应用于风电并网的电流型多电平变流系统技术方案

一种应用于风电并网的电流型多电平变流系统，其特征在于该系统由主电路和控制电路组成，主电路又包括整流电路和逆变电路。本发明专利技术的优越性和技术效果在于：多电平变流系统具有功率容量大、开关频率低、输出谐波小以及电磁兼容性好等特点，使得变流系统在增大容量的同时改善其输出性能成为可能，电流源型变流器的输出电流更容易控制；易于实现过流和短路保护，工作更加稳定可靠；直流侧电感具有电压提升作用，可以允许前端供电电压较低，从而扩大了可利用风速范围；同时，电流型变流器的拓扑相对简单，这就降低了风力发电系统的成本。

【技术实现步骤摘要】
应用于风电并网的电流型多电平变流系统 方法
本专利技术属于风力发电并网领域，利用电力电子技术设计一种新型电流型多电平变 流系统，将其应用到风力发电并网系统中。
技术介绍
伴随着能源和环境问题的日益尖锐，近二十年来风力发电技术的研究得到前所未 有的重视。我国作为能源消耗大国，近年来我国风力发电产业的发展速度也非常快。与常 规发电机组相比，风力发电机组具有显著的特点(1)风速的随机性和不确定性决定风电 功率具有随机性和不确定性；(2)陆地风电场距离主电网和负荷中心较远，多与薄弱的地 方电力系统相联；(3)异步风力发电机组运行时从电网吸收无功功率。风力发电最终的目 的是并网，投入运行，风电本身这种特点使其容量可信度低，给电网有功、无功平衡调度带 来困难，产生电能质量问题和电压稳定性问题，因此，并网风力发电系统中的电力电子变流 系统拓扑及其控制是风力发电技术的关键，近些年来，随着功率半导体器件工艺水平的不 断提高，一些新型半导体功率器件如MCT、IGCT等相继出现，使得越来越多的电力电子装置 用于大功率场合成为可能，对于一些高压、大电流应用场合，传统的两电平变流系统已经不 能满足人们的需求；而且，以现有的电力电子器件的工艺水平，其功率处理能力和开关频率 之间是矛盾的，往往功率越大，开关频率越低，而多电平变流系统技术的出现则可有效解决 这两者之间的矛盾，根据直流侧储能元件的不同，多电平变流系统可分为电压型多电平变 流系统和电流型多电平变流系统，三相电流型多电平变流系统可以实现网侧电流正弦化， 且可运行于单位功率因数，因而可以作为一种单位功率因数或高功率因数整流系统。电流 型多电平变流系统便于实现四象限运行，输出电流更容易控制，易于实现过流和短路保护， 工作更加稳定可靠等优点，电流型多电平变流系统已经越来越引起人们的重视，尤其是在 某些特定的大功率应用场合，可以直接控制输出电流，电路本身限流能力强等特点，也使其 逐渐成为一种非常有竞争性的变流系统类型。
技术实现思路
本专利技术目的是解决如何提高风力发电机的运行性能、风力发电机的发电质量以及 风力发电机的电网兼容性等问题，提供一种应用于风电并网的电流型多电平变流系统。本专利技术的技术方案本专利技术从变流系统“基本单元并联”的思想出发，设计了一种新型电流型多电平变 流系统，该系统由主电路和控制电路组成，其中主电路包括整流电路，逆变电路和滤波器。整流电路由低价位的二极管组成不可控整流桥，将风力发电机发出的交流电转 换为直流电，这样原则上不需要位置或转速传感器，从而简化结构、降低了成本。逆变电路将直流电转换成交流电，经过并网变压器并网。滤波器包括交流侧滤波器和直流侧滤波器；直流侧滤波器用于滤除直流侧电流 纹波，同时还要保证系统有较快的动态响应速度；交流侧滤波器，用于滤除逆变电路输出波形的高次谐波，使并网电流为标准正弦波。 整流电路的输出端经过滤波器后接入逆变电路的输入端，逆变电路的输出端经过 滤波器后与电网并联；控制电路包括调制技术的研究，DSP和FPGA搭建的控制系统。调制技术的研究PWM调制技术是多电平变流系统研究中一个相当关键的技术， 它与多电平变流器拓扑结构的提出是共生的。PWM调制技术不仅决定多电平变流器的实现 与否，而且对多电平变流器的输出波形质量、系统损耗的减少以及效率的提高都有着直接 的影响。DSP和FPGA搭建的控制系统DSP芯片主要负责完成信号检测、占空比数据的计 算，并将计算所得到的各相占空比数据通过数据总线传送到FPGA的数据锁存器中。FPGA 芯片主要完成的功能包括第一，采用计数器来产生多列相移载波；第二，将数据锁存器中 的占空比数据与相移载波发生器相比较来产生多路二逻辑PWM信号；第三，完成二逻辑PWM 信号到三逻辑PWM信号的转换以及短路脉冲的分配。当“复位”信号有效时，整个系统初始 化；“使能”信号用于当系统发生故障时完全封锁所有PWM输出。控制电路的输出信号与组成逆变电路的三组开关管相连接，对其起到控制作用。上述所说主电路的逆变电路采用多模块并联结构，由多个三相六开关变流系统模 块和若干个分流电感组成。该结构的特点是多个变流系统模块的交流侧是直接并联的，不 通过变压器；各变流系统模块的直流侧是通过分流电感连接起来；分流电感的存在将直流 侧总电流分成若干个电流等级，为主变流系统输出多电平电流提供了前提。如果将主变流 系统的直流侧称为前级，交流侧称为后级，分流电感的存在也为其后级变流系统模块参与 能量传输提供了保证。上述所说的交流侧滤波器采用LC滤波器，主要用于滤除交流侧电流中的高频PWM 开关谐波，并保持一定的基波增益。LC滤波器数学模型为L专 + Rip(t) + Ucp(t) = ep{t)C^^ = ^)-^)式中，ep (t)、ip (t)、Ucp (t)、ipt (t)分别为三相电流型多电平整流系统网侧电压、网 侧电流、交流侧电容电压以及交流侧电流；P = a，b，c ;L、C、R分别为交流侧LC滤波器的电 感电容参数以及电感的等效内阻。上述所说的直流侧滤波器，根据直流侧负载类型不同，三相电流型多电平整流系 统有两种输出情况恒流输出和恒压输出。当三相电流型多电平整流系统恒流输出时，三相 电流型多电平整流系统的直流侧等效电路可以看作是N个单模块整流系统直流侧等效电 路的并联，其直流侧分流电感主要用于滤除直流侧电流纹波，同时还要保证系统有较快的 动态响应速度。上述所说的调制技术采用一种三逻辑间接PWM的数字实现方法，该方法采用一些 简单的“异或” “与”逻辑运算，实现了从二逻辑PWM信号的产生到三相电流型变流系统开 关驱动信号生成的全数字化技术，为三相电流型多电平变流系统数字控制系统的设计提供 了基石出。上述所说的控制电路中，控制系统设计采取增加负载电流前馈的双闭环控制策 略，解决了系统开环幅值增益尖峰和快速性之间的矛盾，使得系统即便采用较小的回路增 益，仍可具有较快的动态响应和较好的稳态性能。采用负载电流前馈控制后的系统控制原 理如图4所示，虚线框内为前馈控制部分；Gf(S)为前馈控制传递函数。由图可知，前馈控制 Gf(S)的输出与外环直流电压调节器Gv。(S)的输出之和作为内环电流的峰值给定。只要前 馈控制传递函数Gf(S)的参数选择得当，不但可以保持系统稳定，而且可以抑制低频强扰动 (如负载扰动)，有效改善系统的动态性能。上述所说FPGA为现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)芯片，三相电流型多电平整流系统主电路开关器件较多，需要多路PWM开关信号；而 且采用三逻辑PWM数字实现方法还需要进行一些逻辑运算处理，显然，单片数字信号微处 理芯片(Digital Signal Proeessor，DSP)已难以完成设计任务，本专利技术采用DSP和FPGA 搭建控制系统硬件平台，设计了三相电流型多电平整流系统的全数字化控制系统。本专利技术的工作原理 本案所涉及的电流型变流系统的工作原理为构造出了一些新型拓扑结构。网侧 变流系统的交流滤波器主要起到阻抗隔离和谐波滤处的作用，影响滤波效果的主要参数是 转折频率《 和阻尼比ξ，选择转折频率fn(fn= ω η/2 π)远远低于系统等效开关频率无， 这本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应用于风电并网的电流型多电平变流系统，其特征在于该系统由主电路和控制电路组成，其中主电路的组成包括：整流电路：由低价位的二极管组成不可控整流桥，将风力发电机发出的交流电转换为直流电，这样原则上不需要位置或转速传感器，从而简化结构、降低了成本；逆变电路：将直流电转换成交流电，经过并网变压器并网；滤波器：包括交流侧滤波器和直流侧滤波器；直流侧滤波器用于滤除直流侧电流纹波，同时还要保证系统有较快的动态响应速度；交流侧滤波器，用于滤除逆变电路输出波形的高次谐波，使并网电流为标准正弦波；整流电路的输出端经过滤波器后接入逆变电路的输入端，逆变电路的输出端经过滤波器后与电网并联；控制电路包括：ＤＳＰ和ＦＰＧＡ搭建的控制系统：ＤＳＰ芯片主要负责完成信号检测、占空比数据的计算，并将计算所得到的各相占空比数据通过数据总线传送到ＦＰＧＡ的数据锁存器中；ＦＰＧＡ芯片主要完成的功能包括：第一，采用计数器来产生多列相移载波；第二，将数据锁存器中的占空比数据与相移载波发生器相比较来产生多路二逻辑ＰＷＭ信号；第三，完成二逻辑ＰＷＭ信号到三逻辑ＰＷＭ信号的转换以及短路脉冲的分配；当“复位”信号有效时，整个系统初始化；“使能”信号用于当系统发生故障时完全封锁所有ＰＷＭ输出；控制电路的输出信号与组成逆变电路的三组开关管相连接，对其起到控制作用。...

【技术特征摘要】
一种应用于风电并网的电流型多电平变流系统，其特征在于该系统由主电路和控制电路组成，其中主电路的组成包括整流电路由低价位的二极管组成不可控整流桥，将风力发电机发出的交流电转换为直流电，这样原则上不需要位置或转速传感器，从而简化结构、降低了成本；逆变电路将直流电转换成交流电，经过并网变压器并网；滤波器包括交流侧滤波器和直流侧滤波器；直流侧滤波器用于滤除直流侧电流纹波，同时还要保证系统有较快的动态响应速度；交流侧滤波器，用于滤除逆变电路输出波形的高次谐波，使并网电流为标准正弦波；整流电路的输出端经过滤波器后接入逆变电路的输入端，逆变电路的输出端经过滤波器后与电网并联；控制电路包括DSP和FPGA搭建的控制系统DSP芯片主要负责完成信号检测、占空比数据的计算，并将计算所得到的各相占空比数据通过数据总线传送到FPGA的数据锁存器中；FPGA芯片主要完成的功能包括第一，采用计数器来产生多列相移载波；第二，将数据锁存器中的占空比数据与相移载波发生器相比较来产生多路二逻辑PWM信号；第三，完成二逻辑PWM信号到三逻辑PWM信号的转换以及短路脉冲的分配；当“复位”信号有效时，整个系统初始化；“使能”信号用于当系统发生故障时完全封锁所有PWM输出；控制电路的输出信号与组成逆变电路的三组开关管相连接，对其起到控制作用。2.根据权利要求1所说的电流型多电平变流系统，其特征在于该类变流系统主电路的 逆变电路是由三个三相六开关变流系统模块和四个分流电感组成；该结构的特点是三个 变流系统模块的交流侧是直接并联的，不通过变压器；各变流系统模块的直流侧是通过分 流电感连接起来；分流电感的存在将直流侧总电流分成不同电流等级，为主变流系统输出 正弦电压提供了前提。3.根据权利1所说的电流型多电平变流系统，其特征在于所述的调制技术指三相变流 系统逆变电路的脉宽调制方式采用一种三逻辑...

【专利技术属性】
技术研发人员：马幼捷，刘进华，周雪松，问虎龙，周宣征，刘欣，朱毅然，于阳，谷月，崔立强，
申请(专利权)人：天津理工大学，
类型：发明
国别省市：12[中国|天津]