專利名稱：一種用于風力發(fā)電的發(fā)電機系統(tǒng)及變速控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)電機系統(tǒng)及變速控制方法，特別涉及一種用于風力發(fā)
電的基于6相永磁同步發(fā)電機的發(fā)電系統(tǒng)及變速控制方法。
背景技術：
在匿級大功率直驅(qū)風電系統(tǒng)中，發(fā)電機通常為三相電機，并且出口電壓 等級經(jīng)常采用較低的690V，由于很大的定子電流，對于發(fā)電機定子側全功率 變流器的設計是不利的，其中諧波和效率是兩個重要的問題。常規(guī)的技術方 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)分攤容量。這兩種方案，前者需要錯相變壓器，而且二極管整流會對 發(fā)電機產(chǎn)生較大的諧波電流，造成轉(zhuǎn)矩脈動以及電機發(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)電機連接并聯(lián)Vienna整流 器的拓撲方案的發(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電壓平衡和 三次諧波電壓脈動，而且其效率比傳統(tǒng)兩電平整流器效率更高。 為達到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術方案予以實現(xiàn)的-一種用于風力發(fā)電的發(fā)電機系統(tǒng)，包括一個永磁同步發(fā)電機，該永磁同 步發(fā)電機的動力輸入連接風機，電能輸出連接一個Vienna整流器裝置，以實現(xiàn)機械能到電能的轉(zhuǎn)換，Vienna整流器裝置實現(xiàn)電能AC—DC轉(zhuǎn)換，同時實 現(xiàn)風機的變速運行控制，其輸出與一個并網(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)電機的定子采 用6相設計，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 相繞組構成，兩套三相繞組的中性點不相連；所述Vienna整流器裝置包括兩 個結構相同的第I Vienna整流器和第II Vienna整流器，該兩個三電平Vienna 整流器在直流側并聯(lián)，其中心點0連接到公共的直流母線電容中點，第I Vienna整流器交流側連接發(fā)電機第I三相繞組；第II Vienna整流器交流側連 接發(fā)電機的第II三相繞組；Vienna整流器的Boost電感直接由發(fā)電機繞組的 漏感提供；所述Vienna整流器裝置還包括一個DSP控制器，該DSP控制器的 輸出信號與第I和第IIViemia整流器的輸入控制端相連，通過各Vienna整 流器交流側采集的相電流和線電壓以及直流側采集的母線電壓來控制兩個 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)電機動 力輸入端的風機轉(zhuǎn)速測量值和當前風速實現(xiàn)發(fā)電機的變速控制。
上述方案中，所述DSP控制器輸出分別通過一個驅(qū)動保護電路與第I和 第II Vienna整流器的輸入控制端相連。
一種基于上述風力發(fā)電的發(fā)電機系統(tǒng)實現(xiàn)發(fā)電機變速控制的方法，包括 下述步驟
(1) 將風機的轉(zhuǎn)速給定值w'和當前轉(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 《則均被設置為0，所述電流期望值//和^、 ^和《被分別施加到DSP兩個完 全相同的第I電流控制器和第II電流控制器中，同時將第I Vienna整流器交 流側相電流!'。、 4和線電壓^，第IlVierma整流器交流側相電流;。'、//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Gatel和Gate2， 分別控制第I、第IIVierma整流器中的開關電路的工作；實現(xiàn)永磁同步發(fā)電機的變速控制；
(3)將直流母線電壓f^的l/2和電容中點電壓^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；實現(xiàn)直流側電容中點電壓的 平衡。
上述方法中，所述的轉(zhuǎn)速給定值"'通過當前風速和風機的功率特性曲線 計算得到。
所述的在第I 、第II電流控制器中進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)電機定子線電壓 通過一個串聯(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Vienna整流器的三相電流進行兩相靜止坐 標變換以及旋轉(zhuǎn)坐標變換，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變換，得到靜止兩相坐標軸 "-/ 軸的電流分量^和^，經(jīng)過反三角函數(shù)變換得到當前電流的相位《，將 該相位強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前所測的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 ，進而通過下 式
計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)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點
1、 發(fā)電機6相繞組結構可以提供多個隔離電源，不僅分攤了整個系統(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消除三電平整流器的直流母線電容的電壓脈 動。
2、 發(fā)電機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Vienna整流器通過d-q-0軸矢量控制實現(xiàn)永磁同步發(fā)電機 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)電機轉(zhuǎn)子的位置信號，同時采用電壓矢量跟蹤電流矢量 的方法保證實現(xiàn)永磁同步發(fā)電機cos^^1的變速控制方案。整流器的均流控制 通過電流閉環(huán)實現(xiàn)，而其直流母線電容中點電壓由于相電流反相，因此可以 自動消除電容電壓的三次頻率脈動。
4、 本發(fā)明具有整流器冗余設計，即任何一組變流器出現(xiàn)故障，則切除故 障整流器后，整個系統(tǒng)可在功率減半的情況下繼續(xù)運行。
5、 對于大功率690V低壓風電系統(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)電機系統(tǒng)的整體結構圖。
圖中①一風機；②一6相永磁同步發(fā)電機；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)電機的定子繞組結構及電勢向量圖。其中 圖2a為定子繞組分布圖；圖2b為發(fā)電機的電勢向量圖。
圖3為圖1中的Vienna整流器裝置的結構框圖。
圖4為圖3中DSP控制器對風機轉(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。(開關頻率1800Hz，
發(fā)電機漏感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/開關頻率的關系。其中圖8a為損耗
與輸入功率的關系；圖8b為損耗與開關頻率的關系。
具體實施例方式
以下結合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。 發(fā)電機系統(tǒng)
圖1給出了一種用于風力發(fā)電的發(fā)電機系統(tǒng)整體結構，它由5個主要部 分構成，包括一個永磁同步發(fā)電機②，該永磁同步發(fā)電機的動力輸入連接風 機①，實現(xiàn)機械能到電能的轉(zhuǎn)換；電能輸出連接一個Vienna整流器裝置③， 以實現(xiàn)機械能到電能的轉(zhuǎn)換，Vienna整流器裝置實現(xiàn)電能AC—DC轉(zhuǎn)換，同 時實現(xiàn)風機的變速運行控制，其輸出與一個并網(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)，實現(xiàn)電能的DC—AC轉(zhuǎn)換，同時維 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的作用是實現(xiàn) 低壓的發(fā)電機一變流器系統(tǒng)(通常為690V等級)向高壓電網(wǎng)(通常為10kV、 22kV或者35kV)的并聯(lián)。
本發(fā)明技術方案的發(fā)明點集中于永磁同步發(fā)電機②和并聯(lián)Vienna整流器 裝置③兩個部分，即提出了一種6相永磁同步發(fā)電機的結構以及通過反相并 聯(lián)Vienna整流器實現(xiàn)風機變速控制和電能AC—DC的變換。具有如下技術特 占.
"、、《
(1) 與傳統(tǒng)三相發(fā)電機不同，本發(fā)明提出的永磁同步發(fā)電機的定子被設 計成6相，兩個3相之間電角度相差180°，即互為反相(在圖l中分別標注 為0。和180°);
(2) 發(fā)電機的兩套互相反相的三相繞組直接連接到兩個三電平Vienna整 流器(圖2)，這兩個Vienna整流器在直流側被并聯(lián)在一起，不僅能夠分攤 發(fā)電機的功率，同時可以消除直流母線電容中點的三次頻率的電壓波動；
(3) 直接通過永磁同步發(fā)電機多相繞組設計產(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)電機的結構設計
圖2a給出了本發(fā)明提出的6相永磁同步發(fā)電機的繞組結構示意圖。在總體結構上，電機結構仍然為傳統(tǒng)凸極徑向式永磁同步電機，但是不同的是， 定子繞組被設計成兩套獨立的三相繞組，其中每個定子槽內(nèi)均安裝了兩套繞
組。圖2a只畫出了一對極的結構。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)電機的定子繞組是由兩套互差180。電角度的三相繞組構成。為了提供兩套 獨立的三相電源，以及消除三次諧波，兩套三相繞組的中性點不相連。圖2b 給出了繞組的電勢向量圖。
根據(jù)圖2的繞組結構，本發(fā)明設計了一個功率等級為2. 5^V，電壓等級為 690V的樣機。電機永磁體材料采用釹鐵硼(R2。=1.3T， A2。=987kA/m)，其主 要結構參數(shù)如下電機極對數(shù);^30，總槽數(shù)2 = 288 ，每極每相槽數(shù)《=1|， 單元電機數(shù)f-6，單元電機槽數(shù)Z。-48，單元電機極對數(shù)^。=5，繞組循環(huán)數(shù) 2-1-2-1-2。發(fā)電機的等效電路參數(shù)如表1。可見，定子漏抗足以用于充當 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整流器裝置的結構
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 Vienna整流器(I和II)的直流側并聯(lián)在一起，其中心點O也連接到公共的 直流母線電容中點。Vienna整流器(I和II)的交流側(A、 B和C)分別與 永磁同步發(fā)電機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)電機定子繞組的漏感來充當，這樣并聯(lián)整流器 裝置的功率電路僅僅由功率半導體器件構成的開關電路和直流母線電容構成 (Vienna整流器開關電路的原理圖見圖3頂部的虛線框所示)。Vienna整流 器I交流側的相電流^。和4 (Vienna整流器II交流側對應電流/。'和zA')被電流 互感器CT測量；線電壓^w。/被電壓互感器PT測量，都反饋到DSP控制器， 用于實現(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)電機的轉(zhuǎn)速測量值w以及從當前風速和風機 的功率特性曲線中計算得到的轉(zhuǎn)速給定w'也輸入DSP控制器，用于實現(xiàn)發(fā)電 機的變速控制，相關的控制原理在后面方法中進行闡述。Vienna整流器可以 實現(xiàn)功率因數(shù)校正作用，保證發(fā)電機定子電流為正弦波，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)矩脈動和電機發(fā)熱的問題，提高低速 發(fā)電機的長期可靠性及壽命。使用Vienna整流器主要優(yōu)點是在實現(xiàn)三電平功 能的基礎上最大限度降低IGBT (絕緣柵雙極型晶體管)的數(shù)量。 發(fā)電機變速控制的方法
在本發(fā)明提出的技術方案中，并聯(lián)Vienna整流器的主要作用是 一方面 將發(fā)電機交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能，實現(xiàn)AC—DC功能；另一方面是作為發(fā)電 機側變流器，實現(xiàn)發(fā)電機的變速運行。所謂變速運行，即根據(jù)風速的變化和 風機的功率特性曲線，動態(tài)控制風機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)風機最大功率的輸出。并 聯(lián)Vienna整流器實現(xiàn)風機變速控制的方法如圖4所示，這個控制方法在裝置 的DSP控制器(見圖3)中通過軟件來實現(xiàn)。
如圖4所示，轉(zhuǎn)速給定^通過當前風速和風機的功率特性曲線計算得到， 即在當前風速下，w'是能夠使風機輸出最大功率的轉(zhuǎn)速期望值。w為當前風機 的實際轉(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《)則被設置為O， 這些電流期望值被分別施加到兩個完全相同的電流控制器(圖中I和II)中實 現(xiàn)永磁同步發(fā)電機的cos^^l控制方式(即通過輸出有功功率的控制來實現(xiàn)對 永磁同步發(fā)電機轉(zhuǎn)速的控制)，由于并聯(lián)的兩個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現(xiàn)均流。電流控制器采用本發(fā)明提 出的基于發(fā)電機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Gatel和Gate2，通過驅(qū)動保護電路來控制Vienna開關 電路的工作。Vienna整流器的SVM調(diào)制方法具體可見參考文獻[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]。對于SVM調(diào)制器，其冗 余矢量的占空比可用于維持電容中點電壓的平衡(有關冗余矢量的概念也可 參見上述文獻)。由于反相并聯(lián)的Vienna在相電流相同的條件下其電容中點電 位不存在基波頻率三倍的脈動電壓，但是由于瞬變風能以及整流器的不理想 特性仍然會造成電容中點電壓產(chǎn)生緩慢漂移，因此必須通過一個獨立的電容 中點電壓平衡控制閉環(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 中點的漂移方向動態(tài)調(diào)整SVM調(diào)制器中冗余矢量對的占空比(該冗余矢量對能 使中點電位產(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和電容中點電壓^被反饋到DSP控 制器進行一個偏差反饋控制，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。例如當前控制電壓矢量對應的SVM冗余矢量為V1和V2，按照理 想SVM算法計算得到的占空比是相等的(假設占空比等于")，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)坐標軸選擇為永磁同步發(fā)電機定子電壓定向。發(fā)電機定子線電壓"。A通過一 個低通濾波器(Low-pass)后被檢測，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Vienna整流器的三相電流 進行兩相靜止坐標變換(3s — 2s)以及旋轉(zhuǎn)坐標變換(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)明的技術方案中Vienna整流器的開關電路直接與發(fā)電機的定子連 接，其Boost電感由發(fā)電機定子漏感來充當，因此發(fā)電機的出口電壓也即 Vienna整流器的輸出電壓。在SVM調(diào)制器的一個開關矢量扇區(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(即不會自動旋轉(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系，也有效避免了 Vienna 整流器在給定電流開關矢量扇區(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，通過靜止兩相坐標軸"-"軸的電流分量^和^可以 得到當前電流的相位《，將該相位強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《與當前所測的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計算得到調(diào)制度附，輸入SVM調(diào)制器。可見，這種控制方法， 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 扇區(qū)，故冗余矢量引起直流母線電容電壓中點的升高(或下降)在整個基波 周期內(nèi)都是固定的，不需要進行動態(tài)極性的判斷，這也是圖4中電壓平衡控 制僅僅采用一個比例系數(shù)g的原因。
系統(tǒng)的仿真驗證
圖6給出了采用以上方案實現(xiàn)的Vienna整流器輸出波形的仿真結果。圖
示波形表示Vienna整流器開始工作后，發(fā)電機電流d軸分量階躍給定時，相
電流從一個穩(wěn)態(tài)上升到另一個穩(wěn)態(tài)的過渡過程。可見，當Vienna開始工作后，
相電流波形非常正弦，并且直流母線中點電壓保持很好的平衡，也沒有三倍 頻率的脈動。
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的等級下進行比較。Vienna和2L整流器均選擇商用IGBT模塊 FZ1200R17KE3和同等級的FRD為分析對象。通過理想開關電路模型結合實際 器件的損耗曲線可以建立不同變流器拓撲的損耗模型。選擇125。C的IGBT和 FRD損耗特性曲線，不同變流器拓撲的損耗分布如圖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 器的四個鉗位二極管Dnl Dn4 (如圖2)沒有反向恢復損耗，但是其通態(tài)損 耗在整個變流器的總損耗中占有很高的比例，因此在實際中Dnl Dn4應該選 擇低通態(tài)壓降的整流二極管，而不應該選擇快恢復二極管。相比之下，Vienna整流器的損耗遠遠低于2L整流器。
圖8比較了不同的輸入功率和開關頻率下，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，這種效應也更加明顯。 另外，2L整流器的損耗特性與開關頻率的關系更大，即隨著開關頻率的提高， 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頻率 下。既然提高開關頻率可以有效降低發(fā)電機內(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。
權利要求
1、一種用于風力發(fā)電的發(fā)電機系統(tǒng)，包括一個永磁同步發(fā)電機，該永磁同步發(fā)電機的動力輸入連接風機，電能輸出連接一個Vienna整流器裝置，以實現(xiàn)機械能到電能的轉(zhuǎn)換，Vienna整流器裝置實現(xiàn)電能AC-DC轉(zhuǎn)換，同時實現(xiàn)風機的變速運行控制，其輸出與一個并網(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)電機的定子采用6相設計，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三相繞組構成，兩套三相繞組的中性點不相連；所述Vienna整流器裝置包括兩個結構相同的第I Vienna整流器和第II Vienna整流器，該兩個三電平Vienna整流器在直流側并聯(lián)，其中心點O連接到公共的直流母線電容中點，第I Vienna整流器交流側連接發(fā)電機第I三相繞組；第II Vienna整流器交流側連接發(fā)電機的第II三相繞組；Vienna整流器的Boost電感直接由發(fā)電機繞組的漏感提供；所述Vienna整流器裝置還包括一個DSP控制器，該DSP控制器的輸出信號與第I和第II Vienna整流器的輸入控制端相連，通過各Vienna整流器交流側采集的相電流和線電壓以及直流側采集的母線電壓來控制兩個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)電機動力輸入端的風機轉(zhuǎn)速測量值和當前風速實現(xiàn)發(fā)電機的變速控制。
2、 如權利要求1所述的用于風力發(fā)電的發(fā)電機系統(tǒng)，其特征在于，所 述DSP控制器輸出分別通過一個驅(qū)動保護電路與第I和第IIVienna整流器的 輸入控制端相連。
3、 一種基于權利要求1風力發(fā)電的發(fā)電機系統(tǒng)實現(xiàn)發(fā)電機變速控制的 方法，其特征在于，包括下述步驟(1)將風機的轉(zhuǎn)速給定值w'和當前轉(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《則均被設置為0,所述電流期望值C和C'、 C和《被分別施加到DSP 兩個完全相同的第I電流控制器和第II電流控制器中，同時將第I Vierma整 流器交流側相電流/。、 ^和線電壓"。6，第lIVienna整流器交流側相電流/。，、 // 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Gatel和Gate2， 分別控制第I、第II Vienna整流器中的開關電路的工作；實現(xiàn)永磁同步發(fā)電 機的變速控制；(3) 將直流母線電壓^e的l/2和電容中點電壓^。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，實現(xiàn)直流側電容中點電壓的平衡； 歸一化系數(shù)"的取值為-1《"^ 1 。
4、 如權利要求3所述一種基于權利要求1風力發(fā)電的發(fā)電機系統(tǒng)實現(xiàn)發(fā)電 機變速控制的方法，其特征在于，所述的轉(zhuǎn)速給定值《*通過當前風速和風機 的功率特性曲線計算得到。
5、 如權利要求3所述一種基于權利要求1風力發(fā)電的發(fā)電機系統(tǒng)實現(xiàn)發(fā)電 機變速控制的方法，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)電機定子線電壓^通過一個串聯(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Vienna整流器的三相電流進行兩相靜止坐 標變換以及旋轉(zhuǎn)坐標變換，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變換，得到靜止兩相坐標軸 "-/ 軸的電流分量/。和^，經(jīng)過反三角函數(shù)變換得到當前電流的相位《，將 該相位強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《與當前所測的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進而通過下 式計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力發(fā)電的發(fā)電機系統(tǒng)及變速控制方法，系統(tǒng)包括一個永磁同步發(fā)電機，其電能輸出連接Vienna整流器裝置，其特征在于，永磁同步發(fā)電機的定子繞組由兩套互差180°電角度的三相繞組構成，中性點不相連；Vienna整流器裝置包括兩個結構相同的Vienna整流器，它們在直流側并聯(lián)，其中心點O連接直流母線電容中點，交流側分別連接發(fā)電機的兩個三相繞組；Vienna整流器的Boost電感直接由發(fā)電機繞組的漏感提供；各Vienna整流器裝置通過交流側采集的相電流和線電壓以及直流側采集的母線電壓，由DSP控制器控制整流器維持直流母線電壓的平衡；并通過采集風機轉(zhuǎn)速和當前風速實現(xiàn)發(fā)電機的變速控制。
文檔編號H02J3/38GK101640423SQ200910023819
公開日2010年2月3日 申請日期2009年9月8日 優(yōu)先權日2009年9月8日
發(fā)明者張宏韜, 房魯光, 曾翔君, 迎 李, 路俊勇 申請人:西安交通大學