專利名稱：一種用于風(fēng)力發(fā)電的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)及變速控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)電機(jī)系統(tǒng)及變速控制方法，特別涉及一種用于風(fēng)力發(fā)
電的基于6相永磁同步發(fā)電機(jī)的發(fā)電系統(tǒng)及變速控制方法。
背景技術(shù)：
在匿級(jí)大功率直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)通常為三相電機(jī)，并且出口電壓 等級(jí)經(jīng)常采用較低的690V，由于很大的定子電流，對(duì)于發(fā)電機(jī)定子側(cè)全功率 變流器的設(shè)計(jì)是不利的，其中諧波和效率是兩個(gè)重要的問題。常規(guī)的技術(shù)方 案是采用多脈二極管整流方案(例如12脈整流)，或者采用兩電平P麗整流 器并聯(lián)分?jǐn)側(cè)萘?。這兩種方案，前者需要錯(cuò)相變壓器，而且二極管整流會(huì)對(duì) 發(fā)電機(jī)產(chǎn)生較大的諧波電流，造成轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)以及電機(jī)發(fā)熱的問題；后者雖然 諧波性能較好，但是在大功率條件下，兩電平整流器并聯(lián)是一種效率不高的 做法。相比之下，多電平變流器具有較高的效率以及更加優(yōu)越的諧波性能， 但存在電容電壓平衡控制的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于6相永磁同步發(fā)電機(jī)連接并聯(lián)Vienna整流 器的拓?fù)浞桨傅陌l(fā)電系統(tǒng)及變速控制方法，用以替代傳統(tǒng)的3相永磁同步發(fā) 電機(jī)的二極管整流方案以及兩電平變流器并聯(lián)方案，通過Vienna三電平整流 器的并聯(lián)組合及變速控制，不僅能夠克服三電平變流器電容中點(diǎn)電壓平衡和 三次諧波電壓脈動(dòng)，而且其效率比傳統(tǒng)兩電平整流器效率更高。 為達(dá)到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的-一種用于風(fēng)力發(fā)電的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，包括一個(gè)永磁同步發(fā)電機(jī)，該永磁同 步發(fā)電機(jī)的動(dòng)力輸入連接風(fēng)機(jī)，電能輸出連接一個(gè)Vienna整流器裝置，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換，Vienna整流器裝置實(shí)現(xiàn)電能AC—DC轉(zhuǎn)換，同時(shí)實(shí) 現(xiàn)風(fēng)機(jī)的變速運(yùn)行控制，其輸出與一個(gè)并網(wǎng)逆變器相連；該并網(wǎng)逆變器通過 升壓變壓器將電能饋送到電網(wǎng)，其特征在于，所述永磁同步發(fā)電機(jī)的定子采 用6相設(shè)計(jì)，即定子繞組是由兩套互差180°電角度的第I三相繞組和第II三 相繞組構(gòu)成，兩套三相繞組的中性點(diǎn)不相連；所述Vienna整流器裝置包括兩 個(gè)結(jié)構(gòu)相同的第I Vienna整流器和第II Vienna整流器，該兩個(gè)三電平Vienna 整流器在直流側(cè)并聯(lián)，其中心點(diǎn)0連接到公共的直流母線電容中點(diǎn)，第I Vienna整流器交流側(cè)連接發(fā)電機(jī)第I三相繞組；第II Vienna整流器交流側(cè)連 接發(fā)電機(jī)的第II三相繞組；Vienna整流器的Boost電感直接由發(fā)電機(jī)繞組的 漏感提供；所述Vienna整流器裝置還包括一個(gè)DSP控制器，該DSP控制器的 輸出信號(hào)與第I和第IIViemia整流器的輸入控制端相連，通過各Vienna整 流器交流側(cè)采集的相電流和線電壓以及直流側(cè)采集的母線電壓來控制兩個(gè) Vienna整流器的電流矢量及維持直流母線電壓的平衡；并通過采集發(fā)電機(jī)動(dòng) 力輸入端的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量值和當(dāng)前風(fēng)速實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的變速控制。
上述方案中，所述DSP控制器輸出分別通過一個(gè)驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路與第I和 第II Vienna整流器的輸入控制端相連。
一種基于上述風(fēng)力發(fā)電的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)變速控制的方法，包括 下述步驟
(1) 將風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速給定值w'和當(dāng)前轉(zhuǎn)速值"求差，其偏差經(jīng)過DSP控制
器中的PI調(diào)節(jié)器后得到有功電流的期望值^和C ，而無功電流的期望值C和 《則均被設(shè)置為0，所述電流期望值//和^、 ^和《被分別施加到DSP兩個(gè)完 全相同的第I電流控制器和第II電流控制器中，同時(shí)將第I Vienna整流器交 流側(cè)相電流!'。、 4和線電壓^，第IlVierma整流器交流側(cè)相電流;。'、//和線 電壓"y分別輸入到第I電流控制器和第II電流控制器；
(2) 第I、第II電流控制器進(jìn)行定子電壓定向的電流矢量控制，輸出 的控制電壓矢量的調(diào)制度m和w'以及電壓矢量的相位《和《，分別通過第I 空間矢量調(diào)制器和第II空間矢量調(diào)制器轉(zhuǎn)換成P麗控制信號(hào)Gatel和Gate2， 分別控制第I、第IIVierma整流器中的開關(guān)電路的工作；實(shí)現(xiàn)永磁同步發(fā)電機(jī)的變速控制；
(3)將直流母線電壓f^的l/2和電容中點(diǎn)電壓^a求差，其偏差經(jīng)過DSP
控制器中的比例調(diào)節(jié)器g輸出一個(gè)歸一化的系數(shù)"(-1《6^1)，送到第I空間
矢量調(diào)制器用于修改調(diào)制器冗余矢量的占空比；實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電容中點(diǎn)電壓的 平衡。
上述方法中，所述的轉(zhuǎn)速給定值"'通過當(dāng)前風(fēng)速和風(fēng)機(jī)的功率特性曲線 計(jì)算得到。
所述的在第I 、第II電流控制器中進(jìn)行定子電壓定向的電流矢量控制的 方法包括下述步驟
(1) 發(fā)電機(jī)定子線電壓 通過一個(gè)串聯(lián)的低通濾波器和鎖相環(huán)并經(jīng)過角
度變換獲得相電壓的相位，用于對(duì)Vienna整流器的三相電流進(jìn)行兩相靜止坐 標(biāo)變換以及旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，得到d軸電流id和q軸電流/9 ，其中/d代表電流的 有功分量，而々則代表電流的無功分量；
(2) 輸入的,;、4通過三相至兩相的靜止坐標(biāo)變換，得到靜止兩相坐標(biāo)軸 "-/ 軸的電流分量^和^，經(jīng)過反三角函數(shù)變換得到當(dāng)前電流的相位《，將 該相位強(qiáng)制作為控制電壓矢量的相位，并輸入到空間矢量調(diào)制器；
(3) 將有功電流期望值《和無功電流期望值匸與當(dāng)前所測(cè)的d軸電流^和 q軸電流々的偏差通過比例積分調(diào)節(jié)器分別得到控制電壓"d和 ，進(jìn)而通過下 式
計(jì)算得到控制電壓矢量的調(diào)制度附，輸入空間矢量調(diào)制器。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
1、 發(fā)電機(jī)6相繞組結(jié)構(gòu)可以提供多個(gè)隔離電源，不僅分?jǐn)偭苏麄€(gè)系統(tǒng)的 容量，也有利于簡化整流器的并聯(lián)組合。其中隔離的繞組使得并聯(lián)不存在環(huán) 流問題，而反相特性則可以自動(dòng)消除三電平整流器的直流母線電容的電壓脈 動(dòng)。
2、 發(fā)電機(jī)每相繞組的漏感可提供作為Vienna整流器需要的Boost電感， 因此整個(gè)并聯(lián)Vienna整流器不使用任何外部的電感，大大降低了無源元件的損耗、成本開銷和體積。
3、并聯(lián)的兩個(gè)Vienna整流器通過d-q-0軸矢量控制實(shí)現(xiàn)永磁同步發(fā)電機(jī) 的變速(C0S^=1控制方式)，本發(fā)明提出一種基于定子電壓定向的矢量控制 方法，不需要反饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，同時(shí)采用電壓矢量跟蹤電流矢量 的方法保證實(shí)現(xiàn)永磁同步發(fā)電機(jī)cos^^1的變速控制方案。整流器的均流控制 通過電流閉環(huán)實(shí)現(xiàn)，而其直流母線電容中點(diǎn)電壓由于相電流反相，因此可以 自動(dòng)消除電容電壓的三次頻率脈動(dòng)。
4、 本發(fā)明具有整流器冗余設(shè)計(jì)，即任何一組變流器出現(xiàn)故障，則切除故 障整流器后，整個(gè)系統(tǒng)可在功率減半的情況下繼續(xù)運(yùn)行。
5、 對(duì)于大功率690V低壓風(fēng)電系統(tǒng)，本發(fā)明提出的方案與傳統(tǒng)兩電平并 聯(lián)的方案相比具有接近的成本，但是整流器的損耗能夠降低50%,可大大提 高系統(tǒng)的效率。


圖1為本發(fā)明發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖。
圖中①一風(fēng)機(jī)；②一6相永磁同步發(fā)電機(jī)；③一并聯(lián)Vienna整流器裝 置；④一并網(wǎng)逆變器；⑤一連接電網(wǎng)的升壓變壓器。
圖2為圖1中6相永磁同步發(fā)電機(jī)的定子繞組結(jié)構(gòu)及電勢(shì)向量圖。其中 圖2a為定子繞組分布圖；圖2b為發(fā)電機(jī)的電勢(shì)向量圖。
圖3為圖1中的Vienna整流器裝置的結(jié)構(gòu)框圖。
圖4為圖3中DSP控制器對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制的原理圖。
圖5為圖4中的電流控制器原理圖。
圖6為Vienna整流器工作波形仿真(PSCAD)圖。(開關(guān)頻率1800Hz，
發(fā)電機(jī)漏感1. 0mH，直流母線電壓1500V)。
圖7為不同整流器的損耗分布比較(額定功率2.5MW)。
圖8為不同整流器損耗與輸入功率/開關(guān)頻率的關(guān)系。其中圖8a為損耗
與輸入功率的關(guān)系；圖8b為損耗與開關(guān)頻率的關(guān)系。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。 發(fā)電機(jī)系統(tǒng)
圖1給出了一種用于風(fēng)力發(fā)電的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，它由5個(gè)主要部 分構(gòu)成，包括一個(gè)永磁同步發(fā)電機(jī)②，該永磁同步發(fā)電機(jī)的動(dòng)力輸入連接風(fēng) 機(jī)①，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換；電能輸出連接一個(gè)Vienna整流器裝置③， 以實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換，Vienna整流器裝置實(shí)現(xiàn)電能AC—DC轉(zhuǎn)換，同 時(shí)實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的變速運(yùn)行控制，其輸出與一個(gè)并網(wǎng)逆變器④相連；該并網(wǎng)逆變 器④通過升壓變壓器⑤將電能饋送到電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)電能的DC—AC轉(zhuǎn)換，同時(shí)維 持整流器和逆變器中間的直流母線電壓的穩(wěn)定；升壓變壓器⑤的作用是實(shí)現(xiàn) 低壓的發(fā)電機(jī)一變流器系統(tǒng)(通常為690V等級(jí))向高壓電網(wǎng)(通常為10kV、 22kV或者35kV)的并聯(lián)。
本發(fā)明技術(shù)方案的發(fā)明點(diǎn)集中于永磁同步發(fā)電機(jī)②和并聯(lián)Vienna整流器 裝置③兩個(gè)部分，即提出了一種6相永磁同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)以及通過反相并 聯(lián)Vienna整流器實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)變速控制和電能AC—DC的變換。具有如下技術(shù)特 占.
"、、《
(1) 與傳統(tǒng)三相發(fā)電機(jī)不同，本發(fā)明提出的永磁同步發(fā)電機(jī)的定子被設(shè) 計(jì)成6相，兩個(gè)3相之間電角度相差180°，即互為反相(在圖l中分別標(biāo)注 為0。和180°);
(2) 發(fā)電機(jī)的兩套互相反相的三相繞組直接連接到兩個(gè)三電平Vienna整 流器(圖2)，這兩個(gè)Vienna整流器在直流側(cè)被并聯(lián)在一起，不僅能夠分?jǐn)?發(fā)電機(jī)的功率，同時(shí)可以消除直流母線電容中點(diǎn)的三次頻率的電壓波動(dòng)；
(3) 直接通過永磁同步發(fā)電機(jī)多相繞組設(shè)計(jì)產(chǎn)生兩組隔離三相電源，簡 化了整流器的并聯(lián)，克服環(huán)流的產(chǎn)生；
(4) Vienna整流器的Boost電感直接由發(fā)電機(jī)繞組的漏感提供，這可以
大大降低無源元件的成本和體積，提高系統(tǒng)的效率。 發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖2a給出了本發(fā)明提出的6相永磁同步發(fā)電機(jī)的繞組結(jié)構(gòu)示意圖。在總體結(jié)構(gòu)上，電機(jī)結(jié)構(gòu)仍然為傳統(tǒng)凸極徑向式永磁同步電機(jī)，但是不同的是， 定子繞組被設(shè)計(jì)成兩套獨(dú)立的三相繞組，其中每個(gè)定子槽內(nèi)均安裝了兩套繞
組。圖2a只畫出了一對(duì)極的結(jié)構(gòu)。圖中A-x、 B-y、 C-z與D-u、 E-m、 F-n分 別為電角度相差180。的三相繞組。簡而言之，本文提出的6相直驅(qū)永磁同步 發(fā)電機(jī)的定子繞組是由兩套互差180。電角度的三相繞組構(gòu)成。為了提供兩套 獨(dú)立的三相電源，以及消除三次諧波，兩套三相繞組的中性點(diǎn)不相連。圖2b 給出了繞組的電勢(shì)向量圖。
根據(jù)圖2的繞組結(jié)構(gòu)，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一個(gè)功率等級(jí)為2. 5^V，電壓等級(jí)為 690V的樣機(jī)。電機(jī)永磁體材料采用釹鐵硼(R2。=1.3T， A2。=987kA/m)，其主 要結(jié)構(gòu)參數(shù)如下電機(jī)極對(duì)數(shù);^30，總槽數(shù)2 = 288 ，每極每相槽數(shù)《=1|， 單元電機(jī)數(shù)f-6，單元電機(jī)槽數(shù)Z。-48，單元電機(jī)極對(duì)數(shù)^。=5，繞組循環(huán)數(shù) 2-1-2-1-2。發(fā)電機(jī)的等效電路參數(shù)如表1?？梢?，定子漏抗足以用于充當(dāng) Vienna整流器的Boost電抗。
表1 2.5MW 6相直驅(qū)永磁同步發(fā)一&機(jī)的單相參數(shù)
額定電壓/額定總功率690V/25 00kW
單相額定電流(阻性負(fù)載)1046A
額定轉(zhuǎn)速/頻率20rpm/10Hz
d軸/q軸同步電抗0.221548 Q/0.223055Q
定子繞組電阻/漏抗0.0102145 Q /0.0689232 Q
反相并聯(lián)Vienna整流器裝置的結(jié)構(gòu)
圖3給出了本發(fā)明提出的反相并聯(lián)整流器的裝置原理圖。圖中，兩個(gè) Vienna整流器(I和II)的直流側(cè)并聯(lián)在一起，其中心點(diǎn)O也連接到公共的 直流母線電容中點(diǎn)。Vienna整流器(I和II)的交流側(cè)(A、 B和C)分別與 永磁同步發(fā)電機(jī)的兩組互相反相的定子繞組(I和II)相連。Vienna整流器 的(I和II) Boost電感由發(fā)電機(jī)定子繞組的漏感來充當(dāng)，這樣并聯(lián)整流器 裝置的功率電路僅僅由功率半導(dǎo)體器件構(gòu)成的開關(guān)電路和直流母線電容構(gòu)成 (Vienna整流器開關(guān)電路的原理圖見圖3頂部的虛線框所示)。Vienna整流 器I交流側(cè)的相電流^。和4 (Vienna整流器II交流側(cè)對(duì)應(yīng)電流/。'和zA')被電流 互感器CT測(cè)量；線電壓^w。/被電壓互感器PT測(cè)量，都反饋到DSP控制器， 用于實(shí)現(xiàn)電流矢量控制；直流母線電壓K^和P^，,也被反饋到DSP控制器，用于維持直流母線電壓的平衡；發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量值w以及從當(dāng)前風(fēng)速和風(fēng)機(jī) 的功率特性曲線中計(jì)算得到的轉(zhuǎn)速給定w'也輸入DSP控制器，用于實(shí)現(xiàn)發(fā)電 機(jī)的變速控制，相關(guān)的控制原理在后面方法中進(jìn)行闡述。Vienna整流器可以 實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正作用，保證發(fā)電機(jī)定子電流為正弦波，消除單純二極管整 流器引起的電流諧波以及由此造成的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和電機(jī)發(fā)熱的問題，提高低速 發(fā)電機(jī)的長期可靠性及壽命。使用Vienna整流器主要優(yōu)點(diǎn)是在實(shí)現(xiàn)三電平功 能的基礎(chǔ)上最大限度降低IGBT (絕緣柵雙極型晶體管)的數(shù)量。 發(fā)電機(jī)變速控制的方法
在本發(fā)明提出的技術(shù)方案中，并聯(lián)Vienna整流器的主要作用是 一方面 將發(fā)電機(jī)交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能，實(shí)現(xiàn)AC—DC功能；另一方面是作為發(fā)電 機(jī)側(cè)變流器，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的變速運(yùn)行。所謂變速運(yùn)行，即根據(jù)風(fēng)速的變化和 風(fēng)機(jī)的功率特性曲線，動(dòng)態(tài)控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)最大功率的輸出。并 聯(lián)Vienna整流器實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)變速控制的方法如圖4所示，這個(gè)控制方法在裝置 的DSP控制器(見圖3)中通過軟件來實(shí)現(xiàn)。
如圖4所示，轉(zhuǎn)速給定^通過當(dāng)前風(fēng)速和風(fēng)機(jī)的功率特性曲線計(jì)算得到， 即在當(dāng)前風(fēng)速下，w'是能夠使風(fēng)機(jī)輸出最大功率的轉(zhuǎn)速期望值。w為當(dāng)前風(fēng)機(jī) 的實(shí)際轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速的偏差反饋經(jīng)過PI (比例積分)調(diào)節(jié)器后得到有功電流的 期望值(圖中C和《)，而無功電流的期望值(圖中z/和《)則被設(shè)置為O， 這些電流期望值被分別施加到兩個(gè)完全相同的電流控制器(圖中I和II)中實(shí) 現(xiàn)永磁同步發(fā)電機(jī)的cos^^l控制方式(即通過輸出有功功率的控制來實(shí)現(xiàn)對(duì) 永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制)，由于并聯(lián)的兩個(gè)Vienna整流器的電流控制器完 全相同，故在同樣的電流給定條件下可實(shí)現(xiàn)均流。電流控制器采用本發(fā)明提 出的基于發(fā)電機(jī)定子電壓定向的矢量控制方案，其原理如圖5所示。電流控制 器輸出的控制電壓矢量的調(diào)制度(圖中的w和w')以及電壓矢量的相位(圖 中的《和《)，通過Vienna整流器的空間矢量調(diào)制器(圖中的SVM)轉(zhuǎn)換成P麗 (脈寬調(diào)制)控制信號(hào)Gatel和Gate2，通過驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路來控制Vienna開關(guān) 電路的工作。Vienna整流器的SVM調(diào)制方法具體可見參考文獻(xiàn)[R. Burgos， R. Lai, Y. Pei, F. Wang, D. Boroyevich, and J. Pou ,Space Vector Modulation forVienna-Type Rectifiers Based on the Equivalence between Two- and Three-Level Converters:A Carrier-Based Implementation, Power Electronics Specialists Conference, 2007. PESC 2007. IEEE, page: 2861-2867]。對(duì)于SVM調(diào)制器，其冗 余矢量的占空比可用于維持電容中點(diǎn)電壓的平衡(有關(guān)冗余矢量的概念也可 參見上述文獻(xiàn))。由于反相并聯(lián)的Vienna在相電流相同的條件下其電容中點(diǎn)電 位不存在基波頻率三倍的脈動(dòng)電壓，但是由于瞬變風(fēng)能以及整流器的不理想 特性仍然會(huì)造成電容中點(diǎn)電壓產(chǎn)生緩慢漂移，因此必須通過一個(gè)獨(dú)立的電容 中點(diǎn)電壓平衡控制閉環(huán)來阻止電壓的漂移。該控制閉環(huán)主要原理是根據(jù)電容 中點(diǎn)的漂移方向動(dòng)態(tài)調(diào)整SVM調(diào)制器中冗余矢量對(duì)的占空比(該冗余矢量對(duì)能 使中點(diǎn)電位產(chǎn)生相反方向的變化)。
在圖4的控制原理中，直流母線電壓4和電容中點(diǎn)電壓^被反饋到DSP控 制器進(jìn)行一個(gè)偏差反饋控制，并且采用簡單的比例調(diào)節(jié)器(圖中比例環(huán)節(jié)g)， 調(diào)節(jié)器輸出一個(gè)歸一化的系數(shù)"(-126^1)，該系數(shù)用于修改SVM調(diào)制器冗余 矢量的占空比。例如當(dāng)前控制電壓矢量對(duì)應(yīng)的SVM冗余矢量為V1和V2，按照理 想SVM算法計(jì)算得到的占空比是相等的(假設(shè)占空比等于")，則修改算法如 下冗余矢量Vl的占空比《-".t/;冗余矢量V2的占空比《-(1-";m。
圖5給出的電流控制器是本發(fā)明提出的重要的發(fā)明點(diǎn)之一。與傳統(tǒng)的 Vienna整流器的控制方案不同，本發(fā)明提出的Vienna整流器矢量變換的旋 轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸選擇為永磁同步發(fā)電機(jī)定子電壓定向。發(fā)電機(jī)定子線電壓"。A通過一 個(gè)低通濾波器(Low-pass)后被檢測(cè)，通過鎖相環(huán)(PLL)獲得其相位，該相 位減去30度得到相電壓的相位^。，該相位用于對(duì)Vienna整流器的三相電流 進(jìn)行兩相靜止坐標(biāo)變換(3s — 2s)以及旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換(2s—2r)，得到d軸電 流^和q軸電流^其中^代表電流的有功分量，而/9則代表電流的無功分量。 由于本發(fā)明的技術(shù)方案中Vienna整流器的開關(guān)電路直接與發(fā)電機(jī)的定子連 接，其Boost電感由發(fā)電機(jī)定子漏感來充當(dāng)，因此發(fā)電機(jī)的出口電壓也即 Vienna整流器的輸出電壓。在SVM調(diào)制器的一個(gè)開關(guān)矢量扇區(qū)內(nèi)，Vienna整 流器的輸出電壓是無法自己產(chǎn)生相位增加的(即不會(huì)自動(dòng)旋轉(zhuǎn))，因此，本發(fā) 明提出通過將電流矢量與電壓矢量重合，通過電流矢量來帶動(dòng)電壓矢量的旋轉(zhuǎn)。這種控制可以很好的維持電壓和電流的同相位關(guān)系，也有效避免了 Vienna 整流器在給定電流開關(guān)矢量扇區(qū)內(nèi)不能合成電壓矢量的問題。根據(jù)這種思想， 在圖5的控制原理圖中，通過靜止兩相坐標(biāo)軸"-"軸的電流分量^和^可以 得到當(dāng)前電流的相位《，將該相位強(qiáng)制作為控制電壓矢量的相位，并輸入SVM 調(diào)制器；有功電流期望值《和無功電流期望值《與當(dāng)前所測(cè)的d軸電流^和q 軸電流/,的偏差通過PI調(diào)節(jié)器分別得到控制電壓w,和 ，通過下式 附^2("X)/F。c計(jì)算得到調(diào)制度附，輸入SVM調(diào)制器?？梢姡@種控制方法， 由于電壓矢量和電流矢量總是重合的，即它們總是處于SVM矢量圖的同一個(gè) 扇區(qū)，故冗余矢量引起直流母線電容電壓中點(diǎn)的升高(或下降)在整個(gè)基波 周期內(nèi)都是固定的，不需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)極性的判斷，這也是圖4中電壓平衡控 制僅僅采用一個(gè)比例系數(shù)g的原因。
系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證
圖6給出了采用以上方案實(shí)現(xiàn)的Vienna整流器輸出波形的仿真結(jié)果。圖
示波形表示Vienna整流器開始工作后，發(fā)電機(jī)電流d軸分量階躍給定時(shí)，相
電流從一個(gè)穩(wěn)態(tài)上升到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)的過渡過程?？梢?，當(dāng)Vienna開始工作后，
相電流波形非常正弦，并且直流母線中點(diǎn)電壓保持很好的平衡，也沒有三倍 頻率的脈動(dòng)。
系統(tǒng)的損耗特性與傳統(tǒng)兩電平并聯(lián)方案的比較
將對(duì)本發(fā)明提出的三電平混合方案與常規(guī)的兩電平(2L)并聯(lián)方案在 2.5MW的等級(jí)下進(jìn)行比較。Vienna和2L整流器均選擇商用IGBT模塊 FZ1200R17KE3和同等級(jí)的FRD為分析對(duì)象。通過理想開關(guān)電路模型結(jié)合實(shí)際 器件的損耗曲線可以建立不同變流器拓?fù)涞膿p耗模型。選擇125。C的IGBT和 FRD損耗特性曲線，不同變流器拓?fù)涞膿p耗分布如圖7所示。
從圖7可以看到，整流器中主要的損耗是由二極管產(chǎn)生的。Vienna整流 器的四個(gè)鉗位二極管Dnl Dn4 (如圖2)沒有反向恢復(fù)損耗，但是其通態(tài)損 耗在整個(gè)變流器的總損耗中占有很高的比例，因此在實(shí)際中Dnl Dn4應(yīng)該選 擇低通態(tài)壓降的整流二極管，而不應(yīng)該選擇快恢復(fù)二極管。相比之下，Vienna整流器的損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于2L整流器。
圖8比較了不同的輸入功率和開關(guān)頻率下，2L和Vienna整流器的損耗變 化曲線?？梢姡⒙?lián)Vienna整流器比同樣容量下并聯(lián)兩電平整流器擁有更高 的效率，損耗幾乎可以降低50%。隨著功率的提高，這種效應(yīng)也更加明顯。 另外，2L整流器的損耗特性與開關(guān)頻率的關(guān)系更大，即隨著開關(guān)頻率的提高， 2L整流器的損耗增加的更快。這說明2L整流器不能工作在較高的開關(guān)頻率 下。既然提高開關(guān)頻率可以有效降低發(fā)電機(jī)內(nèi)的諧波電流的，故Vienna整流 器擁有2L整流器無法比擬的優(yōu)勢(shì)。
權(quán)利要求
1、一種用于風(fēng)力發(fā)電的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，包括一個(gè)永磁同步發(fā)電機(jī)，該永磁同步發(fā)電機(jī)的動(dòng)力輸入連接風(fēng)機(jī)，電能輸出連接一個(gè)Vienna整流器裝置，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換，Vienna整流器裝置實(shí)現(xiàn)電能AC-DC轉(zhuǎn)換，同時(shí)實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的變速運(yùn)行控制，其輸出與一個(gè)并網(wǎng)逆變器相連；該并網(wǎng)逆變器通過升壓變壓器將電能饋送到電網(wǎng)，其特征在于，所述永磁同步發(fā)電機(jī)的定子采用6相設(shè)計(jì)，即定子繞組是由兩套互差180°電角度的第I三相繞組和第II三相繞組構(gòu)成，兩套三相繞組的中性點(diǎn)不相連；所述Vienna整流器裝置包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的第I Vienna整流器和第II Vienna整流器，該兩個(gè)三電平Vienna整流器在直流側(cè)并聯(lián)，其中心點(diǎn)O連接到公共的直流母線電容中點(diǎn)，第I Vienna整流器交流側(cè)連接發(fā)電機(jī)第I三相繞組；第II Vienna整流器交流側(cè)連接發(fā)電機(jī)的第II三相繞組；Vienna整流器的Boost電感直接由發(fā)電機(jī)繞組的漏感提供；所述Vienna整流器裝置還包括一個(gè)DSP控制器，該DSP控制器的輸出信號(hào)與第I和第II Vienna整流器的輸入控制端相連，通過各Vienna整流器交流側(cè)采集的相電流和線電壓以及直流側(cè)采集的母線電壓來控制兩個(gè)Vienna整流器的電流矢量及維持直流母線電壓的平衡；并通過采集發(fā)電機(jī)動(dòng)力輸入端的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量值和當(dāng)前風(fēng)速實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的變速控制。
2、 如權(quán)利要求1所述的用于風(fēng)力發(fā)電的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，所 述DSP控制器輸出分別通過一個(gè)驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路與第I和第IIVienna整流器的 輸入控制端相連。
3、 一種基于權(quán)利要求1風(fēng)力發(fā)電的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)變速控制的 方法，其特征在于，包括下述步驟(1)將風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速給定值w'和當(dāng)前轉(zhuǎn)速值n求差，該偏差值經(jīng)過DSP 控制器中的PI調(diào)節(jié)器后得到有功電流的期望值//和《，而無功電流的期望值 C和《則均被設(shè)置為0,所述電流期望值C和C'、 C和《被分別施加到DSP 兩個(gè)完全相同的第I電流控制器和第II電流控制器中，同時(shí)將第I Vierma整 流器交流側(cè)相電流/。、 ^和線電壓"。6，第lIVienna整流器交流側(cè)相電流/。，、 // 和線電壓w。/分別輸入到第I電流控制器和第II電流控制器；(2) 第I、第II電流控制器進(jìn)行定子電壓定向的電流矢量控制，輸出 的控制電壓矢量的調(diào)制度附和m'以及電壓矢量的相位《和《，分別通過第I 空間矢量調(diào)制器和第II空間矢量調(diào)制器轉(zhuǎn)換成PWM控制信號(hào)Gatel和Gate2， 分別控制第I、第II Vienna整流器中的開關(guān)電路的工作；實(shí)現(xiàn)永磁同步發(fā)電 機(jī)的變速控制；(3) 將直流母線電壓^e的l/2和電容中點(diǎn)電壓^。求差，該偏差值經(jīng)過 DSP控制器中的比例調(diào)節(jié)器g輸出一個(gè)歸一化的系數(shù)"，送到第I空間矢量調(diào) 制器用于修改調(diào)制器冗余矢量的占空比，實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電容中點(diǎn)電壓的平衡； 歸一化系數(shù)"的取值為-1《"^ 1 。
4、 如權(quán)利要求3所述一種基于權(quán)利要求1風(fēng)力發(fā)電的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)發(fā)電 機(jī)變速控制的方法，其特征在于，所述的轉(zhuǎn)速給定值《*通過當(dāng)前風(fēng)速和風(fēng)機(jī) 的功率特性曲線計(jì)算得到。
5、 如權(quán)利要求3所述一種基于權(quán)利要求1風(fēng)力發(fā)電的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)發(fā)電 機(jī)變速控制的方法，其特征在于，所述的在第I、第II電流控制器中進(jìn)行定 子電壓定向的電流矢量控制的方法包括下述步驟(1) 發(fā)電機(jī)定子線電壓^通過一個(gè)串聯(lián)的低通濾波器和鎖相環(huán)并經(jīng)過角 度變換獲得相電壓的相位，用于對(duì)Vienna整流器的三相電流進(jìn)行兩相靜止坐 標(biāo)變換以及旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，得到d軸電流^和q軸電流^，其中^代表電流的 有功分量，而^則代表電流的無功分量；(2) 輸入的/。、 /6通過三相至兩相的靜止坐標(biāo)變換，得到靜止兩相坐標(biāo)軸 "-/ 軸的電流分量/。和^，經(jīng)過反三角函數(shù)變換得到當(dāng)前電流的相位《，將 該相位強(qiáng)制作為控制電壓矢量的相位，并輸入到空間矢量調(diào)制器；(3) 將有功電流期望值/二和無功電流期望值《與當(dāng)前所測(cè)的d軸電流和 q軸電流^的偏差通過比例積分調(diào)節(jié)器分別得到控制電壓&和V進(jìn)而通過下 式計(jì)算得到控制電壓矢量的調(diào)制度m ，輸入空間矢量調(diào)制器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于風(fēng)力發(fā)電的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)及變速控制方法，系統(tǒng)包括一個(gè)永磁同步發(fā)電機(jī)，其電能輸出連接Vienna整流器裝置，其特征在于，永磁同步發(fā)電機(jī)的定子繞組由兩套互差180°電角度的三相繞組構(gòu)成，中性點(diǎn)不相連；Vienna整流器裝置包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的Vienna整流器，它們?cè)谥绷鱾?cè)并聯(lián)，其中心點(diǎn)O連接直流母線電容中點(diǎn)，交流側(cè)分別連接發(fā)電機(jī)的兩個(gè)三相繞組；Vienna整流器的Boost電感直接由發(fā)電機(jī)繞組的漏感提供；各Vienna整流器裝置通過交流側(cè)采集的相電流和線電壓以及直流側(cè)采集的母線電壓，由DSP控制器控制整流器維持直流母線電壓的平衡；并通過采集風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和當(dāng)前風(fēng)速實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的變速控制。
文檔編號(hào)H02J3/38GK101640423SQ200910023819
公開日2010年2月3日 申請(qǐng)日期2009年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月8日
發(fā)明者張宏韜, 房魯光, 曾翔君, 迎 李, 路俊勇 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)