風(fēng)力發(fā)電變流器直流母線的制動(dòng)模塊的控制系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種風(fēng)力發(fā)電變流器直流母線的制動(dòng)模塊的控制系統(tǒng)和方法。所述直流母線電壓的制動(dòng)模塊的控制系統(tǒng)，包括：電壓檢測(cè)單元，采集正直流母線電壓信號(hào)和負(fù)直流母線電壓信號(hào)；控制單元，根據(jù)正直流母線電壓與啟動(dòng)制動(dòng)電壓門限之間的差以及負(fù)直流母線電壓與啟動(dòng)制動(dòng)電壓門限的和進(jìn)行運(yùn)算來得到控制信號(hào)，并將控制信號(hào)輸出到脈寬調(diào)制單元；脈寬調(diào)制單元，所述控制信號(hào)控制脈寬調(diào)制單元輸出一定占空比的信號(hào)來驅(qū)動(dòng)制動(dòng)模塊，泄放直流母線能量。本發(fā)明能夠設(shè)定母線電壓工作區(qū)間，能夠平滑控制母線電壓，并且能避免制動(dòng)模塊的頻繁切入切出，另外能夠針對(duì)有直流母線中點(diǎn)接地變流器系統(tǒng)的制動(dòng)模塊抑制母線電壓不平衡，防止單邊母線過壓。
【專利說明】風(fēng)力發(fā)電變流器直流母線的制動(dòng)模塊的控制系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的制動(dòng)控制系統(tǒng)和方法，尤其涉及一種風(fēng)力發(fā)電變流器直流母線的制動(dòng)模塊的控制系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，兆瓦級(jí)直驅(qū)和雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，大多采用如圖1、圖2、圖3、圖4所示背靠背的雙PWM變流器作為電能變換器。圖1示意性示出了沒有直流母線中點(diǎn)的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其中5表示增速箱，4表示變壓器，I表示機(jī)側(cè)變流模塊，2表示網(wǎng)側(cè)變流模塊，3表示Du/dt濾波器。圖2示意性示出了直流母線中點(diǎn)接地的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。圖3示意性示出了沒有直流母線中點(diǎn)的直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。圖4示意性示出了直流母線中點(diǎn)接地的直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。
[0003]背靠背的雙PWM變流器的基本結(jié)構(gòu)均為交直交(AC-DC-AC)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要包括機(jī)側(cè)變流模塊1、直流母線、網(wǎng)側(cè)變流模塊2。風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的三相交流電通過機(jī)側(cè)變流模塊I整流成直流電，能量存儲(chǔ)在直流母線上，然后通過網(wǎng)側(cè)變流模塊2進(jìn)行逆變，將直流母線上的能量轉(zhuǎn)換成電網(wǎng)可以接收的三相電，這樣就形成了一個(gè)由電機(jī)到電網(wǎng)的能量轉(zhuǎn)換環(huán)，實(shí)現(xiàn)了能量的轉(zhuǎn)移。
[0004]需要關(guān)注的是，當(dāng)發(fā)生如下工況時(shí):(I)如果變流器的網(wǎng)側(cè)變流模塊2沒有及時(shí)將直流母線上的能量送到電網(wǎng)去，而變流器的機(jī)側(cè)變流模塊又不斷將發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的能量注入到變流器直流母線上；(2)如果電網(wǎng)電壓提升導(dǎo)致能量反灌至變流器直流母線上；
[0005]會(huì)導(dǎo)致直流母線電壓不斷升高，會(huì)嚴(yán)重威脅到功率器件的安全，因而對(duì)直流母線過壓的保護(hù)在整個(gè)變流器系統(tǒng)中就顯得尤為重要。
[0006]當(dāng)前，為了快速消耗掉直流母線上過多的能量，大都采用在圖1、圖2、圖3、圖4中變流器的正負(fù)直流母線間增加一個(gè)制動(dòng)模塊來解決這一問題，如圖5、圖6所示。
[0007]制動(dòng)模塊由一個(gè)單相的IGBT橋和制動(dòng)電阻組成，當(dāng)直流母線上的電壓過壓時(shí)候，通過制動(dòng)模塊的控制單元來控制IGBT功率模塊的開斷，通過母線電壓檢測(cè)模塊和功率放電模塊分別與變流器的母線電連接，讓制動(dòng)電阻投入工作，消耗掉直流母線上過多的能量，維持直流母線的平衡，達(dá)到保護(hù)功率器件和維持變流器正常工作的目的，這在電網(wǎng)低電壓穿越的時(shí)候顯得尤其重要。
[0008]目前制動(dòng)模塊對(duì)于具有正、負(fù)直流母線系統(tǒng)和具有正、負(fù)、地的直流母線系統(tǒng)，均采用正負(fù)母線整體進(jìn)行控制，即，該方法僅根據(jù)正母線電壓和負(fù)母線電壓之間的電壓差來控制，在實(shí)際應(yīng)用中并不完全適用于如圖6所示的具有正、負(fù)、地的直流母線系統(tǒng)，因?yàn)榫哂姓⒇?fù)、地的直流母線系統(tǒng)存在正、負(fù)母線電壓不平衡的情況，極有可能導(dǎo)致單邊母線過壓的情況發(fā)生，從而影響機(jī)組運(yùn)行和壽命。而且傳統(tǒng)控制方式僅采用開斷方式，制動(dòng)模塊經(jīng)常突然通斷，不能平滑調(diào)節(jié)。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0009]風(fēng)力發(fā)電變流器系統(tǒng)中制動(dòng)模塊是防止直流母線電壓發(fā)生過壓，及時(shí)有效進(jìn)行控制，限制母線電壓抬升，將多余能量泄放到制動(dòng)電阻上消耗掉。因此，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種母線電壓的制動(dòng)模塊的浮動(dòng)控制方法，此控制方法能夠有效控制器母線電壓，保證變流器可靠運(yùn)行。
[0010]本發(fā)明采用基于脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)的母線電壓的比例控制器+濾波器的制動(dòng)模塊的控制方法，能夠設(shè)定母線電壓工作區(qū)間，并且平滑控制母線電壓；避免母線電壓的大幅波動(dòng)和制動(dòng)模塊的頻繁切入切出，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的控制方法適用于圖5和圖6所示系統(tǒng)。
[0011]本發(fā)明同時(shí)針對(duì)圖2、圖4所示具有正、負(fù)、地的直流母線系統(tǒng)，采用正負(fù)母線分別制動(dòng)的控制方法，能夠完全抑制母線電壓不平衡導(dǎo)致的單邊母線過壓故障的發(fā)生，維持母線電壓的平衡控制；
[0012]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的一方面，提供一種直流母線電壓的制動(dòng)模塊的控制系統(tǒng)，包括:電壓檢測(cè)單元，采集正直流母線電壓信號(hào)和負(fù)直流母線電壓信號(hào)；控制單元，根據(jù)正直流母線電壓與啟動(dòng)制動(dòng)電壓門限之間的差以及負(fù)直流母線電壓與啟動(dòng)制動(dòng)電壓門限的和進(jìn)行運(yùn)算來得到控制信號(hào)，并將控制信號(hào)輸出到脈寬調(diào)制單元；脈寬調(diào)制單元，所述控制信號(hào)控制脈寬調(diào)制單元輸出一定占空比的信號(hào)來驅(qū)動(dòng)制動(dòng)模塊，泄放直流母線能量。
[0013]控制單元包括:第一求和器件，第一求和器件將正母線電壓與啟動(dòng)制動(dòng)電壓門限的相反數(shù)相加，相加之后的值被輸出到第一限幅器；第二求和器件，第二求和器件將負(fù)母線電壓與啟動(dòng)制動(dòng)電壓門限相加，相加之后的值被輸出到第二限幅器；第一限幅器，第一限幅器根據(jù)從第一求和器件接收的值的大小相應(yīng)地輸出大小在正母線電壓限幅最小值到正母線電壓限幅最大值之間的值；第二限幅器，第二限幅器根據(jù)從第二求和器件接收的值的大小相應(yīng)地輸出大小在負(fù)母線電壓限幅最小值到負(fù)母線電壓限幅最大值之間的值；第三求和器件，第三求和器件將第一限幅器的輸出值與第二限幅器的輸出值的相反數(shù)進(jìn)行求和運(yùn)算，然后將運(yùn)算后的值輸出給比例控制器；比例控制器，將第三求和器件的輸出值乘以預(yù)定的比例，然后將運(yùn)算后的值輸出給濾波器；濾波器，用于對(duì)從比例控制器輸入的信號(hào)進(jìn)行濾波，以去除噪聲和平滑從比例控制器輸入的信號(hào)，得到脈寬調(diào)制單元的占空比的設(shè)定值信號(hào)并輸出該設(shè)定值信號(hào)。
[0014]控制單元還包括:第三限幅器，對(duì)從濾波器輸入的設(shè)定值信號(hào)進(jìn)行限幅處理以得到控制信號(hào)，用于避免控制信號(hào)超過脈沖調(diào)制單元能接收的最大值，并將控制信號(hào)傳輸給脈寬調(diào)制單元。
[0015]脈寬調(diào)制單元包括:脈沖波發(fā)生器，向比較器的反相輸入端輸出脈沖波形；比較器，比較器的同相輸入端接收從控制單元輸出的信號(hào)，反相輸入端接收脈沖波發(fā)生器輸出的信號(hào)，比較器的輸出信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)制動(dòng)模塊。
[0016]比較器的輸出信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)制動(dòng)模塊。
[0017]所述脈沖波發(fā)生器是三角波發(fā)生器。
[0018]濾波器為一階、二階或者更高階的低通濾波器。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的另一方面，提供了一種直流母線電壓的制動(dòng)模塊的控制方法，包括:采集正直流母線電壓信號(hào)和負(fù)直流母線電壓信號(hào)；控制單元根據(jù)正直流母線電壓與啟動(dòng)制動(dòng)電壓門限之間的差以及負(fù)直流母線電壓與啟動(dòng)制動(dòng)電壓門限的和進(jìn)行運(yùn)算來得到控制信號(hào)，并將控制信號(hào)輸出到脈寬調(diào)制單元；利用所述控制信號(hào)控制脈寬調(diào)制單元輸出一定占空比的信號(hào)來驅(qū)動(dòng)制動(dòng)模塊，泄放直流母線能量。
[0020]根據(jù)正直流母線電壓與啟動(dòng)制動(dòng)電壓門限之間的差以及負(fù)直流母線電壓與啟動(dòng)制動(dòng)電壓門限的和進(jìn)行運(yùn)算來得到控制信號(hào)的步驟包括:將正母線電壓與啟動(dòng)制動(dòng)電壓門限的相反數(shù)相加，將相加之后的值輸出到第一限幅器；將負(fù)母線電壓與啟動(dòng)制動(dòng)電壓門限相加，將相加之后的值輸出到第二限幅器；第一限幅器根據(jù)接收的值的大小相應(yīng)地輸出大小在正母線電壓限幅最小值到正母線電壓限幅最大值之間的值；第二限幅器根據(jù)接收的值的大小相應(yīng)地輸出大小在負(fù)母線電壓限幅最小值到負(fù)母線電壓限幅最大值之間的值；求和器件將第一限幅器的輸出值與第二限幅器的輸出值的相反數(shù)進(jìn)行求和運(yùn)算，然后將運(yùn)算后的值輸出給比例控制器；比例控制器將從求和器件接收的值乘以預(yù)定的比例，然后將運(yùn)算后的值輸出給濾波器，濾波器對(duì)從比例控制器輸入的信號(hào)進(jìn)行濾波，以去除噪聲和平滑從濾波器輸入的信號(hào)，從而得到脈寬調(diào)制單元的占空比的設(shè)定值信號(hào)并輸出該設(shè)定值信號(hào)。
[0021]當(dāng)正直流母線電壓與啟動(dòng)制動(dòng)電壓門限之間的差小于第一限幅器的正母線電壓限幅最小值時(shí)，第一限幅器輸出正母線電壓限幅最小值；當(dāng)正直流母線電壓與啟動(dòng)制動(dòng)電壓門限之間的差大于第一限幅器的正母線電壓限幅最小值但小于第一限幅器的正母線電壓限幅最大值時(shí)，第一限幅器輸出正直流母線電壓與啟動(dòng)制動(dòng)電壓門限之間的差；當(dāng)正直流母線電壓與啟動(dòng)制動(dòng)電壓門限之間的差大于第一限幅器的正母線電壓限幅最大值時(shí)，第一限幅器輸出正母線電壓限幅最大值。
[0022]當(dāng)負(fù)直流母線電壓與啟動(dòng)制動(dòng)電壓門限之間的和小于第二限幅器的負(fù)母線電壓限幅最小值時(shí)，第二限幅器輸出負(fù)母線電壓限幅最小值；當(dāng)負(fù)直流母線電壓與啟動(dòng)制動(dòng)電壓門限之間的和大于第二限幅器的負(fù)母線電壓限幅最小值但小于第二限幅器的負(fù)母線電壓限幅最大值時(shí)，第二限幅器輸出負(fù)直流母線電壓與啟動(dòng)制動(dòng)電壓門限之間的和；當(dāng)負(fù)直流母線電壓與啟動(dòng)制動(dòng)電壓門限之間的和大于第二限幅器的負(fù)母線電壓限幅最大值時(shí)，第二限幅器輸出負(fù)母線電壓限幅最大值。
[0023]第三限幅器對(duì)從濾波器輸入的設(shè)定值信號(hào)進(jìn)行限幅處理，以避免超過脈沖調(diào)制單元能接收的最大值，從而得到控制信號(hào)并將控制信號(hào)傳輸給比較器。
[0024]脈沖波發(fā)生器向比較器的反相輸入端輸出脈沖波形；比較器的同相輸入端接收從控制單元輸出的信號(hào)，反相輸入端接收脈沖波發(fā)生器輸出的信號(hào)，比較器的輸出信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)制動(dòng)模塊。
[0025]占空比的設(shè)定值duty滿足:
[0026]duty=Udc-Kp*(Udc-Plus-out - Udc-mins-out))
[0027]其中，Udc_Kp為比例控制器的比例系數(shù)，Udc-Plus-out為第一限幅器輸出的值，Udc-mins-out為第二限幅器輸出的值，Udc-Kp滿足:
[0028]
【權(quán)利要求】
1.ー種直流母線電壓的制動(dòng)模塊的控制系統(tǒng)，包括: 電壓檢測(cè)單元，采集正直流母線電壓信號(hào)和負(fù)直流母線電壓信號(hào)； 控制單元，根據(jù)正直流母線電壓與啟動(dòng)制動(dòng)電壓門限之間的差以及負(fù)直流母線電壓與啟動(dòng)制動(dòng)電壓門限的和進(jìn)行運(yùn)算來得到控制信號(hào)，并將控制信號(hào)輸出到脈寬調(diào)制単元；脈寬調(diào)制単元，所述控制信號(hào)控制脈寬調(diào)制單元輸出一定占空比的信號(hào)來驅(qū)動(dòng)制動(dòng)模塊，泄放直流母線能量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中，控制單元包括: 第一求和器件，第一求和器件將正母線電壓與啟動(dòng)制動(dòng)電壓門限的相反數(shù)相加，相加之后的值被輸出到第一限幅器； 第二求和器件，第二求和器件將負(fù)母線電壓與啟動(dòng)制動(dòng)電壓門限相加，相加之后的值被輸出到第二限幅器； 第一限幅器，第一限幅器根據(jù)從第一求和器件接收的值的大小相應(yīng)地輸出大小在正母線電壓限幅最小值到正母線電壓限幅最大值之間的值； 第二限幅器，第二限幅器根據(jù)從第二求和器件接收的值的大小相應(yīng)地輸出大小在負(fù)母線電壓限幅最小值到負(fù)母線電壓限幅最大值之間的值； 第三求和器件，第三求和器件將第一限幅器的輸出值與第二限幅器的輸出值的相反數(shù)進(jìn)行求和運(yùn)算，然后將運(yùn)算后的值輸出給比例控制器； 比例控制器，將第三求和器件的輸出值乘以預(yù)定的比例，然后將運(yùn)算后的值輸出給濾波器； 濾波器，用于對(duì)從比例控制器輸入的信號(hào)進(jìn)行濾波，以去除噪聲和平滑從比例控制器輸入的信號(hào)，得到脈寬調(diào) 制単元的占空比的設(shè)定值信號(hào)并輸出該設(shè)定值信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的控制系統(tǒng)，其中，控制單元還包括: 第三限幅器，對(duì)從濾波器輸入的設(shè)定值信號(hào)進(jìn)行限幅處理以得到控制信號(hào)，用于避免控制信號(hào)超過脈沖調(diào)制單元能接收的最大值，并將控制信號(hào)傳輸給脈寬調(diào)制単元。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任ー項(xiàng)所述的控制系統(tǒng)，其中，脈寬調(diào)制単元包括: 脈沖波發(fā)生器，向比較器的反相輸入端輸出脈沖波形； 比較器，比較器的同相輸入端接收從控制單元輸出的信號(hào)，反相輸入端接收脈沖波發(fā)生器輸出的信號(hào)，比較器的輸出信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)制動(dòng)模塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的控制系統(tǒng)，其中， 比較器的輸出信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)制動(dòng)模塊。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的控制系統(tǒng)，其中， 所述脈沖波發(fā)生器是三角波發(fā)生器。
7.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的控制系統(tǒng)，其中， 濾波器為ー階、ニ階或者更高階的低通濾波器。
8.ー種直流母線電壓的制動(dòng)模塊的控制方法，包括: 采集正直流母線電壓信號(hào)和負(fù)直流母線電壓信號(hào)； 控制單元根據(jù)正直流母線電壓與啟動(dòng)制動(dòng)電壓門限之間的差以及負(fù)直流母線電壓與啟動(dòng)制動(dòng)電壓門限的和進(jìn)行運(yùn)算來得到控制信號(hào)，并將控制信號(hào)輸出到脈寬調(diào)制単元；利用所述控制信號(hào)控制脈寬調(diào)制單元輸出一定占空比的信號(hào)來驅(qū)動(dòng)制動(dòng)模塊，泄放直流母線能量。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的控制方法，其中，根據(jù)正直流母線電壓與啟動(dòng)制動(dòng)電壓門限之間的差以及負(fù)直流母線電壓與啟動(dòng)制動(dòng)電壓門限的和進(jìn)行運(yùn)算來得到控制信號(hào)的步驟包括: 將正母線電壓與啟動(dòng)制動(dòng)電壓門限的相反數(shù)相加，將相加之后的值輸出到第一限幅器； 將負(fù)母線電壓與啟動(dòng)制動(dòng)電壓門限相加，將相加之后的值輸出到第二限幅器； 第一限幅器根據(jù)接收的值的大小相應(yīng)地輸出大小在正母線電壓限幅最小值到正母線電壓限幅最大值之間的值； 第二限幅器根據(jù)接收的值的大小相應(yīng)地輸出大小在負(fù)母線電壓限幅最小值到負(fù)母線電壓限幅最大值之間的值； 求和器件將第一限幅器的輸出值與第二限幅器的輸出值的相反數(shù)進(jìn)行求和運(yùn)算，然后將運(yùn)算后的值輸出給比例控制器； 比例控制器將從求和器件接收的值乘以預(yù)定的比例，然后將運(yùn)算后的值輸出給濾波器，濾波器對(duì)從比例控制器輸入的信號(hào)進(jìn)行濾波，以去除噪聲和平滑從濾波器輸入的信號(hào)，從而得到脈寬調(diào)制單元的占空比的設(shè)定值信號(hào)并輸出該設(shè)定值信號(hào)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9 所述的控制方法，其中， 當(dāng)正直流母線電壓與啟動(dòng)制動(dòng)電壓門限之間的差小于第一限幅器的正母線電壓限幅最小值時(shí)，第一限幅器輸出正母線電壓限幅最小值； 當(dāng)正直流母線電壓與啟動(dòng)制動(dòng)電壓門限之間的差大于第一限幅器的正母線電壓限幅最小值但小于第一限幅器的正母線電壓限幅最大值時(shí)，第一限幅器輸出正直流母線電壓與啟動(dòng)制動(dòng)電壓門限之間的差； 當(dāng)正直流母線電壓與啟動(dòng)制動(dòng)電壓門限之間的差大于第一限幅器的正母線電壓限幅最大值時(shí)，第一限幅器輸出正母線電壓限幅最大值。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的控制方法，其中， 當(dāng)負(fù)直流母線電壓與啟動(dòng)制動(dòng)電壓門限之間的和小于第二限幅器的負(fù)母線電壓限幅最小值時(shí)，第二限幅器輸出負(fù)母線電壓限幅最小值； 當(dāng)負(fù)直流母線電壓與啟動(dòng)制動(dòng)電壓門限之間的和大于第二限幅器的負(fù)母線電壓限幅最小值但小于第二限幅器的負(fù)母線電壓限幅最大值時(shí)，第二限幅器輸出負(fù)直流母線電壓與啟動(dòng)制動(dòng)電壓門限之間的和； 當(dāng)負(fù)直流母線電壓與啟動(dòng)制動(dòng)電壓門限之間的和大于第二限幅器的負(fù)母線電壓限幅最大值時(shí)，第二限幅器輸出負(fù)母線電壓限幅最大值。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的控制方法，其中， 第三限幅器對(duì)從濾波器輸入的設(shè)定值信號(hào)進(jìn)行限幅處理，以避免超過脈沖調(diào)制單元能接收的最大值，從而得到控制信號(hào)并將控制信號(hào)傳輸給比較器。
13.根據(jù)權(quán)利要求8-12中任一項(xiàng)所述的控制方法，其中， 脈沖波發(fā)生器向比較器的反相輸入端輸出脈沖波形； 比較器的同相輸入端接收從控制單元輸出的信號(hào)，反相輸入端接收脈沖波發(fā)生器輸出的信號(hào)，比較器的輸出信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)制動(dòng)模塊。
14.根據(jù)權(quán)利要求8-12中任一項(xiàng)所述的控制方法，其中，占空比的設(shè)定值duty滿足: duty=Udc_Kp*(Udc_Plus_out - Udc_mins_out)) 其中，Udc_Kp為比例控制器的比例系數(shù)，Udc_Plus_out為第一限幅器輸出的值，Udc_mins_out為第二限幅器輸出的值，Udc_Kp滿足:
15.根據(jù)權(quán)利要求8-12中任一項(xiàng)所述的控制方法，其中， 濾波器函數(shù)為一階、二階或者更高階 的低通濾波器實(shí)現(xiàn)函數(shù)。
【文檔編號(hào)】H02M5/458GK103441686SQ201310397795
【公開日】2013年12月11日 申請(qǐng)日期:2013年9月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月4日
【發(fā)明者】尹進(jìn)峰, 郭銳, 蔣中川, 劉炳 申請(qǐng)人:北京天誠同創(chuàng)電氣有限公司