本发明为“直驱风力发电交/直变换电路及控制方法”,它涉及直驱风电系统交/直电能变换电路。当前直驱风电系统整流后的滤波参数依赖输入电压脉动频率,滤波器体积大,成本高,输入谐波含量大,装置功率因数低。本发明发电机输出交流电经桥式不控整流输出变压脉动直流电,后接直/直升压变换电路,根据逆变输入直流电压设定值,采用PWM方法控制开关管占空比,保证输出电压恒定。稳态时变换电路输出电压恒定,输入电流基本恒定,发电机输出近似方波电流。动态时系统以变换器输出恒定电压为目标,实施调整。用途:通过控制变换电路占空比,省去直流环节滤波器,简化直驱风电交/直变换电路,降低系统体积和成本,减少发电机谐波,提高系统效率。
1.直驱风力发电交/直变换电路的控制方法,多极永磁同步发电机、三相桥式不控整流电路、升压型直/直变换电路顺序连接,其特征是:多极永磁同步发电机的三相输出与三相桥式不控整流电路的三相输入端分别相联,三相桥式不控整流电路输出端与升压型直/直变换电路输入端相联,升压型直/直升压变换电路输出的电能供给后接的逆变器负载;基于输出电压恒定要求情况下通过PWM控制方法,省去三相桥式不控整流电路后的滤波电路,省去的滤波电路包括滤波电感和滤波电容,其参数与输入直流电压脉动频率及传输的功率有关,后接的升压型直/直变换电路根据要求对输入电压进行升压,满足输出端所接逆变器负载对直流电压的恒稳与数值要求;控制时,升压型直/直变换电路的控制电路根据输出端直流电压的需要,采用PWM方法控制升压型直/直变换电路开关管的占空比,保证在输入直流电压变化情况下输出直流电压恒定;特定风速情况下,升压型直/直变换电路输出电压恒定,输入电流基本恒定,相对三相桥式不控整流电路,升压型直/直变换电路成为一个受风速控制的恒流源负载,发电机输出120°近似方波电流,当风速变化时,系统以升压型直/直变换电路输出直流电压恒定为目标,实施动态调整,发电机输出的交流方波电流将发生幅度变化;升压型直/直变换电路输入电感L根据输入电流允许的电流脉动量和风电系统传递的最大功率来确定,与升压型直/直变换电路输入直流电压幅值及脉动程度无关,电感L的计算式为:ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="700"/>式中:U_in、U_o为升压型直/直变换电路输入、输出电压值,I_dn、k、T_s分别为电感流过的电流平均值、电流纹波系数、升压型直/直变换电路PWM控制周期,f是升压型直/直升压变换电路PWM控制的频率,与升压型直/直变换电路PWM控制周期T_s之间成倒数关系,即:ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="200"/>
2.根据权利要求1所述的直驱风力发电交/直变换电路的控制方法,其特征是:升压型直/直变换电路输出滤波电容C根据输出允许的直流电压脉动数值和升压型直/直变换电路所接负载确定,ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="196"/>式中,T、R_o分别为输出直流电压最低脉动周期、升压型直/直变换电路输出所接等效负载电阻。所属技术领域本发明涉及直驱式风力发电系统交/直电能的变换电路,采用一定的控制方法,可以简化系统电路,降低风电系统的装置体积和成本,实现直驱风力发电系统交/直电能的变换,满足并网逆变器对直流环节的电压要求。
背景技术
目前,直驱式风力发电系统交/直电能的变换电路部分广泛采用的是:多极永磁同步发电机产生的变压变频交流电由二极管构成的三相桥式不控整流电路进行整流,所输出的脉动变幅直流电压通过大电容滤波获得比较平稳的变幅直流电,再通过直流变换电路获得比较平稳的直流电压,以供给逆变部分进行逆变,向电网输送电能。为了抑制启动冲击电流对发电机的影响,降低电容充电电流的脉冲幅值,减少发电机电流谐波,提高发电机功率因数,在滤波电容前均设置具有限流和滤波双重用途的电抗器。由于风速变化,直驱式风电系统多极永磁同步发电机发出的交流电频率变化范围较大,整流桥输出直流侧的滤波环节参数一般以最低风速情况确定,因此,滤波电容和滤波电抗器的数值较大,装置的体积和成本较高。并网型风力发电系统中,为了方便控制,解除风力发电部分和并网交流电能输出之间的耦合,逆变器需要直流环节的电压稳定。为此,需要在整流滤波和逆变之间设置直流/直流变换环节。目前,该直流/直流变换环节均由升压斩波电路实现,功率的增加通过选择大容量电路元件或者用多个升压变换电路并联实现。在升压斩波电路中,输入、输出分别设置有电感和电容,其电感参数主要取决于斩波电路所传递的功率和斩波器工作频率,与输入电能的脉动频率无关,电容参数主要取决于输出电压允许的脉动幅值、输出功率和最高电压数值。
发明内容
为了克服现有滤波电路参数依赖直流输入电压脉动频率的缺陷,降低风力发电系统装置的体积和成本,本发明提供一种交/直电能变换电路,并采用一定的控制方法,可以去除滤波电路的电感和电容,直流/直流变换部分的输入电感和输出滤波电容可根据变换电路输入电流允许的脉动程度及输出电压允许的脉动程度决定,与开关管工作频率有关,与输入直流电压的幅值及脉动程度无关。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:永磁同步发电机的三相输出端与三相桥式不控整流电路的三相输入端分别相联,输出端与直/直变换电路输入端的电感元件相接,直/直变换电路输出端接滤波电容,直/直变换电路采用升压斩波(Boost)电路。控制时,由不控整流桥输入的变压脉动直流电加到升压斩波电路输入端,变换器根据逆变部分直流电压需要的数值,采用PWM的方法控制开关管的占空比,保证在输入端直流电压变化的情况下输出直流电压的恒定。稳态情况下,升压斩波电路输出电压恒定,输入电流基本恒定,永磁同步发电机近似输出方波电流。动态情况下,系统以升压斩波器输出电压恒定为目标,实施动态调整。本发明的有益效果是:通过控制升压斩波器开关元件的占空比,以外界风速受控电流源的形式控制从整流环节吸取并传输到逆变侧的电能,从而简化直驱风电系统交/直变换环节电路,省去滤波电容和滤波电感,降低系统体积和成本,减少发电机谐波,提高直驱风力发电系统效率。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明。附图为本发明的电路原理图。图中,PMSM为多极永磁同步发电机,D₁~D₆为三相不控整流器的整流二极管,L为升压斩波电路输入电感,VT为其开关管,可以是场效应管或者是GTR、IGBT、GTO等元件,D₇是升压斩波电路输出二极管,C为输出滤波电容。具体实施方法附图中,多极永磁同步发电机在风力机带动下产生变压变频交流电,该三相交流电经过三相不控桥整流成幅值变化的脉动直流电。变压脉动直流电不经过滤波直接加到直/直变换器的输入端,变换器的控制器根据输出直流电压要求及当前输入直流电压的数值,控制开关管的占空比,实施升压变换控制,输出规定的恒定直流电压。根据风力发电系统的控制要求,并网逆变器所馈进电网的电能与风速的大小有关,则在特定风速情况下,变换器输出的电流保持恒定。根据升压斩波(Boost)电路输入输出关系,变换器输出电流恒定,其输入电流亦为近似为恒值,则对不控整流桥而言,直/直变换器成为一个受风速控制的恒流源负载,发电机输出的交流电流为120°的近似方波电流,而非原来采用电容滤波时的脉冲电流(或者在电感、电容滤波情况下的具有两个圆顶的近似方波电流,圆顶的尖突程度与电感的大小有关,电容一定时,电感越小,圆顶越尖锐)。当风速变化时,作为整流桥恒流源负载的电流也跟随变化,则在动态情况下,发电机输出的交流方波电流将发生幅度变化。附图中,三相不控桥整流二极管D₁~D₆可根据其最大工作电压、最大工作电流确定其额定参数。额定电压确定为二极管承受的最大反向电压幅值的2~3倍。如在该整流电路中二极管所流过的电流有效值为I_D,则二极管额定电流I_e的计算公式为: I e = ( 1.5 - 2.0 ) I D 1.57 . ]]>直/直变换器的输入电感数值L可根据输入电流在开关工作过程中所允许的电流变化脉动量(一般设置为小于额定电流的20%)和风力发电系统所传递的最大功率来确定。电感L的计算公式为: L = U in I dn k ( 1 - U in U o ) T s = U in I dn kf ( 1 - U in U o ) , ]]>式中:U_in、U_o为变换器输入、输出电压值,I_dn、k、T_s分别为电感流过的电流平均值、电流纹波系数、变换器PWM控制周期。开关管VT参数可根据开关管在PWM工作过程中所通过的最大电流幅值及处于断开情况下所承受的最大电压来确定。直/直变换器升压二极D₇的参数可根据其在电路中所承受的电压和所流过的最大电流确定,确定公式与上面整流二极管计算公式相同。直/直变换器输出滤波电容C的参数可根据直流侧允许的直流电压脉动数值和变换器所接负载最大值来确定。 C = 5 T 2 R o , ]]>式中,T、R_o分别为输出直流电压脉动周期、变换器输出所接等效负载电阻。