一种基于DAB的H桥串并切换型强励变换器的控制方法技术

本发明专利技术提供了一种基于DAB的H桥串并切换型强励变换器的控制方法,其中网侧变换器的结构与传统的两电平型电压源型逆变器相同，其通过电感直接与电网相连接；转子侧变换器则由DAB、H桥模块和切换电路构成；通过本发明专利技术的技术方案，针对DFIG在低电压穿越时转子侧产生的感应电动势过大的问题，为保证其在电网发生故障时始终可控，根据构建强励变换器这一思想，提出了基于DAB的H桥串并切换型双馈强励变换器，即用DAB+H桥串并联的拓扑代替传统的转子侧变换器。在电网电压正常时变换器中H桥并联运行，以保证其稳态性能；电网深度故障时H桥串联运行，迅速提高转子侧交流输出能力。迅速提高转子侧交流输出能力。迅速提高转子侧交流输出能力。

【技术实现步骤摘要】
一种基于DAB的H桥串并切换型强励变换器的控制方法


[0001]本专利技术涉及电力控制
，具体而言，特别涉及一种基于DAB的H桥串并切换型强励变换器的控制方法。

技术介绍

[0002]在可再生能源中，风能具有无污染、可持续利用、储量大、分布广泛等优点，同时风电场造价相对便宜，成为世界范围内最受关注和发展最快的清洁能源。世界范围内风电装机容量稳步增长，同时2020年我国新增装机容量占世界总量的43%，中国已成为世界范围内最大的风电市场。
[0003]风电产业的大力发展对风电系统的安全性和稳定性提出了更高的要求。在目前风力发电系统的主流机型中，双馈风力发电机（Doubly
‑
Fed Induction Generator，DFIG）具有体积小、成本低，变流器容量小，系统可靠性高等优点，相比于另一种主流机型永磁同步发电机（Permanent Magnet Synchronous Generator，PMSG）需要大量成本较高的稀土永磁材料等不可再生资源而言，有着天然的优势。最新研究表明，风电机组应用于弱电网和直流输电时，在故障条件下向电网发出一定的有功功率更有利于系统的稳定。双馈风机因其成本低、体积小等优点成为陆上风电机组的主流机型，但其在电网故障时受电网电压影响较大。对于传统的双PWM变换器而言，低电压穿越和无功支撑能力较弱；而目前比较成熟的Crowbar+STATCOM的解决方案又会使变换器成本大大增加，也不能为电网提供有功支撑。双馈风机的低电压穿越和有功无功支撑问题成为制约其发展的重要因素。
[0004]严重电网故障的情况下，对于传统的背靠背双PWM变换器而言，存在电压输出能力不足的问题。特别是在高比例可再生能源的情景下，电网需要双馈风力发电系统对电网的安全运行做出更大的贡献。DFIG有这方面的潜力，但是传统的励磁变换器的脆弱性限制了这一潜力的发挥。严重电网故障时，为保护励磁变换器，需要额外增加附加装置，这些附加装置在对风机实现保护的同时，也影响了DFIG作用的发挥，使得DFIG在严重故障时成为旁观者或配角。因此需要对励磁系统进行改进。其中最简单的方法就是提高直流母线电压，但提高直流母线电压以后，会对双馈风机的性能有以下两方面的影响：
①
影响DFIG稳态性能。因DFIG正常运行时转差频率s较小（
‑
0.3<s<0.3），转子侧变换器的输出电压和频率与s成正比，所以都比较低，在接近同步速时极低。而频率和电压越低，直流母线电压越高，不但死区的影响越严重，转子输出电压波形畸变，进而影响定子侧发电的质量。
②
产生更大的dv/dt，即转子侧电感产生的反电势，加速转子绕组的绝缘老化，还有可能引起电磁干扰和漏电流问题。总之，为了较小概率发生的故障牺牲稳态运行性能是不可取的。因此，需要提出一种双馈强励变换器控制模式，使双馈风力发电机在稳态时以较低的电压和较高的效率运行，在电网故障时，能够迅速增大转子侧变换器的输出能力，保证其在电网故障期间的始终可控。

技术实现思路

[0005]为了弥补现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于DAB的H桥串并切换型强励变换器的控制方法。
[0006]本专利技术是通过如下技术方案实现的：一种基于DAB的H桥串并切换型强励变换器的控制方法，其中网侧变换器的结构与传统的两电平型电压源型逆变器相同，其通过电感直接与电网相连接；转子侧变换器则由DAB、H桥模块和切换电路构成；网侧变换器控制，用于保持直流母线电压的稳定、并网电流的正弦；采用传统的d轴电网电压矢量定向的电压电流双闭环控制；双有源桥控制，通过控制双有源桥的移相角φ控制传输的功率，以输出电压U
o
作为控制目标，对其进行电压闭环控制；H桥串并联控制，H桥及其串并联切换电路的每个功率单元为单个H桥；当H桥为并联模式时，各个H桥模块并联运行，直流输入侧接多个独立的直流源，各个H桥输出相同的方波信号；当H桥为串联模式时，若干个H桥的输出首尾依次级联，根据开关信号的不同，输出方波或阶梯波；双馈风机定子电压定向矢量控制，采用基于定子电压定向的控制策略，当电网电压正常时，给定系统的有功和无功功率，然后通过功率指令计算内环的电流指令，并与反馈值作差经过PI调节，加入电网电压前馈再通过坐标变换得到转子的电压指令，每相并联H桥采用均压控制，经过调制输出至H桥的开关PWM信号；所述网侧变换器控制策略的步骤为：A1、将网侧变换器模型在以同步速
휔1旋转的dq坐标系中的数学模型为：（1
‑
1）其中：u
gd
、u
gq
分别是电网电压的d轴、q轴分量；i
gd
、i
gq
分别是输入电流的d轴、q轴分量；v
gd
、v
gq
分别是变换器中三相全控桥交流侧输出电压的d轴、q轴分量；g
d
、g
q
分别是开关函数的d轴、q轴分量；ω1为电网电压的角频率；A2、若将d轴定向为电网电压矢量，则式（1
‑
1）变为（1
‑
2）A3、在稳态运行时，每个状态变量的导数为零，便得到其稳态公式：（1
‑
3）（1
‑
4）
A4、若不考虑进线处电网电阻R
g
的压降，则公式（1
‑
3）可简化为：（1
‑
5）因此，（1
‑
6）A5、在恒幅值变换的条件下，为了使PWM变换器不发生过调制，需要满足：（1
‑
7）即：（1
‑
8）此式给出了直流母线电压的最低值；A6、在所规定的电流i
ga
、i
gb
、i
gc
的正方向下，网侧变换器向电网发出的有功功率和无功功率可以表示为：（1
‑
9）（1
‑
10）A7、在d轴定向于电网电压矢量的dq同步旋转坐标系中，（1
‑
11）（1
‑
12）控制网侧变换器电流的dq轴分量，即可控制其双向传输的功率大小；所述双有源桥控制策略分为六个阶段，具体步骤为：B1、t0−
时刻：假设此时的电感电流为（2
‑
1）t0~t1时：电感电流值为：（2
‑
2）t1~t2时：电感电流值为：（2
‑
3）t2~t3时：电感电流值为：（2
‑
4）t3~t4时：电感电流值为：（2
‑
5）t4~t5时：电感电流值为：（2
‑
6）t5~t6时：电感电流值为：（2
‑
7）B2、流动的瞬时功率p
i
表示为：（2
‑
8）
B3、对其在步骤B1的六个阶段状态中进行分段积分，得周期内平均功率P
i
：（2
‑
9）定义k=nU0/U1，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于DAB的H桥串并切换型强励变换器的控制方法，其特征在于，其中网侧变换器的结构与传统的两电平型电压源型逆变器相同，其通过电感直接与电网相连接；转子侧变换器则由DAB、H桥模块和切换电路构成；网侧变换器控制，用于保持直流母线电压的稳定、并网电流的正弦；采用传统的d轴电网电压矢量定向的电压电流双闭环控制；双有源桥控制，通过控制双有源桥的移相角控制传输的功率，以输出电压U
o
作为控制目标，对其进行电压闭环控制；H桥串并联控制，H桥及其串并联切换电路的每个功率单元为单个H桥；当H桥为并联模式时，各个H桥模块并联运行，直流输入侧接多个独立的直流源，各个H桥输出相同的方波信号；当H桥为串联模式时，若干个H桥的输出首尾依次级联，根据开关信号的不同，输出方波或阶梯波；双馈风机定子电压定向矢量控制，采用基于定子电压定向的控制策略，当电网电压正常时，给定系统的有功和无功功率，然后通过功率指令计算内环的电流指令，并与反馈值作差经过PI调节，加入电网电压前馈再通过坐标变换得到转子的电压指令，每相并联H桥采用均压控制，经过调制输出至H桥的开关PWM信号；所述网侧变换器控制策略的步骤为：A1、将网侧变换器模型在以同步速
휔1旋转的dq坐标系中的数学模型为：（1
‑
1）其中：u
gd
、u
gq
分别是电网电压的d轴、q轴分量；i
gd
、i
gq
分别是输入电流的d轴、q轴分量；v
gd
、v
gq
分别是变换器中三相全控桥交流侧输出电压的d轴、q轴分量；g
d
、g
q
分别是开关函数的d轴、q轴分量；ω1为电网电压的角频率；A2、若将d轴定向为电网电压矢量，则式（1
‑
1）变为（1
‑
2）A3、在稳态运行时，每个状态变量的导数为零，便得到其稳态公式：（1
‑
3）（1
‑
4）A4、若不考虑进线处电网电阻R
g
的压降，则公式（1
‑
3）可简化为：
（1
‑
5）因此，（1
‑
6）A5、在恒幅值变换的条件下，为了使PWM变换器不发生过调制，需要满足：（1
‑
7）即：（1
‑
8）此式给出了直流母线电压的最低值；A6、在所规定的电流i
ga
、i
gb
、i
gc
的正方向下，网侧变换器向电网发出的有功功率和无功功率可以表示为：（1
‑
9）（1
‑
10）A7、在d轴定向于电网电压矢量的dq同步旋转坐标系中，（1
‑
11）（1
‑
12）控制网侧变换器电流的dq轴分量，即可控制其双向传输的功率大小；所述双有源桥控制策略分为六个阶段，具体步骤为：B1、t0−
时刻：假设此时的电感电流为（2
‑
1）t0~t1时：电感电流值为：（2
‑
2）t1~t2时：电感电流值为：（2
‑
3）t2~t3时：电感电流值为：（2
‑
4）t3~t4时：电感电流值为：（2
‑
5）t4~t5时：电感电流值为：（2
‑
6）t5~t6时：电感电流值为：（2
‑
7）B2、流动的瞬时功率p
i
表示为：（2
‑
8）B3、对其在步骤B1的六个阶段状态中进行分段积分，得周期内平均功率P
i
：
（2
‑
9）定义k=nU0/U1，即副边折算至原边以后的电压和原边电压的比值，可得在整个周期内传输功率的平均值为：（2
‑
10）将Ts=1/f带入到式（2
‑
10）中，可得（2
‑
11）可将二者统一为：（2
‑
12）B4、根据（2
‑
12）式，绘制单移相控制时传输功率和移相角的关系功率传输方向取决于移相角φ，时，除以输入电压U
i
，就能够得到输出电流的有效值：（2
‑
13）由于I
rms
是的单调函数，得到：（2
‑
14）控制双有源桥的移相角即可控制输出电流的有效值I
rms
，从而控制传输功率；B5、变换器传输的最大功率值表示为：（2
‑
15）根据式（2
‑
13），电流最大值I
max
表示为：（2
‑
16）B6、双有源桥的传递函数表示为：（2
‑
17）
输出直流电压U
o
与输出电流i
o
之间的传递函数为：（2
‑
18）为得到原边电流I
rms
的指令值，将输出电压指令与采样得到的电压值作差，得到误差信号err，再经过PI调节器得到DAB原边的电流指令值，即：（2
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：徐峻涛，赵仁德，孟超，刘元兵，张成义，苏恒，侯振，尹骁，何金奎，严庆增，胡慧慧，韩长忠，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：