專利名稱：基于直驅(qū)模塊化多電平變換器的風力發(fā)電并網(wǎng)控制系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電力技術領域，尤其涉及一種無需加裝濾波設備、對電網(wǎng)沖擊小且便于拓展的基于直驅(qū)模塊化多電平變換器的風力發(fā)電并網(wǎng)控制系統(tǒng)。
背景技術：
隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展，新能源的開發(fā)和利用受到越來越廣泛的重視。風能，作為一種清潔綠色的可再生能源，其市場也迅速發(fā)展起來。因此，風力發(fā)電并網(wǎng)控制系統(tǒng)具有很高的實用意義?，F(xiàn)在廣泛應用于風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的接入技術主要有恒速恒頻機組接入和變速恒頻機組接入。風力發(fā)電機組的出口頻率一般在12 18HZ之間，隨著風力發(fā)電機組容量的上升，低速發(fā)電機無法滿足并網(wǎng)控制的要求，進而需用增速齒輪箱將發(fā)電機組的頻率升高至工頻附近。這不僅增加了設計的難度，也給安裝和維護帶來極大的不便，同時機組的效率也不理想。
此外，考慮到我國風電場資源分布的特殊性，即我們風能資源主要集中于新疆、河兩走廊、內(nèi)蒙和沿海地區(qū)，而電力消耗主要集中在我國東部，中部和南部地區(qū)，大容量長距離的輸電線路要求也隨之升高。并且，風力發(fā)電機組在并網(wǎng)時對電網(wǎng)造成的沖擊也越來越大。其中，將風機輸出電壓變換為工頻接入并網(wǎng)的變換器是風力發(fā)電并網(wǎng)控制系統(tǒng)的關鍵設備。目前，變換器主要采用交-直-交的拓撲結(jié)構(gòu)，該種結(jié)構(gòu)復雜，有直流環(huán)節(jié)，且效率較低。所以，解決上述問題以保證風力發(fā)電并網(wǎng)經(jīng)濟、可靠地運行是當務之急。中國專利申請?zhí)枮?00810220070. 2的發(fā)明專利公開了一種基于矩陣式變換器的無刷雙饋風力發(fā)電機控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用3X3雙向開關矩陣式變換器，一側(cè)連接無刷雙饋發(fā)電機組的控制繞組，另一側(cè)接入電網(wǎng)。根據(jù)無刷雙饋發(fā)電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，進行交-交變頻，實現(xiàn)功率繞組的輸出電能頻率恒定，即變速恒頻。但由于采用矩陣式變換器，其輸出諧波較大，需在電網(wǎng)側(cè)加裝濾波設備。并且，由于矩陣式變換器的特殊拓撲結(jié)構(gòu)，它的輸出電壓電平少，輸出電流不連續(xù)，會對電網(wǎng)造成一定的沖擊。另外，該系統(tǒng)僅涉及單一風力發(fā)電機的并網(wǎng)控制，而就目前發(fā)展形勢來看，大規(guī)模的風力發(fā)電機組是趨勢所至，若采用該系統(tǒng)應用于大規(guī)模的風力發(fā)電機組則需要與風力發(fā)電機數(shù)量相同的矩陣式變換器，這勢必會造成經(jīng)濟、占地、維護等眾多問題，因此，該系統(tǒng)不能滿足大規(guī)模風力發(fā)電機組的發(fā)展需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于直驅(qū)模塊化多電平變換器的風力發(fā)電并網(wǎng)控制系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有風力發(fā)電并網(wǎng)控制系統(tǒng)存在的安裝維護不便以及輸出諧波大，需加裝濾波設備；輸出電流不連續(xù)，沖擊電網(wǎng)且不能滿足大規(guī)模風力發(fā)電機組發(fā)展需求的技術問題。為達到上述目的，本發(fā)明提供一種基于直驅(qū)模塊化多電平變換器的風力發(fā)電并網(wǎng)控制系統(tǒng)，分別與電網(wǎng)和風力發(fā)電機組連接，包括直驅(qū)模塊化多電平變換器、A/D采樣模塊和主控制模塊，其中，直驅(qū)模塊化多電平變換器一側(cè)與電網(wǎng)相連，另一側(cè)與風力發(fā)電機組經(jīng)升壓變壓器后的低頻輸電線路相連，用以進行變速恒頻控制及功率控制，實現(xiàn)安全可靠經(jīng)濟的并網(wǎng)，其進一步包括9Xn級聯(lián)單元模塊矩陣；A/D采樣模塊與直驅(qū)模塊化多電平變換器連接，用以采集各單元模塊的電器參數(shù)；主控制模塊分別與直驅(qū)模塊化多電平變換器和A/D采樣模塊連接，用以根據(jù)A/D采樣模塊采集的電氣參數(shù)，給出每個單元模塊的開關動作信號。依照本發(fā)明較佳實施例所述的基于直驅(qū)模塊化多電平變換器的風力發(fā)電并網(wǎng)控制系統(tǒng)，其9Xn級聯(lián)單元模塊矩陣包括9個橋臂，每個橋臂由一個緩沖電抗器及N個單元模塊級聯(lián)而成，且級聯(lián)橋臂為3X3陣列，陣列的一側(cè)的三相輸入端與電網(wǎng)相連，另一側(cè)的三相輸出端與風力發(fā)電機組經(jīng)低頻升壓變壓器后的低頻輸電線路相連。依照本發(fā)明較佳實施例所述的基于直驅(qū)模塊化多電平變換器的風力發(fā)電并網(wǎng)控 制系統(tǒng)，上述的單元模塊進一步包括H橋單元、子A/D采樣模塊和子控制模塊，其中，H橋單元為由四個IGBT開關與電解電容搭建而成的單相逆變器；子A/D采樣模塊與H橋單元連接，用以采集電容電壓；子控制模塊分別與H橋單元和子A/D采樣模塊連接，用以與主控制模塊進行通訊，傳輸電壓信息，接收控制信號，驅(qū)動4個IGBT開關。依照本發(fā)明較佳實施例所述的基于直驅(qū)模塊化多電平變換器的風力發(fā)電并網(wǎng)控制系統(tǒng)，其主控制模塊采用階梯波調(diào)制及排序選擇的電容電壓平衡方法輸出波形調(diào)制。依照本發(fā)明較佳實施例所述的基于直驅(qū)模塊化多電平變換器的風力發(fā)電并網(wǎng)控制系統(tǒng)，其主控制模塊將級聯(lián)單元模塊矩陣等效為電流源矩陣，進而進行電流閉環(huán)控制。相對于現(xiàn)有技術，本發(fā)明具有以下優(yōu)點I、該系統(tǒng)不需要將風力發(fā)電機組的頻率升至工頻附近，可省去機組桿塔上方的增速齒輪箱，不僅降低成本，還能提高系統(tǒng)運行的可靠性。2、該系統(tǒng)采用低頻輸電較工頻輸電可達到更長的距離，且損耗低。3、該系統(tǒng)可實時調(diào)節(jié)直驅(qū)模塊化多電平變換器的低頻側(cè)頻率，以提高風力發(fā)電機組的整體運行效率。4、該系統(tǒng)可根據(jù)系統(tǒng)潮流情況控制低頻側(cè)電壓，調(diào)節(jié)低頻側(cè)無功潮流，滿足系統(tǒng)電能質(zhì)量和無功配置的要求。5、該系統(tǒng)采用模塊化設計，便于根據(jù)不同的系統(tǒng)容量進行拓展，能夠滿足大規(guī)模風力發(fā)電機組的發(fā)展需求。同時，冗余設計使得維護更加便利；6、相較于傳統(tǒng)的兩電平與三點平輸出，該系統(tǒng)米用多電平輸出，其諧波含量大大減少，且輸出電流連續(xù)，故在并網(wǎng)側(cè)無須加裝額外的濾波設備，同時對電網(wǎng)沖擊較小。


圖I為本發(fā)明基于直驅(qū)模塊化多電平變換器的風力發(fā)電并網(wǎng)控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實施例的直驅(qū)模塊化多電平變換器的單元模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明實施例的直驅(qū)模塊化多電平變換器的控制原理圖；圖4為本發(fā)明實施例的直驅(qū)模塊化多電平變換器的等效電路圖。
具體實施例方式下面將結(jié)合附圖詳細講解本發(fā)明專利提供的基于直驅(qū)模塊化多電平變換器的風力發(fā)電并網(wǎng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理。請參閱圖1，一種基于直驅(qū)模塊化多電平變換器的風力發(fā)電并網(wǎng)控制系統(tǒng)，包括直驅(qū)模塊化多電平變換器10、A/D采樣模塊20和主控制模塊30。直驅(qū)模塊化多電平變換器10—側(cè)與電網(wǎng)40相連，另一側(cè)與風力發(fā)電機組50經(jīng)升壓變壓器后的低頻輸電線路相連，用以進行變速恒頻控制及功率控制，實現(xiàn)安全可靠經(jīng)濟的并網(wǎng)，其包括9Xn級聯(lián)單元模塊矩陣，且9Xn級聯(lián)單元模塊矩陣包括9個橋臂，每個橋臂由一個緩沖電抗器及N個單元模塊級聯(lián)而成，如圖所示，級聯(lián)橋臂為3X 3陣列，陣列的一側(cè)的三相輸入端與電網(wǎng)40相連，另一側(cè)的三相輸出端與風力發(fā)電機組50經(jīng)低頻升壓變壓器后的低頻輸電線路相連。A/D采樣模塊20與直驅(qū)模塊化多電平變換器10連接，用以采集各單元模塊的電器參數(shù)；主控制模塊30分別與直驅(qū)模塊化多電平變換器10和A/D采樣模塊20連接，用以根據(jù)A/D采樣模塊20 采集的電氣參數(shù)，給出每個單元模塊的開關動作信號。請再參閱圖2，單元模塊包括H橋單60、子控制模塊70和子A/D采樣模塊80。H橋單元60包括4個IGBT開關和I個電解電容，如圖所示連接，4個IGBT開關和I個電解電容搭建成一單向逆變器。子A/D采樣模塊70與H橋單元60連接，用以采集電容電壓。子控制模塊80分別與H橋單元60和子A/D采樣模塊70連接，用以與主控制模塊30進行通訊，傳輸電壓信息，接收控制信號，驅(qū)動4個IGBT開關。本發(fā)明的主控制模塊采用階梯波調(diào)制及排序選擇的電容電壓平衡方法輸出波形調(diào)制，并將級聯(lián)單元模塊矩陣等效為電流源矩陣，以進行電流閉環(huán)控制。請參閱圖3，控制算法部分以TI公司C2000系列的TMS320F2812高速數(shù)字信號處理芯片為核心，其功能為根據(jù)A/D采樣模塊部分檢測的各電器參數(shù)計算直驅(qū)模塊化多電平變換器的各路調(diào)制信號，進行并網(wǎng)及功率控制。外部時鐘為30MHZ的晶振，給DSP芯片提供時鐘信號。由于DSP芯片PWM端口較少，遠不能滿足驅(qū)動所有級聯(lián)模塊中的開關的要求，且I/
O口有限，無法連接所有單元模塊，故須額外芯片進行脈沖分配及信號采集。選取Xilinx公司Spartan-3AN系列的XC3S400AN芯片來完成輔助功能。利用9塊XC3S400AN芯片分別對應直驅(qū)模塊化多電平變換器的九個橋臂。其功能是DSP的調(diào)制信號，進行階梯波調(diào)制，并根據(jù)該橋臂各電容電壓值進行電壓平衡控制；同時與該橋臂內(nèi)的所有子控制模塊通訊，接受采樣信息，傳輸控制信號。本發(fā)明將級聯(lián)單元模塊矩陣等效為電流源矩陣，進而進行電流閉環(huán)控制。請參考圖4，將直驅(qū)模塊化多電平變換器的各橋臂等效成電流源。電網(wǎng)側(cè)三相電流分別為Ial，Ibl,Icl，風力發(fā)電機組側(cè)三相電流分別為Ia2，Ib2, Ic3。若三相完全平衡，則每個等效電流源的指令電流信號如下
(Jol _ (^al ~ hi) (Jai - h)Is = — · (Ihl - Ia2) (^*i _ hi) (,μ—人.2)(I)
_(,cl " Ial ) (,Cl " hi ) (,Cl 一 )_考慮到電容電壓的平衡，則電網(wǎng)與風力發(fā)電機組的有功功率平衡
權(quán)利要求
1.一種基于直驅(qū)模塊化多電平變換器的風力發(fā)電并網(wǎng)控制系統(tǒng)，分別與電網(wǎng)和風力發(fā)電機組連接，其特征在于，包括直驅(qū)模塊化多電平變換器、A/D采樣模塊和主控制模塊，其中， 所述直驅(qū)模塊化多電平變換器一側(cè)與電網(wǎng)相連，另一側(cè)與風力發(fā)電機組經(jīng)升壓變壓器后的低頻輸電線路相連，用以進行變速恒頻控制及功率控制，實現(xiàn)安全可靠經(jīng)濟的并網(wǎng)，其進一步包括9Xn級聯(lián)單元模塊矩陣； 所述A/D采樣模塊與所述直驅(qū)模塊化多電平變換器連接，用以采集所述各單元模塊的電氣參數(shù)； 所述主控制模塊分別與所述直驅(qū)模塊化多電平變換器和A/D采樣模塊連接，用以根據(jù)所述A/D采樣模塊采集的電氣參數(shù)，給出每個所述單元模塊的開關動作信號。
2.如權(quán)利要求I所述的基于直驅(qū)模塊化多電平變換器的風力發(fā)電并網(wǎng)控制系統(tǒng)，其特征在于9Xn級聯(lián)單元模塊矩陣包括9個橋臂，每個所述橋臂由一個緩沖電抗器及N個單元模塊級聯(lián)而成，且所述級聯(lián)橋臂為3X3陣列，所述陣列的一側(cè)的三相輸入端與電網(wǎng)相連，另一側(cè)的三相輸出端與風力發(fā)電機組經(jīng)低頻升壓變壓器后的低頻輸電線路相連。
3.如權(quán)利要求2所述的基于直驅(qū)模塊化多電平變換器的風力發(fā)電并網(wǎng)控制系統(tǒng)，其特征在于所述單元模塊進一步包括H橋單元、子A/D采樣模塊和子控制模塊，其中， 所述H橋單元為由四個IGBT開關與電解電容搭建而成的單相逆變器； 所述子A/D采樣模塊與所述H橋單元連接，用以采集電容電壓； 所述子控制模塊分別與所述H橋單元和子A/D采樣模塊連接，用以與所述主控制模塊進行通訊，傳輸電壓信息，接收控制信號，驅(qū)動所述4個IGBT開關。
4.如權(quán)利要求I所述基于直驅(qū)模塊化多電平變換器的風力發(fā)電并網(wǎng)控制系統(tǒng)，其特征在于所述主控制模塊采用階梯波調(diào)制及排序選擇的電容電壓平衡方法輸出波形調(diào)制。
5.如權(quán)利要求4所述基于直驅(qū)模塊化多電平變換器的風力發(fā)電并網(wǎng)控制系統(tǒng)，其特征在于所述主控制模塊將所述級聯(lián)單元模塊矩陣等效為電流源矩陣，進而進行電流閉環(huán)控制。
全文摘要
一種基于直驅(qū)模塊化多電平變換器的風力發(fā)電并網(wǎng)控制系統(tǒng)，包括直驅(qū)模塊化多電平變換器、A/D采樣模塊和主控制模塊，其中，直驅(qū)模塊化多電平變換器一側(cè)與電網(wǎng)相連，另一側(cè)與風力發(fā)電機組經(jīng)升壓變壓器后的低頻輸電線路相連，用以進行變速恒頻控制及功率控制，其進一步包括9×n級聯(lián)單元模塊矩陣；A/D采樣模塊與直驅(qū)模塊化多電平變換器連接，用以采集各單元模塊的電氣參數(shù)；主控制模塊分別與直驅(qū)模塊化多電平變換器和A/D采樣模塊連接，用以根據(jù)A/D采樣模塊采集的電氣參數(shù)給出每個單元模塊的開關動作信號。本發(fā)明具有安裝維護方便、無需濾波設備、對電網(wǎng)沖擊小且便于拓展，能夠滿足大規(guī)模風力發(fā)電機組發(fā)展需求的優(yōu)點。
文檔編號H02J3/38GK102832635SQ20111039360
公開日2012年12月19日 申請日期2011年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月1日
發(fā)明者姜建國, 高淳, 徐亞軍, 趙劍飛, 曹凱, 楊興武, 羅*, 楊興華 申請人:上海交通大學