專利名稱：：一種采用直接功率控制的模塊化多電平風(fēng)電變流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本實用新型涉及海上風(fēng)電的變流
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其涉及一種采用直接功率控制的模塊化多電平風(fēng)電變流器。
背景技術(shù)：
：海上風(fēng)能等可再生能源的大規(guī)模并網(wǎng)已成為未來電力系統(tǒng)及智能電網(wǎng)應(yīng)用的發(fā)展方向?；陔妷涸醋兞髌鞯娜嵝灾绷鬏旊?voltagesourceconverter-highvoltagedirectcurrenttransmission,VSC-HVDC)技術(shù)，應(yīng)用于海上風(fēng)電場遠距離傳輸已成為當(dāng)前研究熱點之一。VSC-HVDC系統(tǒng)對電壓源變流器的容量和電壓等級提出了極高要求。模塊化多電平變流器(modularmultilevelconverter,MMC)具備級聯(lián)式變流器的特點,容易實現(xiàn)較多電平數(shù)目和模塊化設(shè)計，并能實現(xiàn)直流側(cè)的背靠背連接，是一種適用于VSC-HVDC的多電平拓撲結(jié)構(gòu)。基于MMC結(jié)構(gòu)的風(fēng)電變流器目前主要有兩種一、采用基于VSCHVDC系統(tǒng)線性模型的電壓定向雙閉環(huán)控制(voltageorientedcontrol,V0C)的變流器。二、采用基于VSC-HVDC系統(tǒng)非線性模型的查詢開關(guān)表直接功率控制(Look-up-tabledirectpowercontrol,LUT-DPC)的變流器。在目前公開的文獻中所提出的采用電壓定向雙閉環(huán)控制的變流器主要是通過同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)坐標變換將三相交流電流轉(zhuǎn)換，分解為同步旋轉(zhuǎn)坐標系中的有功、無功功率電流分量，然后經(jīng)過比例-積分(PI)調(diào)節(jié)器實施對有功、無功功率電流的獨立控制，從而實現(xiàn)對MMC瞬時有功、無功功率的解耦控制。但是，該變流器存在以下不足一、PI調(diào)節(jié)器設(shè)計參數(shù)過多，調(diào)整困難。采用工程整定法大都基于系統(tǒng)傳遞函數(shù)，但該類系統(tǒng)較為復(fù)雜，采用簡化傳遞函數(shù)等效計算方式得到的PI參數(shù)大都偏差較大，需在現(xiàn)場依賴人工經(jīng)驗調(diào)整，系統(tǒng)性能無法得到保證。二、對系統(tǒng)參數(shù)有一定的依賴性，采用內(nèi)環(huán)前饋結(jié)構(gòu)要用到系統(tǒng)電感等參數(shù)，在實際系統(tǒng)中這些參數(shù)的準確性難以保證，有時偏差較大，且隨著系統(tǒng)運行工況的不同，會有一定的變化，因此，往往造成按照標稱系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計的PI調(diào)節(jié)器的實際運行性能與期望性能存在偏差。三、輕型直流輸電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型本身存在強耦合、非線性等特征，而PI調(diào)節(jié)器是按照系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)線性化模型設(shè)計的，因此，無法保證系統(tǒng)動態(tài)性能，調(diào)節(jié)效果不可能達到最優(yōu)。在目前公開的文獻中所提出的采用查詢開關(guān)表直接功率控制的變流器源于交流電機直接轉(zhuǎn)矩控制的思想，并應(yīng)用于采用MMC的柔性直流輸電系統(tǒng)中。該變流器工作的基本原理是在一個采樣周期內(nèi)根據(jù)瞬時有功、無功的誤差以及電網(wǎng)位置信號，在事先確定的電壓矢量開關(guān)表中選取合適的變流器輸出電壓矢量，使得輸出功率能夠快速、精確地跟蹤其給定值。相對于V0C，LUT-DPC的優(yōu)點主要是動態(tài)響應(yīng)快，具有較高的魯棒性。然而，其明顯不足是變流器開關(guān)頻率不穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)特性不如V0C，同時，還因使用了較多的傳感器，造成系統(tǒng)成本增加和體積龐大，且由于實際應(yīng)用中丟失傳感器信號，以及受到噪聲干擾，造成系統(tǒng)性能降低。
實用新型內(nèi)容針對上述技術(shù)問題，本實用新型的目的在于提供一種采用直接功率控制的模塊化多電平風(fēng)電變流器，其通過虛擬磁鏈計算有功、無功功率，無需電網(wǎng)電壓傳感器，無需設(shè)計電流內(nèi)環(huán)，不僅動態(tài)響應(yīng)快，開關(guān)頻率恒定，而且具有更好的穩(wěn)態(tài)特性。為達此目的，本實用新型采用以下技術(shù)方案一種采用直接功率控制的模塊化多電平風(fēng)電變流器，包括模塊化多電平變流器(modularmultilevelconverter,MMC)、功率給定單元、信號采集單元、虛擬磁鏈計算單元、功率解耦單元、坐標變換單元、均壓控制單元以及觸發(fā)脈沖生成單元；其中，所述模塊化多電平變流器與信號采集單元、觸發(fā)脈沖生成單元連接，所述信號采集單元與功率給定單元、虛擬磁鏈計算單元連接，所述觸發(fā)脈沖生成單元與均壓控制單元連接，所述功率給定單元與功率解稱單元連接，所述虛擬磁鏈計算單元與功率解I禹單元、坐標變換單元連接,所述均壓控制單元與觸發(fā)脈沖生成單元、坐標變換單元連接,所述坐標變換單元與功率解耦單元連接。特別地，所述模塊化多電平變流器中的功率器件選用絕緣柵雙極性晶體管。特別地，所述模塊化多電平變流器的直流側(cè)采用電容穩(wěn)壓，其交流側(cè)設(shè)置有電抗器。特別地，所述信號采集單元包括霍爾電流傳感器、霍爾電壓傳感器及信號調(diào)理電路。特別地，所述功率給定單元、虛擬磁鏈計算單元、功率解耦單元、坐標變換單元及均壓控制單均選用德州儀器(TI)公司的DSP28335。特別地，所述觸發(fā)脈沖生成單元選用瑞士萊姆(LEM)公司的現(xiàn)場可編程門陣(Field—ProgrammableGateArray,FPGA)。本實用新型通過虛擬磁鏈計算有功、無功功率，實現(xiàn)對模塊化多電平變流器的直接功率控制，與采用電壓定向雙閉環(huán)控制的變流器相比，本實用新型的無需設(shè)計電流內(nèi)環(huán)且動態(tài)響應(yīng)快；與采用查詢開關(guān)表直接功率控制的變流器相比，本實用新型無需網(wǎng)側(cè)電壓傳感器，不僅動態(tài)響應(yīng)快，開關(guān)頻率恒定，而且具有更好的穩(wěn)態(tài)特性。[0016]結(jié)構(gòu)圖[0022][0023]圖1為本實用新型實施例提供的海上風(fēng)電VSC-HVDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2a為本實用新型實施例提供的模塊化多電平變流器拓撲結(jié)構(gòu)圖2b為本實用新型實施例提供的變流器中子模塊結(jié)構(gòu)圖3a為本實用新型實施例提供的采用直接功率控制的模塊化多電平風(fēng)電變流器圖3b為本實用新型實施例提供的功率解耦控單元原理圖4a為本實用新型實施例提供的VSC-HVDC系統(tǒng)有功功率和無功功率響應(yīng)曲線；圖4b為本實用新型實施例提供的VSC-HVDC系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線；圖4c為本實用新型實施例提供的電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時的系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線。具體實施方式為使本實用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。請參照圖1所示，圖1為本實用新型實施例提供的海上風(fēng)電VSC-HVDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖中，VSC1為風(fēng)場側(cè)變流器，VSC2為網(wǎng)側(cè)變流器。C1、C2均為直流電容。Tl為升壓變壓器，將風(fēng)場出口電壓升高至所需數(shù)值后送入風(fēng)場側(cè)變流器。T2為隔離變壓器，網(wǎng)側(cè)變流器通過該隔離變壓器接入電網(wǎng)，發(fā)揮隔離和電壓匹配的作用。其中，風(fēng)場側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器均為模塊化多電平變流器，其中的功率器件采用基于絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)的MCC結(jié)構(gòu)。傳輸功率Prc的傳輸方向為由風(fēng)場側(cè)輸送至網(wǎng)側(cè)。需要說明的是，在所述變流器的交流側(cè)還設(shè)置有進線電抗器，起到平波和直流側(cè)電容電壓泵升的作用。如圖2a所示，圖2a為本實用新型實施例提供的模塊化多電平變流器拓撲結(jié)構(gòu)圖。以網(wǎng)側(cè)變流器VSC2為例。由虛擬磁鏈概念，可將網(wǎng)側(cè)電源看做一個虛擬交流電機，如圖中虛線框中的部分所示。其中，Rtl為所述虛擬交流電機的定子電阻，Ltl為所述虛擬交流電機的電感，ia、ib和i。為網(wǎng)側(cè)電流，u'rb>u'A及u'rc該變流器的交流側(cè)電壓，ura>Urb及Ulx變流器的橋臂電壓。模塊化多電平變流器的子模塊SMn(η為正整數(shù))結(jié)構(gòu)圖，如圖2b所/Jnο如圖3a所示，圖3a為本實用新型實施例提供的采用直接功率控制的模塊化多電平變流器結(jié)構(gòu)圖。本實施例中采用直接功率控制的模塊化多電平風(fēng)電變流器包括模塊化多電平變流器301、功率給定單元302、信號采集單元303、虛擬磁鏈計算單元304、功率解耦單元305、坐標變換單元306、均壓控制單元307以及觸發(fā)脈沖生成單元308。其中，所述模塊化多電平變流器301與信號采集單元303、觸發(fā)脈沖生成單元308連接，所述信號采集單元303與功率給定單元302、虛擬磁鏈計算單元304連接，所述觸發(fā)脈沖生成單元308與均壓控制單元307連接，所述功率給定單元302與功率解耦單元305連接，所述虛擬磁鏈計算單元304與功率解耦單元305、坐標變換單元306連接，所述均壓控制單元307與觸發(fā)脈沖生成單元308、坐標變換單元306連接，所述坐標變換單元306與功率解耦單元305連接。本實施例中所述模塊化多電平變流器301中的功率器件選用絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)。所述模塊化多電平變流器301的直流側(cè)采用電容C穩(wěn)壓，其交流側(cè)設(shè)置有電抗器。所述信號采集單元303包括霍爾電流傳感器、霍爾電壓傳感器及信號調(diào)理電路。所述信號調(diào)理電路采用運算放大器TL074構(gòu)成的運算電路。所述功率給定單元302、虛擬磁鏈計算單元304、功率解耦單元305、坐標變換單元306及均壓控制單均選用德州儀器(TI)公司的DSP28335，型號為XC5VLX330。所述觸發(fā)脈沖生成單元308選用瑞士萊姆(LEM)公司的現(xiàn)場可編程門陣(Field—ProgrammableGateArray,FPGA)。其中，所述運算放大器TL074為常用四運放集成電路。以一臺系統(tǒng)容量為40kVA，電壓等級690V的基于模塊化多電平變流器301的VSC-HVDC系統(tǒng)為例，該模塊化多電平變流器301的每個橋臂設(shè)置四個子模塊，風(fēng)場側(cè)變流器VSCl控制直流電壓，網(wǎng)側(cè)變流器VSC2控制有功功率。本實施例中采用直接功率控制的模塊化多電平風(fēng)電變流器的具體工作過程如下[0032]步驟S101、根據(jù)VSC-HVDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立模塊化多電平變流器301的數(shù)學(xué)模型。功率給定單元302通過PI調(diào)節(jié)器處理直流電壓給定值Vje與模塊化多電變流器的直流電壓檢測值Vdc的誤差，獲得有功電流給定值Id并將該有功電流給定值與直流電壓檢測值Vdc的乘積作為有功功率給定值Ρ%其中，無功功率給定值q*在單位功率因數(shù)運行時為零。在該數(shù)學(xué)模型中，風(fēng)場部分用同步發(fā)電機E等效，網(wǎng)側(cè)采用理想電壓源，風(fēng)場側(cè)變壓器為升壓變壓器，將風(fēng)場出口電壓升高至所需數(shù)值后送入風(fēng)場側(cè)變流器。網(wǎng)側(cè)變流器經(jīng)隔離變壓器接入電網(wǎng)，這一側(cè)變壓器的作用為隔離和電壓匹配。風(fēng)場側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器的直流側(cè)以長距離輸電電纜連接，電纜模型采用η型等效電路模擬。風(fēng)場側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器交流側(cè)三相電抗器采用三相電感模塊模擬。模塊化多電平變流器301的數(shù)學(xué)模型如公式(I)所示權(quán)利要求1.一種采用直接功率控制的模塊化多電平風(fēng)電變流器，其特征在于，包括模塊化多電平變流器、功率給定單元、信號采集單元、虛擬磁鏈計算單元、功率解耦單元、坐標變換單元、均壓控制單元以及觸發(fā)脈沖生成單元；其中，所述模塊化多電平變流器與信號采集單元、觸發(fā)脈沖生成單元連接，所述信號采集單元與功率給定單元、虛擬磁鏈計算單元連接，所述觸發(fā)脈沖生成單元與均壓控制單元連接，所述功率給定單元與功率解稱單元連接，所述虛擬磁鏈計算單元與功率解稱單元、坐標變換單元連接，所述均壓控制單元與觸發(fā)脈沖生成單元、坐標變換單元連接，所述坐標變換單元與功率解稱單元連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用直接功率控制的模塊化多電平風(fēng)電變流器，其特征在于，所述模塊化多電平變流器中的功率器件選用絕緣柵雙極性晶體管。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的采用直接功率控制的模塊化多電平風(fēng)電變流器，其特征在于，所述模塊化多電平變流器的直流側(cè)采用電容穩(wěn)壓，其交流側(cè)設(shè)置有電抗器。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的采用直接功率控制的模塊化多電平風(fēng)電變流器，其特征在于，所述信號采集單元包括霍爾電流傳感器、霍爾電壓傳感器及信號調(diào)理電路。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的采用直接功率控制的模塊化多電平風(fēng)電變流器，其特征在于，所述功率給定單元、虛擬磁鏈計算單元、功率解耦單元、坐標變換單元及均壓控制單均選用德州儀器(TI)公司的DSP28335。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的采用直接功率控制的模塊化多電平風(fēng)電變流器，其特征在于，所述觸發(fā)脈沖生成單元選用瑞士萊姆(LEM)公司的現(xiàn)場可編程門陣(Field—ProgrammableGateArray,FPGA)。專利摘要本實用新型公開一種采用直接功率控制的模塊化多電平風(fēng)電變流器，該變流器通過功率給定單元、信號采集單元、虛擬磁鏈計算單元、功率解耦單元、坐標變換單元、均壓控制單元以及觸發(fā)脈沖生成單元對模塊化多電平變流器中的功率器件進行控制。與采用電壓定向雙閉環(huán)控制的變流器相比，本實用新型的無需設(shè)計電流內(nèi)環(huán)且動態(tài)響應(yīng)快；與采用查詢開關(guān)表直接功率控制的變流器相比，本實用新型無需網(wǎng)側(cè)電壓傳感器，不僅動態(tài)響應(yīng)快，開關(guān)頻率恒定，而且具有更好的穩(wěn)態(tài)特性。文檔編號H02M7/483GK202872383SQ20122054904公開日2013年4月10日申請日期2012年10月24日優(yōu)先權(quán)日2012年10月24日發(fā)明者蔣辰暉,王志新,吳杰申請人:無錫清源電氣科技有限公司