專利名稱：多定子繞組永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)及其控制方法
技術領域：
本發(fā)明具體涉及一種新型多通道變換器饋電多定子繞組永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)，屬于風力發(fā)電技術領域。
背景技術：
隨著全球經濟的迅速發(fā)展和工業(yè)規(guī)模的不斷擴大，能源短缺和環(huán)境惡化已成為全球性的兩大難題。風力發(fā)電技術是目前新能源發(fā)電技術中最有前景，且目前應用最多的發(fā)電技術，隨著風電場在電力系統(tǒng)領域所占比例加重，人們對風力發(fā)電技術也有了更高的要求。目前應用的風力發(fā)電機大多采用單定子結構，通過單通道功率變換器傳送功率入網。這種傳統(tǒng)單通道永磁同步發(fā)電系統(tǒng)輸出功率脈動較大，不平穩(wěn)，容易產生很大的沖擊電流，污染電網。而已有的多通道變換器饋電多繞組風力發(fā)電系統(tǒng)也都是基于單定子發(fā)電機結構，而且其在電機側和電網側操作都是基于不同通道變換器簡單的并聯運行，未對電機側不同
繞組進行交錯控制來減小發(fā)電機轉矩脈動，也未考慮將不同通道變換器在電網側通過多電平變換器進行級聯。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提出了一種多定子繞組永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)及其控制方法，該系統(tǒng)以及控制方法實現更小的發(fā)電機轉矩脈動和更好的并網電流性能，設計了針對多定子多繞組發(fā)電機的移相控制操作，減小了由于大功率變換器較低開關頻率引起的轉矩脈動。在電網側采用了二極管中點箝位式多電平變換器，得到多電平的輸出電壓，輸出電壓波形更接近正弦，諧波含量少，電壓變化率小，有更高的額定電壓等級和更大的輸出容量。在電機側采用了多組兩電平變換器級聯，可具有更高的電壓等級，且能夠與多定子電機的獨特多繞組結構相配合。為了實現以上目的，本發(fā)明的技術方案如下新型多定子繞組永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)，包括多定子繞組永磁同步電機、電機側交直流變換器、濾波電容、并網側逆變器和并網電感；其中，多定子繞組永磁同步電機含有N個定子；多定子繞組永磁同步電機的N個定子繞組的三相交流輸出端連接對應的N個電機側交直流變換器的交流輸入端，所有電機側交直流變換器的直流輸出端串聯并且每個電機側交直流變換器的兩個直流輸出端并聯電容值相等的電容；并網側逆變器并聯于N個串聯后的電機側交直流變換器的兩個輸出端；并網側逆變器包括3個并聯的支路，每個支路串聯2N個開關管；每個支路第i與第i+Ι個開關管的公共端，第2N_i個開關管和第2N_i+l個開關的公共端，這兩個公共端之間反向并聯兩個二極管，其中KiSN-I;N個電機側交直流變換器串聯后兩兩之間的公共端連接對應位置所有所述的反向并聯的兩個二極管的公共端；
每個支路第N個開關管與第N+1個開關管的公共端連接并網電感，并網電感的另一端用于連接電網。所述的多定子繞組永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)的控制方法，包括并網側逆變器的控制和電機側交直流變換器的控制；并網側逆變器的控制步驟如下I)從電網獲得三相電壓Uu、Uv、Uw和三相電流iu、iv、iw，Uu、Uv、Uw經過PLL鎖相環(huán)得到3S/2d所需的相位角φ ;2)電網側的三相電流iu、iv、iw做3S/2d變換，得到兩個直流分量q軸電流i,和d軸電流id，將i,和q軸給定參考值i_f做比較之后輸入PI調節(jié)器得到q軸電壓Uq ；3)獲得每個濾波電容上的電壓，將獲得的濾波電容上的電壓和給定參考電壓值 Udcref作比較后輸入PI調節(jié)器得到d軸電流參考值idMf ；4)將d軸電流id和d軸電流參考值idMf做比較后輸入一個PI調節(jié)器得到d軸電壓ud，將q軸電壓U,、d軸電壓Ud和相位角φ作為空間矢量方法的輸入量，經過調制后得到控制開關管的開關信號以對電網電流實現控制；電機側交直流變換器的控制步驟如下I)從電機側獲得三相定子電流ia、ib、i。、電機轉速N以及電機的轉子位置角Θ，轉速N與給定的轉速值NMf做比較后輸入一個PI調節(jié)器得到q軸電流參考值i_f ;2)將ia、ib、i。以及變換所需轉子位置角Θ做3S/2d變化得到id、iq ;將d軸電流id與一個可變的給定參考值iable作比較輸入一個PI調節(jié)器得到d軸參考電壓Ud，通過改變這個可變的給定參考值idMf-vmiable，可以使多套的定子繞組中的電流相互差一定的角度S 軸電流i,與給定參考值、#作比較輸入一個PI調節(jié)器得到q軸電壓Ufq軸電壓U,、d軸電壓Ud和轉子位置角Θ作為空間矢量方法的輸入量；對空間矢量變換的載波相位角做相差一定角度Y的移相交錯；調制得到控制開關管的開關信號以實現對電機定子電流的控制。其中，將q軸電壓U,、d軸電壓Ut^P相位角φ作為空間矢量方法的輸入量，經過調制后得到控制開關管的開關信號以對電網電流實現控制屬于現有技術，在本專利文件中不作進一步詳細描述。有益效果(I)本系統(tǒng)采用了多定子結構永磁同步發(fā)電機，具有多套獨立的三相定子繞組，充分利用了電機的內部空間，提高了功率密度。(2)設計了基于空間矢量變換的載波移相控制操作，可以減小由于大功率變換器較低開關頻率引起的轉矩脈動。(3)設計了針對電機定子多繞組電流的移相控制操作，可以減小電流中的低次諧波含量，改善電流效果。(4)在電網側采用了二極管中點箝位式多電平逆變器，通過設計多余的小空間矢量可以使電容負載平衡，并得到多電平的輸出電壓，輸出電壓波形更接近正弦，諧波含量少，電壓變化率小，有更高的額定電壓等級和更大的輸出容量。(5)在電機側采用了多組兩電平變換器相級聯，有著更高的電壓等級，且能夠與多定子電機的獨特多定子繞組結構相配合。


圖I為本發(fā)明所提出的新型2定子繞組永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)示意圖；其中，永磁同步電機(1-1)，電機側交直流變換器(1-2) (1-3)，中間濾波電容(1-4)，并網側中點箝位式多電平逆變器(1-5)，電網(1-6)；圖2是為本發(fā)明所提出的新型4定子繞組永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)示意圖；圖3為本發(fā)明所提出的多定子繞組永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)控制方法具體實施方案示意圖；圖4是電機側交直流變換器控制方法示意圖；圖5是并網側逆變器控制方法示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明做進一步說明。新型多定子繞組永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)，包括多定子繞組永磁同步電機、電機側交直流變換器、濾波電容、并網側逆變器和并網電感；其中，多定子繞組永磁同步電機含有N個定子；多定子繞組永磁同步電機的N個定子繞組的三相交流輸出端連接對應的N個電機側交直流變換器的交流輸入端，所有電機側交直流變換器的直流輸出端串聯并且每個電機側交直流變換器的兩個直流輸出端并聯電容值相等的電容；并網側逆變器并聯于N個串聯后的電機側交直流變換器的兩個輸出端；并網側逆變器包括3個并聯的支路，每個支路串聯2N個開關管；每個支路第i與第i+Ι個開關管的公共端，第2N_i個開關管和第2N_i+l個開關的公共端，這兩個公共端之間反向并聯兩個二極管，其中N-I ；N個電機側交直流變換器串聯后兩兩之間的公共端連接對應位置所有所述的反向并聯的兩個二極管的公共端；每個支路第N個開關管與第N+1個開關管的公共端連接并網電感，并網電感的另一端用于連接電網。所述的多定子繞組永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)的控制方法，包括并網側逆變器的控制和電機側交直流變換器的控制；并網側逆變器的控制步驟如下I)從電網獲得三相電壓Uu、Uv、Uw和三相電流iu、iv、iw，Uu、Uv、Uw經過PLL鎖相環(huán)得到3S/2d所需的相位角φ ;2)電網側的三相電流iu、iv、iw做3S/2d變換，得到兩個直流分量q軸電流i,和d軸電流id，將i,和q軸給定參考值i_f做比較之后輸入PI調節(jié)器得到q軸電壓Uq ；3)獲得每個濾波電容上的電壓，將獲得的濾波電容上的電壓和給定參考電壓值Udcref作比較后輸入PI調節(jié)器得到d軸電流參考值idMf ；4)將d軸電流id和d軸電流參考值idMf做比較后輸入一個PI調節(jié)器得到d軸電壓Ud，將q軸電壓U,、d軸電壓Ud和相位角φ作為空間矢量方法的輸入量，經過調制后得到控制開關管的開關信號以對電網電流實現控制；
電機側交直流變換器的控制步驟如下I)從電機側獲得三相定子電流ia、ib、i。、電機轉速N以及電機的轉子位置角Θ，轉速N與給定的轉速值NMf做比較后輸入一個PI調節(jié)器得到q軸電流參考值i_f ;2)將ia、ib、i。以及變換所需轉子位置角Θ做3S/2d變化得到id、iq ;將d軸電流id與一個可變的給定參考值iable作比較輸入一個PI調節(jié)器得到d軸參考電壓Ud，通過改變這個可變的給定參考值idMf-vmiable，可以使多套的定子繞組中的電流相互差一定的角度S 軸電流i,與給定參考值、#作比較輸入一個PI調節(jié)器得到q軸電壓Ufq軸電壓U,、d軸電壓Ud和轉子位置角Θ作為空間矢量方法的輸入量；對空間矢量變換的載波相位角做相差一定角度Y的移相交錯；調制得到控制開關管的開關信號以實現對電機定子電流的控制。圖I為2定子繞組永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)示意圖。其中包括多定子繞組永磁同步電機(1-1)，電機側變換器(1-2) (1-3)，中間直流環(huán)節(jié)(1-4)，并網側中點箝位式多電平逆變器(1-5)，電網(1-6)。多定子繞組永磁同步電機(1-1)的定子繞組分別和電機側變換　器(1-2) (1-3)相連接，該電機側變換器用于將電機發(fā)出的交流電變換為直流電，電機側變換器采用級聯的方式連接；電機側變換器與一個由電容器串聯形成的直流環(huán)節(jié)(1-4)相連；直流環(huán)節(jié)與并網側中點箝位式多電平逆變器(1-5)相連，電網側中點箝位式多電平逆變器(1-5)用于輸出多電平交流電壓；電網側中點箝位式多電平逆變器(1-5)與電網輸入端(1-6)相連接。圖2是4定子繞組永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)示意圖。圖3、4、5是系統(tǒng)控制方法示意圖圖3中多定子繞組永磁同步電機(3-1)定子繞組分別和電機側變換器(3-2)(3-3)相連接，針對電機側控制，圖4中在電機側的變換器采用速度、電流雙閉環(huán)的SVPWM矢量控制，從電機側獲得三相定子電流ia、ib、i。、電機轉速N以及電機的轉子位置角Θ，轉速N與給定的轉速值NMf做比較后輸入一個PI調節(jié)器得到q軸電流參考值;將d軸電流id與一個可變的給定參考值ia-作比較輸入一個PI調節(jié)器得到d軸參考電壓Ud，在這里該系統(tǒng)不是簡單的控制電機定子繞組的電流d軸參考分量idMf為0，而是通過改變這個可變的給定參考值idMf-raiable，可以使多套的定子繞組中的電流相互差一定的角度S，通過控制這個角度S以減小多套定子繞組中的電流ia，ib、i。中的低次諧波，改善電流波形；將q軸電流與給定參考值i_f作比較輸入一個PI調節(jié)器得到q軸電壓Uq，將q軸電壓U,、d軸電壓Ud和轉子位置角Θ作為空間矢量方法的輸入量；對空間矢量變換的載波相位角做相差一定角度Y的移相交錯，可使定子電流當中的開關倍數次諧波減小，改善電流波形，減小由于大功率變換器較低開關頻率引起的轉矩脈動；調制得到控制開關管的開關信號以實現對電機定子電流的控制。當風速變化時，再通過控制電機定子電流q軸分量i,可實現對電磁轉矩的控制，從而得到更小的電機電磁轉矩脈動。通過調節(jié)發(fā)電機的電磁轉矩來及時調整風力機轉速，使其始終保持最佳葉尖速比運行即可實現對發(fā)電機電磁功率和輸出有功功率的準確控制，進而實現永磁同步風力發(fā)電機的最佳風能跟蹤控制。針對網側變換器的控制，圖3中電網側的二極管中點箝位式多電平逆變器(3-5)，網側變流器的最終控制目的是使直流母線電壓穩(wěn)定以實現功率的動態(tài)平衡，及時將發(fā)電機輸出的有功功率輸入電網。
圖5中，從電網獲得三相電壓Uu、Uv、Uw和三相電流iu、iv、iw，Uu、Uv、Uw經過PLL鎖相環(huán)得到3S/2d所需的相位角;電網側的三相電流iu、iv、iw做3S/2d變換，得到兩個直流分量q軸電流和d軸電流id，將i,和給定參考值i_f做比較之后輸入PI調節(jié)器得到q軸電壓Uq ;獲得每個濾波電容上的電壓，將獲得的濾波電容上的電壓和給定參考電壓值Udcref作比較后輸入PI調節(jié)器得到d軸電流參考值idMf ;將d軸電流id和d軸電流參考值Idref做比較后輸入一個PI調節(jié)器得到d軸電壓Ud，將q軸電壓Uq、d軸電壓Ud和相位角作為空間矢量方法的輸入量；對于直流環(huán)節(jié)的串聯的濾波電容，由于二極管中點箝位式多電平逆變器拓撲的特殊性，中線上會有電流流過，其直流母線上、下電容會產生分壓不均的情況，造成中性點電壓的偏移，需要盡量避免；采用一種基于調整冗余小矢量作用時間的空間 矢量調制算法對中點電位進行有效控制，最后經過調制后得到控制開關管的開關信號以對電網電流實現控制。
權利要求
1.新型多定子繞組永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，包括多定子繞組永磁同步電機、電機側交直流變換器、濾波電容、并網側逆變器和并網電感； 其中，多定子繞組永磁同步電機含有N個定子； 多定子繞組永磁同步電機的N個定子繞組的三相交流輸出端連接對應的N個電機側交直流變換器的交流輸入端，所有電機側交直流變換器的直流輸出端串聯并且每個電機側交直流變換器的兩個直流輸出端并聯電容值相等的電容； 并網側逆變器并聯于N個串聯后的電機側交直流變換器的兩個輸出端； 并網側逆變器包括3個并聯的支路，每個支路串聯2N個開關管； 每個支路第i與第i+Ι個開關管的公共端，第2N-i個開關管和第2N-i+l個開關的公共端，這兩個公共端之間反向并聯兩個二極管，其中KiSN-I; N個電機側交直流變換器串聯后兩兩之間的公共端連接對應位置所有所述的反向并聯的兩個二極管的公共端； 每個支路第N個開關管與第N+1個開關管的公共端連接并網電感，并網電感的另一端用于連接電網。
2.一種如權利要求I所述的多定子繞組永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，包括并網側逆變器的控制和電機側交直流變換器的控制； 并網側逆變器的控制步驟如下 1)從電網獲得三相電壓Uu、Uv、Uw和三相電流iu、iv、iw，Uu、Uv、Uw經過PLL鎖相環(huán)得到3S/2d所需的相位角φ ; 2)電網側的三相電流iu、iv、iw做3S/2d變換，得到兩個直流分量q軸電流i,和d軸電流id，將i,和q軸給定參考值i_f做比較之后輸入PI調節(jié)器得到q軸電壓Uq ； . 3 )獲得每個濾波電容上的電壓，將獲得的濾波電容上的電壓和給定參考電壓值Udcref作比較后輸入PI調節(jié)器得到d軸電流參考值idMf ； . 4)將d軸電流id和d軸電流參考值idMf做比較后輸入一個PI調節(jié)器得到d軸電壓Ud,將q軸電壓Uq、d軸電壓Ud和相位角9作為空間矢量方法的輸入量，經過調制后得到控制開關管的開關信號以對電網電流實現控制； 電機側交直流變換器的控制步驟如下 1)從電機側獲得三相定子電流ia、ib、i。、電機轉速N以及電機的轉子位置角Θ，轉速N與給定的轉速值NMf做比較后輸入一個PI調節(jié)器得到q軸電流參考值i_f ； 2)將ia、ib、i。以及變換所需轉子位置角Θ做3S/2d變化得到id、iq;將d軸電流id與一個可變的給定參考值ia-作比較輸入一個PI調節(jié)器得到d軸參考電壓Ud，通過改變這個可變的給定參考值idMf-vmiable，可以使多套的定子繞組中的電流相互差一定的角度δ ;將q軸電流與給定參考值作比較輸入一個PI調節(jié)器得到q軸電壓Uq,將q軸電壓U,、d軸電壓Ud和轉子位置角Θ作為空間矢量方法的輸入量；對空間矢量變換的載波相位角做相差一定角度Y的移相交錯；調制得到控制開關管的開關信號以實現對電機定子電流的控制。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多定子繞組永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，包括多定子繞組永磁同步電機、電機側交直流變換器、濾波電容、并網側逆變器和并網電感；其中，多定子繞組永磁同步電機含有N個定子；多定子繞組永磁同步電機的N個定子繞組的三相交流輸出端連接對應的N個電機側交直流變換器的交流輸入端，所有電機側交直流變換器的直流輸出端串聯，并且每個電機側交直流變換器的兩個直流輸出端并聯電容值相等的電容；并網側逆變器并聯于N個串聯后的電機側交直流變換器的兩個輸出端；并網側逆變器包括3個并聯的支路，每個支路串聯2N個開關管。
文檔編號H02J3/38GK102946118SQ201210475820
公開日2013年2月27日 申請日期2012年11月21日 優(yōu)先權日2012年11月21日
發(fā)明者王政, 鄭楊, 程明 申請人:東南大學