[发明专利]风力发电系统中的并联型永磁直驱风电变流器及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种风力发电系统中的并联型永磁直驱风电变流器的控制方 法，属于电力电子技术领域。

背景技术

随着能源的日益紧缺、环境问题的突出和电力电子技术及器件的进步， 风力发电得到了不断的发展。在风力发电的各种方案中，永磁直驱风力发电 方式以其优越的性能，日益成为研究及应用的热点。它省去了齿轮箱和滑环， 减小了系统噪声，并使系统的体积大大的减小，成本降低，同时使系统可靠 性提高，维护成本大大降低；由于采用永磁体励磁，不存在转子铜损，又提 高了发电效率。永磁直驱风力发电机和电网之间通过变流器连接，解决了低 电压的穿越问题，通过最大功率点追踪(maximum power point tracking，MPPT) 技术，能够充分的利用风能，使发电效率进一步提高。

目前风力发电机的发电功率已达到近10MW，由于永磁直驱风力发电系统 中，发电机需要通过全功率变流器进行并网，受到电力电子器件容量的限制， 单套变流器的输送能力不能满足发电机的能量传送需求，将其输送到电网。 为突破这一限制，变流器的并联技术在风力发电系统中成为了研究热点。它 在不增加单个功率开关电流应力的条件下，采用并联技术使传送的总电流成 倍增加，使研发更高功率等级的风电变流器成为现实。这种并联技术，在风 机功率一定的情况下，可以采用功率等级更低的功率开关器件传送电流，大 大降低生产成本。同时，这种并联技术的方案便于模块化设计，它能拓宽功 率模块的使用范围，又能缩短生产周期。与载波相移(carrier phase shift， CPS)技术相结合，还能使并联后总电流的谐波大大降低，这样就可以采用小 容量的滤波器，进一步降低生产成本。变流器的并联技术使得N+1冗余设计 成为现实，它使系统的可靠性大大提高，与热拔插技术相结合，使系统具有 更大的优势。

在单套变流器系统中，由于不产生零序环流通道，不存在环流问题，而 在并联型变流器系统中，会产生严重的环流问题。环流在并联的变流器之间 流动，它的存在增加了损耗，降低了系统效率，使功率器件发热严重，甚至 烧毁。环流导致的不均流问题，使功率器件承受的电流应力不均衡，影响其 使用寿命，限制整套系统容量的增加；环流还会使三相电流产生畸变，使总 谐波畸变率(total harmonic distortion，THD)增大，导致风电系统不能满 足并网要求。此外，高频环流还会带来严重的电磁干扰(electromagnetic  interface，EMI)。

对于并联变流器系统中环流问题的解决主要有两种方式：一是在硬件上 消除环流通道，二是采用适当的控制方法来抑制环流。通常采用硬件方式消 除环流的方法为加隔离变压器，隔离变压器能够阻断交流侧的环流回路，消 除环流，同时，采用不同形式的副边结构的隔离变压器，可以消除特定次谐 波，降低对电网的污染。由于在工频下工作，通常隔离变压器的体积、重量 都很大，它会造成系统成本的增加，所以不适合用于大功率的永磁直驱风电 系统中。文献(李建林，高志刚，胡书举，等.并联背靠背PWM变流器在直 驱型风力发电系统的应用[J].电力系统自动化，2008，32(5)：59-62)提出 了独立直流母线的拓扑结构，它在硬件上消除了环流通道，解决了环流问题， 系统控制相对简单，但使用场合受限，只能用于具有电气隔离作用的六相电 机，当电机为常用的三相电机时仍存在严重的环流问题，且机侧环流与网侧 环流相互耦合。同时由于这种拓扑结构的直流母线分开，必须对两母线电压 分别加以控制，使得系统的体积增大，不利于模块化设计。文献(Yoshihiro  Komatsuzaki.Cross current control for parallel operating three phase  inverter[C].Power Electronics Specialists Conference，Taipei，China， 1994)和文献(S Fukuda，K Matsushita.A control method for  parallel-connected multiple inverter systems.Power Electronics and  Variable Speed Drive，London，England，1998)将并联变流器当作一个整 体来控制，它从控制方法上抑制了并联变流器的环流，但存在控制复杂的缺 陷，当更多模块并联时很难实现对其控制。

发明内容