基于VIENNA整流器的阻抗源高速发电机两级升压并网系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于VIENNA整流器的阻抗源高速发电机两级升压并网系统，基于VIENNA整流器的阻抗源高速发电机两级升压并网系统包括：一台高速发电机、一台VIENNA整流器、一台阻抗源逆变器、一台三相滤波电抗器和两套控制器。本发明专利技术还公开了上述系统的控制方法，机侧引入VIENNA整流器，对高速发电机的转速和整流器输入功率因数进行双闭环控制，进行一级升压，网侧引入阻抗源逆变器，对阻抗源网络电容电压和并网功率因数进行双闭环控制，进行另一级升压。本发明专利技术可以解决高速发电机定子电流畸变严重的问题，降低开关器件的电压应力，从而提高系统的稳定性和效率。

【技术实现步骤摘要】
基于VIENNA整流器的阻抗源高速发电机两级升压并网系统
本专利技术属于发电机并网控制领域，具体涉及一种基于VIENNA整流器的阻抗源高速发电机两级升压并网系统及其控制方法。
技术介绍
能源是推动经济发展和社会进步的动力源泉，是关系到国计民生、社会稳定的重要物质。随着我国现代工业的飞速发展，石油、天然气和煤炭等化石能源逐渐枯竭、环境问题日益凸显，能源和环境已成为我国所面临的重大问题。余热是指煤炭、石油、天然气等经过工业利用后排放出来的、无法继续参与其它生产过程的能量。它以高温热能为表现形式，以废气、废渣和废水为能量载体。我国余热资源非常丰富，占工业总能耗的20%左右。因此，余热利用具有广阔的市场前景。高速永磁同步发电机具有效率高、可靠性高、结构紧凑、维护量小等优点，与此同时，高速发电机与膨胀涡轮机直接相连组成的发电机组，中间可省去减速装置，可大大减小系统体积，提高系统效率和可靠性。因此，高速发电机被广泛应用于余热发电系统。传统高速发电机采用三相六开关PWM整流拓扑，随着高速发电机额定转速的不断提高，高速发电机的输出频率大幅提高，甚至有可能达到上千赫兹，为高速发电机的整流调制带来困难，由此产生的发电机定子电流谐波不仅会增加高速发电机的损耗和温升，还会增加其转矩脉动，威胁系统安全。与此同时，升压能力与网侧变流器的开关电压应力直接相关，较高的升压增益有助于降低开关器件的电压应力。因此，有必要设计一种高可靠性、高升压能力的高速发电机并网系统及其控制方法。
技术实现思路
针对
技术介绍
所述的缺陷或不足，本专利技术提供了一种基于VIENNA整流器的阻抗源高速发电机两级升压并网系统及其控制方法，系统升压能力强，可靠性高。一种基于VIENNA整流器的阻抗源高速发电机两级升压并网系统，包括：一台高速永磁同步发电机（额定转速在10000rpm以上）、一台机侧VIENNA整流器、一台网侧阻抗源逆变器（Z源逆变器、准Z源逆变器或半准Z源逆变器等阻抗源逆变器）、一台三相滤波电抗器和两套控制器（控制器1和控制器2），两套控制器分别对VIENNA整流器和阻抗源逆变器进行控制。所述VIENNA整流器由三3个半桥电路和直流母线电容并联组成，每一个半桥电路由桥臂f、桥臂m和桥臂n组成，其中，桥臂f由两个串联的二极管构成，桥臂m由一个二极管、一个IGBT和一个二极管依次串联构成，桥臂n由两个二极管串联构成，桥臂f和桥臂n并联后，共同的阴极接到m桥臂IGBT的集电极，共同的阳极接到m桥臂IGBT的发射集；所述直流母线由两个串联的电容组成；所述阻抗源逆变器由电感、电容、二极管构成的阻抗源网络和三个3个IGBT半桥电路并联组成；所述并网滤波电抗器由3个交流电感构成。其中，高速永磁同步发电机的三相定子分别与VIENNA整流器的f1桥臂、f2桥臂和f3桥臂对应的中点相连；VIENNA整流器并联到直流母线且VIENNA整流器的f1桥臂、f2桥臂和f3桥臂的中点共同连接到直流母线两个电容的中点；直流母线与阻抗源逆变器的输入端并联；阻抗源逆变器三相输出接滤波电抗器后并入电网。所述控制器1用于采集永磁同步发电机的转速、转子位置角和三相定子电流，随后通过SVPWM脉冲信号对发电机的转速和VIENNA整流器输入功率因数进行控制；所述控制器2用于采集阻抗源网络电容的端电压、阻抗源逆变器三相并网电压和阻抗源逆变器三相并网电流，随后通过直通控制策略构造出带直通零矢量的PWM脉冲信号，对阻抗源网络电容电压和并网功率因数进行控制。上述基于VIENNA整流器的阻抗源高速发电机两级升压并网系统的控制方法包括如下步骤：(1)实时检测高速永磁同步发电机的转速ωr、转子位置角Өr和高速发电机的三相定子电流；(2)利用所述的转子位置角Өr对高速发电机的三相定子电流进行dq变换，得到三相定子电流的dq轴分量；(3)通过机侧双闭环控制方法对高速发电机转速、发电机定子电流的dq轴分量进行比较计算，得到机侧电压参考值αβ分量；(4)实时检测阻抗源逆变器三相并网线电压和相电流，进而估算出相角Ө；(5)利用所述的相角Ө对阻抗源逆变器三相并网电压和三相并网电流进行dq变换，得到三相并网电压的dq轴分量和三相并网电流的dq轴分量；(6)实时检测阻抗源网络电容的电压VC1；(7)通过网侧双闭环控制方法对阻抗源逆变器三相并网电压、并网电流的dq轴分量、相角Ө和阻抗源网络电容电压VC1进行比较计算，得到网侧电压参考值αβ分量；(8)将直通占空比d0和(7)中得到的电压参考值αβ分量输入带直通零矢量的空间矢量脉冲宽度调制控制器，得到阻抗源逆变器并网的控制脉冲信号。所述的步骤(3)中的机侧双闭环控制以高速发电机的转速稳定和定子电流谐波小为控制目标。所述的步骤(3)中机侧电压参考值αβ分量具体由如下方法获得：将高速发电机转速的参考值和检测值进行比较，通过PI调节器后得到高速发电机q轴电流参考值，给定高速发电机d轴电流参考值为0，将高速发电机定子dq轴电流参考值和检测值进行比较后，通过PI调节器得到调制所需的电压给定dq轴分量，再通过dq-αβ变换将其转化为机侧电压参考值αβ分量。所述的步骤(7)中网侧双闭环控制方法以阻抗源网络电容电压稳定和单位功率因数并网为控制目标。所述的步骤(7)中网侧电压参考值αβ分量具体由如下方法获得：将阻抗源网络电容电压的参考值和检测值进行比较，通过PI调节器后得到并网电流d轴参考值，给定并网电流q轴参考值为0，将并网电流dq轴参考值和检测值进行比较后，通过PI调节器得到调制所需的电压给定dq轴分量，再通过dq-αβ变换将其转化为网侧电压参考值αβ分量。所述的基于VIENNA整流器的阻抗源高速发电机两级升压并网系统的控制方法，通过控制器1对机侧进行控制，通过控制器2对网侧进行控制，从而实现两级升压功能。本专利技术与现有技术相比的益处在于：(1)由高速发电机、VIENNA整流器和阻抗源逆变器组成的变流系统，其整流装置和传统三相六开关PWM整流器相比需要更少的有源开关器件，且该高速发电机并网系统在阻抗源逆变器直通时，仍能正常工作，和传统拓扑相比具有更高的可靠性和稳定性；(2)由于VIENNA整流器具有更高的等效开关频率，在输入交流频率较高的情况下具有正弦度更高的发电机定子电流谐波；(3)由于VIENNA整流器也具有升压功能，分担了阻抗源逆变器的升压增益，从而降低了阻抗源逆变器的开关电压应力。附图说明图1为本专利技术实例提供的基于VIENNA整流器的阻抗源（半准Z源）高速发电机两级升压并网系统结构示意图。图2为本专利技术实例提供的基于VIENNA整流器的半准Z源高速发电机两级升压并网系统的控制框图。具体实施方式为了更为具体地描述本专利技术，下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。如图1所示，一种基于VIENNA整流器的阻抗源（半准Z源）高速发电两级升压并网系统，包括：一台高速永磁同步发电机（额定转速在10000rpm以上）、一台机侧VIENNA整流器、一台网侧阻抗源逆变器（半准Z源逆变器）、一台三相滤波电抗器和两套控制器（控制器1和控制器2）。其中：VIENNA整流器由三3个半桥电路和直流母线电容并联组成，每一个半桥电路由桥臂f、桥臂本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于VIENNA整流器的高速发电机两级升压并网系统，其特征在于，包括一台高速永磁同步发电机（额定转速在10000rpm以上）、一台VIENNA整流器、一台阻抗源逆变器（Z源逆变器、准Z源逆变器或半准Z源逆变器等阻抗源逆变器）、一台三相滤波电抗器和两套控制器（控制器1和控制器2），两套控制器分别对VIENNA整流器和阻抗源逆变器进行控制。

【技术特征摘要】
1.一种基于VIENNA整流器的高速发电机两级升压并网系统，其特征在于，包括一台高速永磁同步发电机（额定转速在10000rpm以上）、一台VIENNA整流器、一台阻抗源逆变器（Z源逆变器、准Z源逆变器或半准Z源逆变器等阻抗源逆变器）、一台三相滤波电抗器和两套控制器（控制器1和控制器2），两套控制器分别对VIENNA整流器和阻抗源逆变器进行控制。2.根据权利要求1所述的基于VIENNA整流器的高速发电机两级升压并网系统，其特征在于，所述VIENNA整流器由三3个半桥电路和直流母线电容并联组成，每一个半桥电路由桥臂f、桥臂m和桥臂n组成，其中，桥臂f由两个串联的二极管构成，桥臂m由一个二极管、一个IGBT和一个二极管依次串联构成，桥臂n由两个二极管串联构成，桥臂f和桥臂n并联后，共同的阴极接到m桥臂IGBT的集电极，共同的阳极接到m桥臂IGBT的发射集；所述直流母线由两个串联的电容组成；所述阻抗源逆变器由电感、电容、二极管构成的阻抗源网络和三个3个IGBT半桥电路并联组成；所述并网滤波电抗器由3个交流电感构成。3.根据权利要求1所述的基于VIENNA整流器的高速发电机两级升压并网系统，其特征在于，所述高速永磁同步发电机的三相定子分别与VIENNA整流器的f1桥臂、f2桥臂和f3桥臂对应的中点相连；所述VIENNA整流器并联到直流母线且VIENNA整流器的f1桥臂、f2桥臂和f3桥臂的中点共同连接到直流母线两个电容的中点；所述直流母线与阻抗源逆变器的输入端并联；所述阻抗源逆变器三相输出端接滤波电抗器后并入电网。4.根据权利要求1所述的基于VIENNA整流器的高速发电机两级升压并网系统，其特征在于，所述控制器1用于采集永磁同步发电机的转速、转子位置角和三相定子电流，随后通过SVPWM脉冲信号对发电机的转速和VIENNA整流器输入功率因数进行控制；所述控制器2用于采集阻抗源网络电容的端电压、阻抗源逆变器三相并网电压和阻抗源逆变器三相并网电流，随后通过直通控制策略构造出带直通零矢量的PWM脉冲信号，对阻抗源网络电容电压和并网功率因数进行控制。5.一种基于VIENNA整流器的阻抗源高速发电机两级升压并网系统的控制方法，其特征在于，高速发电机并网系统采用权利要求1所述的拓扑结构，其控制方法包括如下步骤：(1)实时检测高速永磁同步发电机的转速ωr、转子位置角Өr和高速发电机的三相定子电流；(2)利用所述的转子位置角Өr对高速发电机的三相定子电流进行dq变换，得到三相定子电...

【专利技术属性】
技术研发人员：张阳，程谆，
申请(专利权)人：湖南工业大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43