專利名稱：一種基于開繞組結構的風力發電系統及其容錯控制方法
技術領域：
本發明屬于風カ發電技術領域，具體涉及ー種基于開繞組結構的風カ發電系統及其容錯控制方法。
背景技術：
風能作為ー種清潔的可 再生能源，近年來受到世界各國的高度重視。風能蘊藏量巨大，隨著風能的開發利用，全球的風カ發電連續多年來保持快速、持續的增長。永磁直驅式風電機組具有可靠性高、結構簡單、維護成本低、并網適應性強等優點，特別適合用作大功率海上風カ發電機組。傳統的永磁同步風電系統結構如圖I所示，其主要由風カ發電機、機側變流器以及網側變流器組成。系統由風輪帶動永磁發電機的轉子轉動，從而實現機械能向電能的轉換，直流母線上并聯直流母線電容，網側變流器通過ー組變壓器將電能饋入電網。在將捕獲的風能以電能的形式饋入電網的過程中，只需要根據要求控制機側變流器與網側變流器上的開關器件的導通關斷，即可達到控制目的。對于傳統的永磁同步風電系統結構來說，需要全功率的變流器才能保證系統的正常運行。在使用兩電平的變流器時，一方面會給電流帶來一定的諧波分量，另一方面會給開關器件帶來較大的電壓應力，降低開關器件的壽命。在現有的技術方案里面，有人提出利用開關器件的串聯來分擔電壓應力，但是如何實現器件開通關斷的同步性成為ー個很大的技術難題。面對風電機組大容量的增長趨勢，多電平技術成為了當前解決該問題的熱點研究對象。多電平變流器作為ー種新型的高壓大容量功率變流器，從電路拓撲結構入手，在得到高質量的輸出波形的同時，不管何種拓撲結構的多電平與兩電平相比，都有ー些共同的優點無需輸出變壓器和動態均壓電路，開關頻率低，因而開關器件承受的電壓應カ小，可避免大的du/dt所導致的各種問題，提高了開關管的工作壽命。但是對于現有的多電平變流器，包括NPC、飛跨電容等結構，他們有著共同的缺點結構過于復雜，成本過高，控制難度大；且若系統在運行的過程中，某一個開關元件突然損壞，原有的控制方法難以維持其繼續正常工作。

發明內容
針對現有技術所存在的上述技術缺陷，本發明提供了ー種基于開繞組結構的風カ發電系統，其能夠利用兩電平變流器實現三電平的控制效果，進而減少相應的輸出電流諧波。一種基于開繞組結構的風カ發電系統，包括一臺風カ發電機、兩臺機側變流器和一控制器；所述的風力發電機具有三相繞組，所述的機側變流器為三相六橋臂結構；所述的風力發電機任一相繞組的一端與第一機側變流器中對應相上下橋臂的中心接點相連，另一端與第二機側變流器中對應相上下橋臂的中心接點相連；
所述的機側變流器直流輸出側并聯有母線電容単元，所述的母線電容単元由兩個電容串聯構成；所述的控制器用于采集風カ發電機的端電壓和相電流以及各機側變流器的直流母線電壓，井根據這些信號構造出兩組PWM(脈沖寬度調制)信號以分別對兩臺機側變流器進行控制。優選地，兩臺機側變流器的直流輸出側與同一母線電容単元并聯；使得系統只需用ー套網側變流器即能實現直交轉換。上述風カ發電系統的容錯控制方法，包括如下步驟(I)采集風力發電機的端電壓和相電流以及各機側變流器的直流母線電壓；檢查機側變流器是否存在開路故障如無故障，執行步驟(2);若存在故障，將機側變流器故障相所對應連接的繞組端與機側變流器的母線電容單元中兩電容的中心接點相連，并執行步驟⑵；(2)根據所述的端電壓和相電流利用反電勢估測法估算出風カ發電機的轉速和轉子位置角；進而根據所述的轉子位置角對相電流進行dq變換(同步旋轉坐標變換)，得到相電流的有功軸電流分量和無功軸電流分量；(3)根據所述的轉速、有功軸電流分量和無功軸電流分量計算出風カ發電機的實際輸出功率、有功軸電壓補償量和無功軸電壓補償量；(4)根據所述的實際輸出功率、有功軸電流分量、無功軸電流分量、有功軸電壓補償量和無功軸電壓補償量，通過基于有功軸電流為零的矢量控制算法計算出有功軸電壓指令和無功軸電壓指令；(5)根據所述的有功軸電壓指令、無功軸電壓指令以及機側變流器的故障信息和直流母線電壓計算出兩臺機側變流器分別對應的兩個調制電壓指令；進而根據兩個調制電壓指令分別進行調制，生成兩組PWM信號以分別對兩臺機側變流器進行控制。所述的步驟(3)中，根據以下公式計算風力發電機的實際輸出功率、有功軸電壓補償量和無功軸電壓補償量
權利要求
1.一種基于開繞組結構的風力發電系統，其特征在于，包括一臺風力發電機、兩臺機側變流器和一控制器；所述的風力發電機具有三相繞組，所述的機側變流器為三相六橋臂結構； 所述的風力發電機任一相繞組的一端與第一機側變流器中對應相上下橋臂的中心接點相連，另一端與第二機側變流器中對應相上下橋臂的中心接點相連； 所述的機側變流器直流輸出側并聯有母線電容單元，所述的母線電容單元由兩個電容串聯構成； 所述的控制器用于采集風力發電機的端電壓和相電流以及各機側變流器的直流母線電壓，并根據這些信號構造出兩組PWM信號以分別對兩臺機側變流器進行控制。
2.根據權利要求I所述的基于開繞組結構的風力發電系統，其特征在于兩臺機側變流器的直流輸出側與同一母線電容單元并聯。
3.—種如權利要求I或2所述的風力發電系統的容錯控制方法，包括如下步驟 (1)采集風力發電機的端電壓和相電流以及各機側變流器的直流母線電壓；檢查機側變流器是否存在開路故障如無故障，執行步驟(2);若存在故障，將機側變流器故障相所對應連接的繞組端與機側變流器的母線電容單元中兩電容的中心接點相連，并執行步驟(2)； (2)根據所述的端電壓和相電流利用反電勢估測法估算出風力發電機的轉速和轉子位置角；進而根據所述的轉子位置角對相電流進行dq變換，得到相電流的有功軸電流分量和無功軸電流分量； (3)根據所述的轉速、有功軸電流分量和無功軸電流分量計算出風力發電機的實際輸出功率、有功軸電壓補償量和無功軸電壓補償量； (4)根據所述的實際輸出功率、有功軸電流分量、無功軸電流分量、有功軸電壓補償量和無功軸電壓補償量，通過基于有功軸電流為零的矢量控制算法計算出有功軸電壓指令和無功軸電壓指令； (5)根據所述的有功軸電壓指令、無功軸電壓指令以及機側變流器的故障信息和直流母線電壓計算出兩臺機側變流器分別對應的兩個調制電壓指令；進而根據兩個調制電壓指令分別進行調制，生成兩組PWM信號以分別對兩臺機側變流器進行控制。
4.根據權利要求3所述的容錯控制方法，其特征在于所述的步驟(3)中，根據以下公式計算風力發電機的實際輸出功率、有功軸電壓補償量和無功軸電壓補償量
5.根據權利要求3所述的容錯控制方法，其特征在于所述的步驟(4)中，通過基于有功軸電流為零的矢量控制算法計算出有功軸電壓指令和無功軸電壓指令的過程如下 a.使設定的目標輸出功率減去所述的實際輸出功率，得到功率誤差； b.對所述的功率誤差進行PI調節，得到無功軸電流指令；并令有功軸電流指令為零； c.使有功軸電流指令和無功軸電流指令分別減去有功軸電流分量和無功軸電流分量，得到有功軸電流誤差和無功軸電流誤差； d.對有功軸電流誤差和無功軸電流誤差分別進行PI調節，得到兩個輸出結果；使有功軸電壓補償量和無功軸電壓補償量分別減去這兩個輸出結果，得到有功軸電壓指令和無功軸電壓指令。
6.根據權利要求3所述的容錯控制方法，其特征在于所述的步驟(5)中，根據以下公式計算出兩臺機側變流器分別對應的兩個調制電壓指令
全文摘要
本發明公開了一種基于開繞組結構的風力發電系統，包括一臺風力發電機、兩臺機側變流器和一控制器；風力發電機具有三相繞組，機側變流器為三相六橋臂結構；風力發電機任一相繞組的一端與第一機側變流器中對應相上下橋臂的中心接點相連，另一端與第二機側變流器中對應相上下橋臂的中心接點相連。本發明利用開繞組發電機結構以及兩組兩電平變流器實現了電機控制三電平的調制效果，減小了輸出電流諧波，降低了變流器的容量以及器件的電壓應力；與此同時本發明還公開了上述風力發電系統的容錯控制方法，保證了系統在變流器器件故障時的正常穩定運行。
文檔編號H02J3/01GK102868180SQ20121036361
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月26日 優先權日2012年9月26日
發明者年珩, 周義杰 申請人:浙江大學