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技术方案

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术专利属于风力发电
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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～GMn；每相上桥臂的GM1～GMn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GMi的正端与GMi-1的负端相连，GMi的负端与GMi+1的正端相连，i＝2，3，…，n-1；GMn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GMn+1～GM2n；每相下桥臂的L和GM1～GMn依次串联，即L的一端引出相线，L的另一端与GMn+1的正端相连，处于中间的GMi的正端与GMi-1的负端相连，GMi的负端与GMi+1的正端相连，i＝n+2，n+3，…，2n-1；GM2n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wref(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isa、isb和isc，经abc/dq坐标变换得到旋转坐标系下的d轴、q轴电流id和iq；将与iq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uq，其中ωr为实测转子电角速度，Ld为d轴同步电感，为转子磁链；将与id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ωrLqiq得到控制电压ud；将控制电压ud和uq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Uc；将Uc与给定的子模块电容电压参考值UCref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iloopref；检测该相上桥臂电流ip和下桥臂电流in，计算出环流将iloop与iloopref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UrefB；2)并网控制：将直流侧母线实测电压UDC与参考电压UDCref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idref；给定模块化多电平逆变器q轴电流参考值iqref为0；实测模块化多电平逆变器的三相电流ia、ib和ic，经abc/dq坐标变换得到旋转坐标系下的d轴、q轴电流idl和iql；将id1与idref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Udref；将iq1与iqref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Uqref；由Udref和Uqref经dq/abc坐标变换，得到并网控制电压参考量Upref；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Upj和下桥臂GM子模块控制电压的参考信号UNj为：其中：将得到的Upj和UNj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UCref为600v；所述直流侧母线参考电压UDCref给定为n×600v。本专利技术的原理为：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，同时具备输出电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多相直驱永磁风力发电变流一体化系统，其特征在于，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。...

【技术特征摘要】
1.一种多相直驱永磁风力发电变流一体化系统，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的大功率多相直驱永磁风力发电变流一体化系统，其特征在于，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。3.一种多相直驱永磁风力发电变流一体化系统的控制方法，其特征在于，所述多相直驱永磁风力发电变流一体化系统为权利要求1～2中任一项所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，方法如下：将多相直驱永磁风力发电机的参考转速wref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isa、isb和isc，经abc/dq坐标变换得到旋转坐标系下的d轴、q轴电流id和iq；将与iq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uq，其中ωr为实测转子电角速度，Ld为d轴同步电感，为转子磁链；将与id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ωrLqiq得到控制电压ud；将控制电压ud和uq经...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄守道，高剑，贺锐智，荣飞，罗德荣，王辉，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43