一种多相直驱永磁风力发电变流一体化系统及其控制方法

摘要

本发明公开了一种多相直驱永磁风力发电变流一体化系统及其控制方法，系统包括多相直驱永磁风力发电机和模块化多电平逆变器；多相直驱永磁风力发电机三相绕组数为6n(n＝1,2,3…)；所述模块化多电平逆变器由三相六桥臂组成，每个桥臂由n个子模块和一个滤波电感组成；所述子模块由PWM整流器、2个IGBT、1个电容组成；2个IGBT串联后与电容、PWM整流器直流侧相并联，PWM整流器的交流侧接多相直驱永磁风力发电机的一套三相绕组。本风电系统由于对三相支路进行了模块化串并联和分别对风力发电机每套三相绕组进行控制，可以实现多相永磁同步电机最大风能捕获和高压直接并网，且省去了并网变压器。

说明书

技术领域

本发明专利属于风力发电技术领域，特别涉及一种多相直驱永磁风力发电变流一体化系统及其控制方法。

背景技术

能源是人类生存和发展的物质基础，在社会发展中起到关键性的作用，然而，随着社会经济的发展，一方面人们对能源的需求与日俱增，另一方面人们遭遇到了由能源短缺问题和能源消耗导致的环境污染问题引起的巨大挑战，风能是一种清洁、无污染的自然能源，风力发电技术正得到广泛的推广与应用。

目前，电能的获得主要来自一次能源的转换，一次能源的释放使原动机拖动发电机旋转，从而发出交流电，电能经过长距离输电线路输送到用户端。为减少输电线路的损耗，提高输电线路的传输效率，需要抬升线路的电压等级，通常是发电机与输电线路的首端之间加升压变压器，由于升压变的存在使得这种传统的发电系统体积庞大，成本高昂。为此，有必要设计一种不需要变压器直接并网的发电变流系统。

发明内容

本发明所解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种多相直驱永磁风力发电变流一体化系统及其控制方法，能使多相直驱永磁风力发电机达到最大功率输出且不需要变压器直接并网，有效解决低压风力发电机高压大功率并网问题。

为实现上述目的，本发明所采用的优化方案是：

一种多相直驱永磁风力发电变流一体化系统，包括由多相直驱永磁风力发电机和模块化多电平逆变器；所述模块化多电平逆变器采用三相六桥臂结构，每相包括上、下两个桥臂，每相上桥臂由n个GM子模块和1个滤波电感L依次串接而成，下桥臂由1个滤波电感L和n个GM子模块依次串接而成；每相上下桥臂的滤波电感串联，其连接点即为对应相上下桥臂的连接点，上下桥臂连接点引出相线；三条相线接入公共电网；三相上桥臂的上端相互连接、三相下桥臂的下端相互连接；三相上桥臂的上端与三相下桥臂的下端构成直流侧母线的正负极；

所述GM子模块包括一个三相PWM整流器、两个IGBT管T1～T2、两个二极管D1～D2和一个电容C；其中，IGBT管T1的发射极与IGBT管T2的集电极相连并构成GM的正端；IGBT管T1的集电极与电容C的正极相连；IGBT管T2的发射极与电容C的负极相连并构成GM的负端；D1与T1反向并联，D2与T2反向并联；三相PWM整流器的直流侧与电容C并联，三相PWM整流器的交流侧接多相直驱永磁风力发电机的一套三相绕组；

所述多相直驱永磁风力发电机具有6n(n＝1,2,3…)个三相绕组，一一对应接入模块化多电平逆变器中的6n个三相PWM整流器的交流侧。

将上桥臂的n个GM子模块依次记为GM₁～GM_n；每相上桥臂的GM₁～GM_n和L依次串联，即GM₁的正端出线与直流侧母线的正极相连，处于中间的GM_i的正端与GM_i-1的负端相连，GM_i的负端与GM_i+1的正端相连，i＝2，3，…，n-1；GM_n的负端与L的一端相连，L的另一端引出相线；

将下桥臂的n个GM子模块依次记为GM_n+1～GM_2n；每相下桥臂的L和GM₁～GM_n依次串联，即L的一端引出相线，L的另一端与GM_n+1的正端相连，处于中间的GM_i的正端与GM_i-1的负端相连，GM_i的负端与GM_i+1的正端相连，i＝n+2，n+3，…，2n-1；GM_2n的负端与直流侧母线的负极相连。

所述GM子模块中电容C的值为1000uF，所述滤波电感L的值为1mH，所述子模块中IGBT的耐压值为800v。

一种多相直驱永磁风力发电变流一体化系统的控制方法，所述多相直驱永磁风力发电变流一体化系统为上述的多相直驱永磁风力发电变流一体化系统；所述控制方法包括每个GM子模块中三相PWM整流器控制，及两个IGBT管T1～T2控制：

对每个GM子模块中三相PWM整流器控制(最大风能捕获控制)，方法如下：

将多相直驱永磁风力发电机的参考转速w_ref(风速对应的最佳转速，由风机生产厂家给出)和实测转速w的偏差Δw输入第一PI调节器进行调节，得到有功电流参考值给定无功电流参考值为

检测该三相PWM整流器的交流侧三相电流i_sa、i_sb和i_sc，经abc/dq坐标变换得到旋转坐标系下的d轴、q轴电流i_d和i_q；

将与i_q的差值输入第二PI调节器进行调节，得到输出参考电压将叠加前馈补偿量得到控制电压u_q，其中ω_r为实测转子电角速度，L_d为d轴同步电感，为转子磁链；

将与i_d的差值输入第三PI调节器进行调节，得到参考电压将叠加前馈补偿量ω_rL_qi_q得到控制电压u_d；

将控制电压u_d和u_q经过空间矢量调制获得该三相PWM整流器的开关信号；

对每个GM子模块中IGBT管T1～T2控制，方法如下：

1)稳压控制：

通过公式计算一相内所有GM子模块的电容电压之和的1/2，即U_c；将U_c与给定的子模块电容电压参考值U_Cref进行比较，其结果输入第四PI调节器进行调节，得到环流参考值i_loopref；

检测该相上桥臂电流i_p和下桥臂电流i_n，计算出环流

将i_loop与i_loopref进行比较，其结果输入第五PI调节器进行调节，得到稳压控制的参考量U_refB；

2)并网控制：

将直流侧母线实测电压U_DC与参考电压U_DCref进行比较，其结果输入第六PI调节器进行调节，得到模块化多电平逆变器d轴电流参考值i_dref；给定模块化多电平逆变器q轴电流参考值i_qref为0；

实测模块化多电平逆变器的三相电流i_a、i_b和i_c，经abc/dq坐标变换得到旋转坐标系下的d轴、q轴电流i_dl和i_ql；

将i_d1与i_dref的差值输入第七PI调节器进行调节，得到模块化多电平逆变器d轴电压参考量U_dref；

将i_q1与i_qref的差值输入第八PI调节器进行调节，得到模块化多电平逆变器q轴电压参考量U_qref；

由U_dref和U_qref经dq/abc坐标变换，得到并网控制电压参考量U_pref；

3)综合稳压控制和并网控制的结果，得到模块化多电平逆变器上桥臂GM子模块控制电压的参考信号U_pj和下桥臂GM子模块控制电压的参考信号U_Nj为：

其中：

将得到的U_pj和U_Nj经过载波移相调制后得到GM子模块的开关信号。

所述第一PI调节器的比例系数为0.55，积分系数为110；所述第二PI调节器的比例系数为0.5，积分系数为100；所述第三PI调节器的比例系数为0.5，积分系数为110；所述第四PI调节器的比例系数为0.55，积分系数为110；所述第五PI调节器的比例系数为0.45，积分系数为110；所述第六PI调节器的比例系数为0.55，积分系数为110；所述第七PI调节器的比例系数为0.5，积分系数为100；所述第八PI调节器的比例系数为0.45，积分系数为100；

所述给定的子模块电容电压参考值U_Cref为600v；

所述直流侧母线参考电压U_DCref给定为n×600v。

本发明的原理为：

多相大功率永磁直驱风力发电系统采用多相大功率永磁同步发电机作为激励源，与传统的永磁同步发电机相比，其在保证输出功率不变的情况下同时输出多组三相交流电，降低了发电机输出的各相交流电流，从而减小输出线路的线径，降低制造成本。

发电变流系统机侧变流器采用三相全控整流桥，与传统的桥式全控电路相比，其三相桥臂的六个开关器件全选用反并联二极管的全控器件IGBT，既能用作整流，又能用作逆变，允许能量的双向流动，可实现四象限运行。发电变流系统网侧变流器采用模块化多电平变流器，与传统的两电平变流器比较，其模块化的设计易于扩展，也支持冗余操作，同时具备输出电压谐波含量少，直流侧相互独立，电压均衡等优点。

多相大功率永磁直驱风力发电系统是将多相发电机产生的交流电经整流提供给模块化多电平逆变器，逆变器交流输出端直接并入高压电网。随着逆变器子模块数目的增加，电机产生的多组低电压等级的交流电，经过整流与逆变的转换，可以实现电能从低压到高压大功率的转变，从而实现高压接入，即直接并入35kV高压电网，无需中间升压变压器，节省了系统空间，降低了制造成本，同时，因为发电机各三相绕组输出电压等级低，其绝缘要求低，故而也降低了电机的成本。

本发明的有益效果是：

本发明由于对三相支路进行了模块化串并联和分别对低压多相多绕组永磁同步电机每组三相绕组进行PWM整流控制，可以实现多相永磁同步电机最大风能捕获和高压大功率直接并网，省去了并网变压器，且实现了低压风力发电机输出高电压和大功率功能。所述控制方法包括风力发电机最大风能捕获控制；模块化多电平逆变器稳压控制和并网控制。本发明具体具有以下优点：

1)采用电感、IGBT、PWM变流器、直驱永磁风力发电机组成的风力发电系统拓扑结构，简单可行，易于实现，省去了并网变压器；

2)在发电系统拓扑结构中采用子模块串并联结构，可以实现在不提高直驱永磁风力发电机电压等级的条件下实现高压大功率输出；

3)多相多绕组直驱永磁同步电机机侧每组三相绕组采用一个PWM整流器进行控制，可以实现风力发电机最大风能捕获，实现最大功率跟踪。

下面结合附图对本发明专利进一步说明。

附图说明

图1风力发电变流一体化系统拓扑结构及子模块结构图；图1(a)为风力发电变流一体化系统拓扑结构图，图1(b)为子模块结构图；

图2最大风能捕获控制框图；

图3稳压控制框图；

图4并网控制框图

图5桥臂子模块电容电压图

图6十八相风电一体化系统交流侧输出电压图

具体实施方式

图1是风力发电变流一体化系统拓扑结构及子模块结构图，该系统包括多相直驱永磁风力发电机和模块化多电平逆变器；所述的多相直驱永磁风力发电机的相数为18n(n＝1,2,3…)；所述模块化多电平逆变器采用三相六桥臂结构，每相包括上、下两个桥臂，每个桥臂由n个GM子模块和一个滤波电感L串接而成；上、下桥臂连接点引出相线；三条相线接入公共电网；所述GM子模块包括PWM整流器、2个IGBT管T1～T2、两个二极管D1～D2和一个电容C；其中，IGBT管T1的发射极与IGBT管T2的集电极相连并构成GM的正端，IGBT管T1的集电极与电容C的正极相连，IGBT管T2的发射极与电容C的负极相连并构成GM的负端；D1与T1反向并联，D2与T2反向并联；IGBT管T1～T2的门极均接收外部设备提供的开关信号；PWM整流器的直流侧与电容C并联，PMW整流器的交流侧接多相直驱永磁风力发电机的一套三相绕组。

这里以a相桥臂为例进行说明，令n＝4，即a相桥臂由上桥臂4个子模块和下桥臂4个子模块组成，D1、D2为二极管，C为电容，值为1000uF，L为电感，值为1mH，T1、T2为开关管IGBT。

图2为多相直驱永磁风力发电机最大风能捕获控制图，这里以单个PWM整流器对一套三相绕组控制为例进行说明。

参考转速w_ref为风力发电机风速对应的最佳转速，由风机生产厂家给出，w为发电机的实测转速，参考转速和实测转速的偏差Δw经过第一PI调节器调节得到有功电流参考值第一PI调节器的参数为：K_p1＝0.55，K_i1＝110；

无功电流参考给定值为实测PWM整流器交流侧三相电流i_sa、i_sb、i_sc，经abc/dq坐标变换得到旋转坐标系下的d、q电流i_d、i_q，与i_q的差值经过第二PI调节器得到输出参考电压将叠加前馈补偿量得到控制电压u_q，ω_r为实测转子电角速度，L_d为d轴同步电感，为转子磁链，第二PI调节器的参数为：K_p2＝0.5，K_i2＝100；

d轴参考电流与i_d的差值经过第三PI调节器得到参考电压将叠加前馈补偿量ω_rL_qi_q得到控制电压u_d，第三PI调节器的参数为：K_p3＝0.5，K_i3＝110，将参考电压u_d和u_q经过空间矢量调制获得PWM整流器的开关信号，实现多相直驱永磁风力发电机最大风能捕获。

图3为稳压控制框图，U_C是一相内所有子模块电容电压之和的1/2：

U_C与其参考值U_Cref比较后，经过第四PI调节器得到环流参考值i_loopref，电流内环是通过环流控制器，使其环流快速跟踪环流参考值i_loopref，环流i_loop可以通过测量上、下桥臂的电流计算得到：

环流i_loop与参考值i_loopref进行比较后经过第五PI调节器输出稳压控制的参考量U_refB，稳压控制参考值U_Cref＝600V，第四PI调节器的参数设置为：K_p4＝0.55，K_i4＝110，第五PI调节器的参数设置为：K_p5＝0.45，K_i5＝110。

图4为并网控制框图，将直流侧电压U_DC与参考电压U_DCref比较后经过第六PI调节，得到模块化多电平逆变器d轴电流参考值i_dref，模块化多电平逆变器q轴电流参考值i_qref给定为0；将d轴实际电流值i_d1与i_dref的差值经过第七PI调节器得到模块化多电平逆变器d轴电压参考量U_dref，将q轴实际电流值i_q1与i_qref的差值经过第八PI调节器后得到模块化多电平逆变器q轴电压参考量U_qref，经dq/abc坐标变换得到并网控制电压参考量U_pref。

综合稳压控制和并网控制，得到模块化多电平逆变器上桥臂GM子模块控制电压的参考信号U_pj和下桥臂GM子模块控制电压的参考信号U_Nj为：

其中：

将得到的U_pj和U_Nj经过载波移相调制后得到GM子模块的开关信号。

参考电压U_DCref给定为600v，第六PI调节器参数设置为：K_p6＝0.55，K_i6＝110，第七PI调节器参数设置为：K_p7＝0.5，K_i7＝100，第八PI调节器参数设置为：K_p8＝0.45，K_i8＝100。图5为每个GM子模块电容电压波形图，子模块输出600V左右类似于正弦波的波形。

图6为风电一体化系统交流侧输出电压波形图，此处以十八相系统为例，输出电压为1800V。图5、图6表明，该发明可实现电机低压发电到大功率传输线路的高压接入，省去了发电机与高压传输线路之间的升压变，节约系统的空间，降低了制造成本。