[发明专利]一种基于开绕组结构的风力发电高压直流并网系统及其控制方法

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结构的风力发电高压直流并网系统及其控制方法。

背景技术

能源是人类赖以生产、社会得以发展的重要物质基础，而随着煤炭、石油等不可再生能源的逐渐枯竭，并且煤炭和石油等带来的污染问题日趋严重，对世界各个国家来讲寻找新的清洁可再生能源已经是一个刻不容缓的任务。风能作为一种可再生新能源，由于其蕴藏量巨大，清洁无污染，具有广阔的开采前景。

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永磁同步风力发电机组。传统的永磁同步风电系统结构如图1所示，电机绕组单端出口，并且采用交流输电，工作时将机械能转换为电能，再通过机侧变流器和网侧变流器接入电网，通过控制两个变流器电力电子开关器件的通断，即可达到控制目的。

传统系统需要机侧和网侧两个全功率变流器才能保证其正常运行。其使用的两电平变流器，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，全功率变流器需要更大容量的电力电子开关器件，会大幅度增加系统成本。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，有通过开关管串联分压解决方案，但是存在开关管均压的技术难题，也有通过H桥级联方案，此方案存在系统结构复杂的缺点。同时，传统的系统采用三相交流输电，随着海上风电的容量不断增大，交流输电电缆线间的电容效应将会产生越来越大的损耗，因此不但限制了输电容量而且限制了输电距离。

基于以上考虑，有人提出了基于开绕组永磁同步电机的直流并网系统，如图2所示，该系统采用永磁同步电机进行发电，经过背靠背式的双PWM变流器，再经过交流升压器太高电压，最后通过整流器，将电能传输到直流母线，很容易看出该系统电能经过两个变流器，一个变压器和一个整流器四个环节并入直流电网，其具有复杂的结构和众多的设备导致系统运行效率低且成本高。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种基于开绕组结构的风力发电高压直流并网系统及其控制方法，结构简单，成本低。

一种基于开绕组结构的风力发电高压直流并网系统，包括：一台永磁同步风力发电机、两台机侧变流器J1～J2、两台直流升压器S1～S2和一控制器；所述的永磁同步风力发电机具有三相绕组，所述的机侧变流器采用三相全桥可控整流器；

所述的永磁同步风力发电机任一相绕组的一端与机侧变流器J1中对应相上下桥臂的中心接点相连，另一端与机侧变流器J2中对应相上下桥臂的中心接点相连；

机侧变流器J1的直流输出端与直流升压器S1的输入端对应连接，机侧变流器J2的直流输出端与直流升压器S2的输入端对应连接，直流升压器S1的输出端与直流升压器S2的输出端串联后并入直流输电母线；

所述的控制器用于采集永磁同步风力发电机的端电压、相电流以及两台机侧变流器的直流输出电压，进而通过控制策略构造出PWM信号以对两台机侧变流器以及两台直流升压器进行控制。

所述的机侧变流器的直流输出端并联有直流母线电容。

所述的直流升压器由一电抗器、一逆变器、一变压器和一整流器依次连接组成。

所述的逆变器采用单相全桥可控逆变器，所述的整流器采用单相全桥不控整流器，所述的变压器采用单相高频交流变压器。

上述风力发电高压直流并网系统的控制方法，包括如下步骤：

对于机侧变流器的控制：

A1.采集永磁同步风力发电机的端电压和相电流以及两台机侧变流器的直流输出电压，进而估算出永磁同步风力发电机的转速和转子位置角；

A2.利用所述的转子位置角对相电流进行dq变换，得到相电流的d轴分量和q轴分量；

A3.根据所述的转速以及相电流的d轴分量和q轴分量，计算出永磁同步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；进而根据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；

A4.对有功轴电压指令和无功轴电压指令进行分配，得到两台机侧变流器各自的有功轴电压指令分量和无功轴电压指令分量；进而通过SVPWM（空间矢量脉宽调制）技术构造得到两组PWM信号以分别对两台机侧变流器进行控制；

对于直流升压器的控制：

B1.对于任一台直流升压器，使该直流升压器所连接机侧变流器的直流输出电压与预设的直流参考电压进行比较，得到直流电压误差；