风力发电系统共模电压抑制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种风力发电系统共模电压抑制方法，发电机的定子绕组经变压器连接到电网，转子绕组通过机侧变流器MSC将频率变化的交流电能变换为直流电能，再经过网侧变流器GSC直流电能变换为固定频率的交流电能,经变压器连接到电网；通过控制功率变换器调节电机转子电流,实现电机转速变化的条件下,电机输出频率恒定的电能；MSC和GSC控制中两个PWM模块，根据电压给定，选择电压空间矢量，生成变流器的功率开关信号，在已有变流器PWM模块的基础上，机侧和网侧变流器电压空间矢量调制综合考虑，协调选择零电压矢量进行调制，有效降低系统共模电压。方法简单易行、行之有效，经济实用。

Common mode voltage suppression method for wind power generation system

The invention relates to a common mode voltage suppression method for wind power generation system. The stator windings of the generator are connected to the power grid through a transformer. The rotor winding through the machine side converter MSC transforms the alternating current energy of the frequency to the DC power, and then passes through the DC power of the network side converter GSC to the fixed frequency alternating current energy, through the transformer. Connect to the power grid; by controlling the power converter to adjust the motor rotor current and realize the electric energy of constant output frequency of the motor under the condition of the motor speed change; two PWM modules in MSC and GSC control, select the voltage space vector according to the given voltage, generate the power switch signal of the converter, in the base of the existing converter PWM module Based on the comprehensive consideration of the voltage space vector modulation of the converter side and the grid side, a zero voltage vector is selected to modulate the system effectively to reduce the common mode voltage of the system. The method is simple, effective, economical and practical.

【技术实现步骤摘要】
风力发电系统共模电压抑制方法
本专利技术涉及一种电机控制技术，特别涉及一种风力发电系统共模电压抑制方法。
技术介绍
兆瓦级风力发电机和变流器系统，因采用电压脉宽调制(PWM)导致系统的共模电压高,引起过高的轴电流,容易造成轴承电腐蚀损坏；共模电压过高还会对电机绕组绝缘造成损坏，影响电机绕组绝缘寿命和失效率。共模电压过高也可能造成电气系统电磁干扰(EMI)和电磁兼容(EMC)的问题；如果有大量零序电流流通还会引起不必要的系统零序电流损耗。
技术实现思路
本专利技术是针对兆瓦级风力发电机采用电压脉宽调制导致系统共模电压高的问题，提出了一种风力发电系统共模电压抑制方法，通过改变控制方法，降低兆瓦级风力发电机和变流器系统的共模电压，从而大大降低发电机轴承电腐蚀的发生，延长电机绕组的绝缘使用寿命，减小系统电磁干扰的危害，符合电磁兼容标准要求。本专利技术从共模电压过高的根源出发，通过改变PWM控制用于抑制系统共模电压，实际应用效果明显。本专利技术的技术方案为：一种风力发电系统共模电压抑制方法，发电机的定子绕组经变压器连接到电网，转子绕组通过机侧变流器MSC将频率变化的交流电能变换为直流电能，直流电压为UDC，再经过网侧变流器GSC直流电能变换为固定频率的交流电能,经变压器连接到电网；通过控制功率变换器调节电机转子电流,实现电机转速变化的条件下,电机输出频率恒定的电能；机侧变流器MSC和网侧变流器GSC控制中两个PWM模块，根据电压给定，选择电压空间矢量，生成变流器的功率开关信号，机侧变流器PWM模块将下一个周期要输出的电压矢量信息传递到网侧变流器的PWM模块，网侧变流器PWM模块也将下一个周期要输出的电压矢量信息传递到机侧变流器的PWM模块，当任意一个变流器需要输出零电压矢量时，依据下表以最小共模电压UNG为原则选择零电压矢量V0或V7输出，降低系统共模电压，本专利技术的有益效果在于：本专利技术风力发电系统共模电压抑制方法，使得高频共模电压的幅值大大降低；经过寄生电容流通的轴电流大大降低；轴承的电腐蚀现象大大减少；电机绕组的绝缘寿命延长，避免过早的失效；系统电磁辐射降低，电磁兼容性能改善；不改变硬件结构，软件修改易于实现成本低；变流器电压输出特性不会改变。简单易行、行之有效，经济实用，对提高风电机组的可靠性，降低维护成本，具有很大的经济价值和前景。附图说明图1为风力双馈异步发电机控制系统结构图；图2为风力双馈异步发电机控制系统示意图；图3为电压空间矢量图；图4为变流器输出电压和共模电压示意图；图5a为本专利技术方案实施前共模电压波形图；图5b为本专利技术方案实施后共模电压波形图；图6a为本专利技术方案实施前共模电压频谱图；图6b为本专利技术方案实施后共模电压频谱图；图7为本专利技术风力双馈异步发电机控制系统示意图。具体实施方式如图1所示风力双馈异步发电机控制系统结构图，风电机组通过叶片捕获风能转化为旋转的机械能，经过齿轮箱(Gearbox)变速后传递到一台三相双馈异步发电机(DFIG)。电机的定子(Stator)绕组经变压器(Transformer)连接到电网(Grid)，转子(Rotor)绕组通过机侧变流器(Machine-sideconverter,MSC)将频率变化的交流电能变换为直流电能，再经过网侧变流器(Grid-sideconverter,GSC)将直流电能变换为固定频率的交流电能,经变压器(Transformer)连接到电网(Grid)。通过控制功率变换器调节电机转子电流,实现电机转速变化的条件下,电机输出频率恒定的电能。图2所示为典型的双馈异步发电机风力发电控制系统的示意图，其中PWM模块的作用是根据电压给定，选择适当的电压空间矢量，生成变流器的功率开关信号。在图2的控制中机侧变流器MSC和网侧变流器GSC两个PWM模块相互独立，各自实现要求的输出电压，控制上没有相互关联。图3和图4为电压空间矢量图和变流器输出电压和共模电压示意图。机侧变流器输入三项为abc，机侧变流器输出三项为ABC，机侧变流器输出直流电压为UDC，1/2UDC处为o点，UNG为系统共模电压、UNO为机侧变流器共模电压、UGO为网侧变流器共模电压，通过分析可以得出如表1所示不同矢量调制下单个变流器输出共模电压关系，不同电压矢量作用下，单一变流器的输出共模电压值为UNO或UGO。当两个变流器(机侧变流器和网侧变流器)同时工作时，系统共模电压可由式UNG＝UNO-UGO推导得出如表2所示不同矢量调制下两个变流器系统共模电压关系。表1表2为了降低系统共模电压，本专利技术提出两个PWM模块相互关联的新方法，依据表2从系统整体考虑恰当选择变流器零电压矢量，从而实现系统共模电压大幅降低。在已有变流器PWM模块的基础上，机侧和网侧变流器电压空间矢量调制综合考虑，协调选择零电压矢量进行调制，有效降低系统共模电压。如图7所示本专利技术风力双馈异步发电机控制系统示意图，两个PWM模块连接通讯，在已有变流器PWM模块的基础上，机侧和网侧变流器电压空间矢量调制综合考虑，机侧变流器PWM模块将下一个周期要输出的电压矢量信息传递到网侧变流器的PWM模块，网侧变流器PWM模块也将下一个周期要输出的电压矢量信息传递到机侧变流器的PWM模块，协调选择零电压矢量进行调制有效降低系统共模电压。即当任意一个变流器需要输出零电压矢量时，依据表2以最小共模电压为原则选择零电压矢量(V0或V7)输出，可以降低系统共模电压。例如网侧变流器正在输出非零电压矢量V1，此时机侧变流器需要输出零电压矢量为V7，为了降低共模电压，此时机侧变流器输出调整为零电压矢量V0替代零电压矢量V7，这样共模电压幅值由2/3UDC降低为1/3UDC。例如网侧变流器正在输出零电压矢量V0，此时机侧变流器需要输出零电压矢量为V7，为了降低共模电压，此时机侧变流器输出调整为零电压矢量V7替代零电压矢量V0，这样共模电压幅值由UDC降低为0。因为两个零电压矢量V0和V7对输出电压作用一致，因而只调整替换零电压矢量，变流器电压输出特性不会改变。图5a\5b和图6a\6b对比了系统共模电压实施本专利技术前后时域和频域效果。可以看出本专利技术方案实施后，系统高频共模电压幅值有效降低。本实施例以双馈异步发电机风力发电系统为例说明，但本文描述并不限定于任何特定的风力发电系统。所述的PWM生成控制模块修改,适用于任何电机和变流器控制策略中使用到PWM生成模块,在上述实施例的基础上进行其他部分控制策略的改进或变形不影响本专利技术的实施和权利要求的保护范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种风力发电系统共模电压抑制方法，发电机的定子绕组经变压器连接到电网，转子绕组通过机侧变流器MSC将频率变化的交流电能变换为直流电能，直流电压为UDC，再经过网侧变流器GSC直流电能变换为固定频率的交流电能,经变压器连接到电网；通过控制功率变换器调节电机转子电流,实现电机转速变化的条件下,电机输出频率恒定的电能；机侧变流器MSC和网侧变流器GSC控制中两个PWM模块，根据电压给定，选择电压空间矢量，生成变流器的功率开关信号，其特征在于，机侧变流器PWM模块将下一个周期要输出的电压矢量信息传递到网侧变流器的PWM模块，网侧变流器PWM模块也将下一个周期要输出的电压矢量信息传递到机侧变流器的PWM模块，当任意一个变流器需要输出零电压矢量时，依据下表以最小共模电压UNG为原则选择零电压矢量V0或V7输出，降低系统共模电压，

【技术特征摘要】
1.一种风力发电系统共模电压抑制方法，发电机的定子绕组经变压器连接到电网，转子绕组通过机侧变流器MSC将频率变化的交流电能变换为直流电能，直流电压为UDC，再经过网侧变流器GSC直流电能变换为固定频率的交流电能,经变压器连接到电网；通过控制功率变换器调节电机转子电流,实现电机转速变化的条件下,电机输出频率恒定的电能；机侧变流器MSC和网侧变流器GSC控制中两个P...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘勇，邓恒，库尔特·安徒生，刘佳，
申请(专利权)人：远景能源江苏有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31