风力发电机组中压三电平全功率变流器中点电位控制方法技术

本发明专利技术涉及风力发电机的功率变换器控制领域，尤其涉及风力发电机组中压三电平全功率变流器中点电位控制方法。该方法包括采用同相载波层叠法调制，得到三相输出脉冲的时间和在一个载波周期内三相电压的零电平作用时间，再建立三相调制电压和三相输出电流的数学模型；再建立中点电位控制模型，分析从电容中点抽取的平均电流、注入零序电压后的平均电流和零序电压之间的关系；最后根据中点电位控制模型，预测注入相应的零序电压来控制电容电压偏差值，实现中点电位的平衡。本发明专利技术过渡性较好，更具灵活性，治理中点电位的动态能力更强，在新能源三电平变流器中点电位平衡控制领域具有重要的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
风力发电机组中压三电平全功率变流器中点电位控制方法
：本专利技术涉及风力发电机的功率变换器控制领域，尤其涉及风力发电机组中压三电平全功率变流器中点电位控制方法。
技术介绍
：由于海上风电机组的功率规模一般都在多MW级，因此对全功率变流器技术提出了新的要求。其中中压风电变流技术能够有效减小电流应力，提高系统效率和可靠性，且三电平中点箝位(neutral-point-clamped，NPC)逆变器在目前已广泛应用于中高压大功率电机调速场合。与二电平拓扑相比，三电平NPC逆变器通过控制三相桥臂开关器件的通断，可以输出三种不同的电平状态，且每个开关器件承受的电压应力较小，可以使输出电压翻倍。另外，三电平NPC逆变器结构简单，采用背靠背结构，易于实现能量的双向流动。对于NPC三电平变流器，中点电位平衡问题一直是三电平变流器研究的热点和难点。针对中点电压平衡控制主要集中在两个方面：一是改进部分程序，改变中点电压和电流特性；二是改进软件方法，控制中点电压。其中，常用的软件方案有滞环控制和零序分量注入法。
技术实现思路
：专利技术目的：本专利技术旨在提供风力发电机组中压三电平全功率变流器中点电位控制方法，对NPC三电平变换器的中点电压控制进行了详细的研究，提出了一种全新的中点电压控制方法。该方法采用近似线性化方法导出中点零序功率与交流侧零序调制波之间的控制结构，设计了一种比例系数调节器来自动调节中点电压的平衡。本专利技术过渡性较好，更具灵活性，治理中点电位的动态能力更强，在新能源三电平变流器中点电位平衡控制领域具有重要的应用价值。技术方案：风力发电机组中压三电平全功率变流器中点电位控制方法，该方法包括以下步骤：(1)采用同相载波层叠法调制，得到三相输出脉冲的时间和在一个载波周期内三相电压的零电平作用时间，再建立三相调制电压和三相输出电流的数学模型；(2)建立中点电位控制模型，分析从电容中点抽取的平均电流、注入零序电压后的平均电流和零序电压之间的关系；(3)根据中点电位控制模型，预测注入相应的零序电压来控制电容电压偏差值，实现中点电位的平衡。进一步的，采用同相载波层叠法调制，得到三相输出脉冲的时间具体包括：三电平逆变器各相有4个功率管，分别为第一功率管S1、第二功率管S2、第三功率管S3、第四功率管S4，当输出与正母线连接时，输出p电平；当输出与中点连接时，输出0电平；当输出与负母线连接时，输出n电平；三电平网侧变流器dq坐标系下数学模型为：其中p＝d/dt，Vd、Vq为dq坐标系下有功输入电压和无功输入电压，即输入电压被分解为有功和无功分量：将同步旋转坐标系的d轴定向于电网电压矢量us的方向上，则d轴表示有功分量参考轴，而q轴表示无功分量参考轴；式中：式中：u′d,u′q为输出控制量与各自的电流分量具有一阶微分关系，用电流闭环PI调节器计算得到；Δud,Δuq为消除定子电压、电流交叉耦合的补偿项；电网电压usd,usq作为前馈补偿；L、R分别代表输入电感和线路交流等效电阻；ω为逆变器输出角频率；id、iq分别对应网侧电流的有功分量和无功分量；采用同相载波层叠法，在一个载波周期内采用对称规则采样时，UDC为母线电压；Ts为载波周期；ua、ub、uc为三相调制电压；在一个载波周期内，三相输出p、0和n电平时，脉冲时间分别为Txp、Tx0、Txn(x＝a,b,c)；令三相调制波在三角载波负峰值处的值分别为usa、usb、usc，由几何关系求得三相输出脉冲的时间；其中，上下同相三角载波u1、u2，用正弦波与三角载波进行比较，在正弦波大于载波部分产生输出电压的PWM序列，小于部分产生输出电压的零脉冲。进一步的，假设三相电流的大小和方向在一个载波周期内近似不变，并且从逆变器流出的电流被指定为正；三相调制电压和三相输出电流表达式分别为：参考矢量电压的三相瞬时值ua,ub,uc为：三相电流ia,ib,ic的瞬时值表达式为：式中：um为电压幅值；im为电流幅值；ia、ib、ic为逆变器输出三相电流；ω为逆变器输出角频率；为功率因数角；逆变器在一个载波周期内的三相电压零电平动作时间统一表示为：式中：Tx0表示0电平时的脉冲时间，Ts为载波周期；UDC为母线电压；其中x＝a，b，c，ux表示为电压的三相瞬时值通式；为了实现调制算法，逆变器在一个载波周期内向电容中点抽取的平均电流为：式中：Q表示一个载波周期内从电容中点抽取的三相电流；Ta0、Tb0、Tc0为一个载波周期内逆变器a、b、c三相电压的0电平作用时间；向三相电压注入零序电压ucom，为了使得注入零序电压后不改变三相电压的正负极性，对注入的零序电压做限幅处理；注入零序电压ucom后，一个载波周期内向电容中点抽取的平均电流i0为：Qo表示注入零序电压后一个载波周期内从电容中点抽取的三相电流；T′a0、T′b0、T′c0为注入零序电压后的一个载波周期内逆变器a、b、c三相电压的0电平作用时间。进一步的，在三相三线制系统中三相负载电流对称下，ua+ub+uc＝0，ia+ib+ic＝0；设计多分支开关模型，即分六种情况对公式(8)和公式(9)进行三相电压与平均电流i0之间的关系分析：设uy(y＝a,b,c)为与其他两相电压异号的相电压，iy为对应的相电流，则上述公式中的i0统一的表达式：式中sgn(*)为符号函数，当uy≥0时，sgn(uy)＝1；当uy≤0时，sgn(uy)＝-1；通过逆变器三相电压和电流的相角关系，求出6个区域对应iy的平均电流；求得一个逆变周期的平均值为：中点电位的等效模型为上下电容的并联，上下电容的电容值和电压值分别为C1、C2和uC1、uC2，下电容与上电容电压偏差为Δuc＝uc2-uc1，为了抵消上下电容偏差值，一个载波周期内需要向中点抽取的平均电流为：i0＝(C1+C2)ΔuC/Ts(13)进一步的，用于平衡中点电位的零序电压ucom通过中点电位调节器得到，零序电压ucom通过电流幅值im、功率因数上下电容值uC1、uC2最终影响上下电容电压偏差值Δuc；电流幅值、功率因数、上下电容值是影响中点电位平衡的因素；中点电位调节器将上述因素引入到零序电压计算中，提前预测上下电容电压偏差的变化，使电压偏差迅速减小。进一步的，设注入零序电压ucom后，y相的0电平作用时间变化量为ΔTy0，则从中点电位抽取的平均电流增量为根据Q′＝iyΔTy0，求得ΔTy0，其中Q′表示一个载波周期内的三相电流增量；根据公式(7)计算出y相注入零序电压ucom前后0电平作用时间Ty0和T′y0；根据T′y0＝Ty0+ΔTy0，得到用于平衡中点电位而注入零序电压ucom的表达式：根据公式(16)，根据上下电容本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.风力发电机组中压三电平全功率变流器中点电位控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：/n(1)采用同相载波层叠法调制，得到三相输出脉冲的时间和在一个载波周期内三相电压的零电平作用时间，再建立三相调制电压和三相输出电流的数学模型；/n(2)建立中点电位控制模型，分析从电容中点抽取的平均电流、注入零序电压后的平均电流和零序电压之间的关系；/n(3)根据中点电位控制模型，预测注入相应的零序电压来控制电容电压偏差值，实现中点电位的平衡。/n

【技术特征摘要】
1.风力发电机组中压三电平全功率变流器中点电位控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(1)采用同相载波层叠法调制，得到三相输出脉冲的时间和在一个载波周期内三相电压的零电平作用时间，再建立三相调制电压和三相输出电流的数学模型；
(2)建立中点电位控制模型，分析从电容中点抽取的平均电流、注入零序电压后的平均电流和零序电压之间的关系；
(3)根据中点电位控制模型，预测注入相应的零序电压来控制电容电压偏差值，实现中点电位的平衡。


2.根据权利要求1所述的风力发电机组中压三电平全功率变流器中点电位控制方法，其特征在于：采用同相载波层叠法调制，得到三相输出脉冲的时间具体包括：
三电平逆变器各相有4个功率管，分别为第一功率管S1、第二功率管S2、第三功率管S3、第四功率管S4，当输出与正母线连接时，输出p电平；当输出与中点连接时，输出0电平；当输出与负母线连接时，输出n电平；
三电平网侧变流器dq坐标系下数学模型为：



其中p＝d/dt，Vd、Vq为dq坐标系下有功输入电压和无功输入电压，即输入电压被分解为有功和无功分量：



将同步旋转坐标系的d轴定向于电网电压矢量us的方向上，则d轴表示有功分量参考轴，而q轴表示无功分量参考轴；



式中：



式中：u′d,u′q为输出控制量与各自的电流分量具有一阶微分关系，用电流闭环PI调节器计算得到；Δud,Δuq为消除定子电压、电流交叉耦合的补偿项；电网电压usd,usq作为前馈补偿；L、R分别代表输入电感和线路交流等效电阻；ω为逆变器输出角频率；id、iq分别对应网侧电流的有功分量和无功分量；
采用同相载波层叠法，在一个载波周期内采用对称规则采样时，UDC为母线电压；Ts为载波周期；ua、ub、uc为三相调制电压；在一个载波周期内，三相输出p、0和n电平时，脉冲时间分别为Txp、Tx0、Txn(x＝a,b,c)；令三相调制波在三角载波负峰值处的值分别为usa、usb、usc，由几何关系求得三相输出脉冲的时间；



其中，上下同相三角载波u1、u2，用正弦波与三角载波进行比较，在正弦波大于载波部分产生输出电压的PWM序列，小于部分产生输出电压的零脉冲。


3.根据权利要求1所述的风力发电机组中压三电平全功率变流器中点电位控制方法，其特征在于：假设三相电流的大小和方向在一个载波周期内近似不变，并且从逆变器流出的电流被指定为正；三相调制电压和三相输出电流表达式分别为：
参考矢量电压的三相瞬时值ua,ub,uc为：



三相电流ia,ib,ic的瞬时值表达式为：



式中：um为电压幅值；im为电流幅值；ia、ib、ic为逆变器输出三相电流；ω为逆变器输出角频率；为功率因数角；
逆变器在一个载波周期内的三相电压零电平动作时间统一表示为：



式中：Tx0表示0电平时的脉冲时间，Ts为载波周期；UDC为母线电压；其中x＝a，b，c，ux表示为电压的三...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢作霞，郑浩康，王东瑞，温俊伟，刘洋，陈雷，
申请(专利权)人：沈阳工业大学，山西汾西重工有限责任公司，
类型：发明
国别省市：辽宁;21