專利名稱：半控變流器驅(qū)動(dòng)交流永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于電力電子應(yīng)用和交流永磁同步發(fā)電機(jī)發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種半控變流器驅(qū)動(dòng)交流永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)正在越來(lái)越多地使用交流永磁同步發(fā)電機(jī)，并且單機(jī)發(fā)電容量節(jié)節(jié)提升，這對(duì)交流永磁同步發(fā)電系統(tǒng)所要用到的電力電子變流器提出來(lái)越來(lái)越高的要求和挑戰(zhàn)。如何提升變流器容量并降低成本成為了當(dāng)前變流器制造商的主要課題之一。當(dāng)前交流永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般為星聯(lián)接式繞組，由電壓源型全控橋驅(qū)動(dòng)。當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)電壓源型全控橋每一橋臂有上下兩個(gè)主動(dòng)主動(dòng)開(kāi)關(guān)，因此存在因兩個(gè)主動(dòng)開(kāi)關(guān)誤導(dǎo)通而可能導(dǎo)致的“擊穿”現(xiàn)象，導(dǎo)致直流母線短路。為了避免同一橋臂上的兩個(gè)主動(dòng)開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，全控橋的主動(dòng)開(kāi)關(guān)信號(hào)需要植入“死區(qū)”，這就導(dǎo)致了全控橋輸出電壓波形的變形和不良諧波的產(chǎn)生。由于使用了星聯(lián)接式繞組，因此直流母線上的電壓通過(guò)全控橋變流器施加于電機(jī)兩相繞組之間。相比之下，如果使用開(kāi)放式繞組電機(jī)，并使用兩套電壓源型全控橋驅(qū)動(dòng)，則直流母線上的電壓可以直接施加于每相繞組，因此直流母線所需的電壓可以降低，同樣的，系統(tǒng)中電力電子器件和濾波部件的電壓等級(jí)都可以降低。然而開(kāi)放式繞組的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要兩套全控變流器，盡管器件電壓等級(jí)降低，但是器件數(shù)目加倍，因而系統(tǒng)成本升高，可靠性降低。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型針對(duì)以上不足提供一種半控變流器驅(qū)動(dòng)交流永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，從而在不犧牲系統(tǒng)性能的前提下從各個(gè)方面降低系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)可靠性和容錯(cuò)能力。本實(shí)用新型解決上述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案如下一種半控變流器驅(qū)動(dòng)交流永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，它包括配備開(kāi)放式繞組的交流永磁同步發(fā)電機(jī)、兩套電機(jī)側(cè)半控變流器、電網(wǎng)側(cè)全控變流器、直流濾波電容、電網(wǎng)側(cè)濾波器、電網(wǎng)側(cè)變壓器、電網(wǎng)、測(cè)量模塊、控制模塊和通信模塊，所述兩套電機(jī)側(cè)半控變流器共同驅(qū)動(dòng)一臺(tái)交流永磁同步發(fā)電機(jī)，所述兩套電機(jī)側(cè)半控變流器均通過(guò)同一直流母線與電網(wǎng)側(cè)全控變流器連接，所述直流母線上設(shè)有直流濾波電容，所述電網(wǎng)側(cè)全控變流器、電網(wǎng)側(cè)濾波器和電網(wǎng)側(cè)變壓器依次串接在電網(wǎng)線上，所述測(cè)量模塊與交流永磁同步發(fā)電機(jī)、直流母線、電網(wǎng)及控制模塊連接，所述控制模塊與測(cè)量模塊、通信模塊、電機(jī)側(cè)半控變流器及電網(wǎng)側(cè)全控變流器連接；所述通信模塊接收遠(yuǎn)程或本地的運(yùn)行指令，將其傳輸給控制模塊，同時(shí)，從控制模塊處獲得系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息，并將之傳輸給遠(yuǎn)程或者本地信息終端；所述測(cè)量模塊測(cè)量交流永磁同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置、速度以及每相電流，測(cè)量直流母線上的電壓，及電網(wǎng)的相電壓和電流，并將測(cè)得的上述信息傳送給控制模塊；所述控制模塊根據(jù)從通信模塊處獲得的指令，以及從測(cè)量模塊處獲得的信息，計(jì)算出正確的電機(jī)側(cè)半控變流器和電網(wǎng)側(cè)全控變流器的主動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，并將數(shù)字開(kāi)關(guān)邏輯信號(hào)分別傳送給電機(jī)側(cè)半控變流器和電網(wǎng)側(cè)全控變流器的開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路以控制開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路上的電力電子器件動(dòng)作。進(jìn)一步的，開(kāi)放式繞組的兩端分別連接一套電機(jī)側(cè)半控變流器。進(jìn)一步的，每套電機(jī)側(cè)半控變流器都通過(guò)斷路器與直流母線連接。進(jìn)一步的，電力電子器件包括主動(dòng)開(kāi)關(guān)、自然換流二極管和強(qiáng)行換流二極管。進(jìn)一步的，兩套電機(jī)側(cè)半控變流器均為共射極結(jié)構(gòu)，兩套電機(jī)側(cè)半控變流器內(nèi)的所有開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路共用同一電源，兩套電機(jī)側(cè)半控變流器的所有主動(dòng)開(kāi)關(guān)都設(shè)于每相橋臂的下橋臂位置。進(jìn)一步的，交流永磁同步發(fā)電機(jī)及電機(jī)側(cè)半控變流器至少為三相系統(tǒng)。本實(shí)用新型的有益效果是在不犧牲交流永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的性能以及不增加電力電子主動(dòng)主動(dòng)開(kāi)關(guān)數(shù)量的前提下，降低了整個(gè)系統(tǒng)的所需電壓水平，從而降低系統(tǒng)、 尤其是其中電力電子器件的成本，同時(shí)降低系統(tǒng)各部件的絕緣電壓要求，減小各部件的體積；提高了交流永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的可靠性，主要體現(xiàn)在在電機(jī)側(cè)的半控變流器中徹底杜絕了 “擊穿”的可能性，并大大簡(jiǎn)化了開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路；提高了交流永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的容錯(cuò)能力，主要體現(xiàn)在(1)當(dāng)某相電路出現(xiàn)開(kāi)路故障，系統(tǒng)仍然可以運(yùn)行在稍低的功率，(2)當(dāng)其中一套半控變流器的主動(dòng)開(kāi)關(guān)出現(xiàn)短路，系統(tǒng)仍然可以通過(guò)動(dòng)態(tài)改變繞組聯(lián)接方式的辦法運(yùn)行于稍低的功率。

圖1半控變流器驅(qū)動(dòng)交流永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)示意圖；圖2交流永磁同步發(fā)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的單相簡(jiǎn)化電路圖；圖3電機(jī)側(cè)半控變流器的控制器原理圖；圖4電網(wǎng)側(cè)全控變流器的控制器原理示意圖；圖5交流永磁同步發(fā)電機(jī)的相電流命令(虛線)和仿真值(實(shí)線)；圖6交流永磁同步發(fā)電機(jī)的仿真相電流測(cè)量值的頻譜分析；圖7交流永磁同步發(fā)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩仿真；圖8速度命令從100%額定值降至80%的相電流的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；圖9速度命令從100%額定值降至80%的速度與轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；圖10驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩從80%額定值降至100%的相電流的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；圖11驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩從80%額定值降至100%的速度與轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本實(shí)用新型，并非用于限定本實(shí)用新型的范圍。如圖1所示，本發(fā)明所提出的半控變流器驅(qū)動(dòng)交流永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)至少包括開(kāi)放式繞組交流永磁同步發(fā)電機(jī)101，電機(jī)側(cè)半控變流器102，電網(wǎng)側(cè)全控變流器103，直流母線104，直流濾波電容105，電網(wǎng)側(cè)濾波器106，電網(wǎng)側(cè)變壓器107，電網(wǎng)108，測(cè)量模塊 114，控制模塊115，和通信模塊116。[0030]開(kāi)放式繞組109的每一端都連接于一套電機(jī)側(cè)半控變流器102，兩套電機(jī)側(cè)半控變流器102與電網(wǎng)側(cè)全控變流器103共用同一直流母線104和直流濾波電容105。對(duì)于三相系統(tǒng)，與傳統(tǒng)單全控橋驅(qū)動(dòng)星聯(lián)接交流永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)相比，直流母線104的電壓等級(jí)為57.7%，系統(tǒng)使用的所有電力電子器件，即強(qiáng)行換流二極管110，自然換流二極管111 及主動(dòng)開(kāi)關(guān)112的電壓等級(jí)也為57.7%，同時(shí)系統(tǒng)使用的主動(dòng)開(kāi)關(guān)112總數(shù)不變，因而直流母線104上的直流濾波電容105體積和成本以及電機(jī)側(cè)半控變流器102與電網(wǎng)側(cè)全控變流器103的電力電子器件的成本都得以降低。同樣的，交流永磁同步發(fā)電機(jī)101的繞組109， 電網(wǎng)側(cè)濾波器106和電網(wǎng)側(cè)變壓器107的電壓等級(jí)以及相應(yīng)的絕緣要求也都得以降低。兩套半控變流器102均為共射極結(jié)構(gòu)，因此其所有開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路共用同一電位參考點(diǎn)和同一電源，使得開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)變得極為簡(jiǎn)單。并且兩套電機(jī)側(cè)半控變流器102 的所有主動(dòng)開(kāi)關(guān)112都設(shè)于每相橋臂的下橋臂位置，半控變流器102都不存在因主動(dòng)開(kāi)關(guān)誤動(dòng)作而導(dǎo)致?lián)舸┑目赡苄裕蟠笤鰪?qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。這一系統(tǒng)具有良好的容錯(cuò)能力。當(dāng)有一相電路出現(xiàn)開(kāi)路故障，則系統(tǒng)仍然可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)兩相電路來(lái)維持系統(tǒng)的低功率運(yùn)行。每套電機(jī)側(cè)半控變流器102都通過(guò)斷路器113 與直流母線104連接，當(dāng)有一側(cè)的半控變流器102出現(xiàn)器件短路，則系統(tǒng)仍然可以使用正常的半控變流器102來(lái)驅(qū)動(dòng)交流永磁同步發(fā)電機(jī)101。通信模塊116接收遠(yuǎn)程或本地的運(yùn)行指令，將其傳輸給控制模塊115，同時(shí)，從控制模塊115處獲得系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息，并將之傳輸給遠(yuǎn)程或者本地信息終端。測(cè)量模塊114通過(guò)連接線118測(cè)量交流永磁同步發(fā)電機(jī)101的轉(zhuǎn)子位置、速度，通過(guò)連接線117測(cè)量交流永磁同步發(fā)電機(jī)101每相電流，通過(guò)連接線119測(cè)量直流母線104 上的電壓Vd。，通過(guò)連接線121和120分別測(cè)量電網(wǎng)的相電壓和電流，并將測(cè)得的信息傳送給控制模塊115?？刂颇K115根據(jù)從通信模塊116處獲得的指令，以及從測(cè)量模塊114處獲得的信息，計(jì)算出正確的電機(jī)側(cè)半控變流器102和電網(wǎng)側(cè)全控變流器103的主動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，并將數(shù)字開(kāi)關(guān)邏輯信號(hào)分別通過(guò)連接線123和IM傳送給電機(jī)側(cè)半控變流器102和電網(wǎng)側(cè)全控變流器103的開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路以控制電力電子器件動(dòng)作。電力電子器件包括主動(dòng)開(kāi)關(guān)112、自然換流二極管111和強(qiáng)行換流二極管110。當(dāng)交流永磁同步發(fā)電機(jī)101的其中一相電路發(fā)生開(kāi)路故障，那么仍然可以通過(guò)控制半控變流器102來(lái)驅(qū)動(dòng)剩余正常的相電路。當(dāng)其中一套半控變流器102的一個(gè)或多個(gè)主動(dòng)開(kāi)關(guān)112發(fā)生短路故障，則將這一發(fā)生故障的半控變流器102的所有開(kāi)關(guān)信號(hào)保持在閉合狀態(tài)，形成一個(gè)人為的中性點(diǎn)。同時(shí)，斷開(kāi)這一半控變流器所聯(lián)接的斷路器113從而與直流母線104脫離。此時(shí)的交流永磁同步發(fā)電機(jī)101已經(jīng)成為一臺(tái)星聯(lián)接式繞組的交流永磁同步發(fā)電機(jī)，可以使用另一套仍然正常的半控變流器102驅(qū)動(dòng)運(yùn)行在低功率狀態(tài)。下面就本發(fā)明的正常工作狀態(tài)做以數(shù)學(xué)建模，運(yùn)行原理分析，和控制器設(shè)計(jì)，以三相系統(tǒng)為例。三相開(kāi)放式繞組交流永磁同步電機(jī)101的D-Q等效電路的狀態(tài)微分方程如下所示
權(quán)利要求1.一種半控變流器驅(qū)動(dòng)交流永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，其特征在于它包括配備開(kāi)放式繞組的交流永磁同步發(fā)電機(jī)、兩套電機(jī)側(cè)半控變流器、電網(wǎng)側(cè)全控變流器、直流濾波電容、電網(wǎng)側(cè)濾波器、電網(wǎng)側(cè)變壓器、電網(wǎng)、測(cè)量模塊、控制模塊和通信模塊，所述兩套電機(jī)側(cè)半控變流器共同驅(qū)動(dòng)一臺(tái)交流永磁同步發(fā)電機(jī)，所述兩套電機(jī)側(cè)半控變流器均通過(guò)同一直流母線與電網(wǎng)側(cè)全控變流器連接，所述直流母線上設(shè)有直流濾波電容，所述電網(wǎng)側(cè)全控變流器、電網(wǎng)側(cè)濾波器和電網(wǎng)側(cè)變壓器依次串接在電網(wǎng)線上，所述測(cè)量模塊與交流永磁同步發(fā)電機(jī)、 直流母線、電網(wǎng)及控制模塊連接，所述控制模塊與測(cè)量模塊、通信模塊、電機(jī)側(cè)半控變流器及電網(wǎng)側(cè)全控變流器連接；所述通信模塊接收遠(yuǎn)程或本地的運(yùn)行指令，將其傳輸給控制模塊，同時(shí)，從控制模塊處獲得系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息，并將之傳輸給遠(yuǎn)程或者本地信息終端；所述測(cè)量模塊測(cè)量交流永磁同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置、速度以及每相電流，測(cè)量直流母線上的電壓，及電網(wǎng)的相電壓和電流，并將測(cè)得的上述信息傳送給控制模塊；所述控制模塊根據(jù)從通信模塊處獲得的指令，以及從測(cè)量模塊處獲得的信息，計(jì)算出正確的電機(jī)側(cè)半控變流器和電網(wǎng)側(cè)全控變流器的主動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，并將數(shù)字開(kāi)關(guān)邏輯信號(hào)分別傳送給電機(jī)側(cè)半控變流器和電網(wǎng)側(cè)全控變流器的開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路以控制開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路上的電力電子器件動(dòng)作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半控變流器驅(qū)動(dòng)交流永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，其特征在于所述開(kāi)放式繞組的兩端分別連接一套電機(jī)側(cè)半控變流器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半控變流器驅(qū)動(dòng)交流永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，其特征在于所述每套電機(jī)側(cè)半控變流器都通過(guò)斷路器與直流母線連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半控變流器驅(qū)動(dòng)交流永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，其特征在于電力電子器件包括主動(dòng)開(kāi)關(guān)、自然換流二極管和強(qiáng)行換流二極管。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半控變流器驅(qū)動(dòng)交流永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，其特征在于所述兩套電機(jī)側(cè)半控變流器均為共射極結(jié)構(gòu)，兩套電機(jī)側(cè)半控變流器內(nèi)的所有開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路共用同一電源，兩套電機(jī)側(cè)半控變流器的所有主動(dòng)開(kāi)關(guān)都設(shè)于每相橋臂的下橋臂位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任一權(quán)利要求所述的半控變流器驅(qū)動(dòng)交流永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，其特征在于所述交流永磁同步發(fā)電機(jī)及電機(jī)側(cè)半控變流器至少為三相系統(tǒng)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種半控變流器驅(qū)動(dòng)交流永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，它包括配備開(kāi)放式繞組的交流永磁同步發(fā)電機(jī)、兩套電機(jī)側(cè)半控變流器、電網(wǎng)側(cè)全控變流器、直流濾波電容、電網(wǎng)側(cè)濾波器、電網(wǎng)側(cè)變壓器、電網(wǎng)、測(cè)量模塊、控制模塊和通信模塊，兩套電機(jī)側(cè)半控變流器共同驅(qū)動(dòng)一臺(tái)交流永磁同步發(fā)電機(jī)，兩套電機(jī)側(cè)半控變流器均通過(guò)同一直流母線與電網(wǎng)側(cè)全控變流器連接，直流母線上設(shè)有直流濾波電容，電網(wǎng)側(cè)全控變流器、電網(wǎng)側(cè)濾波器和電網(wǎng)側(cè)變壓器依次串接在電網(wǎng)線上，測(cè)量模塊與交流永磁同步發(fā)電機(jī)、直流母線、電網(wǎng)及控制模塊連接，控制模塊與測(cè)量模塊、通信模塊、電機(jī)側(cè)半控變流器及電網(wǎng)側(cè)全控變流器連接。提高了系統(tǒng)的可靠性及容錯(cuò)能力。
文檔編號(hào)H02J3/38GK201975800SQ20112010199
公開(kāi)日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月8日
發(fā)明者托馬斯·安東尼·立波, 王洋 申請(qǐng)人:托馬斯·安東尼·立波, 王洋