提高背靠背变流器效率的动态直流母线电压控制方法
【专利摘要】本发明公开一种提高背靠背变流器效率的动态直流母线电压控制方法，所述方法：实时计算机侧变换器的调制度mgen和网侧变换器的调制度mgrid，以二者较大值参与运算，由该较大值与设定的调制度mset作差，并经过带限幅的比例积分调节器输出直流母线电压参考值，所得到的直流母线电压参考值作为常规控制方案中恒定直流母线电压参考值的替代方案参与变流器控制。本发明通过动态调节直流母线电压参考值，使变流器自适应的工作在最小直流母线电压上，从而减小电力电子器件电应力并提高变流器效率。此外，设置直流母线电压参考值上限高于常规参考值时，能为扩大风电机组转速范围提供支持。
【专利说明】
提高背靠背变流器效率的动态直流母线电压控制方法
技术领域
[0001] 本发明设及风力发电技术领域，具体地，设及一种提高背靠背变流器效率的动态 直流母线电压运行方法，适用于采用背靠背式双PWM电压源型变换器的风电机组，如全功率 永磁/电励磁同步机组、全功率鼠笼型异步机组及双馈式风电机组等。
【背景技术】
[0002] 现有采用背靠背式双PWM电压源型变换器的风电机组均采用恒定的直流母线电压 参考值进行控制，如对于出口电压为690V的机组运一恒定直流母线电压参考值的典型值为 1100V。运种设定方式存在W下不足：
[0003] 由于背靠背式双PWM电压源型变换器的直流母线电压采用留有裕量的准最小化设 计，运种设计值按照静态计算确定，由于忽略了阻抗压降和动态影响，运种设计不是严格意 义上的最小化设计。由于变流器效率与直流母线电压相关，在满足变流器正常工作的前提 下直流母线电压越小变流器效率越高。常规的直流母线电压参考值设定为一个恒定值，由 于该直流母线电压参考值是按全工况下变流器均可正常运行设计的，因此运种设定在部分 工况偏离了实际可选取的最低直流母线电压，因而是不必要的。
[0004] 经对现有技术的检索，公开号为CN 104201698A(申请号:201410451985 .X)的的中 国发明专利申请，公开一种基于双PWM储能变流器的直流母线电压动态控制方法，包括:将 功率差值绝对值和功率口槛值比较W输出差值绝对值;将差值绝对值除W电网电压幅值得 到直轴电流变化量;将直轴电流变化量乘W比例系数得到比例直轴电流变化量;将比例直 轴电流变化量和直轴电流期望值叠加后输出直轴电流叠加值;将无功功率期望值除W电网 电压幅值得到交轴电流期望值;直轴电流叠加值和交轴电流期望值分别经由叠加及比例调 节和积分调节后得到交流侧直轴参考电压和交流侧交轴参考电压;对交流侧直轴参考电压 和交流侧交轴参考电压进行空间矢量脉宽调制，W产生驱动信号对变流器进行控制。
[0005] 但是上述发明可降低双PWM储能变流器的直流母线动态波动，但其采用恒定的直 流母线电压参考值，因此应用于风力发电变流器时，在部分工况无法最大化变流器效率。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种提高背靠背变流器效率的动态 直流母线电压控制方法，通过动态调节直流母线电压参考值，使变流器自适应的工作在最 小直流母线电压上，从而减小电力电子器件电应力并提高变流器效率。
[0007] 为实现上述目的，本发明采用W下技术方案：
[000引本发明提供一种提高背靠背变流器效率的动态直流母线电压控制方法，所述方 法：实时计算机侧变换器的调制度mgen和网侧变换器的调制度mgrid，W二者较大值参与运 算，由该较大值与设定的调制度mset作差，并经过带限幅的比例积分调节器输出直流母线电 压参考值，所得到的直流母线电压参考值作为常规控制方案中恒定直流母线电压的替代方 案参与变流器控制。
[0009] 本发明中，需要实时计算机侧变换器的调制度化en和网侧变换器的调制度mgrid，调 制度的计算方法区别在于所选取的脉宽调制方式，机侧变换器和网侧变换器可采用类似的 计算方法。进一步的，可W采用W下方法中任一种：
[0010] 1.若脉宽调制采用电压空间矢量脉宽调制技术(SVP歷技术），选取S相调制波中 的任意两相ta、tb作差并计算有效值，该有效值除即可得到调制波峰值，调制波峰值加 上调制度偏置(0.5倍的Ξ角载波幅值），然后除ΚΞ角载波幅值即得到计算机侧变换器的 调制度mgen或网侧变换器的调制度mgrid。计算公式如下：
[0011]
(1)
[0012]式中：'rms()'表示计算有效值;Atri是指S角载波幅值，m是指调制度即计算机侧 变换器的调制度mgen或网侧变换器的调制度mgrid。
[0013] 为获得更高的计算精度，也可采用式(2)进行计算，但会耗费更多的计算资源。
[0014]
(2)
[001引式中：'rms()'表示计算有效值;Atri是指立角载波幅值，*3、心心是指；相调制波， m是指调制度即计算机侧变换器的调制度mgen或网侧变换器的调制度mgrid。
[0016] 2.若脉宽调制采用正弦波脉宽调制技术（spmi技术），W任意一相调制波求有效 值，所得有效值乘W^/?，并加上调制度偏置(0.5倍的Ξ角载波幅值），然后除WΞ角载波幅 值即可得到调制度m。
[0017] 计算公式如下：
[001 引
（3)
[0019]式中：'rms()'表示计算有效值，Atri是指立角载波幅值，ta是指调制波，m是指调制 度即计算机侧变换器的调制度mgen或网侧变换器的调制度mgrid。
[0020] (斗》
[0021] 式中：'rmsO '表示计算有效值，Atri是指S角载波幅值，ta、tb、tc是指S相调制波， m是指调制度即计算机侧变换器的调制度mgen或网侧变换器的调制度mgrid。
[0022] 本发明的具体实现步骤如下：
[0023] 第一步:确定Ξ角载波的幅值。记机侧变换器控制器脉宽调制环节采用的Ξ角载 波幅值(峰-峰值)为Atri_gen，记网侧变换器控制器脉宽调制环节采用的Ξ角载波幅值(峰- 峰值）为Atri_grid。
[0024] 第二步:根据机侧变换器控制器所采用的脉宽调制方式，计算机侧变换器调制度 nigen；
[0025] 第Ξ步:根据网侧变换器控制器所采用的脉宽调制方式，计算机侧变换器调制度 nigrid ；
[0026] 第四步:计算直流母线电压参考值:根据机侧变换器调制度mgen和网侧变换器调制 度mgrid，取二者较大值参与计算，mgen和mgrid的较大值与设定的调制度mset作差，经过一个带 限幅的比例积分调节器后输出直流母线电压参考值。
[0027] 优选地，其中mset在0.96~0.98范围内取值，mset取值越大直流母线电压将越贴近 严格意义的最小直流母线电压。
[0028] 优选地，比例积分调节器参数按照带宽与网侧变换器外环控制带宽相差4倍设计。
[0029] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0030] 当本发明中比例积分调节器输出的上限等于直流母线电压参考值，而下限在直流 母线电压参考值W下取值，则本发明可动态自适应调节直流母线电压贴近下限运行，贴近 下限的程度取决于调制度mset。
[0031] 由于常规控制方法中固定的直流母线电压参考值严格限制了机组的转速运行范 围，不利于机组在部分工况提升风能捕获效率。当设置比例积分调节器输出上限大于直流 母线电压参考值时，本发明可在扩宽机组变速范围运行时自适应贴近容许的最低直流母线 电压运行，从而在提高发电量的同时尽可能的减少电力电子器件的电压应力，并尽可能提 高变流器效率。
[0032] 本发明相比现有技术可W尽可能的减小电力电子器件的电压应力，并尽可能的提 高变流器效率，作为提高变流器效率的附加益处是散热成本降低。
【附图说明】
[0033] 通过阅读参照W下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显：
[0034] 图1为本发明较优实施例的流程图；
[0035] 图2为本发明一实施例仿真结果图。
【具体实施方式】
[0036] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。W下实施例将有助于本领域的技术 人员进一步理解本发明，但不W任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可W做出若干变形和改进。运些都属于本发明 的保护范围。
[0037] 本发明是一种综合考虑机侧变换器和网侧变换器的动态最小化直流母线电压技 术，该技术实时计算机侧变换器的调制度mgen和网侧变换器的调制度mgrid，W二者较大值参 与运算，由该较大值与设定的调制度mset作差，并经过带限幅的比例积分调节器输出直流母 线电压参考值。如图1所示。其中*3,、*^、*"分别为机侧变换器矢量控制中脉宽调制环节产 生的a、b、cS相调制波;tag、tbg、tw分别为网侧变换器矢量控制中脉宽调制环节产生的a、b、 C二相调制波。
[0038] 本发明中：对于全功率变流器机组，机侧变换器是与发电机定子连接的电压源型 变换器，网侧变换器是与电网连接的电压源变换器;对于双馈机组化FIG)，机侧变换器是与 发电机转子连接的电压源型变换器，网侧变换器是与电网连接的电压源变换器。
[0039] 本发明的实现需要实时计算机侧变换器的调制度mgen和网侧变换器的调制度 mgrid，调制度的计算方法区别在于所选取的脉宽调制方式，机侧变换器和网侧变换器可采 用类似的计算方法。
[0040]在一较优实施例中，若脉宽调制采用电压空间矢量脉宽调制技术(SVPWM技术），选 取Ξ相调制波中的任意两相ta、tb作差并计算有效值，该有效值除W與得到调制波峰值(说 明如下:所得有效值除得到单相调制波基波分量有效值，W单相调制波基波分量有效 值乘再除即可得到调制波峰值）。调制波峰值加上调制度偏置(0.5倍的Ξ角 载波幅值），然后除角载波幅值即可得到调制度m。计算公式如下：
[0041 ]
。）
[0042] 式中'rmsO '表示计算有效值。
[0043] 因为机侧变换器和网侧变换器调制度的计算方法本质上是一样的，因此叙述计算 方法时放在一起叙述的，对于调制度m，下标gen表示和机侧变换器相关的量，下标grid表示 和网侧变换器相关的量;对于调制波ta/tb/tc，下标r表示和机侧变换器相关的量，下标g表 示和网侧变换器相关的量;对于Ξ角载波Atri，下标'_gen'表示和机侧变换器相关的量，下 标'_grid'表示和网侧变换器相关的量。
[0044] 在另一较优实施例中，为获得更高的计算精度，也可采用式(2)进行计算，但会耗 费更多的计算资源。
[0045]
(2)
[0046] 在另一较优实施例中，若脉宽调制采用正弦波脉宽调制技术(SPmi技术），W任意 一相调制波求有效值，所得有效值乘并加上调制度偏置(0.5倍的Ξ角载波幅值），然 后除角载波幅值即可得到调制度。
[0047] 计算公式如下：
[004引
（.3:)
[0049] 式中'rmsO '表示计算有效值。
[0050] 在另一较优实施例中，为获得更高的计算精度，也可采用式(4)进行计算，但会耗 费更多的计算资源。
[0化1 ]
(4)
[0052] 在一实施例中，基于上述的原理，一种提高背靠背变流器效率的动态直流母线电 压控制方法按照W下具体步骤执行：
[0053] 第一步:确定Ξ角载波的幅值。记机侧变换器控制器脉宽调制环节采用的Ξ角载 波幅值(峰-峰值)为Atri_gen，记网侧变换器控制器脉宽调制环节采用的Ξ角载波幅值(峰- 峰值）为Atri_grid。
[0054] 第二步:计算机侧变换器调制度。根据机侧变换器控制器所采用的脉宽调制方式， 选取适当的计算公式进行计算，WSVPWM调制为例：
[00 对
（5)
[0056] Atri_gen是指机侧变换器控制器脉宽调制环节采用的Ξ角载波幅值。
[0057] 第Ξ步:计算网侧变换器调制度。根据网侧变换器控制器所采用的脉宽调制方式， 选取适当的计算公式进行计算，WSVPWM调制为例：
[005引
化)
[0059] Atri_grid是指网侧变换器控制器脉宽调制环节采用的Ξ角载波幅值。
[0060] 第四步:计算直流母线电压参考值。计算得到机侧变换器的调制度mgen和网侧变换 器的调制度化rid后，取二者较大值参与计算，目的是保证机侧变换器和网侧变换器均可正 常运行。mgen和mgrid的较大值与设定的调制度mset作差，经过一个带限幅的比例积分调节器 (PI调节器)后输出直流母线电压参考值。
[0061 ] 在本实施例中：mset在0.96~0.98范围内取值，mset取值越大直流母线电压将越贴 近严格意义的最小直流母线电压。
[0062] 在本实施例中：比例积分调节器参数建议按照带宽与网侧变换器外环控制带宽相 差4倍设计。
[0063] 根据比例积分调节器限幅值的不同选取，本发明可取得W下有益效果：
[0064] 1.假定常规控制方案的直流母线电压参考值为％。,，，若比例积分调节器输出的 上限UHL等于4。,,，，而下限化L在下取值(建议取为〇.9心_。")，则本发明方案可动态 自适应调节直流母线电压贴近下限运行，贴近下限的程度取决于mset。
[0065] 2.直流母线电压决定了电压源型变换器交流侧可提供的交流电压。在一些需要扩 宽机组变速范围的应用场景中，需要提高电压源型变换器交流侧可提供的交流电压，因此 从电流可控的角度讲直流母线电压较高时机组容许的变速范围较宽。由于常规控制方法中 固定的直流母线电压参考值严格限制了机组的转速运行范围，不利于机组在部分工况提升 风能捕获效率。
[0066] 当设置比例积分调节器输出上限UHL大于时，本发明可支持机组扩展变速范 围运行，并在扩宽机组变速范围运行时自适应贴近容许的最低直流母线电压运行，从而在 提高发电量的同时尽可能的减少电力电子器件的电压应力，并尽可能提高变流器效率。
[0067] 本发明在实际应用时，是作为变流器控制方法运行于微处理器(如DSP)中的，相当 于增加了一个直流母线电压参考值给定外环。本发明方案无需增加传感器，仅需增加少许 变流器控制代码即可实现。
[0068] 本发明经过仿真验证是可行的。
[0069] 如图1中的虚线框所示，是本发明的实质内容。?4表示直流母线电压参考值，在常 规方案中，记。通常取为一恒定值(通常为1100V)，本发明则提供一个动态贴下限的直流母线 电压参考值。图1中C表示直流母线电容，图中虚线框W外的部分与常规方案一致，分别 为机侧变换器有功及无功参考值，这为网侧变换器无功参考值。
[0070] 仿真在专业电磁暂态仿真工具RTDS中进行，仿真对象机组为2MW双馈机组，其中 IGBT的导通电阻为ο. ο 1欧姆，关断电阻1 * 1 ο5欧姆，缓冲电路电容ο . 2微法、电阻30欧姆。设 置mset = 0.97,仿真结果如图2所示，可见动态直流母线电压下变流器稳定运行，网侧变流器 保持调制度0.97的设定值，变流器损耗降低，经过折算可提高1 %~2 %的变流器效率。
[0071] W上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述 特定实施方式，本领域技术人员可W在权利要求的范围内做出各种变形或修改，运并不影 响本发明的实质内容。
【主权项】
1. 一种提高背靠背变流器效率的动态直流母线电压控制方法，其特征在于，实时计算 机侧变换器的调制度m gen和网侧变换器的调制度mgrid，以二者较大值参与运算，由该较大值 与设定的调制度m set作差，并经过带限幅的比例积分调节器输出直流母线电压参考值，所得 到的直流母线电压参考值作为恒定直流母线电压参考值的替代方案参与变流器控制。2. 根据权利要求1所述的提高背靠背变流器效率的动态直流母线电压控制方法，其特 征在于，所述计算机侧变换器的调制度mgen和网侧变换器的调制度m grid，方法为:若脉宽调 制采用电压空间矢量脉宽调制技术，选取三相调制波中的任意两相ta、t b作差并计算有效 值，该有效值除以^得到调制波峰值，调制波峰值加上调制度偏置，然后除以三角载波幅 值即得到计算机侧变换器的调制度m gen或网侧变换器的调制度mgrid。3. 根据权利要求2所述的提高背靠背变流器效率的动态直流母线电压控制方法，其特 征在于，所述计算机侧变换器的调制度mgen和网侧变换器的调制度m grid，公式如下：式中：'rms() '表示计算有效值;Atri是指三角载波幅值，m是指调制度即计算机侧变换 器的调制度mgen或网侧变换器的调制度mgrid。4. 根据权利要求1所述的提高背靠背变流器效率的动态直流母线电压控制方法，其特 征在于，所述计算机侧变换器的调制度和网侧变换器的调制度，计算公式如下：式中：表不计算有效值；Atri是指三角栽汲幅值，ta、tb、t c是指三相调制波，m是 指调制度即计算机侧变换器的调制度mgen或网侧变换器的调制度mgrid。5. 根据权利要求1所述的提高背靠背变流器效率的动态直流母线电压控制方法，其特 征在于，所述计算机侧变换器的调制度和网侧变换器的调制度，方法为:若脉宽调制采用正 弦波脉宽调制技术，以任意一相调制波求有效值，所得有效值乘以λ/5,并加上调制度偏置， 然后除以三角载波幅值即得到调制度m。6. 根据权利要求5所述的提高背靠背变流器效率的动态直流母线电压控制方法，其特 征在于，所述计算机侧变换器的调制度和网侧变换器的调制度，计算公式如下：式中：'rms() '表示计算有效值，Atri是指三角载波幅值，ta是指调制波，m是指调制度即 计算机侧变换器的调制度mgen或网侧变换器的调制度mgrid。7. 根据权利要求1所述的提高背靠背变流器效率的动态直流母线电压控制方法，其特 征在于，所述计算机侧变换器的调制度和网侧变换器的调制度，计算公式如下：式中：'rms() '表示计算有效值，Atri是指三角载波幅值，ta、tb、tc是指三相调制波，m是 指调制度即计算机侧变换器的调制度mgen或网侧变换器的调制度mgrid。8. 根据权利要求1-7任一项所述的提高背靠背变流器效率的动态直流母线电压控制方 法，其特征在于，具体实现步骤如下： 第一步：确定三角载波的幅值:记机侧变换器控制器脉宽调制环节采用的三角载波幅 值为Atri_gen，记网侧变换器控制器脉宽调制环节采用的三角载波幅值为Atri_ grid; 第二步:根据机侧变换器控制器所采用的脉宽调制方式，计算机侧变换器调制度mgen; 第三步:根据网侧变换器控制器所采用的脉宽调制方式，计算机侧变换器调制度mgrid; 第四步：计算直流母线电压参考值:根据机侧变换器调制度mgen和网侧变换器调制度 mgrid，取二者较大值参与计算，mgen和mgrid的较大值与设定的调制度m set作差，经过一个带限 幅的比例积分调节器后输出直流母线电压参考值。9. 根据权利要求8所述的提高背靠背变流器效率的动态直流母线电压控制方法，其特 征在于，所述mset，在0.96~0.98范围内取值，m set取值越大直流母线电压将越贴近严格意义 的最小直流母线电压。10. 根据权利要求8所述的提高背靠背变流器效率的动态直流母线电压控制方法，其特 征在于，所述比例积分调节器，参数按照带宽与网侧变换器外环控制带宽相差4倍设计。
【文档编号】H02J3/36GK105870957SQ201610289002
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月3日
【发明人】蔡旭, 贾锋, 李征
【申请人】上海交通大学