一种模块分离式风力发电机控制系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种模块分离式风力发电机控制系统及方法。以模块分离式永磁同步发电机为控制对象，通过对永磁同步发电机在不同风速下的最大功率跟踪控制，解决风力发电系统中由于定子整体研制、运输和装配，导致施工困难问题和多模块定子协调控制和冗余控制问题。在模块分离式永磁电机发电机转速和位置估计上，采用零序载波电压检测无速度传感器系统，设计了分布式协调控制器实现多模块的协同控制，节省成本提高系统可靠性和估算精度；发电机侧采用电压型PWM整流电路提高电机侧功率因素，降低谐波干扰；在电网侧采用H桥五电平逆变电路，提高电能质量，降低风力发电不稳定因素对电网的干扰，实现有功功率和无功功率的控制。

【技术实现步骤摘要】
一种模块分离式风力发电机控制系统及方法技术背景本专利技术属于电力电子与电力传动
，具体涉及一种模块分离式风力发电机控制系统及方法。
技术介绍
当下全球生态环境不断恶化，各国对新能源的开发和利用也在日益增加。风力发电系统在能源发电系统中占有十分重要的地位。当前，风力发电系统均采用单支路背靠背结构，此种结构存在很多问题。主要有以下几个方面：发电机定子采用整体研制、运输和装配的方法，加之强风等环境因素，导致施工困难等一系列问题；定子一旦发生故障，电机整体及其控制系统都将瘫痪，供电可靠性受到威胁，对生产工程产生重大影响；发电机输出功率小，输出功率密度低，不能根据负载或电网的需求决定投入运行的功率，运行效率低；永磁电机转速检测采用传统安装光电编码器方法，降低了系统可靠性，提高了产品成本；电网侧变流器输出电压含有大量的高次谐波，对电网或负载产生不利影响。为了解决上述问题，本专利技术采用电机定子多瓣拼接化的组合形式，并设计了一整套能量转换系统和永磁发电机的控制系统，能够很好的解决上述问题，对于优化未来能源结构以及改善生态环境等诸多方面具有十分重大意义。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提出了一种模块分离式风力发电机控制系统及控制方法，以解决风力发电系统中由于定子整体研制、运输和装配，导致施工困难问题、解决多单元定子协调控制和冗余控制问题、解决风力发电系统中输出功率小，密度低和功率可调性不强问题、解决风力发电系统中机侧变流器输入电流谐波分量大，功率因数低问题、解决风力发电系统中负载侧或网侧输出电压谐波含量高，输出电压波形不够正弦问题、解决系统可靠性低，成本高问题。本专利技术的具体技术方案为：一种模块分离式风力发电机控制系统，包含模块分离式永磁同步发电机、三组永磁同步发电机无速度传感器控制单元、H桥五电平逆变器、电网侧控制单元及LC滤波电路；其中，三组永磁同步发电机无速度传感器控制单元通过并联的方式协调控制模块分离式永磁同步发电机的三个定子单元；模块分离式永磁同步发电机的整圆定子采用分瓣式结构，先将定子单元根据拆分规则分成t0个独立的子模块，再将相邻的三个子模块通过绕组换相连接和星型连接方式组成定子单元；其中三个定子单元共用一个转子，转子采用表贴结构。所述的永磁同步发电机无速度传感器控制单元包括控制单元和PWM整流器单元，所述的控制单元通过相互通信实现模块分离式永磁同步电机的协同控制。所述的控制单元包括分布式协同控制器、转速与位置估算单元和电流控制单元；其中，转速与位置估算单元输出的每个定子单元的转速值作为分布式协同控制器的输入，分布式协同控制器输出的最优电流控制量作为电流控制单元的输入，电流控制单元输出两相静止坐标系下的直轴参考电压和交轴参考电压通过SVPWM发生器获得PWM整流电路驱动信号作为PWM整流器单元的输入，PWM整流器单元输出的直流电压相互串联作为H桥五电平逆变器的输入直流电压，电网侧控制单元产生PWM信号来控制H桥五电平逆变器的输出，再通过LC滤波电路得到滤波后的三相正弦交流电。上述模块分离式永磁同步电机的设计方法，包括以下步骤：步骤1:计算整体电机能拆分成的子模块个数t0＝gcd(Q,p)，Q和p为整圆电机的槽数和极对数，gcd(Q,p)表示Q与p的最大公约数；t0≥9且为3的倍数；步骤2：计算子模块构成定子单元后，定子单元间隔的子模块的个数k为整数；步骤3：计算每个子模块定子槽数、极对数、槽距角和每极每相槽数，画出槽电势星型图，做出子模块定子绕组展开图；步骤4：根据步骤1和步骤2中的计算，画出定子单元槽电势星型图，将3个子模块通过换相连接的方法组成3个定子单元；步骤4-1：定子单元的A相连接方式为：第一个子模块的A相首端-第一个子模块的A相末端-第二个子模块的B相首端-第二个子模块的B相末端-第三个子模块的C相首端-第三个子模块的C相末端；步骤4-2：定子单元的B相连接方式为：第一个子模块的B相首端-第一个子模块的B相末端-第二个子模块的C相首端-第二个子模块的C相末端-第三个子模块的A相首端-第三个子模块的A相末端；步骤4-3：定子单元的C相连接方式为：第一个子模块的C相首端-第一个子模块的C相末端-第二个子模块的A相首端-第二个子模块的A相末端-第三个子模块的B相首端-第三个子模块的B相末端。所述的控制单元包括分布式协同控制器、转速与位置估算单元和电流控制单元。其中：分布式协同控制器：用于采用构建无向图的方法对三个控制单元通信关系进行描述，根据构建的无向图建立各个控制单元的邻接权重矩阵，并根据转速估计值、给定转速值、同步误差补偿系数和邻接权重矩阵建立系统误差矩阵，通过设定实数矩阵和设定值，根据建立的系统误差矩阵得到分布式协同控制器的输出值；转速与位置算单元：用于采样各个定子模块零序载波电压信号，将定子模块零序载波电压通过低通滤波器并进行信号调制获得含有转速信息的信号，将调制后的信号通过PI调节器获得每个定子单元的转速估算值。转速估计值通过积分环节可以得到每个定子模块的位置信息；电流控制单元：用于采样发电机输出端的A相、B相和C相电流，根据采集的A相、B相和C相电流和分布式协同控制器输出值，根据上述输出和采样值获得两相静止坐标系下直轴参考电压和交轴参考电压，再采用空间矢量调制获得输出的PWM信号，将获得PWM整流信号同过驱动电路获得PWM整流电路驱动信号；所述的电网侧控制单元：用于采样H桥五电平逆变器输出端滤波后的A相、B相和C相电压电流量，根据以上采样值和设定值得到两相静止坐标系下直轴参考电压和交轴参考电压，再采用空间矢量调制获得输出的PWM信号，将获得PWM整流信号同过驱动电路获得H桥五电平逆变器电路驱动信号。上述一种模块分离式风力发电机控制系统的控制方法，包括以下步骤：步骤1：三组永磁同步发电机无速度传感器控制单元同时采集电机侧的A相、B相、C相电流检测信号压和零序载波电压信号；步骤2：三组永磁同步发电机无速度传感器控制单元分别根据所采集电机侧的A相、B相、C相电流检测信号压和零序载波电压信号，协调控制获得PWM信号；步骤2-1：根据零序载波电压信号获得转子速度估计值，并同时发送至每个控制单元，实现单元间通信；步骤2-1-1：利用数模转换技术采集定子模块的零序载波电压信号，并将采集来的电压信号进行带通滤波；步骤2-1-2：将带通滤波后的电压信号与高频余弦电压信号相乘，获得包含位置和转速信息的电流信号；步骤2-1-3：采用PI算法获得转子转速估计值，将转速估计值通过积分器获得转子相角估计值，用于坐标转换。步骤2-2：构建无向图来描述三个控制单元间的通信关系，并建立各个单元的邻接权重矩阵；所述邻接权重矩阵为是对称矩阵，该矩阵行和列都为3；矩阵中的元素为0或1，当无速度传感器控制单元间存在通信关系时，元素为1，否则为0；步骤2-3：根据构建的无向图建立各个控制单元的邻接权重矩阵，并根据转速估计值、给定转速值、同步误差补偿系数和邻接权重矩阵建立系统误差矩阵；所述的同步误差补偿系数为两个定子单元的转动惯量比值；系统误差矩阵为3行1列的矩阵，其中的元素为其中一个控制单元转速估计值与其他控制单元转速估计值之差乘以系数1，加上其中一个控制单元转速估计值与给定转速估计值之差乘以系数2；此中的系数1为邻接本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模块分离式风力发电机控制系统，其特征在于，包含模块分离式永磁同步发电机、三组永磁同步发电机无速度传感器控制单元、H桥五电平逆变器、电网侧控制单元及LC滤波电路；其中，三组永磁同步发电机无速度传感器控制单元通过并联的方式协调控制模块分离式永磁同步发电机的三个定子单元；模块分离式永磁同步发电机的整圆定子采用分瓣式结构，先将定子单元根据拆分规则分成t0个独立的子模块，再将相邻的三个子模块通过绕组换相连接和星型连接方式组成定子单元；其中三个定子单元共用一个转子，转子采用表贴结构；所述的永磁同步发电机无速度传感器控制单元包括控制单元和PWM整流器单元，所述的控制单元通过相互通信实现模块分离式永磁同步电机的协同控制；所述的控制单元包括分布式协同控制器、转速与位置估算单元和电流控制单元；其中，转速与位置估算单元输出的每个定子单元的转速值作为分布式协同控制器的输入，分布式协同控制器输出的最优电流控制量作为电流控制单元的输入，电流控制单元输出两相静止坐标系下的直轴参考电压和交轴参考电压通过SVPWM发生器获得PWM整流电路驱动信号作为PWM整流器单元的输入，PWM整流器单元输出的直流电压相互串联作为H桥五电平逆变器的输入直流电压，电网侧控制单元产生PWM信号来控制H桥五电平逆变器的输出，再通过LC滤波电路得到滤波后的三相正弦交流电。...

【技术特征摘要】
1.一种模块分离式风力发电机控制系统，其特征在于，包含模块分离式永磁同步发电机、三组永磁同步发电机无速度传感器控制单元、H桥五电平逆变器、电网侧控制单元及LC滤波电路；其中，三组永磁同步发电机无速度传感器控制单元通过并联的方式协调控制模块分离式永磁同步发电机的三个定子单元；模块分离式永磁同步发电机的整圆定子采用分瓣式结构，先将定子单元根据拆分规则分成t0个独立的子模块，再将相邻的三个子模块通过绕组换相连接和星型连接方式组成定子单元；其中三个定子单元共用一个转子，转子采用表贴结构；所述的永磁同步发电机无速度传感器控制单元包括控制单元和PWM整流器单元，所述的控制单元通过相互通信实现模块分离式永磁同步电机的协同控制；所述的控制单元包括分布式协同控制器、转速与位置估算单元和电流控制单元；其中，转速与位置估算单元输出的每个定子单元的转速值作为分布式协同控制器的输入，分布式协同控制器输出的最优电流控制量作为电流控制单元的输入，电流控制单元输出两相静止坐标系下的直轴参考电压和交轴参考电压通过SVPWM发生器获得PWM整流电路驱动信号作为PWM整流器单元的输入，PWM整流器单元输出的直流电压相互串联作为H桥五电平逆变器的输入直流电压，电网侧控制单元产生PWM信号来控制H桥五电平逆变器的输出，再通过LC滤波电路得到滤波后的三相正弦交流电。2.根据权利要求1所述的一种模块分离式风力发电机控制系统，采用以下步骤设计所述的模块分离式永磁同步电机：步骤1：计算整体电机能拆分成的子模块个数t0＝gcd(Q,p)，Q和p为整圆电机的槽数和极对数，gcd(Q,p)表示Q与p的最大公约数；t0≥9且为3的倍数；步骤2：计算子模块构成定子单元后，定子单元间隔的子模块的个数k为整数；步骤3：计算每个子模块定子槽数、极对数、槽距角和每极每相槽数，画出槽电势星型图，做出子模块定子绕组展开图；步骤4：根据步骤1和步骤2中的计算，画出定子单元槽电势星型图，将3个子模块通过换相连接的方法组成3个定子单元。3.根据权利要求2所述的一种模块分离式风力发电机控制系统，其特征在于，所述换相连接方法的具体步骤如下：步骤4-1：每个定子单元的A相连接方式为：第一个子模块的A相首端-第一个子模块的A相末端-第二个子模块的B相首端-第二个子模块的B相末端-第三个子模块的C相首端-第三个子模块的C相末端；步骤4-2：每个定子单元的B相连接方式为：第一个子模块的B相首端-第一个子模块的B相末端-第二个子模块的C相首端-第二个子模块的C相末端-第三个子模块的A相首端-第三个子模块的A相末端；步骤4-3：每个定子单元的C相连接方式为：第一个子模块的C相首端-第一个子模块的C相末端-第二个子模块的A相首端-第二个子模块的A相末端-第三个子模块的B相首端-第三个子模块的B相末端。4.权利要求1-3任一所述一种模块分离式风力发电机控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：三组永磁同步发电机无速度传感器控制单元同时采集电机侧的A相、B相、C相电流检测信号压和零序载波电压信号；步骤2：三组永磁同步发电机无速度传感器控制单元分别根据所采集电机侧的A相、B相、C相电流检测信号压和零序载波电压信号，协调控制获得PWM信号；步骤2-1：根据零序载波电压信号获得转子速度估计值，并同时发送至每个控制单元，实现单元间通信；步骤2-1-1：利用数模转换技术采集定子模块的零序载波电压信号，并将采集来的电压信号进行带通滤波；步骤2-1-2：将带通滤波后的电压信号与高频余弦电压信号相乘，获得包含位置和转速信息的电流信号；步骤2-1-3：采用PI算法获得转子转速估计值，将转速估计值通过积分器获得转子相角估计值，用于坐标转换；步骤2-2：构建无向图来描述三个控制单元间的通信关系，并建立各个单元的邻接权重矩阵；所述邻接权重矩阵为是对称矩阵，该矩阵行和列都为3；矩阵中的元素为0或1，当无速度传感器控制单元间存在通信关系时，元素为1，否则为0；步骤2-3：根据构建的无向图建立各个控制单元的邻接权重矩阵，并根据转速估计值、给定转速值、同步误差补偿系数和邻接权重矩阵建立系统误差矩阵；步骤2-4：通过设定实数矩阵和设定值，根据建立的系统误差矩阵得到分布式协同控制器的输出值；步骤2-5：根据采集的A相、B相和C相电流和分布式协同控制器输出值，根据上述输出和采样值获得两相静...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫士杰，张坤，张化光，高文忠，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21