CN101764491B - 兆瓦级无电刷滑环双馈风力发电机/电动机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种兆瓦级无刷双馈风力发电机/电动机，包括定子、转子和双向整流逆变器，其中定子上有两套独立的正弦分布绕组，极数分别为2p和2q，2p定子绕组作为主功率绕组，与电网直接连接，2q定子绕组作为功率控制绕组，通过双向整流逆变器与电网或外电路连接。本兆瓦级无刷双馈风力发电机/电动机具有极好的适应性，既可设计为直驱式风力发电系统，也可以设计为带一级或多级增速齿轮箱的风力发电系统。该风力发电机/电动机结构简单，因此可靠性大大提高、运行维修成本大大降低。

Description

兆瓦级无电刷滑环双馈风力发电机/电动机及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种兆瓦级、无电刷滑环的双馈风力发电机/电动机(以下简称为兆瓦级无刷双馈电机)，同时也涉及该兆瓦级无刷双馈电机作为不同电机系统使用的控制方法，属于电机及其控制技术领域。

背景技术

近年来，风力发电作为可再生的清洁能源受到世界各国政府、能源界和环保界的高度重视。地球上风力资源蕴藏量大，利用风力发电清洁无污染，施工周期短，投资灵活，占地少，具有较好的经济效益和社会效益。

据有关研究机构统计，目前风力发电量约占世界总电量的0.7％，预计到2020年风力发电量比重可升至12％。由于风电成本持续下降，需求上升，预计在2020年前，全球风电装机可维持年均约20％的高速增长。因此，国际风力发电设备制造业及相关领域的市场前景十分广阔。

在风力发电中，由于风速变幻莫测，使对其的利用存在一定的困难。所以改善风力发电技术，提高风力发电机组的效率，最充分地利用风能资源，有着十分重要的意义。

目前，国际上流行的兆瓦(MW)级风力发电系统(风电机组)采用的发电机主要有以下几种类型：

1.带齿轮箱、双馈异步风力发电机系统

带齿轮箱、双馈异步风力发电机用增速齿轮将很低的风机转速(20rpm左右)变换成较高的电机运行速度(1500rpm)。其优点是电机体积较小，整流逆变器的容量较低，不需要全功率整流逆变器。其明显缺点是电机的转子上带有电刷和滑环，使系统的故障率和制造维修成本大大增加。加之齿轮箱变速比高，因而复杂庞大，磨损和漏油，系统的运行可靠性大大降低。

2.直驱式电励磁同步发电机系统

直驱式电励磁同步发电机，由于直接驱动而不需要齿轮箱，一定程度上提高了系统运行的可靠性，但电机转子需要外部的励磁供电，因而电机仍带有电刷和滑环，降低了系统运行的可靠性；同时，电机转子运行于较低转速，电机的极数增多，体积变得很大。更重要的是系统需要全功率的整流逆变器。与双馈异步发电机相比，整流逆变器的容量大大增加，导致建造、运行和维修成本明显增加。

3.直驱式永磁同步发电机系统

针对带齿轮箱、双馈异步风力发电机系统的明显缺点而发展的直驱式永磁同步发电机，由于直接驱动即不需要齿轮箱，也不需要电刷和滑环，因而大大提高了系统运行的可靠性，但电机运行于低转速，电机的极数增多，体积变得很大，而且也需要全功率的整流逆变器，更重要的是在运行中可能出现永磁体失磁的危险，导致整个发电机的报废，另外由于永磁体励磁，不能实现有功功率和无功功率的灵活控制。与双馈异步发电机相比，整流逆变器的容量大大增加，永磁体的制造安装复杂，且会出现失磁，因而导致系统的建造、运行和维修成本明显增加。

发明内容

鉴于现有兆瓦级风力发电系统所存在的缺陷，本发明的首要目的在于提供一种新型的兆瓦级无电刷滑环双馈风力发电机/电动机。该兆瓦级无刷双馈电机兼有直驱式永磁同步发电系统和双馈异步风力发电系统二者的优点，同时还避免了两个系统各自的缺点，是一种两全其美的风力发电系统。

本发明的另外一个目的是提供使上述兆瓦级无电刷滑环双馈风力发电机/电动机作为不同电机系统使用的多种控制方法。

为实现上述的目的，本发明采用下述的技术方案：

一种使兆瓦级无电刷滑环双馈风力发电机/电动机作为实现最大风能追踪控制的发电机运行的控制方法，所述兆瓦级无电刷滑环双馈风力发电机/电动机的磁通分布方向为径向磁通分布，其中转子由若干相同结构的磁阻型模块组成圆柱或圆筒，所述磁阻型模块由磁导层和磁障层交替组合构成，其中：

所述控制方法分为两路控制流程，其中第一路控制流程包括五个控制步骤：第一步是根据风轮机的空气动力学特性，按实测风速得到相应的最大有功功率指令P*，由电机运行理论确定最优的激磁功率指令Q₂*；第二步是根据这两个指令量并通过电流指令器处理，得到机侧有功电流指令i_q2*和激磁电流指令i_d2*；第三步是再由这两个电流指令跟反馈的实测电流i_q2和i_d2相比较，以电流差值通过电流控制器得到机侧有功电压指令V_q2*和无功电压指令V_d2*；第四步是输入机侧电流矢量相位角度，并以此为依据，将V_q2*和V_d2*转换成机侧电压矢量指令V₂*；第五步是把机侧电压矢量指令V₂*输入到空间电压矢量PWM指令器产生相应的开关信号以便控制机侧逆变器；

第二路控制流程采用双闭环控制，第一环为直流母线电压控制环，第二环为电流控制环；第一环和第二环中包括五个控制步骤；第一步将直流母线电压指令V_dc*与反馈值V_dc相比较，以直流母线电压差值通过直流母线电压控制器得到网侧有功电流指令i_q1*；第二步根据网侧功率因素指令P.F.并通过无功功率指令器得到网侧无功电流指令i_d1*；第三步再由这两个指令跟实测的网侧有功电流i_q1和无功电流i_d1相比较，以电流差值通过电流控制器得到网侧有功电压指令V_q1*和无功电压指令V_d1*；第四步根据输入的电机定子磁通相位角度θ₁并通过电压矢量指令器将V_q1*和V_d1*转换成网侧电压矢量指令V₁*；第五步是把网侧电压矢量指令V₁*输入到空间电压矢量PWM指令器产生相应的开关信号控制网侧逆变器。

或者，一种使兆瓦级无电刷滑环双馈风力发电机/电动机作为变速恒频电动机运行的控制方法，所述兆瓦级无电刷滑环双馈风力发电机/电动机的磁通分布方向为径向磁通分布，其中转子由若干相同结构的磁阻型模块组成圆柱或圆筒，所述磁阻型模块由磁导层和磁障层交替组合构成，其中：

所述控制方法分为两路控制流程，其中第一路控制流程包括五个控制步骤：第一步，在外环中，转子速度指令ω_r*与实测转子速度ω_r相比较，其差值通过速度控制器得到转矩指令T_e*，第二步再通过转矩指令器得到机侧功控绕组有功电流指令i_q2*；同时通过最佳指令器由转矩指令T_e*，推算出功控绕组电流最佳的功角控制指令θ₂*；再由激磁指令器得到激磁电流指令i_d2*；第三步进入内环即电流控制环，由这两个指令跟实测的机侧有功电流i_q2和激磁电流i_d2相比较，其差值通过控制绕组电流调节器得到机侧有功电压指令V_q2*和无功电压指令V_d2*；第四步根据输入的电网电压角度θ₁并通过电压矢量指令器得到机侧电压矢量指令V₂*，第五步：把机侧电压矢量指令V₂*输入到空间电压矢量PWM指令器产生相应的开关信号以控制机侧逆变器；

第二路控制流程采用双闭环控制，第一环为直流母线电压控制环，第二环为电流控制环；第一环和第二环中包括有五个控制步骤；第一步，在直流母线电压控制环中，直流母线电压指令V_dc*与实测反馈值V_dc相比较，其差值通过直流母线电压控制器得到网侧有功电流指令i_q1*；第二步，根据网侧功率因素指令P.F.通过无功功率指令器得到网侧无功电流指令i_d1*；第三步再由这两个指令跟反馈的实测网侧有功电流i_q1和无功电流i_d1相比较，其差值通过电流控制器得到网侧有功电压指令V_q1*和无功电压指令V_d1*；第四步根据输入的电网电压角度θ₁并通过电压矢量指令器将V_q1*和V_d1*转换成网侧电压矢量指令V₁*；第五步是把网侧电压矢量指令V₁*输入到空间电压矢量PWM指令器产生相应的开关信号控制网侧逆变器。

或者，一种使兆瓦级无电刷滑环双馈风力发电机/电动机作为变速恒频发电机运行的控制方法，所述兆瓦级无电刷滑环双馈风力发电机/电动机的磁通分布方向为径向磁通分布，其中转子由若干相同结构的磁阻型模块组成圆柱或圆筒，所述磁阻型模块由磁导层和磁障层交替组合构成，其中：

所述控制方法采用三个闭环控制，第一环为有功功率控制环，第二环为直流母线电压控制环，第三环为电流控制环；

控制流程包括有五个控制步骤：第一步，在直流母线电压控制环中，根据风轮机的空气动力学特性，由实测风速得到相应的最大有功功率指令P*，与反馈有功功率P相比较，其差值通过有功功率控制器得到直流母线电压指令V_dc*；第二步，将直流母线电压指令V_dc*与实测反馈值V_dc相比较，其差值通过直流母线电压控制器得到网侧有功电流指令i_q1*；第三步，根据网侧功率因素指令P.F.通过无功功率指令器得到网侧无功电流指令i_d1*；第四步，由两个指令i_q1*和i_d1*与实测网侧有功电流i_q1和无功电流i_d1相比较，其差值通过电流控制器得到网侧有功电压指令V_q1*和无功电压指令V_d1*；并根据输入的电网电压角度θ₁得到网侧电压矢量指令V₁*，第五步是把网侧电压矢量指令V₁*输入到空间电压矢量PWM指令器产生相应的开关信号控制网侧逆变器。

本发明所提供的兆瓦级无刷双馈电机具有极好的适应性，既可设计为直驱式风力发电系统，也可以设计为带一级或多级增速齿轮箱的风力发电系统。该兆瓦级无刷双馈电机结构简单，因此可靠性大大提高、运行维修成本大大降低。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

图1为本兆瓦级无刷双馈电机工作时的系统结构示意图；

图2为本兆瓦级无刷双馈电机的定子和转子的分解结构示意图；

图3为内置转子式的兆瓦级无刷双馈电机的结构示意图；

图4为外置转子式的兆瓦级无刷双馈电机的结构示意图；

图5为内置转子中，磁阻模块示意图；

图6为内置定子的结构示意图；

图7为外置定子的结构示意图；

图8为轴向磁通分布电机结构示意图；

图9为轴向磁通分布电机转子结构示意图；

图10为轴向磁通分布电机转子中的磁阻模块示意图；

图11为轴向磁通分布电机定子结构示意图；

图12为本兆瓦级无刷双馈电机采用逆变器-逆变器交流电网联接型的示意图；

图13为本兆瓦级无刷双馈电机采用整流器-逆变器交流电网联接型的示意图；

图14为本兆瓦级无刷双馈电机作为实现最大风能追踪控制的发电机运行的控制流程图；

图15为本兆瓦级无刷双馈电机作为变速恒频电动机系统运行的控制流程图；

图16为本兆瓦级无刷双馈电机进行超同步运行的控制流程图；

图17为本兆瓦级无刷双馈电机进行矢量控制的流程示意图。

具体实施方式

本发明所提供的兆瓦级无刷双馈电机如图1和图2所示，包括定子、转子和双向整流逆变器，其中定子上有两套独立的正弦分布绕组，极数分别为2p和2q，转子极数为2p_r，其中的p、q和p_r都为正整数。2p定子绕组作为主功率绕组，与电网直接连接。2q定子绕组作为功率控制绕组，通过AC/DC/AC双向整流逆变器与电网或外电路连接。上述2p定子绕组和2q定子绕组为多相对称绕组。转子为磁阻调制型转子，直接或通过齿轮箱间接与风机风轮建立机械连接。风轮通过齿轮箱内齿轮的传动带动转子旋转，从而改变双定子绕组的磁链以产生电能。

需要说明的是，图1中的齿轮箱并不是本兆瓦级无刷双馈电机所必备的。当兆瓦级无刷双馈电机安装齿轮箱时，该系统可以成为低变速比的半直接驱动风力发电系统，也可以成为高变速比的双馈风力发电系统；当兆瓦级无刷双馈电机不安装齿轮箱时，该系统即为直接驱动风力发电系统。

在本兆瓦级无刷双馈电机中，就磁通分布方向而言有径向和轴向磁通结构两种。径向磁通分布方向表示磁通是以与转轴垂直的方向辐射，并在辐射的平面上形成磁通的闭合回路。轴向磁通方向表示磁通的方向与转轴平行，并在与转轴平行的圆柱面上形成磁通的闭合回路。下面分别进行说明。

对于径向磁通分布的电机，其机械转动方式有图3所示的内置转子式和图4所示的外置转子式两种结构形式。

在径向磁通分布的电机结构中，内置转子式电机结构包括外置的圆筒形定子及内置的圆柱形转子；外置转子式电机结构包括外置的圆筒形转子及内置的圆柱形定子。定、转子的机械轴心重合且两者之间的空间形成气隙。定、转子间的气隙传递电磁扭矩以实现此电机发电或电动机的功能。

内置或外置的转子由若干相同结构的磁阻型模块组成，其中磁阻型模块数量p_r由下列公式决定：

p_r=p+q   (1)

式(1)中p和q分别为定子两绕组的极对数，p_r通常在3～200之间的整数中选取，且无奇偶数限制。

每个磁阻型模块主要由磁导层和磁障层交替组合构成，如图5所示，其中磁导层由软磁材料构成，磁障层由非导电导磁性材料构成。

在实际实施时，磁导层可以由双面绝缘的电工硅钢片冲制，叠合压制而成。为了满足机械强度的需要，不同磁导层之间允许保留有不影响磁阻性能的联结筋。磁障层则由不同磁导层之间的气隙空间形成。待磁导层由电工硅钢冲片叠压成型后，不同磁导层之间的空间可以用不导电的非磁性材料填充以满足导热和机械强度的需要。各种高强度塑料，碳纤维或其他非磁性不导电材料可选为填充及结构材料。

内置的转子由磁阻型模块拼装成圆柱形后，需要在转子圆柱的两端安装机械加强套以防止转动离心力导致转子模块松散，加强套材料可用非磁性金属等制成。外置的转子由磁阻型模块拼装成圆筒形后，需要在外壁安装机械加强套以防止转动离心力导致转子模块松散。外壁套材料可用非磁性金属和其他非导磁绑紥材料制成。

如图6和图7所示，内置或外置定子由定子铁芯和双定子绕组构成。定子铁芯由基于双面绝缘电工硅钢片的定子冲片叠压而成。沿每一定子冲片的外圆或内圆冲制均匀分布的齿槽。

定子齿为导磁作用而制作，而定子槽为安放双定子绕组而制作。定子绕组可以为两相、三相或其他对称多相绕组。定子双绕组之一的主功率绕组，其电流和电压较高，在运行中与电网直接相联，成为双馈电机的第一馈电端口。定子双绕组之二的功率控制绕组，其电流和电压较低，在运行中通过双向功率流电力电子逆变器或其他连接方法与电网间接相联，成为双馈电机的第二馈电端口。

定子上的两套绕组，其极对数各不相同。若实现兆瓦级无刷双馈电机的等效总极对数为p_r，只需挑选p和q满足方程p_r＝p+q。由此方程可知，当p_r>3时，此方程为多解方程。

经分析可知，本无刷双馈电机的转子转速n_r与两定子绕组中电流的频率f_p和f_q有固定的关系：

可见，当电网频率f_p固定时，调节2q定子绕组电流频率f_q，就可以使无刷双馈风力发电机在变速情况下获取最大风能。并且采用适当的控制方法，通过双向整流逆变器调节2q定子绕组中电流(或电压)的频率、大小和相位，不仅可以发出恒频恒压的电能，而且还能实现有功功率和无功功率的灵活调节，提高发电系统的效率。

无论是采用内置转子或外置转子的结构形式，本电机的电磁结构都可制作成多重复式电机的基本单元模块，基本单元模块在径向平面内均匀分布，从而建造更多极数的超低速兆瓦级无刷双馈电机。例如一个240极的电机只需将一个8极电机作为基本单元模块，在多重复式电机的圆周范围内重复30次，即可得到一个240极的兆瓦级无刷双馈电机，由此而产生的30个单元主功率电路和控制电路也可根据应用需要进行灵活的串联、并联或串-并联的连接。

在轴向磁通分布的电机结构中，如图8所示，其定子和转子可沿着磁通方向制成双面定子和单面转子的结构，即两个转子和一个定子相间排列；定子与转子的机械轴心重合，且双面定子与单面转子之间的空间分别形成两个气隙。定转子间气隙传递电磁扭矩以实现此电机发电或电动机的功能。

单面转子由若干相同结构的磁阻型模块组成圆筒，如图9所示。每个磁阻型模块主要由磁导层和磁障层交替组合构成，如图10所示，其中磁导层由软磁材料构成，磁障层由非导电导磁性材料构成。

双面定子由定子铁芯和双定子绕组构成。定子铁芯由基于双面绝缘电工硅钢片的定子冲片叠压而成，如图11所示，与转子相对的两定子面分别冲制均匀分布的齿槽。定子齿为导磁作用而制作，而定子槽为安放双定子绕组而制作。定子绕组可以为两相、三相或其他对称多相绕组。定子双绕组之一的主功率绕组，其电流和电压较高，在运行中与电网直接相联，成为双馈电机的第一馈电端口。定子双绕组之二的功率控制绕组，其电流和电压较低，在运行中通过双向功率流电力电子逆变器或其他连接方法与电网间接相联，成为双馈电机的第二馈电端口。

在轴向磁通分布的兆瓦级无刷双馈电机中，其两定子绕组极数2p和2q与磁阻转子极数2p_r之间的约束关系，以及电机转速n_r与两定子绕组电流频率fp和fq之间的约束关系，与径向磁通分布的兆瓦级无刷双馈电机中的约束关系一致。

对于轴向磁通分布的结构形式，电机的电磁结构也可以发展成多重复式电机的基本单元模块，这些基本单元模块在轴向级联，从而可以建造更高功率的兆瓦级无刷双馈电机。由此而产生的各单元主功率电路和控制电路可根据应用需要进行灵活的串联、并联或串-并联的连接。

本兆瓦级无刷双馈电机可以有两种电网连接方式。如图12所示，第一种电网连接方式为：定子主功率绕组(2p定子绕组)直接与电网连接，定子功率控制绕组(2q定子绕组)通过逆变器-逆变器交流电网联接型。如图13所示，第二种电网连接方式为：定子主功率绕组(2p定子绕组)直接与电网连接，定子功率控制绕组(2q定子绕组)通过整流器-逆变器交流电网联接型。

该兆瓦级无刷双馈电机可以通过多种控制方式实现不同的功能，例如通过给功率控制绕组适当的控制指令，该风力发电机/电动机系统即可实现无刷双馈式变速恒频发电，也可实现变速恒频电动机运行。改变定子双绕组的连接方式，此兆瓦级无刷双馈电机还可以与直流电网连接实现直流电网下的无刷双馈运行。下面，对多种控制方式展开详细的说明。

(A)控制方式一：兆瓦级无刷双馈电机作为实现最大风能追踪控制的发电机运行

当此电机作为变速恒频交流发电系统运行时，采用图12所示的电网连接方式，可对此系统作变速恒频发电的P-Q功率型控制。如图12所示，电机的定子主功率绕组直接接入电网，定子功率控制绕组接背靠背的变流逆变器，再经电感接入电网，即采用上述第一电网连接方式。通过背靠背的变流逆变器控制可以实现功控绕组侧功率的双向流动，电机可以分别运行在亚同步、同步和超同步状态。当兆瓦级无刷双馈电机作发电机运行并处于亚同步状态，功控绕组从电网吸收能量；在同步状态，电机作同步机运行，变流器仅向功控绕组提供直流励磁；在超同步状态，功控绕组向电网输出能量。

系统控制流程图如图14所示，其中：P*为有功功率指令，Q₂*为机侧无功功率指令，P.F.为网侧功率因素指令，i_q2*、i_d2*为机侧有功电流和激磁电流指令，i_q2、i_d2为机侧实测有功电流和实测激磁电流，i_q1*、i_d1*分别为网侧有功电流和无功电流指令，i_q1、i_d1分别为网侧实测有功电流和无功电流，θ₂为机侧电流矢量相位角度，θ₁为电机定子磁通相位角度，V₂*、V₁*分别为机侧和网侧电压矢量指令。

上述的最大风能追踪控制流程是指兆瓦级无刷双馈电机在并网后作发电机运行时，为了追踪最大风能所实施的一种矢量控制策略。控制流程分为两路：第一路控制流程为机侧逆变器提供控制信号：通过基于电机定子磁链定向的功率解耦控制，实现兆瓦级无刷双馈电机发出与所测风速一致的最佳有功功率；第二路控制流程为网侧逆变器提供控制信号：通过基于电网电压定向的矢量控制稳定直流母线电压，同时提供适量无功功率使兆瓦级无刷双馈电机整机对电网的无功功率达到最佳状态。控制流程详细解释如下。

第一路控制流程包括有五个主要的控制步骤：第一步是根据风轮机的空气动力学特性，按实测风速得到相应的最大有功功率指令P*，由兆瓦级无刷双馈电机的运行理论确定最优的激磁功率指令Q₂*。第二步是根据这两个指令量并通过电流指令器处理，得到机侧有功电流指令i_q2*和激磁电流指令i_d2*。第三步是再由这两个电流指令跟反馈的实测电流i_q2和i_d2相比较，以电流差值通过电流控制器得到机侧有功电压指令V_q2*和无功电压指令V_d2*。第四步是输入机侧电流矢量相位角度，并以此为依据，将V_q2*和V_d2*转换成机侧电压矢量指令V₂*。第五步是把机侧电压矢量指令V₂*输入到空间电压矢量PWM指令器产生相应的开关信号以便控制机侧逆变器。

第二路控制流程采用双闭环控制，第一环为直流母线电压控制环，第二环为电流控制环。第一环和第二环中包括有五个主要的控制步骤。第一步将直流母线电压指令V_dc*与反馈值V_dc相比较，以直流母线电压差值通过直流母线电压控制器得到网侧有功电流指令i_q1*。第二步根据网侧功率因素指令P.F.并通过无功功率指令器可以得到网侧无功电流指令i_d1*。第三步再由这两个指令跟实测的网侧有功电流i_q1和无功电流i_d1相比较，以电流差值通过电流控制器得到网侧有功电压指令V_q1*和无功电压指令V_d1*。第四步根据输入的电机定子磁通相位角度θ₁并通过电压矢量指令器将V_q1*和V_d1*转换成网侧电压矢量指令V₁*。第五步是把网侧电压矢量指令V₁*输入到空间电压矢量PWM指令器产生相应的开关信号控制网侧逆变器。

(B)控制方式二：当兆瓦级无刷双馈电机作为变速恒频电动机系统运行时，也采用上述第一电网连接方式，可对此系统作变速恒频电力拖动系统的速度、力矩型控制，同时兼顾输入电网的功率因数控制。

图15所示为电动机运行控制的流程图。其中，ω_r*、ω_r分别为转子转速指令和实测转子转速，θ₂*为功角控制指令，P.F.为网侧功率因素指令，T_e*为转矩指令，i_q2*、i_d2*分别为机侧有功电流和激磁电流指令，i_q1*、i_d1*分别为网侧有功电流和无功电流指令，i_q2、i_d2分别为机侧实测有功电流和实测激磁电流，i_q1、i_d1分别为网侧实测有功电流和无功电流，θ₂为电机转子相位角度，θ₁为电网电压角度，V₂*、V₁*分别为机侧电压矢量指令和网侧电压矢量指令。

兆瓦级无刷双馈电机作为转速和转矩可控的电动机运行时的控制方式有别于其作为发电机运行的控制方式。如图11所示，其控制流程同样分为两路：第一路控制流程为机侧逆变器提供控制信号：通过基于电机定子磁链定向的功率解耦控制，对兆瓦级无刷双馈电机转速和转矩进行有效控制；第二路控制流程为网侧逆变器提供控制信号：通过基于电网电压定向的矢量控制稳定直流母线电压，同时提供适量无功功率使兆瓦级无刷双馈电机整机对电网的无功功率达到最佳状态。控制流程详细解释如下。

在第一路控制流程中，采用双闭环控制，外环为转速控制环，内环为电流控制环。第一路控制流程包括有五个主要的控制步骤.第一步，在外环中，转子速度指令ω_r*与实测转子速度ω_r相比较，其差值通过速度控制器得到转矩指令T_e*，第二步再通过转矩指令器得到机侧功控绕组有功电流指令i_q2*。同时通过最佳指令器由转矩指令T_e*，推算出功控绕组电流最佳的功角控制指令θ₂*。再由激磁指令器得到激磁电流指令i_d2*。第三步进入内环即电流控制环，由这两个指令跟实测的机侧有功电流i_q2和激磁电流i_d2相比较，其差值通过控制绕组电流调节器得到机侧有功电压指令V_q2*和无功电压指令V_d2*。第四步根据输入的电网电压角度θ₁并通过电压矢量指令器可以得到机侧电压矢量指令V₂*，第五步把机侧电压矢量指令V₂*输入到空间电压矢量PWM指令器产生相应的开关信号以控制机侧逆变器。

第二路控制流程采用双闭环控制，第一环为直流母线电压控制环，第二环为电流控制环。第一环和第二环中包括有五个主要的控制步骤。第一步，在直流母线电压控制环中，直流母线电压指令V_dc*与实测反馈值V_dc相比较，其差值通过直流母线电压控制器得到网侧有功电流指令i_q1*。第二步，根据网侧功率因素指令P.F.通过无功功率指令器可以得到网侧无功电流指令i_d1*。第三步再由这两个指令跟反馈的实测网侧有功电流i_q1和无功电流i_d1相比较，其差值通过电流控制器得到网侧有功电压指令V_q1*和无功电压指令V_d1*。第四步根据输入的电网电压角度θ₁并通过电压矢量指令器将V_q1*和V_d1*转换成网侧电压矢量指令V₁*。第五步是把网侧电压矢量指令V₁*输入到空间电压矢量PWM指令器产生相应的开关信号控制网侧逆变器。

(C)控制方式三：当此电机系统作为变速恒频发电机系统运行时，可以采用上述第二电网连接方式(图13所示)，可对此系统作发电机系统的P-Q功率型控制。

如图12所示，兆瓦级无刷双馈电机通过定子的功控绕组接背靠背的变流逆变器实现功控绕组能量的双向流动。但是如果在设计电机的时候，将电机的电动机状态总是设定在亚同步运行速度范围，发电状态总是设定在超同步运行速度范围，功控绕组的能量将为单向流动，全部流向电网。当兆瓦级无刷双馈电机总是设定在亚同步电动及超同步发电运行方时，其主绕组仍然直接与电网相连，但其功控绕组只需接一不可控整流器，然后级联一个逆变器，如图9所示。这样连接的无刷双馈发电机系统，系统硬件比较简单和低成本，同时控制流程被大大地简化。

图16为超同步运行控制的流程图。其中P*、P分别为有功功率指令和实测有功功率，P.F.为网侧功率因素指令，i_q2*、i_d2*分别为机侧有功电流和激磁电流指令，i_q1*、i_d1*分别为网侧有功电流和无功电流指令，i_q2、i_d2分别为机侧实测有功电流和实测激磁电流，i_q1、i_d1分别为网侧实测有功电流和无功电流，θ₂为电机转子相位角度，θ₁为电网电压角度，V₂*、V₁*分别为机侧电压矢量指令和网侧电压矢量指令。

超同步运行控制的控制流程只有1路，从实测风速和网侧所需功率因素出发，通过控制网侧逆变器，实现兆瓦级无刷双馈电机的有功功率输出和最佳网侧功率因素控制。

在控制流程中，采用了三个闭环控制，第一环为有功功率控制环，第二环为直流母线电压控制环，第三环为电流控制环。控制流程包括有五个主要的控制步骤。第一步，在直流母线电压控制环中，根据风轮机的空气动力学特性，由实测风速得到相应的最大有功功率指令P*，与反馈有功功率P相比较，其差值通过有功功率控制器得到直流母线电压指令V_dc*。如在亚同步运行速度，指令为电动机，直流母线电压控制器产生令一相应电压指令V_dc*。第二步，将直流母线电压指令V_dc*与实测反馈值V_dc相比较，其差值通过直流母线电压控制器得到网侧有功电流指令i_q1*。第三步，根据网侧功率因素指令P.F.通过无功功率指令器可以得到网侧无功电流指令i_d1*。第四步，由两个指令i_q1*和i_d1*与实测网侧有功电流i_q1和无功电流i_d1相比较，其差值通过电流控制器得到网侧有功电压指令V_q1*和无功电压指令V_d1*。并根据输入的电网电压角度θ₁得到网侧电压矢量指令V₁*，第五步是把这个量输入到空间电压矢量PWM指令器产生相应的开关信号控制网侧逆变器。

(D)控制方式四：无论兆瓦级无刷双馈电机作为发电机或电动机运行方式时，矢量控制原理可以以图17所示的方式成功实现。

图17为兆瓦级无刷双馈电机进行矢量控制的流程图。其中，θ₁为实测原级电压角度，θ_m为兆瓦级无刷双馈电机转子转动的机械角度，θ_m`为经原始参考坐标校正以后的转子转动角度，θ₂为兆瓦级无刷双馈电机次级电流相位角度，i_a2、i_b2分别为实测次级相电流，V_a1、V_b1分别为实测原级相电压，i_q2*、i_d2*分别为机侧有功电流和激磁电流指令，i_q2、i_d2分别为机侧实测有功电流和实测激磁电流，V₂*为机侧电压矢量指令。

由于兆瓦级无刷双馈电机的特殊定子双绕组结构以及转子有与定子双绕组不一样的极数，其矢量控制功能需用特有方法才能取得。图17为实现兆瓦级无刷双馈电机矢量控制功能控制流程图。从所需的次级电流矢量出发，同时以原级电压矢量产生的空间角度为原始参考坐标，产生次级绕组所需要的电压矢量，使整个兆瓦级无刷双馈电机处于归一化的矢量控制状态之中，满足发电或电动运行需要。

兆瓦级无刷双馈电机的矢量控制流程包括有五个主要的控制步骤。第一步，首先需用实测的原边绕组的相电压V_a1、V_b1产生原始的矢量参考坐标。第二步，以此原始坐标为基础，将实测的转子机械转动角度θ_m进行极对数归一化并进行初始角校正，以得到校正后并以原始坐标为基础的转子转动角度θ_m`。第三步，以此原始坐标为基础，经过机电角度转换后，得到兆瓦级无刷双馈电机所需的次级电流相位角度θ₂。随后将此已校正变换的角度θ₂代入参考坐标变换器，得到变换后指令电流i_q2*、i_d2*和实测电流i_q2、i_d2，第四步，将指令电流i_q2*、i_d2*和实测电流i_q2、i_d2相比较，其差值通过电流控制器得到机侧有功电压指令V_q2*和无功电压指令V_d2*。根据得到的转子相位角度θ₂并通过电压矢量指令器可以得到机侧电压矢量指令V₂*。第五步是把这个机侧电压矢量指令V₂*输入到空间电压矢量PWM指令器以产生相应的开关信号控制机侧逆变器，从而控制兆瓦级无刷双馈电机的次级功控绕组电流矢量的大小和相位，达到兆瓦级无刷双馈电机矢量控制的目的。

以上对本发明所述的兆瓦级无刷双馈电机及其控制方法进行了详细的说明，但显然本发明的具体实现形式并不局限于此。对于本技术领域的一般技术人员来说，在不背离本发明的权利要求范围的情况下对它进行的各种显而易见的改变都在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种使兆瓦级无电刷滑环双馈风力发电机/电动机作为实现最大风能追踪控制的发电机运行的控制方法，所述兆瓦级无电刷滑环双馈风力发电机/电动机的磁通分布方向为径向磁通分布，其中转子由若干相同结构的磁阻型模块组成圆柱或圆筒，所述磁阻型模块由磁导层和磁障层交替组合构成，其特征在于：

所述控制方法分为两路控制流程，其中第一路控制流程包括五个控制步骤：第一步是根据风轮机的空气动力学特性，按实测风速得到相应的最大有功功率指令P*，由电机运行理论确定最优的激磁功率指令Q₂*；第二步是根据这两个指令量并通过电流指令器处理，得到机侧有功电流指令i_q2*和激磁电流指令i_d2*；第三步是再由这两个电流指令跟反馈的实测电流i_q2和i_d2相比较，以电流差值通过电流控制器得到机侧有功电压指令V_q2*和无功电压指令V_d2*；第四步是输入机侧电流矢量相位角度，并以此为依据，将V_q2*和V_d2*转换成机侧电压矢量指令V₂*；第五步是把机侧电压矢量指令V₂*输入到空间电压矢量PWM指令器产生相应的开关信号以便控制机侧逆变器；

第二路控制流程采用双闭环控制，第一环为直流母线电压控制环，第二环为电流控制环；第一环和第二环中包括五个控制步骤；第一步将直流母线电压指令V_dc*与反馈值V_dc相比较，以直流母线电压差值通过直流母线电压控制器得到网侧有功电流指令i_q1*；第二步根据网侧功率因素指令P.F.并通过无功功率指令器得到网侧无功电流指令i_d1*；第三步再由这两个指令跟实测的网侧有功电流i_q1和无功电流i_d1相比较，以电流差值通过电流控制器得到网侧有功电压指令V_q1*和无功电压指令V_d1*；第四步根据输入的电机定子磁通相位角度θ₁并通过电压矢量指令器将V_q1*和V_d1*转换成网侧电压矢量指令V₁*；第五步是把网侧电压矢量指令V₁*输入到空间电压矢量PWM指令器产生相应的开关信号控制网侧逆变器。

2.一种使兆瓦级无电刷滑环双馈风力发电机/电动机作为变速恒频电动机运行的控制方法，所述兆瓦级无电刷滑环双馈风力发电机/电动机的磁通分布方向为径向磁通分布，其中转子由若干相同结构的磁阻型模块组成圆柱或圆筒，所述磁阻型模块由磁导层和磁障层交替组合构成，

其特征在于：

所述控制方法分为两路控制流程，其中第一路控制流程包括五个控制步骤：第一步，在外环中，转子速度指令ω_r*与实测转子速度ω_r相比较，其差值通过速度控制器得到转矩指令T_e*，第二步再通过转矩指令器得到机侧功控绕组有功电流指令i_q2*；同时通过最佳指令器由转矩指令T_e*，推算出功控绕组电流最佳的功角控制指令θ₂*；再由激磁指令器得到激磁电流指令i_d2*；第三步进入内环即电流控制环，由这两个指令跟实测的机侧有功电流i_q2和激磁电流i_d2相比较，其差值通过控制绕组电流调节器得到机侧有功电压指令V_q2*和无功电压指令V_d2*；第四步根据输入的电网电压角度θ₁并通过电压矢量指令器得到机侧电压矢量指令V₂*，第五步：把机侧电压矢量指令V₂*输入到空间电压矢量PWM指令器产生相应的开关信号以控制机侧逆变器；

第二路控制流程采用双闭环控制，第一环为直流母线电压控制环，第二环为电流控制环；第一环和第二环中包括有五个控制步骤；第一步，在直流母线电压控制环中，直流母线电压指令V_dc*与实测反馈值V_dc相比较，其差值通过直流母线电压控制器得到网侧有功电流指令i_q1*；第二步，根据网侧功率因素指令P.F.通过无功功率指令器得到网侧无功电流指令i_d1*；第三步再由这两个指令跟反馈的实测网侧有功电流i_q1和无功电流i_d1相比较，其差值通过电流控制器得到网侧有功电压指令V_q1*和无功电压指令V_d1*；第四步根据输入的电网电压角度θ₁并通过电压矢量指令器将V_q1*和V_d1*转换成网侧电压矢量指令V₁*；第五步是把网侧电压矢量指令V₁*输入到空间电压矢量PWM指令器产生相应的开关信号控制网侧逆变器。

3.一种使兆瓦级无电刷滑环双馈风力发电机/电动机作为变速恒频发电机运行的控制方法，所述兆瓦级无电刷滑环双馈风力发电机/电动机的磁通分布方向为径向磁通分布，其中转子由若干相同结构的磁阻型模块组成圆柱或圆筒，所述磁阻型模块由磁导层和磁障层交替组合构成，其特征在于：

所述控制方法采用三个闭环控制，第一环为有功功率控制环，第二环为直流母线电压控制环，第三环为电流控制环；

控制流程包括有五个控制步骤：第一步，在直流母线电压控制环中，根据风轮机的空气动力学特性，由实测风速得到相应的最大有功功率指令P*，与反馈有功功率P相比较，其差值通过有功功率控制器得到直流母线电压指令V_dc*；第二步，将直流母线电压指令V_dc*与实测反馈值V_dc相比较，其差值通过直流母线电压控制器得到网侧有功电流指令i_q1*；第三步，根据网侧功率因素指令P.F.通过无功功率指令器得到网侧无功电流指令i_d1*；第四步，由两个指令i_q1*和i_d1*与实测网侧有功电流i_q1和无功电流i_d1相比较，其差值通过电流控制器得到网侧有功电压指令V_q1*和无功电压指令V_d1*；并根据输入的电网电压角度θ₁得到网侧电压矢量指令V₁*，第五步是把网侧电压矢量指令V₁*输入到空间电压矢量PWM指令器产生相应的开关信号控制网侧逆变器。

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