本發(fā)明屬于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)和矩陣變換器領(lǐng)域，用來實現(xiàn)將大功率風(fēng)力發(fā)電機輸出的變頻變壓電能轉(zhuǎn)換為恒頻恒壓電能，同時具有最大風(fēng)能追蹤和定功率并網(wǎng)控制功能。

技術(shù)背景

隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，各國對能源的需求持續(xù)增長。風(fēng)能作為一種可再生、無污染、儲量大的能源，受到高度重視。直驅(qū)式永磁同步風(fēng)電機組是一種新型的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，它直接與低速風(fēng)力機連接，省去了升速齒輪箱，減少了故障率并可降低維護(hù)成本，較容易做到40對以上的極對數(shù)，通過全功率換流器并網(wǎng)。由于具有發(fā)電效率高、可靠性高、運行及維護(hù)成本低、對電網(wǎng)擾動適應(yīng)能力更強等優(yōu)點，直驅(qū)式永磁同步風(fēng)電機組近年來得到了國內(nèi)外科研人員的廣泛關(guān)注，成為了目前風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。

作為風(fēng)力發(fā)電機與電網(wǎng)連接的接口，全功率電力電子換流器在整個系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)著極為重要的作用。常見的全功率交直交變流器逆變側(cè)一般采用IGBT作為開關(guān)器件的PWM型，整流側(cè)可采用以IGBT作為開關(guān)器件的全控型、以晶閘管為開關(guān)器件的半可控型、以二極管作為開關(guān)器件的不可控型和BOOST升壓電路等組成。隨著風(fēng)電機組功率等級的提高，常規(guī)變流器已經(jīng)不能滿足功率要求，除此之外，常規(guī)變流器存在輸出電流諧波含量大、功率因數(shù)低等缺點。研發(fā)適用于高功率等級、高電能質(zhì)量的直驅(qū)式永磁同步風(fēng)電機組變流器及并網(wǎng)系統(tǒng)變得尤為重要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種全功率風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)及控制方法，其結(jié)構(gòu)更加緊湊，能實現(xiàn)大功率換流及并網(wǎng)，同時具有良好的輸入輸出特性，減少對風(fēng)力發(fā)電機的沖擊，提高并網(wǎng)電能質(zhì)量。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種全功率風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)，其特征在于包括機側(cè)濾波器、3×6矩陣變換器、網(wǎng)側(cè)濾波器、三繞組變壓器、控制部分。

機側(cè)濾波器連接直驅(qū)式風(fēng)機和3×6矩陣變換器，限制輸入電流的諧波干擾；

3×6矩陣變換器包括18個雙向開關(guān)，有一組三相輸入端和兩組三相輸出端，輸入端通過機側(cè)濾波器和風(fēng)機連接，輸出端通過網(wǎng)側(cè)濾波器和三繞組變壓器連接，實現(xiàn)把風(fēng)機輸出的三相電能轉(zhuǎn)換為兩組對應(yīng)電壓相位角分別差30°的三相電能；

網(wǎng)側(cè)濾波器接在3×6矩陣變換器和三繞組變壓器之間，主要用來濾除矩陣變換器開關(guān)器件產(chǎn)生的高頻諧波，并實現(xiàn)定功率并網(wǎng)控制；

三繞組變壓器繞組1和繞組2分別通過網(wǎng)側(cè)濾波器和3×6矩陣變換器的六相輸出端相連，繞組3和電網(wǎng)連接。其中三繞組變壓器的繞組1為Y型接線，繞組2為Δ型接線，繞組3為Y型接線。最終實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機和電網(wǎng)的并網(wǎng)；

控制部分包括機側(cè)控制模塊、網(wǎng)側(cè)控制模塊、PWM開關(guān)信號生成模塊，用來實現(xiàn)風(fēng)機的最大功率追蹤控制和雙定有功功率、無功功率的并網(wǎng)控制，并通過控制矩陣變換器的開關(guān)信號來實現(xiàn)。

進(jìn)一步，所述機側(cè)濾波器采用將電容按Y型接法并聯(lián)在3×6矩陣變換器輸入端的方式，主要功能是減少風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對矩陣變換器的影響，限制輸入電流的諧波干擾。

進(jìn)一步，所述網(wǎng)側(cè)濾波器采用將電感串聯(lián)在3×6矩陣變換器輸出端的方式，用于濾除高頻諧波。

進(jìn)一步，所述矩陣變換器的雙向開關(guān)為共集電極反向串聯(lián)型IGBT組合。

同時，針對一種全功率風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)，本發(fā)明提出一種全功率風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的控制方法，其特征在于機側(cè)控制用來實現(xiàn)風(fēng)機的最大功率追蹤控制；網(wǎng)側(cè)采用雙定功率控制，實現(xiàn)三繞組變壓器繞組1的有功功率、無功功率和繞組2的有功功率、無功功率并網(wǎng)控制，其控制模塊產(chǎn)生的3×6矩陣變換器輸入電流參考信號和輸出電壓參考信號生成PWM開關(guān)信號，實現(xiàn)對3×6矩陣變換器的控制。

進(jìn)一步，機側(cè)采用電流閉環(huán)的控制方式，通過控制機側(cè)輸入電流i_q的值來實現(xiàn)風(fēng)機轉(zhuǎn)矩控制，從而實現(xiàn)最大功率追蹤控制。

進(jìn)一步，網(wǎng)側(cè)采用功率閉環(huán)控制方式，分別通過控制三繞組變壓器繞組1和繞組2的輸入電流，從而控制繞組1的有功功率、無功功率和繞組2的有功功率、無功功率輸入，最終實現(xiàn)并網(wǎng)功率控制。

進(jìn)一步，3×6矩陣變換器的調(diào)制策略采用雙SVPWM的方式，由控制模塊產(chǎn)生的3×6矩陣變換器輸入?yún)⒖茧娏餍盘柡洼敵鰠⒖茧妷盒盘柹蒘VPWM開關(guān)信號，實現(xiàn)對3×6矩陣變換器的控制。

有益效果：

本發(fā)明提出的一種全功率風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)及控制方法，與傳統(tǒng)全功率換流及并網(wǎng)系統(tǒng)相比，其有益效果體現(xiàn)在：(1)換流器采用矩陣變換器，具有正弦輸入電流和正弦輸出電壓，減少機側(cè)沖擊電流對風(fēng)機的影響，延長風(fēng)機的使用壽命；(2)無需直流電容，結(jié)構(gòu)緊湊且體積??；(3)采用3×6矩陣變換器可以提高傳輸容量，適用于大功率風(fēng)機發(fā)電；(4)降低實際開關(guān)頻率，提高了等效開關(guān)頻率，減少了開關(guān)損耗；(5)輸出兩組相位分別差30°的三相電，減少了諧波含量，提高了并入電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明矩陣變換器雙向開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是三繞組變壓器的等效接線示意圖。

圖4是本發(fā)明一種全功率風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的dq等效電路圖。

圖5是機側(cè)控制示意圖。

圖6是網(wǎng)側(cè)控制示意圖。

附圖標(biāo)號說明：

10、機側(cè)濾波部分，20、3×6矩陣變換器部分，30、網(wǎng)側(cè)濾波部分，40、三繞組變壓器，50、控制部分21、雙向開關(guān)，51、機側(cè)控制模塊，52、網(wǎng)側(cè)控制模塊，53、PWM模塊

具體實施方式

下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明一種全功率風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的具體實施方式，但是本發(fā)明的實施不限于以下的實施例。

圖1為本發(fā)明提供的一種全功率風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，包括機側(cè)濾波器、3×6矩陣變換器、網(wǎng)側(cè)濾波器、三繞組變壓器、控制部分。

機側(cè)濾波器采用將電容按Y型接法并聯(lián)在風(fēng)機和3×6矩陣變換器輸入端之間，如圖1(10)，主要功能是減少風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對矩陣變換器的影響，限制輸入電壓的諧波干擾。

3×6矩陣變換器有三相輸入端和兩組三相輸出端，三相輸入端和電機三相輸出端相連，六相輸出端分別和六個電感濾波器的一端相連，如圖1(20)。矩陣變換器中的每一個雙向開關(guān)采用共集電極反向串聯(lián)型IGBT組合形式，其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。3×6矩陣變換器功能是實現(xiàn)把風(fēng)電機發(fā)出的三相電轉(zhuǎn)換為兩組電壓相位角分別差30°的三相電，從而減少了機側(cè)和網(wǎng)側(cè)的諧波含量。這種變流裝置不僅能實現(xiàn)將風(fēng)機發(fā)出的電能轉(zhuǎn)換為恒頻恒壓的電能，采用六相輸出增加了傳輸容量，更適用于大功率風(fēng)電機組。以金風(fēng)82/1500kW風(fēng)力發(fā)電機組為例，直驅(qū)永磁同步發(fā)電機額定功率1580kW，額定電壓690V，額定電流660A，采用3×6矩陣變換器，每個雙向開關(guān)器件平均只需承受110A的電流和690V的電壓。

網(wǎng)側(cè)濾波器采用將電感串聯(lián)在3×6矩陣變換器和三繞組變壓器之間的方式，如圖1(30)，主要作用是減少矩陣變換器開關(guān)器件產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)產(chǎn)生的影響，使電能質(zhì)量符合并網(wǎng)要求，同時是實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)雙有功功率、無功功率并網(wǎng)控制所必須的部分。

三相三繞組變壓器的繞組1和繞組2分別和3×6矩陣變換器的六相輸出端相連，繞組3和電網(wǎng)相連，如圖1(40)。其中繞組1為Y型接線，繞組2為Δ型接線，繞組3為Y型接線，接線示意圖見圖3。采用這種結(jié)構(gòu)的三相三繞組變壓器可以滿足本發(fā)明中3×6矩陣變換器所輸出的相位角差30°的兩組三相電能轉(zhuǎn)換為三相電能，最終實現(xiàn)并網(wǎng)；將換流器輸出的低電壓升至網(wǎng)側(cè)所需的高電壓，彌補矩陣變換器電壓調(diào)制比較低的缺點；換流變壓器的漏抗對換流器產(chǎn)生的諧波電流具有一定的抑制作用，減少換流器注入交流系統(tǒng)的諧波；能實現(xiàn)電網(wǎng)和風(fēng)機組的電氣隔離等作用。同時，和其他變壓器相比，三相三繞組變壓器具有接線布置簡單、材料用量最省、占地空間最小、損耗小、投資最省的特點。

針對一種全功率風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)，本發(fā)明還提供了一種全功率風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的控制方法，實現(xiàn)風(fēng)機的最大功率追蹤和雙定有功功率、無功功率的并網(wǎng)控制，具體實施例如下。

對本發(fā)明提出的一種全功率風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，并進(jìn)行Park變換，如下所示：

首先對各個數(shù)學(xué)符號進(jìn)行定義如下表所示：

表1

風(fēng)機和機側(cè)濾波器的dq數(shù)學(xué)模型為：

3×6矩陣變換器的dq數(shù)學(xué)模型為：

其中M_p1、M_p2分別為3×6矩陣變換器第一組開關(guān)和第二組開關(guān)的開關(guān)矩陣函數(shù)。

網(wǎng)側(cè)濾波器的dq數(shù)學(xué)模型為：

三繞組變壓器和電網(wǎng)的dq數(shù)學(xué)模型為：

由上述各部分的dq數(shù)學(xué)模型可得到本發(fā)明提出的一種全功率風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的等效電路圖如圖4所示。

機側(cè)控制的目的是實現(xiàn)風(fēng)機的最大功率追蹤，可通過控制機側(cè)輸入電流i_q的值來實現(xiàn)風(fēng)機轉(zhuǎn)矩控制，其控制示意圖如圖5。

首先經(jīng)過軟鎖相可得到風(fēng)電機電角速度和風(fēng)電機電角位置，其原理為利用系統(tǒng)輸出的相位和給定信號相位的差值控制系統(tǒng)輸出信號的頻率，直到輸出信號的相位跟蹤上給定信號的頻率。其相位差值可根據(jù)式(5)和式(6)計算得到。

式(5)和式(6)上標(biāo)“^”表示估計值，e_sd、e_sq分別為風(fēng)電機d軸、q軸電動勢，其他符號符合表1的物理意義。

MPPT模塊是通過控制風(fēng)電機輸出電流的大小，從而達(dá)到對風(fēng)機轉(zhuǎn)矩控制的目的，實現(xiàn)風(fēng)機的最大功率追蹤。設(shè)q軸參考電流d軸參考電流根據(jù)式(7)計算可得。

其中T_Pmax，T_o分別為風(fēng)電機參考電磁轉(zhuǎn)矩、風(fēng)力機最大機械轉(zhuǎn)矩、風(fēng)電機空載轉(zhuǎn)矩，ρ為空氣密度，r為風(fēng)力機葉片半徑，ω_m為電機轉(zhuǎn)子角速度，C_Pmax為最大風(fēng)能利用系數(shù)，ψ_f為轉(zhuǎn)子永磁磁鏈，n_p為極對數(shù)。

得到風(fēng)機輸出電流參考值后，根據(jù)式(1)采用電流閉環(huán)控制，可得到3×6矩陣變換器輸入電流參考信號。

矩陣變換器網(wǎng)側(cè)和電網(wǎng)連接，其控制目標(biāo)為：1)變換器輸出電壓與電網(wǎng)電壓必須同頻；2)由于風(fēng)速在不斷變換，機側(cè)的最大功率追蹤控制會導(dǎo)致虛擬直流電壓波動，因此需要控制網(wǎng)側(cè)輸出電壓值穩(wěn)定；3)根據(jù)電網(wǎng)的需要控制有功功率和無功功率。綜上所述，網(wǎng)側(cè)可采用雙定功率閉環(huán)控制系統(tǒng)，圖6給出了控制示意圖。

根據(jù)圖6，當(dāng)?shù)玫嚼@組1和繞組2的并網(wǎng)無功功率、有功功率參考值之后，采用電網(wǎng)電壓定向，根據(jù)式(8)可計算出繞組1和繞組2的參考電流。

再根據(jù)式(3)進(jìn)行功率閉環(huán)控制，從而得到3×6矩陣變換器輸出電壓參考信號。

3×6矩陣變換器的調(diào)制策略可采用雙SVPWM的方式，由控制模塊產(chǎn)生的3×6矩陣變換器輸入電流參考信號和輸出電壓參考信號生成SVPWM開關(guān)信號，實現(xiàn)對3×6矩陣變換器的控制，最終實現(xiàn)風(fēng)機最大功率跟蹤和雙定有功功率、無功功率的并網(wǎng)控制。

應(yīng)當(dāng)指出，以上敘述中的實施方式僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明結(jié)構(gòu)原理的前提下，還可以對本發(fā)明中的矩陣變換器調(diào)制策略、控制方法、濾波器設(shè)置等做出若干改進(jìn)，這些改進(jìn)也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。