一种风力发电系统背靠背变流器的容错控制方法及系统

摘要

本发明公开了一种风力发电系统背靠背变流器的容错控制方法及系统，该方法在确定背靠背变流器六个桥臂中发生故障的桥臂后，将剩余的五个健康桥臂重构为五桥臂变流器，利用双向晶闸管将原故障桥臂对应相连接至健康桥臂，该健康桥臂被定义为公共桥臂；为了避免容错控制下公共桥臂过流，检测公共桥臂的电流，若公共桥臂电流大于电流预警值，调节发电机转速，从而控制公共桥臂上发电机侧与网侧对应相的相位差在120。—240。内，实现风力发电并网系统的正常运行。本发明涉及的容错控制方法能够实现系统在变流器故障下的不间断容错运行，同时可以保持公共桥臂不过流，具有良好的鲁棒性。

权利要求

1.一种风力发电系统背靠背变流器的容错控制方法，其特征在于，所述背靠背变流器为六桥臂两电平结构，变流器的三个桥臂分别连接风力发电机侧三相绕组，另三个桥臂分别连接电网侧三相绕组，在发电机侧绕组和电网侧绕组之间连接有三组双向晶闸管，每相只连接一组双向晶闸管；所述容错控制方法包括：系统正常运行时三组双向晶闸管均处于关断状态，采用SVPWM调制法获得正常状态下六个桥臂的开关信号控制系统运行；

当六个桥臂中任一桥臂发生故障时，切除故障桥臂，接通故障桥臂对应相的双向晶闸管将原故障桥臂对应相连接至健康桥臂，构成五桥臂变流器，将该健康桥臂定义为公共桥臂；检测公共桥臂的电流，若公共桥臂电流大于额定电流，调节发电机转速，将公共桥臂上发电机侧与电网侧对应相的相位差控制在120°-240°内，实现变流器在非过流状态下容错运行；

在故障重构后，若公共桥臂电流小于额定电流，发电机侧采用矢量控制，转速由最佳叶尖速比确定，电网侧采用直接功率控制；获得给定电压信号后，根据五桥臂六相PWM调制法，对六相给定电压信号进行零序电压补偿，使得公共桥臂对应的两相补偿后的电压相等，从而获得五个桥臂的开关信号；

在故障重构后，若公共桥臂电流大于额定电流，调节发电机侧转速，控制公共桥臂上两相相位差在120°-240°内，之后通过五桥臂六相PWM调制法，对六相给定电压信号进行零序电压补偿，使得公共桥臂对应的两相补偿后的电压相等，从而获得五个桥臂的开关信号。

2.根据权利要求1所述的一种风力发电系统背靠背变流器的容错控制方法，其特征在于，利用基于三角载波的调制方法，对零序电压补偿后的给定电压信号进行调制得到系统的开关信号，实现系统的容错运行。

3.使用根据权利要求1或2所述的背靠背变流器的容错控制方法的风力发电系统，其特征在于，包括风力发电机、所述背靠背变流器、直流母线支撑电容组和所述三组双向晶闸管，所述风力发电机的三相绕组分别连接至背靠背变流器的三个桥臂，变流器的另三个桥臂连接至电网；所述直流母线支撑电容组并联在直流母线上，所述三组双向晶闸管连接电网侧与电机侧绕组，电网侧与电机侧每相只连接一组双向晶闸管。

说明书

一种风力发电系统背靠背变流器的容错控制方法及系统

技术领域

[0001] 本发明属于新能源发电领域，涉及一种风力发电系统变流器故障状态下的容错控制方法及系统。

背景技术

[0002] 19世纪70年代以来，以煤炭、石油为主要燃料的国家已面临严重的环境污染，加上化石燃料有限、储量减少的双重危机日益加深，开发利用新能源已经成为世界能源可持续发展战略的重要组成部分，而风能又是新能源中最具开发潜力的一种能源。在不断持续的能源紧张形势下，世界上很多国家尤其是发达国家，都在寻找一种可替代常规能源、对环境无污染的可持续发展新能源。太阳能、核能、潮汐能、风能等新能源的大规模开发利用将有效的缓解能源供应紧张所带来的压力。据不完全统计，世界风能资源高达每年53万亿千瓦时，世界的装机容量每年都以25％的速度增长，预计在未来的10年内，世界风能市场每年将递增20％左右。我国风能资源分布广泛，在内陆地区如内蒙古北部、甘肃、新疆及东南沿海、山东、辽宁半岛等均属于风资源丰富区。我国陆地上可开发的风能资源已达到2.53亿千瓦时，加上近海可开发的风能资源估计在10亿千瓦时以上，超过水能资源的2倍有余，而且我国产业化条件最为成熟的首推风力发电。因此，必须对风力发电的开发给予高度重视并将其列入能源优先开发计划之列，这将对调整我国能源结构、缓解环境污染等方面起到不可估量的作用，而且风力发电的重要性已得到世界上很多国家充分认可。

[0003] 由于风力发电系统是高阶、多变量、参数时变的非线性系统，并长期处于沿海高原等复杂多变的工作环境中，大功率、高负荷连续运行，变流器是非常容易发生故障的环节，变流器的故障会引起生产过程停顿，甚至可能造成严重灾难。为了避免由于变流器故障而导致整个系统不稳定，对变流器引入容错控制，使变流器在出现某些故障情况下能够正常运行，一定程度地增加了系统的稳定性。

发明内容

[0004] 发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种风力发电系统背靠背变流器的容错控制方法及系统，能够利用故障后变流器的剩余五个健康桥臂组成五桥臂变流器，实现背靠背变流器故障下的不间断容错运行，提高了系统鲁棒性。

[0005] 技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

[0006] 一种风力发电系统背靠背变流器的容错控制方法，所述背靠背变流器为六桥臂两电平结构，变流器的三个桥臂分别连接风力发电机侧三相绕组，另三个桥臂分别连接电网侧三相绕组，在发电机侧绕组和电网侧绕组之间连接有三组双向晶闸管，每相只连接一组双向晶闸管；所述容错控制方法包括：

[0007] 系统正常运行时三组双向晶闸管均处于关断状态，采用SVPWM调制法获得正常状态下六个桥臂的开关信号控制系统运行；

[0008] 当六个桥臂中任一桥臂发生故障时，切除故障桥臂，接通故障桥臂对应相的双向晶闸管将原故障桥臂对应相连接至健康桥臂，构成五桥臂变流器，将该健康桥臂定义为公共桥臂；检测公共桥臂的电流，若公共桥臂电流大于额定电流，调节发电机转速，将公共桥臂上发电机侧与电网侧对应相的相位差控制在120°-240°内，实现变流器在非过流状态下容错运行。

[0009] 作为优选，在故障重构后，若公共桥臂电流小于额定电流，发电机侧采用矢量控制，转速由最佳叶尖速比确定，电网侧采用直接功率控制；获得给定电压信号后，根据五桥臂六相PWM调制法，对六相给定电压信号进行零序电压补偿，使得公共桥臂对应的两相补偿后的电压相等，从而获得五个桥臂的开关信号。

[0010] 作为优选，在故障重构后，若公共桥臂电流大于额定电流，调节发电机侧转速，控制公共桥臂上两相相位差在120°-240°内，之后通过五桥臂六相PWM调制法，对六相给定电压信号进行零序电压补偿，使得公共桥臂对应的两相补偿后的电压相等，从而获得五个桥臂的开关信号。

[0011] 作为优选，利用基于三角载波的调制方法，对零序电压补偿后的给定电压信号进行调制得到系统的开关信号，实现系统的容错运行。

[0012] 使用上述背靠背变流器的容错控制方法的风力发电系统，包括风力发电机、所述背靠背变流器、直流母线支撑电容组和所述三组双向晶闸管，所述风力发电机的三相绕组分别连接至背靠背变流器的三个桥臂，变流器的另三个桥臂连接至电网；所述直流母线支撑电容组并联在直流母线上，所述三组双向晶闸管连接电网侧与电机侧绕组，电网侧与电机侧每相只连接一组双向晶闸管。

[0013] 有益效果：本发明方法在广泛使用的背靠背变流器的风力发电系统中，提出了一种变流器的容错控制方法，该方法除了算法简单、易于实现的优点之外，还包括以下技术优势：

[0014] 优势Ⅰ—当风力发电系统背靠背变流器单个桥臂发生故障时，不需要将整个变流器切除，利用剩余五个非故障桥臂实现容错运行；

[0015] 优势Ⅱ—在实现风力发电系统背靠背变流器故障情况下容错运行的同时，能够维持变流器所有桥臂不过流，从而提高了整个系统的稳定性。

[0016] 优势Ⅲ—仅在现有设备中增加了三组双向晶闸管，并在故障发生时可以立即动作，实现容错运行，减小了设备投资。

附图说明

[0017] 图1是本发明方法的流程框图；

[0018] 图2是硬件实验系统结构示意图，其中(a)为正常运行状态下，K1、K2、K3关断，(b)桥臂6故障状态下，K1、K2关断，K3导通。

具体实施方式

[0019] 下面将参照附图对本发明进行说明。

[0020] 本发明的实施例的系统硬件结构如图2所示，风力发电系统包括：一台风力发电机、一台背靠背变流器、直流母线支撑电容组和三组双向晶闸管；其中风力发电机为普通三相电机，背靠背变流器为六桥臂两电平结构，风力发电机的三相绕组分别连接至变流器的三个桥臂，变流器的另三个桥臂连接至电网；直流母线支持电容组为多个电容串并联结构，满足直流母线电压以及输出功率的需求；三组双向晶闸管连接电网侧与电机侧绕组，同时确保电网侧与电机侧每相只连接一组双向晶闸管。

[0021] 本发明实施例公开的一种风力发电系统背靠背变流器的容错控制方法，在系统正常运行时三组双向晶闸管均处于关断状态，采用SVPWM调制法获得正常状态下六个桥臂的开关信号控制系统运行；当六个桥臂中任一桥臂发生故障时，切除故障桥臂，接通故障桥臂对应相的双向晶闸管将原故障桥臂对应相连接至健康桥臂，构成五桥臂变流器，将该健康桥臂定义为公共桥臂；检测公共桥臂的电流，若公共桥臂电流大于额定电流，调节发电机转速，将公共桥臂上发电机侧与电网侧对应相的相位差控制在120°-240°内，实现变流器在非过流状态下容错运行。具体实施步骤如图1所示，包括：

[0022] (1)系统正常运行时，三组双向晶闸管均处于关断状态；

[0023] (2)发电机侧采用矢量控制，同时通过最佳叶尖速比最大风能跟踪法确定转速，获得最大的风能利用系数。电网侧采用直接功率控制，实现有功功率、无功功率的解耦控制以及功率因数任意可调，根据上述控制策略得到给定电压信号其中， 为电机侧给定电压， 为电网
侧给定电压；

[0024] (3)检测变流器是否发生故障，若未发生故障，进入步骤(2)，利用SVPWM调制法获得正常状态下六个桥臂的开关信号，从而控制整个系统的运行；若发生故障，执行步骤(4)；

[0025] (4)根据基于传统的故障检测方法(如小波分析法)确定变流器六个桥臂中发生故障的桥臂序号，利用双向晶闸管将原故障桥臂对应相连接至健康桥臂，并将该桥臂定义为公共桥臂，从而将剩余的五个健康桥臂重构为五桥臂变流器，这样该公共桥臂同时连接发电机侧和电网侧的某一相，而其余桥臂仅连接一相；

[0026] (5)检测公共桥臂的电流值icom，当icom小于变流器额定电流ithd时，与步骤(2)相同的控制方法，发电机侧采用矢量控制，转速由最佳叶尖速比确定，电网侧采用直接功率控制。得到给定电压信号 当icom大于变流器额定电流ithd时，进入步骤(6)；

[0027] (6)发电机侧采用矢量控制，给定转速由发电机侧与电网侧相角差决定，根据不相邻选择原则，调节发电机侧转速，控制公共桥臂上发电机侧相角与电网侧相角为120°≤|θx1-θx2|≤240°(x1、x2为故障桥臂对应相，其中x∈{A，B，C})，从而确保该公共桥臂不过流；电网侧采用直接功率控制。这样可以得到给定电压信号

[0028] (7)根据五桥臂六相PWM调制方法，对六相给定电压信号进行零序电压补偿，使得公共桥臂对应的两相补偿后的电压相等。利用基于三角载波的调制方法，对零序电压补偿后的给定电压信号进行调制,以故障桥臂为桥臂6为例：

[0029] 发电机侧零序电压补偿后的给定电压为：

[0030] 电网侧零序电压补偿后的给定电压为

[0031] 其中， 为零序电压补偿后的给定电压，为补偿前的给定电压， 为发电机侧的零序电压， 为
电网侧的零序电压。

[0032] 同时满足：

[0033] 其中，u3为桥臂3的调制波。这样根据计算得到的五个健康桥臂的给定电压，利用三角载波调制法即可输出系统的开关信号，实现系统的容错运行。

[0034] 以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。