CN101640423A - 一种用于风力发电的发电机***及变速控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于风力发电的发电机***及变速控制方法，***包括一个永磁同步发电机，其电能输出连接Vienna整流器装置，其特征在于，永磁同步发电机的定子绕组由两套互差180°电角度的三相绕组构成，中性点不相连；Vienna整流器装置包括两个结构相同的Vienna整流器，它们在直流侧并联，其中心点O连接直流母线电容中点，交流侧分别连接发电机的两个三相绕组；Vienna整流器的Boost电感直接由发电机绕组的漏感提供；各Vienna整流器装置通过交流侧采集的相电流和线电压以及直流侧采集的母线电压，由DSP控制器控制整流器维持直流母线电压的平衡；并通过采集风机转速和当前风速实现发电机的变速控制。

Description

一种用于风力发电的发电机***及变速控制方法

技术领域

本发明涉及一种发电机***及变速控制方法，特别涉及一种用于风力发电的基于6相永磁同步发电机的发电***及变速控制方法。

背景技术

在MW级大功率直驱风电***中，发电机通常为三相电机，并且出口电压等级经常采用较低的690V，由于很大的定子电流，对于发电机定子侧全功率变流器的设计是不利的，其中谐波和效率是两个重要的问题。常规的技术方案是采用多脉二极管整流方案(例如12脉整流)，或者采用两电平PWM整流器并联分摊容量。这两种方案，前者需要错相变压器，而且二极管整流会对发电机产生较大的谐波电流，造成转矩脉动以及电机发热的问题；后者虽然谐波性能较好，但是在大功率条件下，两电平整流器并联是一种效率不高的做法。相比之下，多电平变流器具有较高的效率以及更加优越的谐波性能，但存在电容电压平衡控制的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于6相永磁同步发电机连接并联Vienna整流器的拓扑方案的发电***及变速控制方法，用以替代传统的3相永磁同步发电机的二极管整流方案以及两电平变流器并联方案，通过Vienna三电平整流器的并联组合及变速控制，不仅能够克服三电平变流器电容中点电压平衡和三次谐波电压脉动，而且其效率比传统两电平整流器效率更高。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种用于风力发电的发电机***，包括一个永磁同步发电机，该永磁同步发电机的动力输入连接风机，电能输出连接一个Vienna整流器装置，以实现机械能到电能的转换，Vienna整流器装置实现电能AC-DC转换，同时实现风机的变速运行控制，其输出与一个并网逆变器相连；该并网逆变器通过升压变压器将电能馈送到电网，其特征在于，所述永磁同步发电机的定子采用6相设计，即定子绕组是由两套互差180°电角度的第I三相绕组和第II三相绕组构成，两套三相绕组的中性点不相连；所述Vienna整流器装置包括两个结构相同的第I Vienna整流器和第IIVienna整流器，该两个三电平Vienna整流器在直流侧并联，其中心点O连接到公共的直流母线电容中点，第IVienna整流器交流侧连接发电机第I三相绕组；第II Vienna整流器交流侧连接发电机的第II三相绕组；Vienna整流器的Boost电感直接由发电机绕组的漏感提供；所述Vienna整流器装置还包括一个DSP控制器，该DSP控制器的输出信号与第I和第II Vienna整流器的输入控制端相连，通过各Vienna整流器交流侧采集的相电流和线电压以及直流侧采集的母线电压来控制两个Vienna整流器的电流矢量及维持直流母线电压的平衡；并通过采集发电机动力输入端的风机转速测量值和当前风速实现发电机的变速控制。

上述方案中，所述DSP控制器输出分别通过一个驱动保护电路与第I和第II Vienna整流器的输入控制端相连。

一种基于上述风力发电的发电机***实现发电机变速控制的方法，包括下述步骤：

(1)将风机的转速给定值n^*和当前转速值n求差，其偏差经过DSP控制器中的PI调节器后得到有功电流的期望值i_d ^*和i′_d ^*，而无功电流的期望值i_q ^*和i′_q ^*则均被设置为0，所述电流期望值i_d ^*和i′_d ^*、i_q ^*和i′_q ^*被分别施加到DSP两个完全相同的第I电流控制器和第II电流控制器中，同时将第I Vienna整流器交流侧相电流i_a、i_b和线电压u_ab，第IIVienna整流器交流侧相电流i_a’、i_b’和线电压u_ab’分别输入到第I电流控制器和第II电流控制器；

(2)第I、第II电流控制器进行定子电压定向的电流矢量控制，输出的控制电压矢量的调制度m和m′以及电压矢量的相位θ_i和θ′_i，分别通过第I空间矢量调制器和第II空间矢量调制器转换成PWM控制信号Gate1和Gate2，分别控制第I、第IIVienna整流器中的开关电路的工作；实现永磁同步发电机的变速控制；

(3)将直流母线电压V_DC的1/2和电容中点电压V_DC1求差，其偏差经过DSP控制器中的比例调节器g输出一个归一化的系数α(-1≤α≤1)，送到第I空间矢量调制器用于修改调制器冗余矢量的占空比；实现直流侧电容中点电压的平衡。

上述方法中，所述的转速给定值n^*通过当前风速和风机的功率特性曲线计算得到。

所述的在第I、第II电流控制器中进行定子电压定向的电流矢量控制的方法包括下述步骤：

(1)发电机定子线电压u_ab通过一个串联的低通滤波器和锁相环并经过角度变换获得相电压的相位，用于对Vienna整流器的三相电流进行两相静止坐标变换以及旋转坐标变换，得到d轴电流i_d和q轴电流i_q，其中i_d代表电流的有功分量，而i_q则代表电流的无功分量；

(2)输入的i_a、i_b通过三相至两相的静止坐标变换，得到静止两相坐标轴α-β轴的电流分量i_α和i_β，经过反三角函数变换得到当前电流的相位θ_i，将该相位强制作为控制电压矢量的相位，并输入到空间矢量调制器；

(3)将有功电流期望值i_d ^*和无功电流期望值i_q ^*与当前所测的d轴电流i_d和q轴电流i_q的偏差通过比例积分调节器分别得到控制电压u_d和u_q，进而通过下式：

$m=\sqrt{2({u_d}^2+{u_q}^2)}/V_{\mathrm{DC}}$

计算得到控制电压矢量的调制度m，输入空间矢量调制器。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、发电机6相绕组结构可以提供多个隔离电源，不仅分摊了整个***的容量，也有利于简化整流器的并联组合。其中隔离的绕组使得并联不存在环流问题，而反相特性则可以自动消除三电平整流器的直流母线电容的电压脉动。

2、发电机每相绕组的漏感可提供作为Vienna整流器需要的Boost电感，因此整个并联Vienna整流器不使用任何外部的电感，大大降低了无源元件的损耗、成本开销和体积。

3、并联的两个Vienna整流器通过d-q-0轴矢量控制实现永磁同步发电机的变速(

控制方式)，本发明提出一种基于定子电压定向的矢量控制方法，不需要反馈发电机转子的位置信号，同时采用电压矢量跟踪电流矢量的方法保证实现永磁同步发电机

的变速控制方案。整流器的均流控制通过电流闭环实现，而其直流母线电容中点电压由于相电流反相，因此可以自动消除电容电压的三次频率脉动。

4、本发明具有整流器冗余设计，即任何一组变流器出现故障，则切除故障整流器后，整个***可在功率减半的情况下继续运行。

5、对于大功率690V低压风电***，本发明提出的方案与传统两电平并联的方案相比具有接近的成本，但是整流器的损耗能够降低50％，可大大提高***的效率。

附图说明

图1为本发明发电机***的整体结构图。

图中：①-风机；②-6相永磁同步发电机；③-并联Vienna整流器装置；④-并网逆变器；⑤-连接电网的升压变压器。

图2为图1中6相永磁同步发电机的定子绕组结构及电势向量图。其中图2a为定子绕组分布图；图2b为发电机的电势向量图。

图3为图1中的Vienna整流器装置的结构框图。

图4为图3中DSP控制器对风机转速控制的原理图。

图5为图4中的电流控制器原理图。

图6为Vienna整流器工作波形仿真(PSCAD)图。(开关频率1800Hz，发电机漏感1.0mH，直流母线电压1500V)。

图7为不同整流器的损耗分布比较(额定功率2.5MW)。

图8为不同整流器损耗与输入功率/开关频率的关系。其中图8a为损耗与输入功率的关系；图8b为损耗与开关频率的关系。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

发电机***

图1给出了一种用于风力发电的发电机***整体结构，它由5个主要部分构成，包括一个永磁同步发电机②，该永磁同步发电机的动力输入连接风机①，实现机械能到电能的转换；电能输出连接一个Vienna整流器装置③，以实现机械能到电能的转换，Vienna整流器装置实现电能AC-DC转换，同时实现风机的变速运行控制，其输出与一个并网逆变器④相连；该并网逆变器④通过升压变压器⑤将电能馈送到电网，实现电能的DC-AC转换，同时维持整流器和逆变器中间的直流母线电压的稳定；升压变压器⑤的作用是实现低压的发电机-变流器***(通常为690V等级)向高压电网(通常为10kV、22kV或者35kV)的并联。

本发明技术方案的发明点集中于永磁同步发电机②和并联Vienna整流器装置③两个部分，即提出了一种6相永磁同步发电机的结构以及通过反相并联Vienna整流器实现风机变速控制和电能AC-DC的变换。具有如下技术特点：

(1)与传统三相发电机不同，本发明提出的永磁同步发电机的定子被设计成6相，两个3相之间电角度相差180°，即互为反相(在图1中分别标注为0°和180°)；

(2)发电机的两套互相反相的三相绕组直接连接到两个三电平Vienna整流器(图2)，这两个Vienna整流器在直流侧被并联在一起，不仅能够分摊发电机的功率，同时可以消除直流母线电容中点的三次频率的电压波动；

(3)直接通过永磁同步发电机多相绕组设计产生两组隔离三相电源，简化了整流器的并联，克服环流的产生；

(4)Vienna整流器的Boost电感直接由发电机绕组的漏感提供，这可以大大降低无源元件的成本和体积，提高***的效率。

发电机的结构设计

图2a给出了本发明提出的6相永磁同步发电机的绕组结构示意图。在总体结构上，电机结构仍然为传统凸极径向式永磁同步电机，但是不同的是，定子绕组被设计成两套独立的三相绕组，其中每个定子槽内均安装了两套绕组。图2a只画出了一对极的结构。图中A-x、B-y、C-z与D-u、E-m、F-n分别为电角度相差180°的三相绕组。简而言之，本文提出的6相直驱永磁同步发电机的定子绕组是由两套互差180°电角度的三相绕组构成。为了提供两套独立的三相电源，以及消除三次谐波，两套三相绕组的中性点不相连。图2b给出了绕组的电势向量图。

根据图2的绕组结构，本发明设计了一个功率等级为2.5MW，电压等级为690V的样机。电机永磁体材料采用钕铁硼(B_r20＝1.3T，H_c20＝987kA/m)，其主要结构参数如下：电机极对数p＝30，总槽数Q＝288，每极每相槽数 $q=1\frac{3}{5},$ 单元电机数t＝6，单元电机槽数Z₀＝48，单元电机极对数p₀＝5，绕组循环数：2-1-2-1-2。发电机的等效电路参数如表1。可见，定子漏抗足以用于充当Vienna整流器的Boost电抗。

表12.5MW 6相直驱永磁同步发电机的单相参数

反相并联Vienna整流器装置的结构

图3给出了本发明提出的反相并联整流器的装置原理图。图中，两个Vienna整流器(I和II)的直流侧并联在一起，其中心点O也连接到公共的直流母线电容中点。Vienna整流器(I和II)的交流侧(A、B和C)分别与永磁同步发电机的两组互相反相的定子绕组(I和II)相连。Vienna整流器的(I和II)Boost电感由发电机定子绕组的漏感来充当，这样并联整流器装置的功率电路仅仅由功率半导体器件构成的开关电路和直流母线电容构成(Vienna整流器开关电路的原理图见图3顶部的虚线框所示)。Vienna整流器I交流侧的相电流i_a和i_b(Vienna整流器II交流侧对应电流i_a’和i_b’)被电流互感器CT测量；线电压u_abu_ab’被电压互感器PT测量，都反馈到DSP控制器，用于实现电流矢量控制；直流母线电压V_DC和V_DC1也被反馈到DSP控制器，用于维持直流母线电压的平衡；发电机的转速测量值n以及从当前风速和风机的功率特性曲线中计算得到的转速给定n^*也输入DSP控制器，用于实现发电机的变速控制，相关的控制原理在后面方法中进行阐述。Vienna整流器可以实现功率因数校正作用，保证发电机定子电流为正弦波，消除单纯二极管整流器引起的电流谐波以及由此造成的转矩脉动和电机发热的问题，提高低速发电机的长期可靠性及寿命。使用Vienna整流器主要优点是在实现三电平功能的基础上最大限度降低IGBT(绝缘栅双极型晶体管)的数量。

发电机变速控制的方法

在本发明提出的技术方案中，并联Vienna整流器的主要作用是：一方面将发电机交流电能转换为直流电能，实现AC-DC功能；另一方面是作为发电机侧变流器，实现发电机的变速运行。所谓变速运行，即根据风速的变化和风机的功率特性曲线，动态控制风机的转速，实现风机最大功率的输出。并联Vienna整流器实现风机变速控制的方法如图4所示，这个控制方法在装置的DSP控制器(见图3)中通过软件来实现。

如图4所示，转速给定n^*通过当前风速和风机的功率特性曲线计算得到，即在当前风速下，n^*是能够使风机输出最大功率的转速期望值。n为当前风机的实际转速。转速的偏差反馈经过PI(比例积分)调节器后得到有功电流的期望值(图中i_d ^*和i′_d ^*)，而无功电流的期望值(图中i_q ^*和i′_q ^*)则被设置为0，这些电流期望值被分别施加到两个完全相同的电流控制器(图中I和II)中实现永磁同步发电机的

控制方式(即通过输出有功功率的控制来实现对永磁同步发电机转速的控制)，由于并联的两个Vienna整流器的电流控制器完全相同，故在同样的电流给定条件下可实现均流。电流控制器采用本发明提出的基于发电机定子电压定向的矢量控制方案，其原理如图5所示。电流控制器输出的控制电压矢量的调制度(图中的m和m′)以及电压矢量的相位(图中的θ_i和θ′_i)，通过Vienna整流器的空间矢量调制器(图中的SVM)转换成PWM(脉宽调制)控制信号Gate1和Gate2，通过驱动保护电路来控制Vienna开关电路的工作。Vienna整流器的SVM调制方法具体可见参考文献[R.Burgos，R.Lai，Y.Pei，F.Wang，D.Boroyevich，and J.Pou，Space Vector Modulation forVienna-Type Rectifiers Based on the Equivalence between Two-and Three-LevelConverters：A Carrier-Based Implementation，Power Electronics SpecialistsConference，2007.PESC 2007.IEEE，page：2861-2867]。对于SVM调制器，其冗余矢量的占空比可用于维持电容中点电压的平衡(有关冗余矢量的概念也可参见上述文献)。由于反相并联的Vienna在相电流相同的条件下其电容中点电位不存在基波频率三倍的脉动电压，但是由于瞬变风能以及整流器的不理想特性仍然会造成电容中点电压产生缓慢漂移，因此必须通过一个独立的电容中点电压平衡控制闭环来阻止电压的漂移。该控制闭环主要原理是根据电容中点的漂移方向动态调整SVM调制器中冗余矢量对的占空比(该冗余矢量对能使中点电位产生相反方向的变化)。

在图4的控制原理中，直流母线电压V_dc和电容中点电压V′_dc被反馈到DSP控制器进行一个偏差反馈控制，并且采用简单的比例调节器(图中比例环节g)，调节器输出一个归一化的系数α(-1≤α≤1)，该系数用于修改SVM调制器冗余矢量的占空比。例如当前控制电压矢量对应的SVM冗余矢量为V1和V2，按照理想SVM算法计算得到的占空比是相等的(假设占空比等于d)，则修改算法如下：冗余矢量V1的占空比d₁＝α·d；冗余矢量V2的占空比d₂＝(1-α)·d。

图5给出的电流控制器是本发明提出的重要的发明点之一。与传统的Vienna整流器的控制方案不同，本发明提出的Vienna整流器矢量变换的旋转坐标轴选择为永磁同步发电机定子电压定向。发电机定子线电压u_ab通过一个低通滤波器(Low-pass)后被检测，通过锁相环(PLL)获得其相位，该相位减去30度得到相电压的相位θ₀，该相位用于对Vienna整流器的三相电流进行两相静止坐标变换(3s-2s)以及旋转坐标变换(2s-2r)，得到d轴电流i_d和q轴电流i_q，其中i_d代表电流的有功分量，而i_q则代表电流的无功分量。由于本发明的技术方案中Vienna整流器的开关电路直接与发电机的定子连接，其Boost电感由发电机定子漏感来充当，因此发电机的出口电压也即Vienna整流器的输出电压。在SVM调制器的一个开关矢量扇区内，Vienna整流器的输出电压是无法自己产生相位增加的(即不会自动旋转)，因此，本发明提出通过将电流矢量与电压矢量重合，通过电流矢量来带动电压矢量的旋转。这种控制可以很好的维持电压和电流的同相位关系，也有效避免了Vienna整流器在给定电流开关矢量扇区内不能合成电压矢量的问题。根据这种思想，在图5的控制原理图中，通过静止两相坐标轴α-β轴的电流分量i_α和i_β可以得到当前电流的相位θ_i，将该相位强制作为控制电压矢量的相位，并输入SVM调制器；有功电流期望值i_d ^*和无功电流期望值i_q ^*与当前所测的d轴电流i_d和q轴电流i_q的偏差通过PI调节器分别得到控制电压u_d和u_q，通过下式： $m=\sqrt{2({u_d}^2+{u_q}^2)}/V_{\mathrm{DC}}$ 计算得到调制度m，输入SVM调制器。可见，这种控制方法，由于电压矢量和电流矢量总是重合的，即它们总是处于SVM矢量图的同一个扇区，故冗余矢量引起直流母线电容电压中点的升高(或下降)在整个基波周期内都是固定的，不需要进行动态极性的判断，这也是图4中电压平衡控制仅仅采用一个比例系数g的原因。

***的仿真验证

图6给出了采用以上方案实现的Vienna整流器输出波形的仿真结果。图示波形表示Vienna整流器开始工作后，发电机电流d轴分量阶跃给定时，相电流从一个稳态上升到另一个稳态的过渡过程。可见，当Vienna开始工作后，相电流波形非常正弦，并且直流母线中点电压保持很好的平衡，也没有三倍频率的脉动。

***的损耗特性与传统两电平并联方案的比较

将对本发明提出的三电平混合方案与常规的两电平(2L)并联方案在2.5MW的等级下进行比较。Vienna和2L整流器均选择商用IGBT模块FZ1200R17KE3和同等级的FRD为分析对象。通过理想开关电路模型结合实际器件的损耗曲线可以建立不同变流器拓扑的损耗模型。选择125℃的IGBT和FRD损耗特性曲线，不同变流器拓扑的损耗分布如图7所示。

从图7可以看到，整流器中主要的损耗是由二极管产生的。Vienna整流器的四个钳位二极管Dn1～Dn4(如图2)没有反向恢复损耗，但是其通态损耗在整个变流器的总损耗中占有很高的比例，因此在实际中Dn1～Dn4应该选择低通态压降的整流二极管，而不应该选择快恢复二极管。相比之下，Vienna整流器的损耗远远低于2L整流器。

图8比较了不同的输入功率和开关频率下，2L和Vienna整流器的损耗变化曲线。可见，并联Vienna整流器比同样容量下并联两电平整流器拥有更高的效率，损耗几乎可以降低50％。随着功率的提高，这种效应也更加明显。另外，2L整流器的损耗特性与开关频率的关系更大，即随着开关频率的提高，2L整流器的损耗增加的更快。这说明2L整流器不能工作在较高的开关频率下。既然提高开关频率可以有效降低发电机内的谐波电流的，故Vienna整流器拥有2L整流器无法比拟的优势。

Claims (5)

1、一种用于风力发电的发电机***，包括一个永磁同步发电机，该永磁同步发电机的动力输入连接风机，电能输出连接一个Vienna整流器装置，以实现机械能到电能的转换，Vienna整流器装置实现电能AC-DC转换，同时实现风机的变速运行控制，其输出与一个并网逆变器相连；该并网逆变器通过升压变压器将电能馈送到电网，其特征在于，所述永磁同步发电机的定子采用6相设计，即定子绕组是由两套互差180°电角度的第I三相绕组和第II三相绕组构成，两套三相绕组的中性点不相连；所述Vienna整流器装置包括两个结构相同的第I Vienna整流器和第II Vienna整流器，该两个三电平Vienna整流器在直流侧并联，其中心点O连接到公共的直流母线电容中点，第I Vienna整流器交流侧连接发电机第I三相绕组；第II Vienna整流器交流侧连接发电机的第II三相绕组；Vienna整流器的Boost电感直接由发电机绕组的漏感提供；所述Vienna整流器装置还包括一个DSP控制器，该DSP控制器的输出信号与第I和第II Vienna整流器的输入控制端相连，通过各Vienna整流器交流侧采集的相电流和线电压以及直流侧采集的母线电压来控制两个Vienna整流器的电流矢量及维持直流母线电压的平衡；并通过采集发电机动力输入端的风机转速测量值和当前风速实现发电机的变速控制。

2、如权利要求1所述的用于风力发电的发电机***，其特征在于，所述DSP控制器输出分别通过一个驱动保护电路与第I和第II Vienna整流器的输入控制端相连。

3、一种基于权利要求1风力发电的发电机***实现发电机变速控制的方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)将风机的转速给定值n^*和当前转速值n求差，该偏差值经过DSP控制器中的PI调节器后得到有功电流的期望值i_d ^*和i′_d ^*，而无功电流的期望值i_q ^*和i′_q ^*则均被设置为0，所述电流期望值i_d ^*和i′_d ^*、i_q ^*和i′_q ^*被分别施加到DSP两个完全相同的第I电流控制器和第II电流控制器中，同时将第I Vienna整流器交流侧相电流i_a、i_b和线电压u_ab，第II Vienna整流器交流侧相电流i_a’、i_b’和线电压u_ab’分别输入到第I电流控制器和第II电流控制器；

(2)第I、第II电流控制器进行定子电压定向的电流矢量控制，输出的控制电压矢量的调制度m和m′以及电压矢量的相位θ_i和θ′_i，分别通过第I空间矢量调制器和第II空间矢量调制器转换成PWM控制信号Gate1和Gate2，分别控制第I、第II Vienna整流器中的开关电路的工作；实现永磁同步发电机的变速控制；

(3)将直流母线电压V_DC的1/2和电容中点电压V_DC1求差，该偏差值经过DSP控制器中的比例调节器g输出一个归一化的系数α，送到第I空间矢量调制器用于修改调制器冗余矢量的占空比，实现直流侧电容中点电压的平衡；归一化系数α的取值为-1≤α≤1。

4、如权利要求3所述一种基于权利要求1风力发电的发电机***实现发电机变速控制的方法，其特征在于，所述的转速给定值n^*通过当前风速和风机的功率特性曲线计算得到。

5、如权利要求3所述一种基于权利要求1风力发电的发电机***实现发电机变速控制的方法，其特征在于，所述的在第I、第II电流控制器中进行定子电压定向的电流矢量控制的方法包括下述步骤：

(1)发电机定子线电压u_ab通过一个串联的低通滤波器和锁相环并经过角度变换获得相电压的相位，用于对Vienna整流器的三相电流进行两相静止坐标变换以及旋转坐标变换，得到d轴电流i_d和q轴电流i_q，其中i_d代表电流的有功分量，而i_q则代表电流的无功分量；

(2)输入的i_a、i_b通过三相至两相的静止坐标变换，得到静止两相坐标轴α-β轴的电流分量i_α和i_β，经过反三角函数变换得到当前电流的相位θ_i，将该相位强制作为控制电压矢量的相位，并输入到空间矢量调制器；

(3)将有功电流期望值i_d ^*和无功电流期望值i_q ^*与当前所测的d轴电流i_d和q轴电流i_q的偏差通过比例积分调节器分别得到控制电压u_d和u_q，进而通过下式：

$m=\sqrt{2({u_d}^2+{u_q}^2)}/V_{\mathrm{DC}}$

计算得到控制电压矢量的调制度m，输入空间矢量调制器。

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