用于风力涡轮机中的双馈感应发电机的转子侧变流器的控制系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及一种针对电网中的扰动用于风力涡轮机中的双馈感应发电机的转子侧变流器的控制方法。本发明专利技术还涉及一种用于风力涡轮机中的双馈感应发电机（1）的转子侧变流器（2）的控制系统（11），其特征在于，它包括计算单元（202），计算单元（202）被配置成用于计算至少一个参考电流（i

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于风力涡轮机中的双馈感应发电机的转子侧变流器的控制系统和方法


[0001]本专利技术的目的是一种针对电网中的扰动的用于风力涡轮机中的双馈感应发电机的转子侧变流器（converter）的控制系统和方法。

技术介绍

[0002]针对风力发电机中的双馈感应发电机（DFIG）的转子侧变流器，存在多种多样的控制器，这些控制器可以被分组成经典矢量控制、双矢量控制和直接控制控制器。
[0003]矢量控制（VC）是最常用的技术，并且它需要脉宽调制器（PWM）。与所述调制器的组合提供了恒定的开关频率和低电流谐波含量。这在出版物“R. Pena，J. C. Clare and G. M. Asher，“Doubly fed induction generator using back
‑
to
‑
back PWM converters and its application to variable
‑
speed wind
‑
energy generation，”in IEE Proceedings
‑
Electric Power Applications，vol. 143，no. 3，pp. 231
‑
241，May 1996”中是已知的。在通常的操作状况下，矢量控制操作是可接受的，但是在故障或意外事故状况（诸如例如，电压骤降（dip）和过压（overvoltage））下，矢量控制操作提供了较差的性能。
[0004]双矢量控制（DVC）向原始矢量控制（VC）添加了第二个控制器，以便调节负序列（negative sequence），诸如在出版物“M. Chomat，J. Bendl and L. Schreier，“Extended vector control of doubly fed machine under unbalanced power network conditions，”2002 International Conference on Power Electronics，Machines and Drives（Conf. Publ . No. 487），2002，pp. 329
‑
334”中描述的那样。最近的一些工作已经利用替代结构或参考生成而改进了双矢量控制（DVC），以用于最小化DC总线和扭矩（torque）中的振荡。然而，已知的矢量控制或双矢量控制技术都无法在热限制的前提下充分利用变流器性能或优化其操作，并且在最严重的不平衡骤降中，它们都无法提供对负序列的完全调节能力。
[0005]专利申请US 2010/117605 A1公开了一种用于操作具有双馈的异步电动机的方法和设备，该异步电动机具有连接到电网的定子和连接到逆变器的转子。所述逆变器被设计成使得它施加（impress）针对转子中的电气变量的目标值。该方法允许瞬态电网电压改变期间发生的扭矩中的主动减小。
[0006]专利申请US 2019/140569 A1描述了用于操作具有双馈感应发电机的功率系统的系统和方法，功率系统包括具有线路侧变流器、DC链路、以及转子侧变流器的功率变流器。转子侧变流器被配置成将DC链路上的DC功率转换成用于转子总线的AC信号。一个或多个控制设备被配置成在过调制方案（overmodulation regime）中操作转子侧变流器，以提供用于转子总线的AC信号。
[0007]对直接控制（其群组中可以包括滞环控制（hysteresis control））的使用在DFIG变流器中非常广泛。与诸如矢量和双矢量控制之类的线性控制形成对照，直接控制不一定使用脉宽调制器（PWM），由此开关频率是可变的，并且这些通常也快得多。已知系统使用功
率直接控制以用于最小化定子中的有功和无功功率纹波（ripple），以及用于正常操作状况。然而，所述系统需要高计算负荷，这是因为功率质量否则将被严重地影响，这是会被电网法规（GC）严厉惩罚的事情。
[0008]对直接控制的应用在电网故障的短暂（transitory）状况下更加有意义。定子有功和无功功率直接控制系统也是已知的，以便获得定子中的正弦电流、在不平衡故障期间对扭矩纹波或恒定有功功率的最小化、以及以在转子电流中具有快速动态性为目标的可变带滞环控制系统。
[0009]分布式发电电力系统的互连由所述电网法规（GC）来规定。除了其他要求之外，电网法规还涉及低电压（LVRT）和高电压（HVRT）穿越（ride through），其中发电单元（generating unit）不仅必须保持连接，而且它还将无功电流注入到正序列中，以便抵消扰动。在该类型的要求中，电网法规（GC）关于动态响应（被注入的序列数量以及响应时间）、故障简档、以及连续故障数量要求越来越高。
[0010]由于定子绕组与电网之间的直接连接（见图1），基于双馈感应发电机（DFIG）的风力发电机对电网电压中的扰动尤其敏感。因此，在其中电网电压突然改变的电压骤降和过压期间，由于发电机的新磁化工作点，产生了定子和转子中的高瞬态电流。随着发电单元的标称功率增加，这些电流的量值变得危险地接近现有低压功率电子半导体——绝缘栅双极型晶体管（IGBT）——的极限拉伸强度，从而迫使该设备在扰动期间断开，并且因此未遵守主要电网法规（GC）要求。此外，这些瞬态电流的存在限制了为了遵守动态要求的变流器控制，这是由于它需要来自转子的大量电压。
[0011]在非对称故障（例如，两相电压下降）的情况下，该电力系统还必须面对负序列电压和电流的存在。基于DFIG的系统中的负序列的调节并不容易，这是由于它需要更高的转子电压，如在上面引用的出版物“R. Pena，J. C. Clare and G. M. Asher，“Doubly fed induction generator using back
‑
to
‑
back PWM converters and its application to variable
‑
speed wind
‑
energy generation，”in IEE Proceedings
‑
Electric Power Applications，vol. 143，no. 3，pp. 231
‑
241，May 1996”中阐述的那样。如果变流器的控制算法无法正确地调节负序列，则该电气系统（变流器、发电机、变压器和分配器）必须承受不必要的高转子和定子稳态电流、以及对斩波器的过度使用。因此，该系统面对幅度和/或持续时间上的严重故障以及连续故障的能力被严重地限制。此外，在针对连接到高压电网的风场的德国电网法规（标准[2] VDE）的特定情况下，与无功电流在正序列中的上述注入类似，发电单元也必须将无功电流注入到负序列中。
[0012]总之，当面对LVRT和HVRT要求时，基于DFIG的风力涡轮机本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于风力涡轮机中的双馈感应发电机（1）的转子侧变流器（2）的控制系统（11），其特征在于，它包括：
•ꢀ
计算单元（202），其被配置成用于计算至少一个参考电流（i
*r
），以及
•ꢀ
电流控制器（203），其是被配置成在如下两种不同模式中操作的混合控制器：第一操作模式，优选地在电网中的扰动的瞬变期间来设置，其中电流控制器（203）被配置成以处于线性区域之外的调制指数进行操作，以及第二操作模式，优选地在电网中的扰动的稳态期间来设置，其中电流控制器（203）被配置成以处于线性区域内部的调制指数进行操作，由此即刻提供转子中可用的最大电压（106），以便满足所述至少一个参考电流（i
*r
）。2.根据权利要求1所述的用于风力涡轮机中的双馈感应发电机（1）的转子侧变流器（2）的控制系统（11），其特征在于，在第一操作模式中，电流控制器（203）被配置成作为直接或滞环数字控制器进行操作，所述直接或滞后数字控制器在控制采样时间中的每一个处提供两级或更多级变流器中可用的脉宽调制（PWM）矢量中的一个。3.根据权利要求1或2中任一项所述的用于风力涡轮机中的双馈感应发电机（1）的转子侧变流器（2）的控制系统（11），其特征在于，在第二操作模式中，电流控制器（203）被配置成作为在变流器的线性区域内命令控制动作的控制器进行工作，从而将转子电流控制到期望值。4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于风力涡轮机中的双馈感应发电机（1）的转子侧变流器（2）的控制系统（11），其特征在于，它包括调制块，所述调制块被配置成在第一操作模式中以可变开关频率进行操作。5.根据权利要求4所述的用于风力涡轮机中的双馈感应发电机（1）的转子侧变流器（2）的控制系统（11），其特征在于，所述调制块被配置成在第一操作模式中以可变的并且与电流中的误差成反比的开关频率进行操作。6.根据权利要求1至3中任一项所述的用于风力涡轮机中的双馈感应发电机（1）的转子侧变流器（2）的控制系统（11），其特征在于，所述调制块被配置成根据第二操作模式以恒定开关频率进行操作。7.根据前述权利要求中任一项所述的用于风力涡轮机中的双馈感应发电机（1）的转子侧变流器（2）的控制系统（11），其特征在于，电流控制器（203）还被配置成用于利用定子参考电流来控制定子电流（104）。8.根据前述权利要求中任一项所述的用于风力涡轮机中的双馈感应发电机（1）的转子侧变流器（2）的控制系统（11），其特征在于，电流控制器（203）还被配置成用于利用线路电流参考来控制风力涡轮机的线路电流（105）。9.根据前述权利要求中任一项所述的用于风力涡轮机中的双馈感...

【专利技术属性】
技术研发人员：M，
申请(专利权)人：西门子歌美飒可再生能源创新与技术有限公司，
类型：发明
国别省市：