一种双馈风电变流器开关频率的控制方法及系统.pdf

本发明涉及一种双馈风电变流器开关频率的控制方法及系统，该方法包括以下步骤：1)检测双馈风力发电机的运行转速；2)获取开关频率优化特性表，并通过查开关频率优化特性表获取对应运行转速的转子侧变流器优化开关频率fsw_opt(t)；3)根据查得的转子侧变流器优化开关频率fs/sub>(t)动态调节PWM脉冲周期TPWM(t)，并根据PWM脉冲占空比D(t)产生PWM脉冲，控制转子侧变流器。与现有技术相比，本发明能在不影响风电机组其它运行性能的前提下提高变流器运行可靠性与效率，且具有简便经济等优点。

权利要求书1.  一种双馈风电变流器开关频率的控制方法，提高双馈风电变流器运行可靠性与效率，其特征在于，包括以下步骤：1)检测双馈风力发电机的运行转速；2)获取开关频率优化特性表，并通过查开关频率优化特性表获取对应运行转速的转子侧变流器优化开关频率fsw_opt(t)；3)根据查得的转子侧变流器优化开关频率fsw_opt(t)动态调节PWM脉冲周期TPWM(t)，并根据PWM脉冲占空比D(t)产生PWM脉冲，控制转子侧变流器。2.  根据权利要求1所述的一种双馈风电变流器开关频率的控制方法，其特征在于，所述的步骤2)中获取开关频率优化特性表具体包括以下步骤：21)选定发电机定子电流PWM谐波Ish与转速脉动PWM分量ωrh作为开关频率优化指标，并确定其限值；22)设定发电机转速与开关频率分别作为开关频率优化特性表的横、纵坐标，逐步确定优化工作点并绘制开关频率优化特性表。3.  根据权利要求2所述的一种双馈风电变流器开关频率的控制方法，其特征在于，所述的步骤21)中确定限值有以下两种方法：方法一：根据电网谐波以及机组轴系机械振动技术要求分别确定定子电流PWM谐波限值Ish_max和转速脉动PWM分量限值ωrh_max；方法二：获取发电机最恶劣工况下的定子电流PWM谐波与转速脉动PWM分量值，将其作为优化指标限值。4.  根据权利要求3所述的一种双馈风电变流器开关频率的控制方法，其特征在于，所述的发电机最恶劣工况为额定开关频率、最高转速、满载和最大过励工作。5.  根据权利要求2所述的一种双馈风电变流器开关频率的控制方法，其特征在于，所述的步骤22)中各优化工作点横坐标的确定原则为：1)综合考虑优化性能与机组控制稳定性，优化工作点设置越密集优化性能越好；2)由于PWM谐波变化显著，同步转速附近应设置较多的优化工作点。6.  根据权利要求2所述的一种双馈风电变流器开关频率的控制方法，其特征 在于，所述的步骤22)中各优化工作点纵坐标的确定原则为：在各个优化工作点中，减小转子侧变流器开关频率使得发电机定子电流PWM谐波Ish和转速脉动PWM分量ωrh同时满足优化指标：Ish<Ish_max和ωrh<ωrh_max。7.  根据权利要求1所述的一种双馈风电变流器开关频率的控制方法，其特征在于，所述的步骤3)包括以下具体步骤：31)根据PWM调制器的调制算法、变流器直流母线电压Vdc以及转子电压指令ur*，获取PWM脉冲占空比D(t)；32)根据转子侧变流器优化开关频率fsw_opt(t)得到PWM脉冲的开关周期TPWM(t)：TPWM(t)＝1/fsw_out(t)；33)根据PWM脉冲占空比D(t)和PWM脉冲的开关周期TPWM(t)确定转子侧转子侧变流器控制器中的PWM脉冲。8.  根据权利要求7所述的一种双馈风电变流器开关频率的控制方法，其特征在于，所述的步骤31)中的PWM调制器的调制算法包括正弦波脉冲宽度SPWM算法和空间矢量脉冲宽度调制SVPWM算法。9.  一种实现如权利要求1-7所述的双馈风电变流器开关频率的控制方法的控制系统，包括风电机组(1)、齿轮箱(2)、双馈发电机(3)、变压器(4)、电网母线(5)、转子侧变流器(6)、网侧变流器(7)和滤波器(8)，所述的风电机组(1)、齿轮箱(2)、双馈发电机(3)的转子、转子侧变流器(6)、网侧变流器(7)、滤波器(8)、变压器(4)和电网母线(5)依次连接，所述的双馈发电机(3)的定子与变压器(4)连接，其特征在于，该系统还包括转子侧变流器控制器(9)和PWM调制器(10)，所述的转子侧变流器控制器(9)通过PWM调制器(10)与转子侧变流器(6)连接。

说明书一种双馈风电变流器开关频率的控制方法及系统
技术领域
本发明涉及一种变流器开关频率优化控制领域，尤其是涉及一种双馈风电变流器开关频率的控制方法及系统。
背景技术
经过不断发展，风力发电已经成为人类解决能源危机与环境问题的重要手段，然而随着技术的进步，市场对风电机组的技术经济性能要求越来越高，提高可靠性可降低风电机组运维成本、提高利用率，是目前风电行业广泛关注的重要技术，特别对于海上风电，由于环境恶劣、可达性差，海上风机运维困难、成本高、停机时间长，这些都对风电机组运行可靠性提出了新的挑战。
风电变流器是风电机组中故障率最高的部件之一，特别是双馈风机转子侧变流器，由于容量较小且运行频率低，其运行可靠性倍受关注，随着变流器运行频率减小，开关器件(包括IGBT和二极管)的暂态热阻抗增大，使得器件运行结温(包括最高温度、平均温度和温度波动)增加，影响变流器短期(主要受器件最高温度影响)及长期(主要受器件温度波动及平均温度)运行可靠性。
降低器件运行结温可显著提高双馈风机转子侧变流器运行可靠性，为此国内外开展了大量研究，相关技术归纳起来可分为以下三种：
1)转子侧变流器降容运行技术，这是目前工程中广泛采用的技术，通过增大转子侧变流器容量(约为网侧变流器容量的一倍)降低器件运行结温以提高运行可靠性，然而过大的变流器容量增加了系统成本、消弱了双馈风机的技术经济优势；
2)同步转速工作点回避控制技术，双馈风机在同步转速运行时转子频率为零，开关器件散热最为困难，该技术采用滞环特性强制控制机组避开同步工作点运行，然而滞环的非线性特性既不利于机组稳定运行又会影响风机最大功率点跟踪性能；
3)主动热控制技术，该技术通过控制手段在风机运行过程中改变开关器件损耗及结温，以提高变流器运行可靠性，具有简便经济的优点。
目前国内外对变流器主动热控制技术的研究很多，其实现方式主要分为三种：
脉宽调制法，通过改进脉宽调制算法可在一定程度上减小变流器损耗，但受谐波和功率因数性能制约对器件运行结温的优化空间较小；
无功电流调节法，通过控制风机无功功率大小减小开关器件结温波动，提高变流器可靠性，该方法降低了风电机组功率因数及效率、增大了器件运行的平均结温及最高结温且调节效果受机组有功运行工作点限制；
开关频率法通过调节开关频率改变器件开关损耗，实现变流器结温控制，降低开关频率可减小损耗，降低运行结温，提高变流器运行可靠性，但可能增大发电机PWM谐波与高频转速脉动。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能在不影响风电机组其它运行性能的前提下提高变流器运行可靠性与效率的双馈风电变流器开关频率的控制方法及系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种双馈风电变流器开关频率的控制方法，提高双馈风电变流器运行可靠性与效率，包括以下步骤：
1)检测双馈风力发电机的运行转速；
2)获取开关频率优化特性表，并通过查开关频率优化特性表获取对应运行转速的转子侧变流器优化开关频率fsw_opt(t)；
3)根据查得的转子侧变流器优化开关频率fsw_opt(t)动态调节PWM脉冲周期TPWM(t)，并根据PWM脉冲占空比D(t)产生PWM脉冲，控制转子侧变流器。
所述的步骤2)中获取开关频率优化特性表具体包括以下步骤：
21)选定发电机定子电流PWM谐波Ish与转速脉动PWM分量ωrh作为开关频率优化指标，并确定其限值；
22)设定发电机转速与开关频率分别作为开关频率优化特性表的横、纵坐标，逐步确定优化工作点并绘制开关频率优化特性表。
所述的步骤21)中确定限值有以下两种方法：
方法一、根据电网谐波以及机组轴系机械振动技术要求分别确定定子电流PWM谐波限值Ish_max和转速脉动PWM分量限值ωrh_max；
方法二、获取发电机最恶劣工况下的定子电流PWM谐波与转速脉动PWM分量值，将其作为优化指标限值。
所述的发电机最恶劣工况为额定开关频率、最高转速、满载和最大过励工作。
所述的步骤22)中各优化工作点横坐标的确定原则为：
1)综合考虑优化性能与机组控制稳定性，优化工作点设置越密集优化性能越好；
2)由于PWM谐波变化显著，同步转速附近应设置较多的优化工作点。
所述的步骤22)中各优化工作点纵坐标的确定原则为：
在各个优化工作点中，减小转子侧变流器开关频率使得发电机定子电流PWM谐波Ish和转速脉动PWM分量ωrh同时满足优化指标：Ish<Ish_max和ωrh<ωrh_max。
所述的步骤3)包括以下具体步骤：
31)根据PWM调制器的调制算法、变流器直流母线电压Vdc以及转子电压指令ur*，获取PWM脉冲占空比D(t)；
32)根据转子侧变流器优化开关频率fsw_opt(t)得到PWM脉冲的开关周期TPWM(t)：
TPWM(t)＝1/fsw_out(t)；
33)根据PWM脉冲占空比D(t)和PWM脉冲的开关周期TPWM(t)确定转子侧转子侧变流器控制器中的PWM脉冲。
所述的步骤31)中的PWM调制器的调制算法包括正弦波脉冲宽度SPWM算法和空间矢量脉冲宽度调制SVPWM算法。
一种双馈风电变流器开关频率的控制系统，包括风电机组、齿轮箱、双馈发电机、变压器、电网母线、转子侧变流器、网侧变流器和滤波器，所述的风电机组、齿轮箱、双馈发电机的转子、转子侧变流器、网侧变流器、滤波器、变压器和电网母线依次连接，所述的双馈发电机的定子与变压器连接，其特征在于，该系统还包括转子侧变流器控制器和PWM调制器，所述的转子侧变流器控制器通过PWM调制器与转子侧变流器连接。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、简便经济：本方法无需增加或修改硬件，只需对风电机组控制算法进行适当修改就能实现。
二、提高变流器运行可靠性与效率：本方法在同步转速工作点附近通过适当减 小开关频率的方法降低开关器件损耗与结温，可同时提高双馈风机转子侧变流器运行可靠性与效率。
三、不影响风电机组其他运行性能：新方法充分利用了双馈发电机PWM开关谐波随转子运行频率下降而减小的特点，通过适当的开关频率优化控制，确保机组的电气谐波性能、机械振动性能、运行稳定性能不受影响。此外，开关频率随转子频率减小还能进一步改善同步转速附近变流器死区对转子电流控制的影响。
附图说明
图1为本发明的控制系统的系统结构图。
图2为本发明的方法流程图。
图3为本发明提出的确定优化工作点的开关频率优化流程图。
图4为双馈风机最大功率点跟踪特性曲线图。
图5为开关频率优化特性图。
图6为开关频率优化控制前后双馈风电机组静态性能仿真结果，其中虚线与实线分别为优化前和优化后的结果，(6a)为双馈风机转子侧变流器开关频率fsw仿真结果、(6b)为双馈风机转子侧变流器定子电流PWM谐波Ish仿真结果，(6c)为双馈风机转子侧变流器转速脉动PWM分量ωrh仿真结果，(6d)为转子侧变流器IGBT和二极管结温波动ΔTj仿真结果，(6e)为转子侧变流器IGBT和二极管平均结温Tjmean仿真结果，(6f)为转子侧变流器IGBT和二极管损耗Ploss仿真结果，其中方块标记的曲线为IGBT仿真结果而圆形标记的曲线为二极管(Diode)仿真结果。
图7为开关频率优化控制前后双馈风电机组动态性能仿真结果，其中虚线与实线分别为优化前后的结果，图中(7a)为发电机转速ωr仿真结果，(7b)为开关频率fsw仿真结果，(7c)为IGBT结温Tj_IGBT仿真结果，(7d)为二极管结温Tj_Diode仿真结果，(7e)为转子侧变流器损耗PRSC_loss仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例：
本发明提出的方法属于降低开关频率法。为克服现有技术的不足，新技术充分 利用双馈发电机PWM开关谐波随转子运行频率下降而减小的特点，提出了一种新型的开关频率优化及控制方法，在不影响风电机组运行性能(包括发电机谐波、转速脉动等)的条件下，有效降低转子侧变流器开关器件的运行结温(包括最高温度、平均温度和温度波动)，提高变流器可靠性与效率。
如图1所示，一种双馈风电变流器开关频率的控制系统，包括风电机组1、齿轮箱2、双馈发电机3、变压器4、电网母线5、转子侧变流器6、网侧变流器7和滤波器8，风电机组1、齿轮箱2、双馈发电机3的转子、转子侧变流器6、网侧变流器7、滤波器8、变压器4和电网母线5依次连接，双馈发电机3的定子与变压器4连接，该系统还包括转子侧变流器控制器9和PWM调制器10，转子侧变流器控制器9通过PWM调制器10与转子侧变流器6连接。
如图2所示，一种双馈风电变流器开关频率的控制方法，包括以下步骤：
1)检测双馈风力发电机的运行转速；
2)获取开关频率优化特性表，并通过查开关频率优化特性表获取对应运行转速的转子侧变流器优化开关频率fsw_opt(t)；
21)确定开关频率优化指标及限值。
选取发电机定子电流PWM谐波Ish与转速脉动PWM分量ωrh作为开关频率优化指标。其限值的确定有两种方法：1)可根据电网谐波以及机组轴系机械振动技术要求分别确定定子电流PWM谐波限值Ish_max和转速脉动PWM分量限值ωrh_max；2)可通过实验或仿真获取发电机最恶劣工况下(即额定开关频率、最高转速、满载以及最大过励工作点)的定子电流PWM谐波与转速脉动PWM分量值，将其作为优化指标限值。其中方法2)更便于工程实施。
22)确定优化工作点的转速坐标。
开关频率优化特性表由多个离散的优化工作点组成，其横坐标为发电机转速，纵坐标为优化开关频率，相邻优化工作点之间应间隔一定转速差以确保机组控制稳定性。各优化工作点转速坐标的确定原则为：1)综合考虑优化性能与机组控制稳定性。一般而言，优化工作点设置越密集优化性能越好，但可能不利于机组的控制稳定性；2)由于PWM谐波变化显著，同步转速附近应设置较多的优化工作点。实际系统中可根据以上原则通过实验或仿真确定各优化工作点的转速坐标。
23)确定优化工作点的优化开关频率。
如图3所示，对于各个优化工作点，适当减小转子侧变流器开关频率使得发电 机定子电流PWM谐波Ish和转速脉动PWM分量ωrh同时满足优化指标：Ish<Ish_max且ωrh<ωrh_max。
3)根据查得的转子侧变流器优化开关频率fsw_opt(t)动态调节PWM脉冲周期TPWM(t)，并根据PWM脉冲占空比D(t)产生PWM脉冲，控制转子侧变流器。
转子侧转子侧变流器控制器中每个PWM脉冲由当前时刻的占空比D(t)与优化开关频率fsw_opt(t)共同确定。变开关频率运行时，转子侧控制器根据最优开关表输出的开关频率fsw_opt(t)实时更新当前PWM脉冲的开关周期TPWM(t)＝1/fsw(t)，然后根据控制与调制算法计算得到的当前占空比D(t)产生PWM脉冲。
占空比取决于调制算法、变流器直流母线电压Vdc以及转子电压指令ur*。典型的调制算法包括正弦波脉冲宽度调制SPWM或空间矢量脉冲宽度调制SVPWM等，实际系统中它们在转子侧变流器控制器中通过数字方式实现；直流母线电压Vdc由控制器实时检测得到；转子电压指令由转子侧变流器控制算法(如矢量控制或直接功率控制等)根据实时检测到的电网电压ug、定子电流is、转子电流ir、转子位置角θr信号计算得到。以SPWM调制为例，当前时刻的占空比D(t)＝0.5+0.5m(t)，其中m(t)＝2ur*(t)/Vdc(t)为当前时刻调制参考波的瞬时值，优化开关频率fsw_opt(t)由开关频率优化特性表根据当前检测到的发电机转速ωr(t)查表得到。
如图4所示，图为用于仿真的2MW双馈风电机组最大功率点跟踪控制特性曲线。
如图5和图6所示，图为开关频率优化控制前后2MW双馈风电机组静态性能仿真结果。从图(6a)-(6c)中可以看出：优化前转子侧变流器运行开关频率保持额定值fsw＝2000Hz不变，双馈发电机定子电流PWM谐波和转速脉动PWM分量均随着转子频率f2降低而显著减小。充分利用该特性，本发明提出以定子电流PWM谐波和转速脉动PWM分量为优化指标的开关频率优化方法。如仿真结果所示，两个优化指标的最大值均出现在发电机最高转速过励满载运行条件。以此为限值，通过仿真计算，可得到如图5所示的2MW双馈风机转子侧变流器开关频率优化特性表。图(6a)-(6c)中优化后的定子电流PWM谐波和转速脉动PWM分量有所增加，但并未超过最大限值，从而确保开关频率优化后双馈风电机组仍能满足系统电气与机械运行性能的要求。图(6d)-(6f)对比了优化前后转子侧变流器开关器件的结温与损耗情况。仿真结果表明，本发明提出的开关频率优化控制技术能有效 降低器件结温与损耗，从而提高变流器运行可靠性与效率。优化控制效果在同步转速点附近最为显著，其中IGBT结温波动与平均结温分别下降了约10℃与30℃，而损耗减少约45％。二极管的结温与损耗下降与IGBT相似。
如图7所示，图为开关频率优化控制前后双馈风电机组动态性能仿真结果。其中粗实线为开关频率优化后结果，细虚线为开关频率了优化前结果。仿真中模拟了风速突然下降的动态运行条件。为实现最大功率跟踪运行，发电机转速按图4所示的特性曲线逐渐下降。仿真结果表明：在开关频率优化控制下，系统能够动态稳定运行且开关器件结温与损耗显著降低。