CN105375786A - 无刷双馈发电机的背靠背变流器及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无刷双馈发电机的背靠背变流器，包括电机侧变流器、电网侧变流器、励磁控制电路、并网控制电路、储能单元和直流侧电容，还包括Z源电路，直流侧电容与Z源电路串联后与电网侧变流器并联；本发明还提供了所述无刷双馈发电机的背靠背变流器的控制方法，包括获取变流器设计方案和工作实测值；计算直流导通占比；计算第一控制量；计算输出电压的有功控制分量和无功控制分量，结合工作实测值得到第二控制量；结合第一控制量和第二控制量，完成无刷双馈发电机的背靠背变流器的控制。本发明采用了Z源电路，无需加入死区控制，直流电压与输出电流解耦，控制简单可靠；储能单元选取容易，成本低，工作灵活。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种无刷双馈发电机的背靠背变流器及控制方法。
背景技术
无刷双馈电机是具有两套定子绕组、而转子没有电刷的双馈电机，其可靠性、可维护性相比有刷双馈电机大大提高，但又具有双馈电机变速恒频恒压发电的优点，在风力发电、水力发电、船舶轴带发电等应用中具有特殊的优势。无刷双馈电机能够用低压小功率的变频器对高压大容量电机进行变频调速控制，相对传统高压感应电机全功率变频调速更加经济。定子两套绕组中承担主要功率的称为功率绕组，通常由电网供电，其频率为，极对数为；另外的小功率绕组称为励磁绕组，由变频电源供电，其频率为，极对数为。常用的反相序连接转子结构无刷双馈电机同步转速为
无刷双馈发电机运行于同步转速以上时，主绕组和励磁绕组同时向电网馈电，运行于同步转速以下时，主绕组向电网馈电，励磁绕组从电网取电，因此为励磁绕组供电的必须是背靠背变流器，才能能够实现能量的双向流动。现有无刷双馈发电机的常规背靠背变流器系统结构如图1所示，其中直流侧电路采用电容器，结构简单。
图1所示的背靠背变流器的控制有两部分，分别是对电机侧变流器的励磁控制和电网侧变流器的并网控制，对直流侧电容两端电压的控制也由网侧变流器完成。
图2所示为背靠背变流器的电机侧变流器的励磁控制流程：电机侧变流器的励磁控制算法采用标量控制，以发动机输出电压幅值和频率为控制目标，通过调整励磁电流的幅值和频率达到控制目的。
图3所示为背靠背变流器的网侧变流器的并网控制流程：电网侧变流器的主要功能是维持恒定，通过控制变流器的有功功率的输出/输入，平衡电容器C与电网之间的能量平衡。网侧变流器的控制对象是输出电流，按照电压矢量的方向分解为dq轴分量。控制算法首先要检测网侧电压的过零点，以获取当前电网电压矢量角，电流传感器检测得到的三相电流经过坐标变换后分解为dq轴分量和，这也分别是网侧变流器输出电流中的有功和无功功率分量。网侧变流器将检测得到的实际值与期望值比较，通过PID控制器计算有功电流期望值，该值与有功电流实际值的差值通过PID控制计算得到输出电压的d轴分量。如果网侧变流器还有无功功率输出需求，则根据需求量确定无功电流期望值，该值与无功电流实际值的差值通过PID控制计算得到输出电压的q轴分量。输出电压指令经过SVPWM算法确定变流器的开关模式，在加入死区时间后用于驱动电网侧变流器。
然而，无刷双馈发电机在运行中，为了满足励磁强度，电机侧变流器输出电流基本保持在额定电流水平上，但是由于绕组阻抗会随着励磁频率变化，故电机侧变流器输出电压幅值也会随着频率变化，并且变化范围非常大。传统的调节输出电压的方式是保持直流侧电容电压不变，调节逆变器输出电压的调制系数M实现。直流侧电压的确定由两个变流器的工作要求来共同确定，电机侧变流器需要的一般低于540V，而网侧变流器需要的通常选择700~800V的水平，综合考虑后，背靠背变流器必须选择较高的数值，这就对电机侧变流器的正常工作形成较大压力：过高的导致调制系数M过低，输出电压波形、IGBT耐压和电流容量、等效开关频率等都受到不利影响。
同时，采用电容器组作为直流侧电压支撑的VSI逆变器，其上下桥臂的开关器件不能同时导通，否则会造成电容器两极短路，烧坏开关器件和电容器。为了防止上下桥臂直通，控制系统在确定开关器件的开关状态时，必须加入死区时间，必然会导致输出波形偏离控制目标，恶化补偿效果。即便加入死区，控制系统仍然必须加入对直通故障的检测、保护功能，增加了控制系统复杂度。
此外，网侧变流器输出的谐波电流会造成有功功率波动，电容器漏电流、均压电阻也会造成一定的有功功率损耗，所以传统电路的直流侧电容器电压控制复杂，必须在网侧变流器输出指令电流中加入有功电流分量，才能够保证直流侧电压的稳定，致使直流电压控制与输出电流控制不能解耦，有功电流加入到指令电流中也恶化了输出电流波形。为了降低电压控制难度，直流侧电容器往往采取增大容量的办法，提高了成本。
最后，为了提高直流电压稳定性、降低控制难度，直流电容倾向于选择较大容量，同时为了提高发电机控制系统的动态响应性能，尤其是突然加/减大负载时，由于发电机的机械系统时间常数较大，导致动态响应速度不能满足控制要求，发电系统的输出电压会产生大幅度波动，为了弥补机械系统的滞后，往往在直流电容两端并接储能单元，以满足动态性能要求。如果采用高电压直流母线，那么高达700~800V的高压对于大多数储能元件来说都比较高，难以搭配合适的储能系统。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种直流侧电容电压能够同时适应于电网侧变流器和电机侧变流器、储能系统容易选取、电网侧变流器控制简单且成本低廉的无刷双馈发电机的背靠背变流器。
本发明的目的之二在于提供一种所述的无刷双馈发电机的背靠背变流器的控制方法。
本发明提供的这种无刷双馈发电机的背靠背变流器，包括电机侧变流器、电网侧变流器、励磁控制电路、并网控制电路、储能单元和直流侧电容，其特征在于还包括Z源电路，直流侧电容与Z源电路串联后与电网侧变流器并联，由Z源电路为电网侧变流器提供电压支撑。
所述储能单元包括低压储能单元和高压储能单元；低压储能单元并联在直流侧电容和Z源电路之间，高压储能单元并联在Z源电路和电网侧变流器之间。
所述的Z源电路包括二极管、第一电感、第二电感和第一电容、第二电容；二极管的阳极与电机侧变流器直流母线正极连接，阴极与第一电感和第一电容正极连接；第一电感的一端与二极管连接，另一端与电网侧变流器直流母线正极和第二电容正极连接；第二电感的一端连接电机侧逆变器直流母线负极和第二电容的负极，另一端连接电网侧变流器直流母线负极和第一电感的负极。
所述的电机侧变流器和电网侧变流器均为包括IGBT的变流器。
所述的电机侧变流器和电网侧变流器均为VSI型三相逆变器。
一种所述的无刷双馈发电机的背靠背变流器的控制方法，包括如下步骤：
S1.获取无刷双馈发电机的背靠背变流器的设计方案，得到电机侧变流器直流母线电压理论值与电网侧变流器等效直流母线电压理论值；
S2.获取无刷双馈发电机的背靠背变流器工作时的电网侧电压、电网侧变流器输出电流、电机侧变流器直流母线电压和电网侧无功电流期望值；
S3.根据电步骤S2获取的电网侧电压值，计算得到电网电压矢量角；将依据电网电压矢量角，将电网侧变流器输出电流分解为q轴分量和d轴分量，q轴分量即为输出电流的无功分量，d轴分量即为输出电流的有功分量；
S4.依据步骤S1获取的电机侧变流器直流母线电压和电网侧变流器等效直流母线电压理论值，依据下式计算得到直流导通占比D：
式中为电网侧变流器等效直流母线电压理论值，为步骤S2获取的电机侧变流器直流母线电压；
S5.依据步骤S4获取的直流导通占比，采用SVPWM开关模式计算方法得到电网侧变流器的第一控制量；
S6.根据步骤S1得到的电机侧变流器直流母线电压理论值、步骤S2获取的电机侧变流器直流母线电压的差值和步骤S3得到的输出电流的有功分量，计算得到输出电压的有功控制分量；
S7.根据步骤S2获取的电网侧无功电流期望值和步骤S3得到的输出电流的无功分量计算得到输出电压的无功控制分量；
S8.根据步骤S3得到的电网电压矢量角、步骤S6得到的输出电压的有功控制分量和步骤S7得到的输出电压的无功控制分量，计算得到电网侧变流器的第二控制量；
S9.结合步骤S5得到的电网侧变流器的第一控制量和步骤S8得带的电网侧变流器的第二控制量，对电网侧变流器进行控制，完成无刷双馈发电机的背靠背变流器的控制。
步骤S3所述的计算得到电网电压矢量角，为采用锁相环电路和Park变换算法计算得到。
步骤S6所述的计算输出电压的有功控制分量，为依据电机侧变流器直流母线电压理论值和电机侧变流器直流母线电压的差值，通过PID控制算法得到有功电流期望值，再与输出电流的有功分量求差后通过PI控制算法计算得到输出电压的有功控制分量。
步骤S7所述的计算输出电压的无功控制分量，为依据电网侧无功电流期望值和输出电流的无功分量差值，通过PI控制算法计算得到输出电压的无功控制分量。
步骤S8所述的计算得到电网侧变流器的第二控制量，为采用SVPWM算法计算。
本发明提供的这种无刷双馈发电机的背靠背变流器，由于采用了Z源电路，在电网侧变流器的开关控制逻辑设计中无需加入死区、短时间内的直通状态也不会烧坏开关器件，能够使得控制逻辑的设计变得简单，而且控制逻辑更加可靠；电网侧变流器的直流电压控制与输出电流控制实现解耦，降低了控制复杂度、输出电流波形基本不受直流电压波动的影响，使得控制精度较高；电机侧变流器直流储能电容可以工作在较低的电压，并能够根据工作情况不断变化，降低了开关器件的应力，改善了励磁电流波形，并且更容易与储能部件接口，而电网侧变流器的等效直流电压更高，更有利于向电网馈送电能，储能单元选取更加容易；而且，直流电流侧有一高一低两个直流侧电压，在储能系统的搭配上就灵活的多，可以在两个电压水平上分别搭配不同的储能单元，降低了储能单元的成本，而且低压储能单元还能够为控制绕组提供额外的起励电源，增加系统工作灵活性和适应范围。
附图说明
图1为背景技术的无刷双馈发电机的背靠背变流器的结构示意图。
图2为背景技术的电机侧变流器的控制流程示意图。
图3为背景技术的电网侧变流器的控制流程示意图。
图4为本发明的无刷双馈发电机的背靠背变流器的结构示意图。
图5为本发明的电网侧变流器零矢量直通状态电路示意图。
图6为本发明的电网侧变流器零矢量关断状态电路示意图。
图7为本发明的电网侧变流器的控制流程图。
具体实施方式
如图4所示为本发明的无刷双馈发电机的背靠背变流器的结构示意图：无刷双馈发电机的背靠背变流器包括电机侧变流器、电网侧变流器、直流侧电容（图中标示C）、Z源电路、低压储能单元和高压储能单元，电机侧变流器连接无刷双馈发电机的励磁绕组，电网侧变流器直接连接电网；励磁控制电路与电机侧变流器连接并控制，并网控制电路与电网侧变流器连接并控制；低压储能单元为低压储能电池，并联在直流侧电容与Z源电路之间，高压储能单元为高压储能电容，并联在Z源电路和电网侧变流器之间；并网控制电路根据直流侧电容电压（亦即电机侧变流器直流母线电压）Udc、电网侧变流器的实际输出电流iP、电网侧电压uP对电网侧变流器进行控制；励磁控制电路采用标量控制，以发动机输出电压幅值和频率为控制目标，通过调整励磁电流的幅值和频率达到控制目的；电机侧变流器和电网侧变流器均可采用包括IGBT的VSI型三相逆变器。
如图5和图6所示，为本发明的电网侧变流器的Z源电路直通/断开状态电路示意图：
由于电路的对称性，可以假定稳定状态下，。在电路直通状态下，S（即二极管）断开，此时有。在非直通状态下，S导通，此时有。如果设定直通时间为，整个开关周期为，那么非直通时间为，直流导通占比，则Z源电路的支撑电容电压与电机侧变流器上直流电容电压的关系可以写成
非直通状态下，网侧变流器的等效直流电压
从上式可见，Z源电路的加入，使得通过控制直占比D的大小就可以调节电机侧变流器直流母线电压与电网侧变流器等效直流母线电压之间的关系，由于D总是大于0小于1的，实际上取，就能够实现背靠背变流器直流母线电压的高低配置方案。
如图7所示为为本发明的电网侧变流器的控制流程图：电网侧变流器输出电流的有功分量不再由PI控制器给出，而是根据稳态直流电压实际值与期望值之差，直接计算得到，这样将不再叠加PI控制器造成的高频毛刺，能够提高输出电流的波形质量，降低谐波。网侧变流器的直通状态占比由前述公式计算，为了提高系统稳定性，在确定最终的D值时可以采用滞回比较器的方法，避免震荡。通过开关模式计算得到D所对应的时间长度，该时间长度还要受当前调制比的限制，所以并不一定与D严格对应。
所述的控制流程图，其具体包括如下步骤：
S1.获取无刷双馈发电机的背靠背变流器的设计方案，得到电机侧变流器直流母线电压理论值与电网侧变流器等效直流母线电压理论值；
S2.获取无刷双馈发电机的背靠背变流器工作时的电网侧电压、电网侧变流器输出电流、电机侧变流器直流母线电压和电网侧无功电流期望值；
S3.根据步骤S2获取的电网侧电压值，采用锁相环电路和Park变换算法计算得到电网电压矢量角；将依据电网电压矢量角，将电网侧变流器输出电流分解为q轴分量和d轴分量，q轴分量即为输出电流的无功分量，d轴分量即为输出电流的有功分量；
S4.依据步骤S1获取的电机侧变流器直流母线电压和电网侧变流器等效直流母线电压理论值，依据下式计算得到直流导通占比D：
式中为电网侧变流器等效直流母线电压理论值，为步骤S2获取的电机侧变流器直流母线电压；
S5.依据步骤S4获取的直流导通占比D，采用SVPWM开关模式计算方法得到电网侧变流器的第一控制量；
S6.根据步骤S1得到的电机侧变流器直流母线电压理论值、步骤S2获取的电机侧变流器直流母线电压值的差值，通过PID控制算法得到有功电流期望值，再与步骤S3得到的输出电流的有功分量求差后通过PI控制算法计算得到输出电压的有功控制分量；
S7.根据步骤S2获取的电网侧无功电流期望值和步骤S3得到的输出电流的无功分量的差值，通过PI控制算法计算得到输出电压的无功控制分量；
S8.根据步骤S3得到的电网电压矢量角、步骤S6得到的输出电压的有功控制分量和步骤S7得到的输出电压的无功控制分量，采用SVPWM算法计算得到电网侧变流器的第二控制量；
S9.结合步骤S5得到的电网侧变流器的第一控制量和步骤S8得带的电网侧变流器的第二控制量，对电网侧变流器进行控制，完成无刷双馈发电机的背靠背变流器的控制。
电网侧变流器控制电路最终计算出的电压矢量，经SVPWM模块计算出与电压矢量对应的IGBT开关模式，加入直流导通占比D部分计算的直通时间长度后，作为最终的IGBT驱动控制信号。在选择直通状态时，还可以采用分桥臂通断、最小状态变化等方法降低IGBT的等效开关频率。
Claims (10)
1.一种无刷双馈发电机的背靠背变流器，包括电机侧变流器、电网侧变流器、励磁控制电路、并网控制电路、储能单元和直流侧电容，其特征在于还包括Z源电路，直流侧电容与Z源电路串联后与电网侧变流器并联，由Z源电路为电网侧变流器提供电压支撑。
2.根据权利要求1所述的无刷双馈发电机的背靠背变流器，其特征在于所述储能单元包括低压储能单元和高压储能单元；低压储能单元并联在直流侧电容和Z源电路之间，高压储能单元并联在Z源电路和电网侧变流器之间。
3.根据权利要求1所述的无刷双馈发电机的背靠背变流器，其特征在于所述的Z源电路包括二极管、第一电感、第二电感和第一电容、第二电容；二极管的阳极与电机侧变流器直流母线正极连接，阴极与第一电感和第一电容正极连接；第一电感的一端与二极管连接，另一端与电网侧变流器直流母线正极和第二电容正极连接；第二电感的一端连接电机侧逆变器直流母线负极和第二电容的负极，另一端连接电网侧变流器直流母线负极和第一电感的负极。
4.根据权利要求1所述的无刷双馈发电机的背靠背变流器，其特征在于所述的电机侧变流器和电网侧变流器均为包括IGBT的变流器。
5.根据权利要求1所述的无刷双馈发电机的背靠背变流器，其特征在于所述的电机侧变流器和电网侧变流器均为VSI型三相逆变器。
6.一种根据权利要求1~5之一所述的无刷双馈发电机的背靠背变流器的控制方法，包括如下步骤：
S1.获取无刷双馈发电机的背靠背变流器的设计方案，得到电机侧变流器直流母线电压理论值与电网侧变流器等效直流母线电压理论值；
S2.获取无刷双馈发电机的背靠背变流器工作时的电网侧电压、电网侧变流器输出电流、电机侧变流器直流母线电压和电网侧无功电流期望值；
S3.根据电步骤S2获取的电网侧电压值，计算得到电网电压矢量角；依据电网电压矢量角，将电网侧变流器输出电流分解为q轴分量和d轴分量，q轴分量为输出电流的无功分量，d轴分量为输出电流的有功分量；
S4.依据步骤S1获取的电机侧变流器直流母线电压和电网侧变流器等效直流母线电压理论值，依据下式计算得到直流导通占比D：
式中为电网侧变流器等效直流母线电压理论值，为步骤S2获取的电机侧变流器直流母线电压；
S5.依据步骤S4获取的直流导通占比，采用SVPWM开关模式计算方法得到电网侧变流器的第一控制量；
S6.根据步骤S1得到的电机侧变流器直流母线电压理论值、步骤S2获取的电机侧变流器直流母线电压的差值和步骤S3得到的输出电流的有功分量，计算得到输出电压的有功控制分量；
S7.根据步骤S2获取的电网侧无功电流期望值和步骤S3得到的输出电流的无功分量计算得到输出电压的无功控制分量；
S8.根据步骤S3得到的电网电压矢量角、步骤S6得到的输出电压的有功控制分量和步骤S7得到的输出电压的无功控制分量，计算得到电网侧变流器的第二控制量；
S9.结合步骤S5得到的电网侧变流器的第一控制量和步骤S8得带的电网侧变流器的第二控制量，对电网侧变流器进行控制，完成无刷双馈发电机的背靠背变流器的控制。
7.根据权利要求5所述的无刷双馈发电机的背靠背变流器的控制方法，其特征在于步骤S3所述的计算得到电网电压矢量角，为采用锁相环电路和Park变换算法计算得到。
8.根据权利要求5所述的无刷双馈发电机的背靠背变流器的控制方法，其特征在于步骤S6所述的计算输出电压的有功控制分量，为依据电机侧变流器直流母线电压理论值和电机侧变流器直流母线电压的差值，通过PID控制算法得到有功电流期望值，再与输出电流的有功分量求差后通过PI控制算法计算得到输出电压的有功控制分量。
9.根据权利要求5所述的无刷双馈发电机的背靠背变流器的控制方法，其特征在于步骤S7所述的计算输出电压的无功控制分量，为依据电网侧无功电流期望值和输出电流的无功分量差值，通过PI控制算法计算得到输出电压的无功控制分量。
10.根据权利要求5所述的无刷双馈发电机的背靠背变流器的控制方法，其特征在于步骤S8所述的计算得到电网侧变流器的第二控制量，为采用SVPWM算法计算。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20160819 Address after: The two phase of the project wasion Technology Park No. 468 Tongzi high tech Industrial Development Zone, Hunan province Changsha slope 410205 West Road No. 11 building Applicant after: Hunan Li'neng Science & Technology Co., Ltd. Address before: 410205 Tongzi, Changsha, Changsha hi tech Development Zone, west slope road, No. 468, Applicant before: Wasion Group Co., Ltd. |
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20180406 Termination date: 20181214 |