风力发电机变流器的自适应脉宽调制解决方案

摘要

一种脉宽调制波形发生器解决方案，应用于风电变流器领域。本发明能够根据风电变流器的系统特性以及风电应用中的实时工况以及系统的需求优先级，动态自适应地选择最优的脉宽调制波形模式，以达到最优的变流器输出特性。本发明解决了使用单一的脉宽调制模式的风电变流器不能工作在最优状态的问题。本发明的核心模块是脉宽调制模式性能计算模块11，模块11根据不同的系统参数、实时测量变量以及系统要求给出不同调制模式在现有系统现有工况下的综合性能值，然后模式选择模块将选定综合性能值最高调制模式，最后由波形发生模块输出波形。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种新型的电力电子脉宽调制的解决方案，应用于风力发电机的变流器，以实现在各种复杂条件下，变流器都能工作在最优状态。

背景技术：

大功率电力电子的风力发电机变流器是现代风力发电机的重要部分。变流器的成本约占整个风电机组成本的15％。变流器的可靠性是保障风机可靠运行的重要环节，同时它的性能高低也是决定风机能否上网的关键因素之一。

脉宽调制(Pulse Width Modulation)技术是风力发电机变流器的核心技术，其作用在于以直流电压(Vdc)斩波脉冲形成可变频可变压的交流电效果。

脉宽调制技术在风力发电机变流器的应用如图2所示。整个变流器(2)由电机端全桥电路(3)和网络端全桥电路(5)组成。每一个桥式电流由三相六个叫绝缘栅双节型晶体管(IGBT)外加续流二极管(Diode)的电力电子开关模块10组成，这两个全桥电路和直流电压4共同完成了一个交流-直流-交流的变化。脉宽调制波形发生器6、7的作用在于产生能够等效交流波形的脉冲开关，这些脉冲开关控制每个桥式电路中的电力电子开关导通和截至，以达到交-直变换的作用。在变流器的普通应用中，直流电压的电压几乎是恒定的。在这样的条件下，脉宽调制波形最终决定了电机端和电网段变流器的输出波形的大小，频率，质量和动态特性等一系列的特性。脉宽调制波形对于对变流器的开关损耗和效率都有一定程度的影响。

单相交流电压的波形可以等效为如下关系：

$V_{\mathrm{ph}}=m_a\sin (\omega ·t)·\frac{V_{\mathrm{dc}}}{2}$

线电压有效值为：

$V_{\mathrm{ll}}=\frac{\sqrt{3}}{2\sqrt{2}}{m}_a·V_{\mathrm{dc}}=0.612·m_a·V_{\mathrm{dc}}$

上述公式可见，在直流电压固定的情况下调制因数m_a决定了交流电压的有效值，交流电压的频率由调制波形的ω决定。

目前国际上流行并且被广泛使用的调制方法主要有以下四种：

1：三次谐波注入脉宽调制法(Third Harmonics Injection Pulse Width Modulation，H3PWM)。

2：不连续脉宽调制法(Generalized Discontinuous Pulse Width Modulation，GDPWM)。

3：损耗平衡脉宽调制法(Loss sharing Pulse Width Modulation，LSPWM)。

4：选择谐波消除脉宽调制法(Selective Harmonics Elimination Pulse Width Modulation，SHEPWM)。

每一种脉宽调制波形的发生方法不同，其波形、特性以及对风力发电机变流器的影响在不同频率以及不同的调制因数下也不同。具体波形发生方法及其特性在图1中有详尽的描述。每一种脉宽调制波形的特性总结见表1。

表1：不同脉宽调制模式特性比较

不同的脉宽调制模式在不同的工况下对风力发电机变流器的效率和性能有着不同的影响。目前风电变频器制造商根据应用类型、设计要求和客户需求在以上的4种脉宽调制模式中选出最合适的模式，并作为唯一的脉宽调制模式使用在风机的全寿命期间内。然而由于风能资源的多变性和不可预测性，加上风速和电网条件的变动，风力发电机的工况极为复杂多变。因此，单一的脉宽调制模式在风机运行的过程中在很多条件下并没有运行在最优工作状态，影响了风机的效率、最大输出以及对电网的输出波形质量。

发明内容

本发明的目的是：提供了一种自适应实现的脉宽调制解决方案，用以解决在风机运行的过程中风力发电机变流器在单一脉宽调制模式下无法达到最优工作状态的问题。本发明会实时动态地根据系统要求和系统运行状态改变脉宽调制模式，以达到变流器最优的工作状态。

为达到上述目的，本发明的构思是：

本发明根据不同的工况条件动态实时地判断评估脉宽调制模式的效能，加权给出不同脉宽调制模式的综合性能因数，然后比较综合性能因数选定最优的脉宽调制模式并发生脉宽调制波形。

根据上述发明构思，本发明的技术方案由如下四个环节组成：

本发明的第一个环节在于实时判断工况条件。工况条件包括几方面的内容，一是电机端或者网络端控制器给出的输出特性，主要是输出频率、输出电压幅值以及相位。二是电气系统本身的要求，由系统功率特性参数，波形输出特性参数以及系统运行状态组成。

本发明的第二个环节在于根据工况信息判断不同的脉宽调制模式对变流器性能的影响，结合系统要求给出调制模式综合性能因数。调制模式的性能因数主要由四方面决定：变流器功率性能、波形质量、最大电压输出以及系统控制动态速度。不同的变流器电气系统对于这四方面的要求有着不同的要求。

变流器功率性能：变流器功率性能取决于风机控制器给出的功率输出要求。当功率输出要求较低，变流器系统对于脉宽调制模式的功率输出特性要求较低，因此在选择脉宽调制波形时变流器功率特性的在综合脉宽调制模式特性因数中的权重会降低。相反系统的功率输出要求已经接近或者达到变流器的额定功率，变流器功率性能在脉宽调制模式性能因数中的权重将大幅度增加，变流器效率较高的不连续脉宽调制法(GDPWM)将成为系统的优先选择。

输出波形质量：输出波形质量与滤波器设计以及电网质量有关。如果系统的滤波器设计裕量较大，或者系统所处在的电网质量较高，变流器波形质量性能在综合性能因数的权重比就会偏低，代表系统对输出波形质量的要求可以放宽。情况相反时，输出波形质量在综合性能因数中的权重会增高，系统会优先波形质量更好的脉宽调制模式。

系统控制的动态速度：系统控制的动态速度在调制模式性能因数中的权重主要由变流器应用于的风机种类和运行状态决定，不同的风力发电机所要求的控制速度有较大的差异。网络端在电网故障穿越过程中对于动态特性时也会有特殊的要求。

最大电压输出：最大电压输出性能仅取决于在当前脉宽调制模型下，变流器是否能够达到要求的最大电压。最大电压输出性能与控制器输出要求有关。

本发明会根据以上三方面的性能以及权重比最终给出综合调制模式性能因数。

本发明的第三个环节根据第二个环节给出的综合调制模式性能因数选定综合性能因数最高的一种调制模式。当调制模式综合性能因数出现异常值时，本发明将输出报错信息。

本发明的第四个环节根据选定的调制模式产生脉宽调制波形。本发明保留一个预先设定的默认调制模式，该模式通常在各种工况条件下能达到可以接受的性能。如果系统受到报错信息，本发明将最终输出默认调制模式。

本发明于现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

综合考虑风电变流器系统及其应用工况，充分利用多种脉宽调制模式在不同工况下的效能，增加了变流器的有效工作电压及频率范围。

在满足系统额定功率的同时，可以提高波形质量以降低变流器滤波环节的系统成本。

自适应算法灵活选择多种脉宽调制模式，改善了变流器在恶劣工况情况下或者电网故障时刻的穿越能力。

在符合电网接入谐波标准的同时，自适应选择最优的脉宽调制模式以降低变流器系统的开关损耗，提高变流器系统的效率，降低了器件的工作温度，对于电力电子器件的寿命有正面的影响。

动态灵活的脉宽调制模式选择系统，减少了固定脉宽调制方式与系统要求不匹配的可能性，同时减短了现场调试的时间。

附图说明

图1是不同脉宽调制模型的波形示意图。

图2是风力发电机变流器模块构成图。

图3是本发明的模块实现图。

图4是脉宽调制模式性能计算模块信号流程图。

图5是电力电子器件截温计算原理图。

图6是电气系统谐波模型示例图。

图7是功率性能计算以及谐波性能计算曲线图。

图中1.发电机，2.风力发电机变流器，3.电机端IGBT桥式电路，4.直流电压，5.网络端IGBT桥式电路，

6.电机端脉宽调制发生器，7.网络端脉宽调制发生器，8.正弦滤波器，9.网络端变压器，10.工况判断模块，11.脉宽调制模式性能预估模块，12.选择模块，13.模块调制波形发生模块，14.发电机控制器，15.电网端控制器，16.功率性能计算模块，17.谐波性能结算模块，18.电压输出特性模块，19.动态特性计算模块。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

本风电变流器的自适应脉宽调制解决方案，包括一个工况条件判断模块(10)，用于实时判定变流器工况条件；一个脉宽调制模式性能评估模块(11)，用于根据工况加权给出脉宽调制综合性能因数；一个选择模块(12)，用于实时选定最优脉宽调制模式；以及一个脉宽调制波形发生模块(13)，用于实现产生选定的脉宽调制波形；

上述的风电变流器的自适应脉宽调制解决方案，工况条件判断模块(10)分别和风电变流器中的发电机控制器(14)以及网络侧控制器(15)通讯，给出电机端或者网络端控制器的输出特性，包括输出频率、输出电压幅值以及相位。工况条件判断模块同时提取预先输入的系统参数，包括系统功率特性参数，波形输出特性参数以及系统运行状态。

上述的风电变流器的自适应脉宽调制解决方案，脉宽调制模式性能评估模块(11)根据工况条件加权计算得出每一种脉宽调制模式的变流器功率性能、波形质量、最大电压输出以及系统控制动态速度。得到四个0到1之间的实数以量化在当前系统要求当前工况条件下的脉宽调制模式所达到的性能值。最终将四个性能值相乘获得每个脉宽调制模式的脉宽调制综合性能因数。

上述的风电变流器的自适应脉宽调制解决方案，选择模块(12)选定脉宽调制综合性能因数最高的一种脉宽调制模式输出给脉宽调制波形发生环节。如果最终选定的调制模式综合性能因数小于等于零或者大于1，选择模块(12)将输出报错信息。

上述的风电变流器的自适应脉宽调制解决方案，脉宽调制波形发生模块采用常用的三角波发生法发生选定的脉宽调制波形，如果收到报错信息，系统将选择产生预先设定的缺省脉宽调制波形。

本风力发电机变流器的自适应脉宽调制(发生器)解决方案的原理简述如下：

工况条件判断模块(10)提取的工况条件信息两部分变量组成，第一部分是控制器输出变量包括变流器输出频率、输出幅值以及输出相位。变流器输出频率和调制因数分别由变流器控制器给出，第二部分主要是系统参数包括系统开关频率、系统功率参数以及系统谐波参数。系统功率参数包括了系统功率计算的必要参数：IGBT热电阻以及时间常数(R_{th_hscs}，τ_hscs，R_{th_csjn}，τ_csjn)、散热片热电阻以及时间常数(R_{th_flhs}，τ_flhs)以及冷却流体温度T_fluid，这些参数通常会由器件和散热片供应商给出或者在系统设计阶段设定。系统谐波参数包括系统谐波计算的必要参数：电网等效阻抗范围以及变压器等效阻抗范围。这一系列的参数将用于下一模块的脉宽调制模式性能计算模块。第三部分主要是系统运行信息，包括系统需要的最大电压输出，系统所要求的动态特性以及低电压穿越状态。

脉宽调制模式性能计算模块(11)是本发明的核心模块，该模块根据工况情况对不同的脉宽调制模式进行综合性能上的计算，给出综合调制性能因数，目的在于在不同脉宽调制模式中选出针对现有工矿最优的调制模式。性能计算包括四个部分：功率性能计算、谐波性能计算、电压输出性能计算以及动态特性计算。整个模块的流程图如图4所示。

功率性能计算(16)：变流器功率主要由变流器上的电力电子截温所决定，功率性能计算的主要体现为在现有工况下变流器上的电力电子器件截温中的最高值和电力电子安全运行最高温度之间的安全差额η。

η＝T_{j_max}-T_{j_act}

T_{j_max}变流器电力电子器件(IGBT+Diode)的能够安全工作的最大截温，通常为125℃，T_{j_act}是电力电子在现有负载情况下的工作截温。电力电子器件截温估算主要原理如图5所示：

T_{j_act}＝T_fluid+ΔT_{fl_hs}+ΔT_{hs_case}+ΔT_{case_junction}

为冷却流体到散热片之间的温度差，P_loss为器件损耗，R_{th_flhs}和τ_flhs为散热片参数由散热片特性和冷却流体速度决定，该参数已经由模块10给出。

为散热片到器件外壳的温度差，P_loss为器件损耗，R_{th_hscs}和τ_hscs为器件参数，主要由器件特性和器件在散热片的固定方式决定，该参数已经由模块10给出。

为器件外壳温度到器件截温的温度差，P_loss为器件损耗，R_{th_csjn}

和τ_csjn为器件参数，主要由器件特性决定，该参数已经由模块10给出。

器件损耗P_loss将使用曲线拟合法，首先将利用器件损耗模型将期间损耗拟合成多个变量的函数，然后根据当时模块测量到的电流、电压、开关频率、功率因数等在曲线中搜索获得。

功率性能特性的加权比重由变流器当前工况下要求的功率输出有关。功率性能特性要求η至少大于15℃以保证器件的安全运行。功率性能特性γ_rating和η如图7所示，当η大于35℃时，变流器对于功率性能几乎没有要求，变流器的器件寿命几乎不受温度影响，因此γ_rating保持在1.0。当25℃＜η≤35℃时，变流器对于功率性能开始有一定的要求，电力电子器件的寿命随着温度增高缓慢降低，因此γ_rating开始缓慢下降。15℃＜η≤25℃时，变流器的器件寿命对温度非常敏感，因此γ_rating开始迅速下降至0。当η小于15℃时，器件已经无法保证安全运行，随时有可能故障，因此性能保持为0。具体曲线见图7。

谐波性能计算(17)：谐波性能计算主要计算变流器电网端的输出波形质量性能是否能够符合当地电网质量标准。谐波性能计算基于两部分，第一部分是电气系统谐波模型，第二部分脉宽调制谐波输出。电气系统谐波模型使用节点分析法，谐波模型结构范例见图6。谐波模型计算现有系统中变流器输出到接入电网接点(PCC)在不同频率上的谐波增益比。模型计算可以在工控机中实现，也可以在外部实现，然后用查表的方式输入工控机或者DSP。第二部分的脉宽调制输出将输出不同脉宽调制模式在最保守的情况下给出的变流器输出波形在不同频率上的谐波分量。两个部分相乘可以获得最后变流器在不同调制模式下在接入电网接点的谐波分量。最后谐波性能特性γ_har由最坏情况下谐波分量与电网标准规定谐波分量之间的安全差额决定。

$\rho =\frac{h_{\mathrm{gc}\_\mathrm{wst}}-h_{\mathrm{act}\_\mathrm{wst}}}{h_{\mathrm{gc}\_\mathrm{wst}}}$

根据图7中γ_har和ρ的加权关系，可以得出谐波性能γ_har。

电压输出性能计算(18)：电压输出特性由最大电压的需求决定。每个脉宽调制模式的最大输出乘以0.612·V_dc得出各个调制模式的输出最大电压。当某个调制模式的最大输出电压达到最大电压需求时，电压输出性能为γ_volt为1，反之则γ_volt为0。

动态特性计算(19)：不同调制模式的动态特性不随电压输出特性和系统负载等一系列情况所改变，因其计算相对简单，系统根据调制模式控制实现方法界定其动态特性参数，另外根据电网端和电机端的需求加权给出动态特性γ_dmcs即可。

模块11的最后一步是得出不同脉宽调制模式的综合性能因数γ。

γ＝γ_rating·γ_har·γ_volt·γ_dmcs

选择模块(12)将在所有的脉宽调制模式中选出综合性能因数γ最高的调制模式。如果被选中的脉宽调制模式综合性能因数γ大于1或者小于等于0，则代表系统出现计算错误，或者没有任何一种调制模式能够满足系统性能基本要求，选择模块(12)将输出报错信息。

脉宽调制波形发生模块(13)将根据选定的调制模式产生最后的波形输出。如果系统出现逻辑错误或者计算错误，模块(13)将收到模块(12)给出的报错信息，模块(13)将输出选定的缺省调制模式。波形输出采用普遍的三角波发生法，再加上后续的死区时间和最小脉冲时间的信号处理，用以驱动变流器门极电路。

参考文档：

[1]A.M.Hava，R.J.Kerkman，T.A.Lipo，“Simple analytical and graphical methods for carrier-basedPWM-VSI drives”.Power Electronics，IEEE Transactions，1999.