CN101154887A - 直驱型永磁同步电机风力发电功率变换装置 - Google Patents

直驱型永磁同步电机风力发电功率变换装置 Download PDF

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Abstract

一种直驱型永磁同步电机风力发电功率变换装置，是由主电路和控制主电路的控制单元构成，主电路有通过联轴器与风机同轴相连的永磁同步发电机，与永磁同步发电机相连的二极管整流器，与二极管整流器相并联的升压斩波电路，与升压斩波电路相并联的滤波储能电容器C和三相逆变器，与三相逆变器相连的三相变压器，以及与三相变压器相连的断路器；升压斩波电路是由电路结构完全相同的第一升压斩波电路和第二升压斩波电路构成，第一升压斩波电路和第二升压斩波电路的输入端和输出端分别并联在一起。本发明在不增加功率开关器件开关频率的情况下，降低整流器输出电流和发电机定子电流纹波，发电机的附加损耗低，电磁转矩脉动小，振动噪音低，系统效率高。

Description

直驱型永磁同步电机风力发电功率变换装置
技术领域
本发明涉及一种直驱型永磁同步电机风力发电系统。特别是涉及一种可以为电网提供高质量电能的直驱型永磁同步电机风力发电功率变换装置。
背景技术
随着常规化石类能源的日益短缺以及大众环保意识的提高，风能作为一种最重要的可再生能源已经被广泛的用于发电。风力发电机向大型化方向发展的过程中，风机与发电机直接联接驱动链结构越来越受到人们的重视，为提高系统效率，通常使用直驱型永磁同步风力发电机。直驱型永磁同步风力发电机虽然成本较高，但是它放弃了传统的高速风力发电机中的升速齿轮箱，可靠性增高，维修量减小，它已成为倍受青睐的发展方向之一。
直驱型永磁同步风力发电机输出电压的幅值和频率都随风速的变化而变化，直驱型永磁同步电机风力发电系统就要在尽量最大限度地捕获风能的情况下，将永磁同步发电机发出的电压和频率都随风速不断变化的交流电能变换成电压和频率都恒定的三相交流电输送到电网。这就需要一套性能良好的功率变换装置，希望其具有安全、可靠、高效、经济等特点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种可以为电网提供高质量电能的直驱型永磁同步电机风力发电功率变换装置。
本发明所采用的技术方案是：一种直驱型永磁同步电机风力发电功率变换装置，是由主电路和控制主电路的控制单元构成，所述的主电路包括有：风机，通过联轴器与风机同轴相连的永磁同步发电机，与永磁同步发电机相连的二极管整流器，与二极管整流器相并联的升压斩波电路，与升压斩波电路相并联的滤波储能电容器C和三相逆变器，与三相逆变器相连的三相变压器或三相滤波储能电感，以及与三相变压器或三相滤波储能电感相连的断路器；所述的升压斩波电路是由电路结构完全相同的第一升压斩波电路和第二升压斩波电路构成，所述的第一升压斩波电路和第二升压斩波电路的输入端和输出端分别并联在一起。
所述的控制单元包括有，通过电压传感器和电流传感器分别与第一升压斩波电路和第二升压斩波电路相连、接收其电压信号和电流信号的模拟信号滤波放大电路；以及通过电压传感器和电流传感器与三相逆变器输出相连、接收其电压信号和电流信号的模拟信号滤波放大电路；分别与模拟信号滤波放大电路和模拟信号滤波放大电路相连的含有模/数转换器、编写有特定的功率控制软件和PWM控制信号输出接口的数字信号处理器，输入端与数字信号处理器的PWM控制信号输出接口相连而输出端分别与第一升压斩波电路和第二升压斩波电路、三相逆变器相连的PWM驱动信号放大隔离电路。
所述的第一升压斩波电路和第二升压斩波电路的构成是：电感L1/L2的一端连接二极管整流器的正输出端，另一端分别连接二极管D1/D2的阳极及功率开关管VT1/VT2的集电极，二极管D1/D2的阴极连接电容器C的一端；功率开关管VT1/VT2的发射极接地，功率开关管VT1/VT2的基极连接控制单元的PWM驱动信号放大隔离电路。
所述的驱动第一升压斩波电路中的功率开关管VT1和第二升压斩波电路中的功率开关管VT2的PWM脉宽调制信号是由两个电流闭环控制生成的，在时间上互差二分之一周期，即在相位上互差180°。
所述的主电路中的升压斩波电路还可以是由大于等于2的N个相同的升压斩波电路相并联构成，驱动N个并联升压斩波电路中的N个功率开关管的PWM脉宽调制信号是由N个电流闭环控制生成的，在时间上互差N分之一周期，即在相位上互差360°/N。
本发明的直驱型永磁同步电机风力发电功率变换装置，两个升压斩波电路中驱动每只功率开关管的PWM脉宽调制信号是由两个电流闭环控制生成的，两个PWM脉宽调制信号在时间上互差二分之一周期，即在相位上互差180°。由于降低了升压斩波电路中功率开关器件的容量，便于功率开关器件的选型、安装和散热；同时，在不增加升压电路功率开关器件开关频率的情况下，降低整流器输出电流和发电机定子电流纹波，发电机的附加损耗低，电磁转矩脉动小，振动噪音低，系统效率高。
附图说明
图1是本发明的系统构成与主电路原理示意图；
图2是图1中控制单元的构成框图；
图3是两个并联的升压斩波电路控制驱动信号形成原理示意图；
图4是两个并联的升压斩波电路功率开关管驱动信号的波形图；
图5是三相逆变器输出功率控制原理的示意框图。
其中：
1：第一升压斩波电路     2：第二升压斩波电路
3：数字信号处理器       4：模拟信号滤波放大电路
5：模拟信号滤波放大电路 6：PWM驱动信号放大隔离电路
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的直驱型永磁同步电机风力发电功率变换装置做出详细说明。
如图1所示，本发明的直驱型永磁同步电机风力发电功率变换装置，是由主电路和控制主电路的控制单元UC构成，所述的主电路包括有：风机TU，通过联轴器SC与风机TU同轴相连的永磁同步发电机PMSG(其感应电动势最好是平顶波)，与永磁同步发电机PMSG相连的二极管整流器UR，与二极管整流器UR相并联的升压斩波电路，与升压斩波电路相并联的滤波储能电容器C和三相逆变器UI，与三相逆变器UI相连的三相变压器或三相滤波储能电感TR，以及与三相变压器或三相滤波储能电感TR相连的断路器BR；所述的升压斩波电路是由电路结构完全相同的第一升压斩波电路1和第二升压斩波电路2构成，所述的第一升压斩波电路1的输入端与第二升压斩波电路2的输入端并联在一起，第一升压斩波电路1的输出端与第二升压斩波电路2的输出端并联在一起。
所述的控制单元UC包括有，通过电压传感器和电流传感器分别与第一升压斩波电路1和第二升压斩波电路2相连、接收其电流信号和电压信号的模拟信号滤波放大电路4；以及通过电压传感器和电流传感器与三相逆变器UI输出相连、接收其电流信号和电压信号的模拟信号滤波放大电路5；分别与模拟信号滤波放大电路4和模拟信号滤波放大电路5相连的含有模/数转换器、编写有特定的功率控制软件和PWM控制信号输出接口的数字信号处理器3，输入端与数字信号处理器3的PWM控制信号输出接口相连而输出端分别与第一升压斩波电路1和第二升压斩波电路2、三相逆变器UI相连的PWM驱动信号放大隔离电路6。其中，选用数字信号处理器的型号为TMS320LF2407，数字信号处理器内具有风机捕获最大风能控制算法实现软件和三相逆变器输出功率控制算法实现软件。
所述的第一升压斩波电路1和第二升压斩波电路2的构成是：电感L1/L2的一端连接二极管整流器UR的正输出端，另一端分别连接二极管D1/D2的阳极及功率开关管VT1/VT2的集电极(或漏极)，二极管D1/D2的阴极连接电容器C的一端；功率开关管VT1/VT2的发射极(或源极)接地，功率开关管VT1/VT2的基极(或栅极)连接控制单元UC的PWM驱动信号放大隔离电路6。
所述的第一升压斩波电路1中的功率开关管VT1和与其相并联的第二升压斩波电路2中的功率开关管VT2的PWM脉宽调制信号是由两个电流闭环控制生成的，在时间上互差二分之一周期，即在相位上互差180°。
由图1可见，风机TB的轴与永磁同步发电机PMSG的转子轴通过联轴器SC同轴联接，风机TB捕获风能驱动永磁同步发电机PMSG旋转。永磁同步发电机PMSG的定子绕组一般为三相绕组，也可以是多相绕组，由于它所带是大电感滤波的整流负载，定子电流是平顶波，因此，各相绕组的感应电动势波形为平顶波时最适合本发明的实施例，感应电动势波形为平顶波的发电机电磁转矩脉动小，效率高，发电机的力能指标高。永磁同步风力发电机输出电压的幅值和频率都随风速的变化而变化，幅值和频率不断变化的三相(或多相)电压经三相(或多相)二极管整流器整流成幅值也在随风速变化的直流电压Vin。整流器输出电压Vin经过两个并联工作的第一、第二升压斩波电路提升到幅值较高且基本恒定的逆变器直流母线电压Vdc。升压斩波电路输出端并联有滤波储能电容器和三相逆变器。滤波储能电容器在升压斩波电路和三相逆变器之间起到滤波和储能的作用，依靠它维持逆变器直流母线电压Vdc幅值较高且基本恒定，以保证三相逆变器逆变向工频电网输出的电能质量。三相逆变器的逆变输出经三相变压器(或三相滤波储能电感)和断路器输入到恒频恒压的工频电网。由于三相变压器原副边漏电感的存在，由其等效电路可知其输入与输出间有一个等效的电感，三相变压器同三相滤波储能电感一样在三相逆变器与工频电网之间起到一个储能、缓冲和滤波的作用，以保证三相逆变器逆变输出的电能质量，不过在一般情况下三相变压器同时还能起到升压的作用。工作中，两个并联工作的第一、第二升压斩波电路的控制以及三相逆变器逆变输出的控制需要协调配合，即随着风速的变化，不断地调整升压电路和三相逆变器各功率开关管的导通与关断状态，在为电网提供指定的无功功率的情况下维持逆变器直流母线电压Vdc基本恒定和系统能量平衡，即风机捕获的风能应该等于系统各部分的损耗能量和向电网逆变的电能之和，或者说风机捕获风能的瞬时功率应该等于系统各部分的损耗功率和向电网逆变的有功功率之和。控制两个并联的升压斩波电路中功率开关管导通与关断以调整两个升压斩波电路电流i1和i2，控制整流器输出电流iin，以达到控制发电机绕组电流，即控制发电机电磁转矩的目的，实现风机在不同风速下能够捕获最大风能。控制三相逆变器各功率开关管的导通与关断以控制三相逆变器向电网输送指定的无功功率和与风速有特定关系的有功功率，并维持逆变器直流母线电压Vdc基本恒定。
通过图3可以说明本发明中两个并联的第一、第二升压斩波电路中每只功率开关管驱动信号形成原理。由于永磁同步风力发电机的永磁磁场比较强，而且直轴磁路上的永磁体的相对磁导率接近于空气，直轴磁路磁阻较大，永磁磁场受电枢反应影响较小，发电机输出电压基本上与发电机的转子转速(即风机的转速)成正比，因此，整流器的输出电压Vin基本上与风机的转速成正比。在以数字信号处理器为核心控制单元内，通过电压传感器和电流传感器与升压斩波电路相连、接收电压传感器和电流传感器输出信号的模拟信号滤波放大电路，将整流器输出电压Vin和两个并联的升压斩波电路1、2的实际输入电流i1和i2送入数字信号处理器模/数转换输入接口，在数字信号处理器中得到Vin、i1和i2的数字值。然后在数字信号处理器内部依靠软件完成图3所示的全部控制。数字值i1和i2相加得到整流器输出电流iin由整流器输出电压Vin和电流iin的当前的以及历史的数值就可以估算出当前的风速、风机转速和捕获风能的瞬时功率，并且按照捕获最大风能控制规律决策出风机升速或降速的运动趋势，从而估算出两个并联的升压电路的电流参考值iref°电流参考值iref与第一升压斩波电路1的实际电流i1比较，其偏差分别经过电流调节器1调节，调节后送入PWM发生器1，形成控制第一升压斩波电路的功率开关管VT1导通与关断的PWM脉宽调制信号UVT1，构成一个电流闭环控制，控制实际电流i1跟踪其电流参考值iref°同理，电流参考值iref与第二升压斩波电路2的实际电流i2比较，其偏差分别经过电流调节器2调节，调节后送入PWM发生器2，形成控制第二升压斩波电路2的功率开关管VT2导通与关断的PWM脉宽调制信号UVT2，构成另一个电流闭环控制，控制实际电流i2跟踪其电流参考值iref。
同时，在生成UVT1和UVT2时，使UVT1与UVT2在时间上相差二分之一周期，在相位互差180°，它们之间的配合关系如图4所示。
本发明采用两个并联的升压斩波电路有两个目的：第一，与仅有一条并联升压斩波电路相比，降低了功率开关器件的容量，因为整流器输出电流iin被均分到两个并联的升压斩波电路中，每条并联升压斩波电路中的电感、二极管和开关功率管的容量降低，便于功率开关器件的选型、安装和散热；第二，通过将控制升压电路1、2中功率开关管VT1、VT2导通与关断的PWM脉宽调制信号UVT1、UVT2在时间上互差二分之一周期，即UVT1与UVT2在相位互差180°，它们间的配合关系如图3所示。这样可以使整流器输出电流iin的脉动周期是每条并联升压斩波电路中功率开关管开关周期的二分之一，整流器输出电流iin和永磁同步发电机定子电流纹波降低，发电机的附加损耗低，电磁转矩脉动小，振动噪音低，系统效率高。
同理，本发明的主电路还可以做进一步延伸，即所述的主电路中的升压斩波电路还可以是由大于等于2的N个相同的升压斩波电路相并联构成，N个并联升压斩波电路中的N个功率开关管的PWM脉宽调制信号是由N个电流闭环控制生成的，在时间上互差N分之一周期，即在相位上互差360°/N。
将多个(N个，N≥2)升压斩波电路的输入端和输出端分别并联在一起，构成多个并联的升压斩波电路。由数字信号处理器(DSP)将通过电流传感器实测得到的多个并联的升压斩波电路的实际电流i1，i2，…iN相加，得到整流器输出电流iin。由Vin和iin的当前的以及历史的数值就可以估算出当前的风速、风机转速和捕获风能的瞬时功率，并且按照捕获最大风能控制规律决策出风机升速或降速的运动趋势，从而估算出两个并联的升压电路的电流参考值iref。电流参考值iref与各个升压电路的实际电流i1、i2、…in分别构成N个各自电流闭环控制，分别生成控制各自升压电路中功率开关管导通与关断的PWM脉宽调制信号UVT1、UVT2、…UVTN，控制各自实际电流i1，i2，…iN跟踪其电流参考值iref。同时，将控制各个升压电路中功率开关管VT1、VT2、…VTN导通与关断的PWM脉宽调制信号UVT1、UVT2…UVTN依次在时间上相差1/N周期，即UVT1、UVT2…UVTN依次在相位相差360°/N。在不增加升压电路功率开关器件开关频率的情况下，降低整流器输出电流和发电机定子电流纹波，发电机的附加损耗低，电磁转矩脉动小，振动噪音低，系统效率高。
由图5可以说明本发明中三相逆变器输出功率控制原理。图5所示的全部控制也是在数字信号处理器内部依靠软件完成的。在以数字信号处理器为核心控制单元内，由数字信号处理器根据实测的整流器输出直流电压Vin、整流器输出电流iin、三相逆变器逆变器直流母线电压Vdc、三相逆变器输出线电流ia和ib、三相逆变器输出线电压vab和vbc以及电网要求系统提供的无功功率参考值Q*，按照为电网提供指定的无功功率的情况下维持逆变器直流母线电压Vdc基本恒定和系统能量平衡控制规律，生成驱动三相逆变器中所有功率开关管导通与关断的PWM脉宽调制信号，为电网提供高质量电能。

Claims (5)

1.一种直驱型永磁同步电机风力发电功率变换装置，是由主电路和控制主电路的控制单元(UC)构成，其特征在于，所述的主电路包括有：风机(TU)，通过联轴器(SC)与风机(TU)同轴相连的永磁同步发电机(PMSG)，与永磁同步发电机(PMSG)相连的二极管整流器(UR)，与二极管整流器(UR)相并联的升压斩波电路，与升压斩波电路相并联的滤波储能电容器C和三相逆变器(UI)，与三相逆变器(UI)相连的三相变压器或三相滤波储能电感(TR)，以及与三相变压器或三相滤波储能电感(TR)相连的断路器(BR)；所述的升压斩波电路是由电路结构完全相同的第一升压斩波电路(1)和第二升压斩波电路(2)构成，所述的第一升压斩波电路(1)和第二升压斩波电路(2)的输入端和输出端分别并联在一起。
2.根据权利要求1所述的直驱型永磁同步电机风力发电功率变换装置，其特征在于，所述的控制单元(UC)包括有，通过电压传感器和电流传感器分别与第一升压斩波电路(1)和第二升压斩波电路(2)相连、接收其电压信号和电流信号的模拟信号滤波放大电路(4)；以及通过电压传感器和电流传感器与三相逆变器(UI)输出相连、接收其电压信号和电流信号的模拟信号滤波放大电路(5)；分别与模拟信号滤波放大电路(4)和模拟信号滤波放大电路(5)相连的含有模/数转换器、编写有特定的功率控制软件和PWM控制信号输出接口的数字信号处理器(3)，输入端与数字信号处理器(3)的PWM控制信号输出接口相连而输出端分别与第一升压斩波电路(1)和第二升压斩波电路(2)、三相逆变器(UI)相连的PWM驱动信号放大隔离电路(6)。
3.根据权利要求1所述的直驱型永磁同步电机风力发电功率变换装置，其特征在于，所述的第一升压斩波电路(1)和第二升压斩波电路(2)的构成是：电感L1/L2的一端连接二极管整流器(UR)的正输出端，另一端分别连接二极管D1/D2的阳极及功率开关管VT1/VT2的集电极，二极管D1/D2的阴极连接电容器C的一端；功率开关管VT1/VT2的发射极接地，功率开关管VT1/VT2的基极连接控制单元(UC)的PWM驱动信号放大隔离电路(6)。
4.根据权利要求1所述的直驱型永磁同步电机风力发电功率变换装置，其特征在于，所述的驱动第一升压斩波电路(1)中的功率开关管VT1和第二升压斩波电路(2)中的功率开关管VT2的PWM脉宽调制信号是由两个电流闭环控制生成的，在时间上互差二分之一周期，即在相位上互差180°。
5.根据权利要求1所述的直驱型永磁同步电机风力发电功率变换装置，其特征在于，所述的主电路中的升压斩波电路还可以是由大于等于2的N个相同的升压斩波电路相并联构成，驱动N个并联升压斩波电路中的N个功率开关管的PWM脉宽调制信号是由N个电流闭环控制生成的，在时间上互差N分之一周期，即在相位上互差360°/N。
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