CN101299588B

CN101299588B - 三相双凸极永磁风力发电机系统及其控制方法

Info

Publication number: CN101299588B
Application number: CN2008101227498A
Authority: CN
Inventors: 郝鸿彬; 张建忠; 程明
Original assignee: Steam-Power Equipment Manufacture Co Ltd Jiangsu; Southeast University
Current assignee: Steam-Power Equipment Manufacture Co Ltd Jiangsu; Southeast University
Priority date: 2008-06-27
Filing date: 2008-06-27
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2028-06-27
Also published as: CN101299588A

Abstract

本发明涉及一种三相双凸极永磁风力发电机的可变速风力发电系统及其控制方法，包括风力机和三相双凸极永磁发电机，以及两个PWM功率变换器和控制器，在系统中：风力机与双凸极永磁发电机的转动轴连接，双凸极永磁发电机的定子电枢绕组端子与发电机侧PWM功率变换器连接，网侧PWM功率变换器的交流侧与电网连接，两个PWM功率变换器采用背靠背连接；发电机侧PWM功率变换器的控制器电路包括：电流传感器、旋转编码器和含有SVPWM发生器的控制器，控制器的输入端与电流传感器、旋转编码器相连接，并由SVPWM发生器输出信号控制PWM功率变换器。

Description

三相双凸极永磁风力发电机系统及其控制方法

技术领域

本发明是关于一种双凸极永磁风力发电机系统及其控制方法的技术，属于发电机控制的技术领域。

背景技术

风能是一种洁净的可再生能源，大力发展包括风力发电在内的可再生能源发电技术是解决全球能源和资源紧张的最佳选择。风力发电机组可以按照运行方式分为定速运行和变速运行两大类，由于变速风力发电机组可比定速风力发电机组捕获更多的风能并减小了传动系统的冲击载荷，目前在世界范围内获得了更加广泛的应用，针对变速风力发电机组可采用多种形式的发电机，例如双馈异步发电机、永磁同步发电机，对可变速双馈异步风力发电系统来说，由于双馈异步发电机的运行转速较高，因此在风力机和双馈异步发电机之间需要采用增速齿轮箱，从而增加了传动系统的损耗和降低了系统可靠性；永磁同步风力发电系统可实现风力发电机的直接驱动，简化了传动轴的结构，提高了效率，同时，永磁同步发电机采用稀土永磁材料为提供发电机所需的工作磁场，有效地提高了发电机的效率，但是，永磁同步发电机的永磁体位于转子上，使得转子结构复杂、永磁体散热条件差，而永磁同步发电机的定子绕组采用了分布绕组，其绕组端部较长，材料利用率低、损耗大。

将永磁体和开关磁阻电机相结合产生了双凸极永磁电机，它一方面保留了大部分开关磁阻电机的优点，同时克服了开关磁阻电机功率密度低、效率低和功率因数低的缺点，和永磁同步发电机相比，双凸极永磁发电机最明显的特点是永磁体和电枢绕组均位于定子侧，具有和开关磁阻电机相同的简单的凸极转子和集中式的定子绕组，因此双凸极永磁发电机兼具永磁电机和磁阻电机的各自优点。电机的功率密度高、效率高，定、转子为双凸极结构，转子上既无绕组也无永磁、电刷，结构简单、牢固，高速运行性能好；定子齿上安放集中绕组，绕组的端部短，节省铜导体，损耗小，效率高。

由于双凸极永磁电机具有上述优势，已经引起业内人士的重视，并逐渐扩大其应用的场合。风能虽然是一种洁净的可再生能源，但其变化无常，在利用风能作为驱动双凸极永磁电机的动力时，尤其是将其与电网沟通形成完整的系统时实现自动控制装置以及实现自动控制的方法，未见报道。

发明内容

本发明的目的在于：针对风能波动性大，双凸极永磁电机的输出难于控制的实际问题，提供一种含有自动控制装置的双凸极永磁风力发电机系统及其控制方法。

本发明的目的是这样实现的：一种采用双凸极永磁风力发电机的可变速风力发电系统，包括风力机和双凸极永磁发电机，其特征在于：还包括两个PWM(Pulse Width Modulation)功率变换器和控制器，在系统中：风力机与双凸极永磁发电机的转动轴连接，双凸极永磁发电机的定子电枢绕组端子与发电机侧PWM功率变换器连接，网侧PWM功率变换器的交流侧与电网连接，两个PWM功率变换器采用背靠背连接；发电机侧PWM功率变换器的控制器电路包括：电流传感器、旋转编码器和含有SVPWM发生器的控制器，控制器的输入端分别与电流传感器和旋转编码器相连接，控制器由SVPWM发生器输出信号与PWM功率变换器相连接。

在本发明中：所述的发电机侧PWM功率变换器的控制器电路中还含有最大风能跟踪模块MPPT、最大效率控制/最大转矩控制模块和电流控制模块，输入端由旋转编码器获得转速信号经MPPT形成转矩控制信号T_g ^*，转矩控制信号输入最大效率控制/最大转矩控制模块，最大效率控制/最大转矩控制模块输出的交轴电流给定信号i_q ^*和直轴电流给定信号i_d ^*输入电流控制模块；由电流传感器获得的电流测量信号i_a和i_b经矢量变换转换为交、直轴电流测量信号i_d和i_q输入电流控制模块；由电流控制器模块产生调制信号u_d ^*和u_q ^*输入SVPWM发生器，SVPWM发生器输出信号与PWM功率变换器相连接。

在本发明中：电流控制模块采用了前馈解耦结构，电流控制模块中具有两个传统的PI调节器。

一种上述双凸极永磁风力发电机系统的控制方法，其特征在于：当输入风速较低时，发电机侧PWM功率变换器控制的输出电流处在电流限制圆之内，输出的交直轴电流的轨迹与最大效率曲线重合，此时，控制器工作于最大效率控制模式下；当风速不断增加，输出电流达到最大效率曲线与电流限制圆的交汇点，此时控制电流不再继续增加；当风速继续增加，控制器将切换到最大转矩控制模式，输出的交直轴电流的轨迹将沿电流限制圆周向最大转矩曲线交汇点延伸，最终将在该交汇点稳定运行；反之，输出的交直轴电流的轨迹将逆向位移。

本发明的优点在于：由于利用风能作为驱动双凸极永磁电机的动力，既保留了风力发电对环境没有污染的优势，又发挥了双凸极永磁电机传动轴和转子结构简单，效率高、功率密度高的优点；由于双凸极永磁风力发电机系统中采用了双PWM功率变换器和控制器，消除或减小了风力对双凸极永磁风力发电机输出功率的影响，确保采用双凸极永磁风力发电机后，整个电网系统的正常运行；由于控制器中采用发电机侧PWM功率变换器的控制器电路包括：电流传感器、旋转编码器和含有SVPWM发生器的控制器实现变速调节，电路简单，控制灵活。

附图说明

图1是双凸极永磁风力发电系统框图；

图2是发电机侧的控制系统框图；

图3是电流控制模块的内部结构示意图；

图4是双凸极永磁风力发电机的纵截面图；

图5是双凸极永磁风力发电系统的电流矢量轨迹。

图中：1、风力机，2、双凸极永磁发电机，3、PWM功率变换器，4、控制器，5、电流传感器，6、旋转编码器，7、外转子，8、内定子，9、永磁体，10、电枢绕组，11、电流限制圆，12、最大效率曲线，13、最大转矩曲线。

具体实施方式

附图非限制性地公开了本发明实施例的具体结构，下面结合附图对本发明作进一步说明。

由图1可见，双凸极永磁风力发电机系统包括：风力机1，双凸极永磁发电机2，PWM功率变换器3。其具体的连接方式是：风力机1与双凸极永磁发电机2的转动轴连接，双凸极永磁发电机的定子电枢绕组端子与发电机侧PWM功率变换器连接，网侧PWM功率变换器的交流侧与电网连接，两个PWM功率变换器采用背靠背连接。

由图2可见：发电机侧PWM功率变换器的控制器电路包括：电流传感器5、旋转编码器6以及含有最大风能跟踪模块MPPT、最大效率控制/最大转矩控制模块、电流控制模块和SVPWM发生器的控制器。控制器的输入端分别与电流传感器和旋转编码器相连接，控制器由SVPWM发生器输出信号与PWM功率变换器相连接。

工作时，控制器的输入端由旋转编码器获得转速信号经MPPT形成转矩控制信号T_g ^*，转矩控制信号输入最大效率控制/最大转矩控制模块，最大效率控制/最大转矩控制模块输出的交轴电流给定信号i_q ^*和直轴电流给定信号i_d ^*输入电流控制模块；由电流传感器获得的电流测量信号i_a和i_b经矢量变换转换为交、直轴电流测量信号i_d和i_q输入电流控制模块；由电流控制器模块产生调制信号u_d ^*和u_q ^*输入SVPWM发生器，SVPWM发生器输出信号与PWM功率变换器相连接。

由图3可见：控制器中的电流控制模块采用了前馈解耦结构，电流控制模块中具有两个传统的PI调节器。

由图4可见，双凸极永磁发电机主要包括：外转子7，内定子8，永磁体9，电枢绕组10。具体实施时，双凸极永磁发电机也可以采用内转子结构，相比较而言，外转子结构的双凸极永磁发电机的材料利用率更高。

由图5可见，双凸极永磁风力发电系统的电流矢量轨迹在交轴电流i_d和直轴电流i_q坐标系中，包括电流限制圆11、最大效率曲线12和最大转矩曲线13，它们表示了上述控制系统在不同控制模式下的电流工作点变化情况，工作中，双凸极永磁发电机的电流通过矢量分解为交轴电流i_d和直轴电流i_q两部分其中：

在低风速时，双凸极永磁发电机的电流在电流限制圆内部，控制器工作在最大效率模式下，此时交、直轴电流的轨迹与最大效率曲线12重合。双凸极永磁发电机的损耗主要包括铜耗和铁耗，要使双凸极永磁发电机的效率最大，就需要使铜耗和铁耗之和最小。双凸极永磁发电机的铜耗表达式为

W_c＝R_a(i_d ²+i_q ²)

其中R_a为电枢绕组电阻；若保持发电机转矩分量交轴电流i_q不变，则直轴电流i_d等于零时的铜耗最小，但是我们可以通过调节交、直轴电流使得双凸极永磁发电机的定子磁链ψ最小，从而得到最小的铁耗，定子磁链的表达式为

ψ = \sqrt{{(L_{d} i_{d} + ψ_{pm})}^{2} + {(L_{q} i_{q})}^{2}}

其中L_d和L_q分别为双凸极永磁发电机的直轴和交轴电感分量，ψ_pm为双凸极永磁发电机永磁磁链；因此，根据双凸极永磁发电机铜耗和铁耗之和为最小的最大效率工作模式，可以得到最大效率工作模式的交轴和直轴电流控制信号分别为

\{\begin{matrix} i_{d}^{*} = K_{3} (ω) \times {(T_{g}^{*})}^{3} + K_{2} (ω) \times {(T_{g}^{*})}^{2} + K_{1} (ω) \times (T_{g}^{*}) + K_{0} (ω) \\ i_{q}^{*} = \frac{T_{g}^{*}}{ψ_{pm} + (L_{d} - L_{q}) i_{d}^{*}} \end{matrix}

上式即为最大效率控制的核心算法。

当风速增加时发电机的负载和输出电流也将随之增加，那么在某个风速条件下，双凸极永磁发电机的电流将达到电流限制圆的极限而不能再继续增加，控制器将切换系统工作模式从最大效率曲线至最大转矩模式，电流轨迹沿着电流限制圆从A点向B点运行，最后在最大转矩曲线和电流限制圆的交点B点稳定运行。最大转矩控制的输出量控制算法为

T_{g}^{*} = p_{r} [i_{q}^{*} ψ_{pm} + (L_{d} - L_{q}) i_{d}^{*} i_{q}^{*}]

控制器4中MPPT控制模块的输出量T_g ^*由双凸极永磁发电机的转速确定，具有如下关系式

T_{g}^{*} = K_{opt} {ω_{g}}^{2}

式中K_opt为和风力机有关的特性参数。

Claims

1.一种三相双凸极永磁风力发电机的可变速风力发电系统，包括风力机和三相永磁发电机，以及分别设置在发电机侧和网侧的两个PWM功率变换器和其相应的控制器电路，风力机与三相永磁发电机的转动轴连接，三相永磁发电机的定子电枢绕组端子与发电机侧PWM功率变换器连接，网侧PWM功率变换器的交流侧与电网连接，两个PWM功率变换器采用背靠背连接，其特征在于：

所述的三相永磁发电机为双凸极永磁发电机；

发电机侧PWM功率变换器的控制器电路包括：电流传感器、旋转编码器以及含有最大风能跟踪模块MPPT、最大效率控制/最大转矩控制模块、电流控制模块和SVPWM发生器的控制器，控制器的输入端分别与电流传感器和旋转编码器相连接，控制器由SVPWM发生器输出信号与PWM功率变换器相连接；

控制器的输入端由旋转编码器获得转速信号经MPPT形成转矩控制信号T_g ^*，转矩控制信号输入最大效率控制/最大转矩控制模块，最大效率控制/最大转矩控制模块输出的交轴电流给定信号i_q ^*和直轴电流给定信号i_d ^*输入电流控制模块；由电流传感器获得的发电机A、B两相的电流测量信号i_a和i_b经矢量变换转换为交、直轴电流测量信号i_d和i_q输入电流控制模块；由电流控制模块产生调制信号u_d ^*和u_q ^*输入SVPWM发生器，SVPWM发生器输出信号与PWM功率变换器相连接。

2.根据权利要求1所述的三相双凸极永磁风力发电机的可变速风力发电系统，其特征在于：电流控制模块采用了前馈解耦结构，电流控制模块中具有两个传统的PI调节器。

3.一种如权利要求1或2所述的三相双凸极永磁风力发电机的可变速风力发电系统的控制方法，其特征在于：在交轴电流和直轴电流坐标系中，当输入风速较低时，发电机侧PWM功率变换器控制的发电机输出电流处在电流限制圆之内，输出电流的轨迹与最大效率曲线重合，此时，控制器工作于最大效率控制模式下，当风速增加时发电机的输出电流也随之增加；当风速不断增加，达到某个风速时，输出电流达到最大效率曲线与电流限制圆的交汇点，此时输出电流不再继续增加；当风速继续增加，控制器将切换到最大转矩控制模式，输出电流的轨迹将沿电流限制圆向最大转矩曲线与电流限制圆的交汇点延伸，最终将在该交汇点稳定运行；反之，输出电流的轨迹将逆向位移。