级联H桥中压风电变流器故障重构优化控制方法技术

本发明专利技术提供了一种级联H桥中压风电变流器故障重构优化控制方法，该方法应用在与中压永磁直驱同步发电机相连的级联H桥变流器中，级联H桥中压风电变流器的每相包括：N个功率单元；N为大于1的正整数，方法包括：变流器故障监测系统获取变流器每相故障功率单元信息；由此确定中性点偏移电压与级联H桥中压风电变流器在对应故障状态下的最大输出电压；根据故障状态与风速、发电机输出功率信息，确定最佳桨距角，以使对应故障状态下中压永磁直驱同步发电机的输出功率最大。本发明专利技术使得在级联H桥中压风电变流器故障状态下，既能使变流器输出电压平衡，又能使风电机组输出功率最优。

Optimal control method for fault reconstruction of cascaded H bridge medium pressure wind power converter

The present invention provides a medium voltage cascade H bridge wind power converter fault reconstruction optimization control method of cascade H bridge converter, the method is used in medium voltage direct drive permanent magnet synchronous generator connected in cascade H bridge voltage wind power converter is a power unit including: N; N is a positive integer, 1 methods: more than a fault monitoring system of converter converter power unit gets each phase of fault information; the neutral offset voltage and medium voltage cascade H bridge wind power converter maximum output voltage in the corresponding fault condition; according to the fault state and wind speed and the generator output power information, determine the optimum pitch angle, so that the corresponding fault condition of medium voltage direct drive permanent magnet synchronous generator output power maximum. This invention can make the output voltage balance of the converter and the optimal output power of the wind turbine in the failure state of the voltage wind power converter in the cascaded H bridge.

【技术实现步骤摘要】
级联H桥中压风电变流器故障重构优化控制方法
本专利技术涉及变流器控制
，具体地，涉及级联H桥中压风电变流器故障重构优化控制方法。
技术介绍
随着海上风电的发展，风机容量趋向大型化，为解决低压风电机组出口电流过大的问题，大容量中压海上风力发电机组成为发展趋势。级联H桥型变流器由于其模块化设计及可规模化生产的特点，在中压变频传动领域得到广泛推广应用。把传统级联H桥变流器拓扑中的二极管用绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT)替代，形成能馈型级联H桥变流器。低速永磁直驱风力发电机具有无齿轮箱，易维护，变速范围广的特性，在海上风电中极具应用价值。本专利技术研究对象为用于中压永磁直驱发电机的能馈型级联H桥变流器，后文称为级联H桥式中压风电变流器，其拓扑如图1所示。级联H桥式中压风电变流器虽然可以实现低压开关器件的中压应用，但随着电平数的增多，电路拓扑结构和控制的复杂性增加，使变流器的可靠性降低。级联型变流器一个显著的优点是当某个功率单元故障时，可以采用旁路方式从系统中切除故障单元，避免系统停运。而当故障单元被旁路后，变流器最大输出电压可能不平衡，产生负序电流，对发电机造成损害。其中一种解决方案是找出故障单元数最多的一相，在剩余两相切除相同数量的单元(包括正常单元)，这种方式称为同级旁路。该方案虽然容易实现，缺点也很明显，此时变流器输出电压降低，无法达到额定输出电压，对于永磁直驱发电机而言，定子电压降低将限制发电机转速上限，造成发电机能够进行最大风能跟踪的风速区间变小，减小了故障状态下风电机组发电功率上限，损失了风力发电机的部分发电能力。另一种解决方案为增加冗余功率单元，若正常设计时变流器每相有N个功率单元，考虑到其容错性，设计每相单元数为N+M，则当每相故障单元不超过M个时，发电机不需降额进行。该方案增加系统硬件成本，且当每相故障单元数超过M个时依然面临着发电功率受限的情况。中性点偏移方式可以实现在不增加系统硬件设备情况下，使级联H桥型变流器故障时输出最大的平衡线电压，但是该方式从未在风电变流器中得到应用。同时，当变流器有数个功率模块发生比较严重的故障时，即使采用中性点偏移方式，变流器输出平衡线电压也是偏小的，从而限制了发电机转速上限，此时，随着风速的增大，叶尖速比下降明显，而叶尖速比影响风能利用系数，造成在桨距角β＝0时，风电机组不能达到最优的输出功率。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种级联H桥中压风电变流器故障重构优化控制方法。根据本专利技术提供的级联H桥中压风电变流器故障重构优化控制方法，应用在中压永磁直驱同步发电机中，所述级联H桥中压风电变流器的每相包括：N个功率单元；N为大于1的正整数，所述方法包括：通过变流器故障监测系统获取变流器每相功率单元故障信息，确定变流器故障状态；获取中性点偏移电压与级联H桥中压风电变流器在对应故障状态下的最大输出电压；根据变流器故障状态与风速、发电机输出功率信息，通过查表法获取最佳桨距角信息；根据所述最大输出电压与最佳桨距角，以使对应故障状态下中压永磁直驱同步发电机的输出功率最大。可选地，还包括：在所述中压永磁直驱同步发电机的转速达到额定转速之前，获取所述级联H桥中压风电变流器三相输出电压的相位角；具体的，假设N1为变流器星型点，则变流器相对N1输出相电压可以表示为：ua1＝Amsin(ωt+θa)ub1＝Bmsin(ωt+θa-θab)uc1＝Cmsin(ωt+θa+θac)式中：Am、Bm与Cm分别表示A相电压的幅值、B相电压的幅值、C相电压的幅值，θa表示A相的相位角，θa-θab表示B相的相位角，θa+θac表示C相的相位角；ua1表示变流器输出A相电压，ub1表示变流器输出B相电压，uc1表示变流器输出C相电压，θab表示变流器输出A相、B相之间相角差，θac表示变流器输出A相、C相之间相角差，ω表示变流器输出电压角频率，t表示时间；则：可选地，若所述级联H桥中压风电变流器的A相、B相、C相这三相中故障器件的数目分别是Na、Nb与Nc，归一化后得到：△2＝Am2+Bm2+Cm2Π4＝Am2Bm2+Bm2Cm2+Am2Cm2N1相对于N0偏移电压un为：un＝Unsin(ωt+θn)式中：N0表示发电机中性点，Um表示相电压峰值，UL表示线电压峰值，Un表示偏移电压峰值，θn表示偏移电压相角；确定中性点偏移电压与级联H桥中压风电变流器在对应故障状态下的最大输出电压。可选地，还包括：在所述中压永磁直驱同步发电机的转速达到故障下额定转速之后，启用变桨控制方式，具体的：第一变桨控制阶段：采用查表法选择桨距角，以获取风力机在当前风速状况下最优的风能利用率Cp；第二变桨控制阶段：当发电机输出功率达到最大功率后，采用查表法调整桨距角，以使所述中压永磁直驱同步发电机的输出功率保持在故障状态下的最大值。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：本专利技术提供的级联H桥中压风电变流器故障重构优化控制方法，通过中性点偏移与优化的桨距角控制结合的控制方式，使得在级联H桥中压风电变流器故障状态下，既能使变流器输出电压平衡，又能使风电机组输出功率最优。具体的，在变流器故障状态下，本专利技术中的方法提升了变流器最大输出线电压，并保证其平衡，不含有负序分量电流；并使得永磁直驱同步风力发电机组达到最优风能捕获功率。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为永磁直驱同步发电机、级联H桥中压风电变流器以及升压变压器组合而成的拓扑结构示意图；图2为功率单元旁路拓扑结构示意图；图3为中性点偏移矢量图；图4为Cp-λ曲线示意图；图5为优化变桨控制框图；图6(a)为采用优化的变桨控制前后发电机输出功率示意图；图6(b)为采用优化的变桨控制前后发电机风能利用系数示意图；图6(c)为采用优化的变桨控制前后桨距角与风速的关系示意图；图7为采用同级旁路、中性点偏移控制以及正常运行时的发电机输出功率示意图；图8(a)为当前风速下发电机相电压的示意图；图8(b)为当前风速下发电机线电压的示意图。图8(c)为当前风速下发电机相电流的示意图；图8(d)当前风速下发电机输出功率的示意图；图9(a)为采用优化变桨控制前后风电系统中发电机相电流的示意图；图9(b)为采用优化变桨控制前后风电系统中发电机输出功率示意图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。本专利技术提供的级联H桥中压风电变流器故障重构优化控制方法，应用在海上大容量中压永磁直驱同步发电机的变流器中，实现能馈型级联H桥风电变流器子模块故障隔离后优化控制。具体的，在单个功率单元模块增加一个旁路开关，实现故障子单元旁路，如图2所示，变流器正常运行时，旁路开关打开，当检测到某功率单元故障时，使相应单元的旁路开关闭合短路该子模块。设变流器每相有N个功率单元，当变流器正常运行时，每相最大输出电压为Um，若变流器中A相有M个故障单元，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种级联H桥中压风电变流器故障重构优化控制方法，其特征在于，应用在中压永磁直驱同步发电机中，所述级联H桥中压风电变流器的每相包括：N个功率单元；N为大于1的正整数，所述方法包括：通过变流器故障监测系统获取变流器每相功率单元故障信息，确定变流器故障状态；获取中性点偏移电压与级联H桥中压风电变流器在对应故障状态下的最大输出电压；根据变流器故障状态与风速、发电机输出功率信息，通过查表法获取最佳桨距角信息；根据所述最大输出电压与最佳桨距角，以使对应故障状态下中压永磁直驱同步发电机的输出功率最大。

【技术特征摘要】
1.一种级联H桥中压风电变流器故障重构优化控制方法，其特征在于，应用在中压永磁直驱同步发电机中，所述级联H桥中压风电变流器的每相包括：N个功率单元；N为大于1的正整数，所述方法包括：通过变流器故障监测系统获取变流器每相功率单元故障信息，确定变流器故障状态；获取中性点偏移电压与级联H桥中压风电变流器在对应故障状态下的最大输出电压；根据变流器故障状态与风速、发电机输出功率信息，通过查表法获取最佳桨距角信息；根据所述最大输出电压与最佳桨距角，以使对应故障状态下中压永磁直驱同步发电机的输出功率最大。2.根据权利要求1所述的级联H桥中压风电变流器故障重构优化控制方法，其特征在于，还包括：在所述中压永磁直驱同步发电机的转速达到额定转速之前，获取所述级联H桥中压风电变流器三相输出电压的相位角；具体的，假设N1为变流器星型点，则变流器相对N1输出相电压可以表示为：ua1＝Amsin(ωt+θa)ub1＝Bmsin(ωt+θa-θab)uc1＝Cmsin(ωt+θa+θac)式中：Am、Bm与Cm分别表示A相电压的幅值、B相电压的幅值、C相电压的幅值，θa表示A相的相位角，θa-θab表示B相的相位角，θa+θac表示C相的相位角；ua1表示变流器输出A相电压，ub1表示变流器输出B相电压，uc1表示变流器输出C相电压，θab表示变流器输出A相、B相之间相角差，θac表示变流器输出A相、C相之间相角差，ω表示变流器输出电压角频率，t表示时间；则：

【专利技术属性】
技术研发人员：张建文，李鑫，蔡旭，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31