[发明专利]一种基于开绕组降容结构的风力发电系统及其控制方法

说明书

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种基于开绕组降容结构的风力发电系统及其控制方法。

背景技术

风能作为一种清洁的可再生能源，近年来受到世界各国的高度重视。风能蕴藏量巨大，随着风能的开发利用，全球的风力发电连续多年来保持快速、持续的增长。永磁直驱式风电机组具有可靠性高、结构简单、维护成本低、并网适应性强等优点，特别适合用作大功率海上风力发电机组。

传统的永磁同步风电系统结构如图1所示，其主要由风力发电机、机侧变流器以及网侧变流器组成。系统由风轮带动永磁发电机的转子转动，从而实现机械能向电能的转换，直流母线上并联直流母线电容，网侧变流器通过一组变压器将电能馈入电网。在将捕获的风能以电能的形式馈入电网的过程中，只需要根据要求控制机侧变流器与网侧变流器上的开关器件的导通关断，即可达到控制目的。

对于传统的永磁同步风电系统结构来说，需要全功率的变流器才能保证系统的正常运行。在使用两电平的变流器时，一方面会给电流带来一定的谐波分量，另一方面，随着风机容量的不断增加，全功率变流器制作的成本会大幅提升。使用全功率的变流器时，会给开关器件带来较大的电压应力，降低开关器件的寿命。在现有的技术方案里面，有人提出利用开关器件的串联来分担电压应力，但是如何实现器件开通关断的同步性成为一个很大的技术难题；且采用多个大功率的全控器件，相应的也会增加系统的成本。

有人提出用不控整流桥对永磁风力发电机进行控制。但这种结构需要在不控整流桥后端加上一个DC/DC(直流/直流)变换装置对直流母线电压进行稳定控制。这种结构一方面会增大控制系统拓扑结构的体积大小，另一方面也会给风力发电机的相电流带来很大的谐波含量。另外一种被提出的方案是采用半控型变流器对电机进行控制；但是对于这种半控的结构，对电机相电流的控制仅限于半周期，虽然这种结构能降低变流器中可控器件的数量，但是其带来的电流谐波含量也十分丰富，影响了风力发电机的控制效果。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种基于开绕组降容结构的风力发电系统及其控制方法，其利用一小容量全控变流器和一不控整流桥，实现对开绕组电机的控制，进而降低变流器容量。

一种基于开绕组降容结构的风力发电系统，包括：一台风力发电机、两台机侧变流器和一个控制器；

所述的机侧变流器为三相六桥臂结构，其中：第一机侧变流器每个桥臂由至少一个不控型器件串联组成，第二机侧变流器每个桥臂由至少一个全控型器件串联组成；

所述的风力发电机具有三相绕组；任一相绕组的一端与第一机侧变流器中对应相上下桥臂的中心接点相连，另一端与第二机侧变流器中对应相上下桥臂的中心接点相连；

所述的控制器用于采集风力发电机的端电压和相电流以及第二机侧变流器的直流母线电压，并根据这些信号构造出一组PWM(脉冲宽度调制)信号以对第二机侧变流器进行控制。

优选地，所述的机侧变流器直流输出侧并联有母线电容；能够维持恒定的直流电压。

优选地，两台机侧变流器的直流输出侧与同一母线电容并联；使得系统只需用一套网侧变流器即能实现直交转换。

所述的不控型器件采用二极管；所述的全控型器件采用IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、IGCT(集成门极换流晶闸管)、MOSFET(金氧半场效晶体管)、GTO(门控晶闸管)等，优选采用IGBT。

所述的控制器采用DSP(数字信号处理器)。

上述风力发电系统的控制方法，包括如下步骤：

(1)采集风力发电机的端电压和相电流以及第二机侧变流器的直流母线电压；根据所述的端电压和相电流利用反电势估测法估算出风力发电机的转速和转子位置角，进而根据所述的转子位置角对相电流进行dq变换(同步旋转坐标变换)，得到相电流的有功轴电流分量和无功轴电流分量；

(2)根据所述的转速、有功轴电流分量和无功轴电流分量计算出风力发电机的实际输出功率、有功轴电压补偿量和无功轴电压补偿量；

(3)根据所述的实际输出功率、有功轴电流分量、无功轴电流分量、有功轴电压补偿量和无功轴电压补偿量，通过基于无功轴电流为零的矢量控制算法计算出有功轴电压指令和无功轴电压指令；

(4)根据所述的有功轴电压指令、无功轴电压指令以及第二机侧变流器的直流母线电压，利用SVPWM(空间矢量脉宽调制)方法生成一组PWM(脉冲宽度调制)信号以对第二机侧变流器进行控制。

所述的步骤(2)中，通过以下公式计算风力发电机的实际输出功率、有功轴电压补偿量和无功轴电压补偿量：