占空比为50％的方波，即从t＝0开始，以1/fcm为周期，在0～1/2fcm时间段内，ucmref＝Ucm；在1/2fcm～1/fcm时间段内，ucmref＝‑Ucm；(3)将Wsmp、Wsmn之差与0比较，比较结果通过第八PI调节器后与Sd2相乘，输出结果icir2ref：其中，kp8和ki8是第八PI调节器的比例系数和积分系数；所述的子模块电容电压波动抑制控制的步骤如下：(1)从t＝0开始，以1/fcm为周期，在0～1/2fcm时间段内，控制T1导通，T2关断；在1/2fcm～1/fcm时间段内，控制T1关断，T2导通；(2)检测MMCk的输入端电压uout，计算环流参考值，具体计算公式如下：其中，ωcm＝2πfcm；(3)检测上桥臂电流ip和下桥臂电流in，以T为系统控制周期，计算上桥臂调制信号upref和下桥臂调制信号unref：(4)对upref和unref采用最近电平逼近的方式进行调制，得到MMCk各子模块的控制脉冲信号。