專利名稱：基于逆疏松矩陣變換器的風力發(fā)電系統(tǒng)及其方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電力電子與電力傳動以及可再生能源發(fā)電系統(tǒng)技術領域，涉及一種新 型電力電子拓撲結構，以及基于該拓撲的風力發(fā)電系統(tǒng)配置方案，特別涉及一種基于逆疏 松矩陣變換器的風力發(fā)電系統(tǒng)及其方法。
背景技術：
常見的永磁同步發(fā)電機(PMSG)發(fā)電系統(tǒng)的功率變換裝置包含交直交變換器或 交交變換器兩大類。其中，交直交變換器通常采用雙PWM變換器，通常需要大容量的電解電 容，以及笨重的濾波電抗器，電解電容的存在將嚴重限制發(fā)電系統(tǒng)的使用壽命，笨重的濾波 電抗器成本昂貴?？傊?，由該類拓撲組成的發(fā)電系統(tǒng)功能完備，但投資成本過高。還有一種 經(jīng)濟型功率變換裝置，由三相二極管整流橋、BOOST升壓環(huán)節(jié)和逆變器組成。該拓撲成本有 所降低，但由于二極管整流器，不可避免的會導致在PMSG定子繞組中產(chǎn)生大量諧波電流， 因此，會導致轉矩的脈動，同時諧波損耗增大。傳統(tǒng)的交交變換器由大量晶閘管組成，諧波 嚴重，變頻范圍有限，不適合高性能風力發(fā)電系統(tǒng)。矩陣變換器是一種綠色交交變換器，由 于其具備正弦輸入輸出電流，無需中間儲能環(huán)節(jié)，因而結構緊湊，功率密度高。矩陣變換器 雖然具備諸多的優(yōu)點，但由于其開關數(shù)目過于龐大，導致成本過高，可靠性降低，這些嚴重 限制了矩陣變換器在發(fā)電領域中的應用。
發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提出一種基于逆疏松矩陣變換器的風力發(fā)電系統(tǒng) 及其方法，該基于逆疏松矩陣變換器的風力發(fā)電系統(tǒng)能夠綠色、高效、可靠地變換與傳輸能 量，同時保證系統(tǒng)結構簡單緊湊，成本低廉。本發(fā)明的技術解決方案如下一種基于逆疏松矩陣變換器的風力發(fā)電系統(tǒng)，整流級的交流側與電網(wǎng)相接，整流 級的直流側與逆變級的直流側對接，逆變級的交流側與永磁同步發(fā)電機的輸出端相接，永 磁同步發(fā)電機與風機相接；主動保護電路的輸入側接逆變器的直流側，主動保護電路的輸 出側與整流級的交流側相接；所述的整流級為由六個功率器件組件組成的三相整流橋，每一個功率器件組件由 一個可控半導體功率開關和功率二極管串接而成；逆變級是由6個IGBT組成的三相橋式逆變器。所述的主動保護電路的電路結構如下整流二極管模塊是由6個整流二極管相接形成的三相整流橋式電路；電容Ce跨接 在整流二極管模塊的直流側；電容Ce的負極接IGBT g3的發(fā)射極，IGBT g3的集電極和逆變級直流側的地端相 連、電容Ce的正極接IGBT gl的集電極，IGBT gl的發(fā)射極接逆變級直流側的正電壓端；由第一分壓電阻和第二分壓電阻串接而成的取樣電路與電容Ce并聯(lián)；
滯環(huán)比較器的輸入端接第一分壓電阻和第二分壓電阻的公共連接點，滯環(huán)比較器 的輸出端接IGBT g2的驅動器，驅動器的輸出接IGBT g2的門極，IGBT g2的發(fā)射極接電容 Ce的負極，IGBT g2的集電極經(jīng)電阻RD接電容Ce的正極。所述的整流級的交流側通過濾波器與電網(wǎng)相接。一種基于逆疏松矩陣變換器的風力發(fā)電方法，采用前述的基于逆疏松矩陣變換器 的風力發(fā)電系統(tǒng)，將永磁同步發(fā)電機輸出的電能饋送到電網(wǎng)中?；谀媸杷删仃囎儞Q器的風力發(fā)電系統(tǒng)具有兩種啟動方式第一種啟動方法逆變級所有IGBT均處于閉合狀態(tài)，相當于二極管整流發(fā)電狀 態(tài)，而整流級則按正常方式運行，當發(fā)電機轉速上升至其所產(chǎn)生的反電動勢高于電網(wǎng)電壓 時，這時發(fā)電機定子繞組有連續(xù)電流通過，再使逆變級所有IGBT完全按正常方式運行，完 成了基于逆疏松矩陣變換器的風力發(fā)電系統(tǒng)的啟動；第二種啟動方法，在啟動之初，關閉整流級的所有可控半導體功率開關，開啟主動 保護電路中的IGBT gl和IGBT g3，主動保護電路和逆變級一起構成通用變頻器以控制永磁 發(fā)電機，從而避免第一種啟動方式下的系統(tǒng)啟動之初低速運行不受控制的死區(qū)，直到發(fā)電 機定子電流大于IA時，關閉IGBT gl和g3，同時，啟動逆疏松矩陣變換器的正常調制程序， 完成基于逆疏松矩陣變換器的風力發(fā)電系統(tǒng)的啟動。采用基于電流空間矢量角的閉環(huán)PI控制方法控制無功功率，控制量 ^ = U^ + lx^-g}+^)，其中θ為輸入電流參考矢量角，δ為電網(wǎng)電壓矢量角，δ
由鎖相環(huán)電路獲取，sat(.)為飽和函數(shù)，其上限為f，下限為-f，A-1O為拉普拉斯反變
換，s為拉普拉斯變換的復變量，、為無功電流，為電網(wǎng)電流矢量在電網(wǎng)電壓矢量方向上的 投影，為了實現(xiàn)單位功率因數(shù)控制乂為無功電流給定值，、和Iii分別為比例系數(shù)和積分系數(shù)?？刂破鞯妮敵龆送ㄟ^驅動電路與可控半導體功率開關、IGBT gl.IGBT的控制端相 接，為現(xiàn)有技術。有益效果本發(fā)明的基于逆疏松矩陣變換器的風力發(fā)電系統(tǒng)及其方法，是一種全新的原創(chuàng)的 系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的原創(chuàng)性體現(xiàn)在以下幾個方面(1)提出一種逆疏松矩陣變換器拓撲，解決了傳統(tǒng)矩陣變換器功率開關數(shù)量太多、 成本高以及可靠性差等問題；(2)提出一種基于逆疏松矩陣變換器的永磁同步發(fā)電機風力發(fā)電系統(tǒng)配置方案， 解決了基于逆疏松矩陣變換器的永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)控制問題；解決了該發(fā)電系統(tǒng)無功 控制問題。(3)提出一種適合本系統(tǒng)的集成過壓抑制、箝位和輔助啟動等功能的主動保護電 路，解決了系統(tǒng)啟動問題、逆疏松矩陣變換器輸入端過壓保護問題，中直流電壓箝位和發(fā)電 系統(tǒng)低壓穿越問題。本發(fā)明中的逆疏松矩陣變換器的整流級的可控半導體功率開關數(shù)目減少至6個， 它的功率二極管數(shù)目也僅為6個；因而，系統(tǒng)成本大幅度降低，可靠性大大提高，系統(tǒng)的開關損耗也隨之降低。雖然其能量只能從逆疏松矩陣變換器的逆變端往整流端單向流動，但 并不影響該系統(tǒng)發(fā)電運行。逆疏松矩陣變換器的整流端通過輸入濾波器和電網(wǎng)相連，而其逆變端直接與永磁 同步發(fā)電機定子相連，將由風能所轉換的電能通過逆疏松矩陣變換器注入電網(wǎng)。集成保護、箝位等功能的主動電路由三相二極管整流器、功率電阻、IGBT和滯環(huán)比 較器等組成。具有抑制電網(wǎng)瞬時過壓、保護矩陣變換器功率開關器件、系統(tǒng)停機時箝位以及 發(fā)電系統(tǒng)低壓穿越的功能。本發(fā)明的逆疏松矩陣變換器，輸入輸出電流正弦，功率器件數(shù)目小，能量能從逆疏 松矩陣變換器的逆變級往整流級流動，但恰能滿足所述風力發(fā)電系統(tǒng)的要求。本發(fā)明所述的基于逆疏松矩陣變換器的永磁同步發(fā)電機風力發(fā)電系統(tǒng)配置，具有 以下優(yōu)點1、效率高，綠色無諧波污染；2、可靠性高；3、結構緊湊；4控制方法簡單。本發(fā)明所述的集成過壓抑制、箝位和輔助啟動等功能的主動保護電路大大提高了 系統(tǒng)的可靠性，具體為其中，二極管整流器一方面能為系統(tǒng)提供必要的啟動能量，另一方 面可抑制逆疏松矩陣變換器的輸入端過壓。由IGBT和耗能電阻組成的主動crowbar保護 電路，為系統(tǒng)提供了低壓穿越能力。通常研究的矩陣變換器為能量雙向流動的矩陣變換器，它用到了雙向開關，因而 需要大量的功率開關，傳統(tǒng)矩陣變換器由18個IGBT組成，而疏松矩陣變換器是傳統(tǒng)矩陣 變換器的一種衍生拓撲，其運行原理和基本功能和傳統(tǒng)矩陣變換器基本一致。本發(fā)明所命 名的逆疏松矩陣變換器是在疏松矩陣變換器的基礎上減少了功率開關數(shù)目，但功能有所受 限，即能量只能從逆變側往整流側傳輸，通常的應用是能量從整流側往逆變側傳輸。而本發(fā) 明剛好與之相反，故用“逆”字命名。相對傳統(tǒng)矩陣變換器而言，功率開關數(shù)量減少，傳統(tǒng)矩陣變換器用到18個IGBT和 18個功率二極管。而逆疏松矩陣變換器僅用到12個IGBT和12個功率二極管，(說明這 里不包括主動保護電路所涉及的功率開關)相對疏松矩陣變換器而言，功率開關數(shù)量減少，疏松矩陣變換器需要18個IGBT和 18個功率二極管。相對非常疏松矩陣變換器，功率開關數(shù)量減少，非常疏松矩陣變換器需要12個 IGBT, 30個功率二極管。綜上所述，所提逆疏松矩陣變換器成本較低。
圖1是逆疏松矩陣變換器拓撲結構示意圖；圖2是基于逆疏松矩陣變換器的永磁同步發(fā)電機風力發(fā)電系統(tǒng)總體結構示意圖；圖3是基于逆疏松矩陣變換器的永磁同步發(fā)電機風力發(fā)電系統(tǒng)的控制框圖；圖4是集成保護、箝位等功能的主動(crowbar)保護電路的示意圖；圖5為電網(wǎng)有功功率和無功功率曲線圖；圖6為逆疏松矩陣變換器輸入電流和電壓曲線圖；圖7為定子電流波形；圖8為發(fā)電機轉速曲線。
標號說明1-濾波器，2-整流級，3-主動保護電路，4-逆變級，5-逆疏松矩陣變換 器，6-電網(wǎng)，7-永磁同步發(fā)電機，8-風機，9-無功功率控制器，10-永磁同步發(fā)電機控制器， 11-整流二極管模塊，12-取樣電路，13-滯環(huán)比較器；
具體實施例方式以下將結合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明實施例1 圖1為逆疏松矩陣變換器的拓撲結構，它由輸入濾波器(也稱為濾波器)、逆疏松 矩陣變換器整流級、主動保護電路、逆疏松矩陣變換器逆變級組成。電流型整流級與電壓型 逆變級直接連接。可見逆疏松矩陣變換器的整流級的電流流動方向是單向的，即能量只能 從逆變級流向整流級注入電網(wǎng)。正常運行時，逆疏松矩陣變換器的調制策略和常規(guī)雙級矩陣變換器的調制策略沒 有任何出入，只是在啟動的時候，略有所不同。系統(tǒng)有兩種啟動方式，第一種，逆疏松矩陣變換器逆變級所有可控開關器件均處 于閉合狀態(tài)，相當于二極管整流發(fā)電狀態(tài)，而它的整流級則按正常方式運行，IGBT gl，g3均 關閉(若采用這種啟動方式，在設計時，IGBT gl，g3可以省略)當發(fā)動機轉速足夠高，發(fā)電 機定子繞組有電流流過時，逆疏松矩陣變換器才能完全受控，而且，采用這種方法時對圖1 中模塊中的整流二級管的功率等級要求更低；第二種啟動方法，在啟動之初，關閉整流級的 所有IGBT，開啟IGBT gl，g3這樣，主動保護電路和逆變級一起構成通用變頻器，可方便控 制永磁發(fā)電機，從而避免了第一種啟動方式下的系統(tǒng)啟動之初不受控制的死區(qū)，直到發(fā)電 機定子電流已有足夠大時，關閉IGBT gl和g3，同時，啟動逆疏松矩陣變換器的正常調制程 序。圖2為基于逆疏松矩陣變換器的永磁同步發(fā)電機風力發(fā)電系統(tǒng)，它由電網(wǎng)，逆疏 松矩陣變換器，永磁同步發(fā)電機和風機組成。由于逆疏松矩陣變換器只允許能量單向流動，故它只適合用于永磁同步發(fā)電機等 具有高功率因數(shù)的發(fā)電系統(tǒng)當中，而所述風力發(fā)電系統(tǒng)正屬此類。逆疏松矩陣變換器的逆 變級負責控制永磁發(fā)電機，可實現(xiàn)最大風能跟蹤等。而逆疏松矩陣變換器的整流級負責無 功功率控制。圖3為基于逆疏松矩陣變換器的永磁同步發(fā)電機風力發(fā)電系統(tǒng)的控制框圖。其主 要由兩部分組成一部分為電網(wǎng)無功功率控制，另一部分為永磁發(fā)電機控制，其包括了最大 風能跟蹤控制。電網(wǎng)無功功率控制為了發(fā)掘矩陣變換器電網(wǎng)無功功率可控的潛力，本發(fā)明提出一種簡單有效的無功 功率閉環(huán)策略，電流空間矢量角的PI控制策略，如圖3所示，具體描述如下θ = Sat(V、(kp +k^iTq ~iq)} + 5)，S為拉普拉斯變換中的復變量。其中，δ為電網(wǎng)電壓矢量角，其由鎖相環(huán)電路獲取，作為控制的前饋部分，以提高 系統(tǒng)動態(tài)響應。sat(·)為飽和函數(shù)，以保證中間直流“上正下負”，A-1O為拉普拉斯反變 換。<為無功電流給定值，預先設定，<一般取零，當需要對電網(wǎng)補償時，可以設定某一正值或負值。永磁發(fā)電機控制永磁發(fā)電機的控制采用如圖3所示的永磁同步發(fā)電機控制器10，由最大風能跟蹤 控制器(MPPT)、單位功率因數(shù)發(fā)電控制器(unity power factor control為isd提供參考)， 一個PI速度控制器和兩個PI電流控制器組成。圖4為集成保護、箝位等功能的主動crowbar保護電路(即主動保護電路)的示 意圖。整流二極管模塊由6個整流二極管組成，一方面為啟動提供電壓，另一方面提供過壓 保護功能。取樣電路為直流電壓測量模塊，它由兩個分壓電阻構成。滯環(huán)比較模塊為低壓 穿越提供決策。正常工作時IGBT gl，g3關閉，IGBT g2也為關閉狀態(tài)。在啟動之初，gl，g3 開通，g2關閉，通過整流二極管和電容Ce為逆變級提供電壓。在發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落時，測 量環(huán)節(jié)測得的中間直流電壓一旦超過閾值上限設定值uh，IGBT g2開通，釋放多余的能量， 直到測得的電壓低于閾值下限設定值U1,開關g2才關閉。當電網(wǎng)電壓發(fā)生瞬時過壓時，整 流二極管模塊以及電容C；將共同抑制瞬時過壓，保護逆疏松矩陣變換器。本實施例中，R1/R2 = 200/1，R2選100歐姆，Rl為20K歐姆，Rd為泄能電阻，選 20歐姆，1000瓦。Ce由兩個470uf，400V的電解電容串聯(lián)而成。滯環(huán)比較器的參數(shù)高電壓閾值Uh等于3. IV，低電壓閾值U1為2. 9v.輸入濾波電感為20A/0. 6mH,濾波電容選30uf的薄膜電容.圖5為端電網(wǎng)有功功率和無功功率；發(fā)電機發(fā)出將近3. 7Kw的功率，在0. 5秒前， 網(wǎng)側無功功率控制器未工作，結果有一定無功注入電網(wǎng)；0.5秒后，無功網(wǎng)側無功功率控制 器投入，實現(xiàn)了單位功率因數(shù)。圖6為對應逆疏松矩陣變換器輸入電流和電壓狀況。圖7 永磁發(fā)電機定子電流波形；圖8發(fā)電機的轉速，器給定速率為400rad/S。逆疏松矩陣變換器的所有的IGBT和二極管的功率等級可選擇一樣，主動保護電 路中，gl和g3的功率等級可以較低，但g2的功率等級較高。由于電流通過的功率器件減少，因而系統(tǒng)效率提高，根據(jù)文獻，傳統(tǒng)矩陣變換器的 效率高達92 %，故該系統(tǒng)的效率可高于92 %。
權利要求
1.一種基于逆疏松矩陣變換器的風力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，整流級的交流側與電網(wǎng) 相接，整流級的直流側與逆變級的直流側對接，逆變級的交流側與永磁同步發(fā)電機的輸出 端相接，永磁同步發(fā)電機與風機相接；主動保護電路的輸入側接逆變器的直流側，主動保護 電路的輸出側與整流級的交流側相接；所述的整流級為由六個功率器件組件組成的三相整流橋，每一個功率器件組件由一個 可控半導體功率開關和功率二極管串接而成；逆變級是由6個IGBT組成的三相橋式逆變器。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于逆疏松矩陣變換器的風力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述 的主動保護電路的電路結構如下整流二極管模塊是由6個整流二極管相接形成的三相整流橋式電路；電容Ce跨接在整 流二極管模塊的直流側；電容Ce的負極接IGBT g3的發(fā)射極，IGBT g3的集電極和逆變級直流側的地端相連、 電容Ce的正極接IGBT gl的集電極，IGBT gl的發(fā)射極接逆變級直流側的正電壓端；由第一分壓電阻和第二分壓電阻串接而成的取樣電路與電容Ce并聯(lián)；滯環(huán)比較器的輸入端接第一分壓電阻和第二分壓電阻的公共連接點，滯環(huán)比較器的輸 出端接IGBT g2的驅動器，驅動器的輸出接IGBT g2的門極，IGBT g2的發(fā)射極接電容Ce的 負極，IGBT g2的集電極經(jīng)電阻RD接電容Ce的正極。
3.根據(jù)權利要求2所述的基于逆疏松矩陣變換器的風力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述 的整流級的交流側通過濾波器與電網(wǎng)相接。
4.一種基于逆疏松矩陣變換器的風力發(fā)電方法，其特征在于，采用權利要求1-3任一 項所述的基于逆疏松矩陣變換器的風力發(fā)電系統(tǒng)，將永磁同步發(fā)電機輸出的電能饋送到電 網(wǎng)中。
5.根據(jù)權利要求4所述的基于逆疏松矩陣變換器的風力發(fā)電方法，其特征在于，基于 逆疏松矩陣變換器的風力發(fā)電系統(tǒng)具有兩種啟動方式第一種啟動方法逆變級所有IGBT均處于閉合狀態(tài)，相當于二極管整流發(fā)電狀態(tài)，而 整流級則按正常方式運行，當發(fā)電機轉速上升至其所產(chǎn)生的反電動勢高于電網(wǎng)電壓時，這 時發(fā)電機定子繞組有連續(xù)電流通過，再使逆變級所有IGBT完全按正常方式運行，完成了基 于逆疏松矩陣變換器的風力發(fā)電系統(tǒng)的啟動；第二種啟動方法，在啟動之初，關閉整流級的所有可控半導體功率開關，開啟主動保護 電路中的IGBT gl和IGBT g3，主動保護電路和逆變級一起構成通用變頻器以控制永磁發(fā)電 機，從而避免第一種啟動方式下的系統(tǒng)啟動之初低速運行不受控制的死區(qū)，直到發(fā)電機定 子電流大于IA時，關閉IGBT gl和g3，同時，啟動逆疏松矩陣變換器的正常調制程序，完成 基于逆疏松矩陣變換器的風力發(fā)電系統(tǒng)的啟動。
6.根據(jù)權利要求4所述的基于逆疏松矩陣變換器的風力發(fā)電方法，其特 征在于，采用基于電流空間矢量角的閉環(huán)PI控制方法控制無功功率，控制量
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于逆疏松矩陣變換器的風力發(fā)電系統(tǒng)及其方法，基于逆疏松矩陣變換器的風力發(fā)電系統(tǒng)的結構為整流級的交流側與電網(wǎng)相接，整流級的直流側與逆變級的直流側對接，逆變級的交流側與永磁同步發(fā)電機的輸出端相接，永磁同步發(fā)電機與風機相接；主動保護電路的輸入側接逆變器的直流側，主動保護電路的輸出側與整流級的交流側相接；所述的整流級為由六個功率器件組件組成的三相整流橋，每一個功率器件組件由一個可控半導體功率開關和功率二極管串接而成；逆變級是由6個IGBT組成的三相橋式逆變器。該基于逆疏松矩陣變換器的風力發(fā)電系統(tǒng)能夠綠色、高效、可靠地變換與傳輸能量，同時保證系統(tǒng)結構簡單緊湊，成本低廉。
文檔編號H02J3/38GK102110990SQ20111004759
公開日2011年6月29日 申請日期2011年2月28日 優(yōu)先權日2011年2月28日
發(fā)明者于晶榮, 孫堯, 廖威, 李幸, 楊建 , 桂衛(wèi)華, 潘攀, 王一軍, 王輝, 粟梅, 羅朝旭, 陳輝華, 韓華 申請人:中南大學