CN108023365A - 一种基于准z源逆变器的高速发电机并网系统及其控制方法 - Google Patents

一种基于准z源逆变器的高速发电机并网系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于准Z源逆变器的高速发电机并网系统及其控制方法，基于准Z源逆变器的高速发电机并网系统包括：一台高速发电机、一台三相不可控整流器、一台准Z源逆变器、一台滤波电抗器和一套控制器。本发明还公开了上述系统的控制方法，机侧通过准Z源逆变器直通状态等效出的额外自由度，对高速发电机转速进行控制，通过对一个开关周期内直通时间的优化，减少发电机的定子电流谐波含量，网侧通过dq轴双闭环解耦控制，实现准Z源网络电容电压稳定和单位功率因数并网，由于机侧和网侧的控制都可以通过对准Z源逆变器的控制实现，因此只需一套控制器。本发明具有系统结构简单、成本低、稳定性高、并网功率因数高的优点。

Description

一种基于准Z源逆变器的高速发电机并网系统及其控制方法
技术领域
本发明属于发电机并网控制领域，具体涉及一种基于准Z源逆变器的高速发电机并网系统及其控制方法。
背景技术
能源是推动经济发展和社会进步的动力源泉，是关系到国计民生、社会稳定的重要物 质。随着我国现代工业的飞速发展，石油、天然气和煤炭等化石能源逐渐枯竭、环境问题日 益凸显，能源和环境已成为我国所面临的重大问题。
余热是指煤炭、石油、天然气等经过工业利用后排放出来的、无法继续参与其它生产过程的能量。它以高温热能为表现形式，以废气、废渣和废水为能量载体。我国余热资源非常丰富，占工业总能耗的20%左右。因此，余热利用具有广阔的市场前景。
高速永磁同步发电机具有效率高、可靠性高、结构紧凑、维护量小等优点，与此同时，高速发电机与膨胀涡轮机直接相连组成的发电机组，中间可省去减速装置，可大大减小系统体积，提高系统效率和可靠性。因此，高速发电机被广泛应用于余热发电系统。
传统高速发电机采用三相六开关PWM整流拓扑，成本较高。与此同时，随着高速发电机额定转速的不断提高，高速发电机的输出频率大幅提高，甚至有可能达到上千赫兹，为高速发电机的整流调制带来困难，由此产生的发电机定子电流谐波不仅会增加高速发电机的损耗和温升，还会增加其转矩脉动，威胁系统安全。因此，有必要设计一种低成本、高性能的高速发电机并网系统及其控制方法。
发明内容
针对背景技术所述的缺陷或不足，本发明提供了一种基于准Z源逆变器的高速发电机并网系统及其控制方法，结构简单，成本低。
一种基于准Z源逆变器的高速发电机并网系统，包括：一台高速永磁同步发电机（额定转速在10000rpm以上）、一台机侧AC/DC变流器、一台准Z源并网逆变器、一台并网滤波电抗器和一套控制器，通过该控制器实现高速发电机转速和并网的集成控制。
所述机侧AC/DC变流器由三3个二极管半桥电路并联组成，二极管半桥电路由2个二极管串联而成；准Z源并网逆变器由准Z源网络和3个IGBT半桥电路并联组成，IGBT半桥电路由2个IGBT串联而成；并网滤波电抗器由3个电感构成。其中，高速永磁同步发电机的三相定子分别与机侧AC/DC变流器对应的中心接电相连；机侧AC/DC变流器的直流侧与准Z源逆变器的输入端相连；准Z源逆变器三相输出接滤波电抗器后并入电网。
所述控制器用于采集高速永磁同步发电机的转速、准Z源网络的输入电感电流、准Z源网络电容C1的端电压、准Z源逆变器三相并网电压和准Z源逆变器三相并网电流，随后通过直通控制策略构造出带直通零矢量的PWM脉冲信号，对高速永磁同步发电机的转速和并网进行集成控制。
上述基于准Z源逆变器的高速发电机并网系统的控制方法包括如下步骤：
(1) 实时检测高速永磁同步发电机的转速ω g 和准Z源网络的输入电感电流I L1 ；
(2) 机侧控制通过高速永磁同步发电机的转速和准Z源网络的输入电感电流的实时值和参考值的比较计算，得到准Z源逆变器的直通占空比；
(3) 实时检测准Z源逆变器三相并网相电压和相电流，进而估算出相角Ө；
(4) 利用所述的相角Ө对准Z源逆变器三相并网电压和三相并网电流进行dq变换，得到三相并网电压的dq轴分量和三相并网电流的dq轴分量；
(5) 实时检测准Z源网络电容C 1 的电压V C1 ；
(6) 通过网侧双闭环控制方法对准Z源逆变器三相并网电压、并网电流的dq轴分量、相角Ө和准Z源网络电容C 1 的电压V C1 进行比较计算，得到电压参考值αβ分量；
(7) 将所述的步骤(2)中得到直通占空比和所述的步骤(6)中得到的电压参考值αβ分量输入带直通零矢量的空间矢量脉冲宽度调制控制器，得到基于准Z源逆变器的高速发电机并网系统的控制脉冲信号。
所述直通零矢量的获得方法是根据三相不可控整流器在一个开关周期内的不同扇区下，高速发电机相电流的变化规律，对一个开关周期内的直通零矢量进行重新安排，从而对高速发电机的转速进行控制，这样可以提高高速发电机定子电流的正弦度。
所述的步骤(2)中准Z源网络的输入电感电流的参考值是由高速永磁同步发电机转速的参考值和实时值比较计算获得。
所述的步骤(2)中的机侧控制以高速发电机的转速稳定和定子电流谐波小为控制目标。
所述的步骤(6)中网侧双闭环控制方法以准Z源逆变器的阻抗源网络电容电压稳定和单位功率因数并网为控制目标。
所述的步骤(7)中的空间矢量脉冲宽度调制控制器，其输入为电压参考值αβ分量、高速发电机转速、以及准Z源逆变器的直通占空比，输出为三相六开关逆变器桥臂的脉冲信号。
在一个开关周期中，将所述的准Z源逆变器的直通占空比进行重置，其总量不变，通过变化插入位置对其进行优化，以降低高速发电机的定子电流谐波。
所述的高速发电机机侧控制和电网侧控制均由对准Z源逆变器的控制实现。
本发明与现有技术相比的益处在于：
(1) 由高速发电机、三相不可控整流器和准Z源逆变器组成的变流系统，和传统变流拓扑相比具有更低的成本，且该高速发电机并网系统在准Z源逆变器直通时，仍能正常工作，和传统拓扑相比具有更高的可靠性和稳定性；
(2) 基于准Z源逆变器的高速发电机并网系统只需一套控制器，可实现对机侧发电机转速和网侧单位功率因数的单级控制，简化了控制的复杂度；
(3) 通过对直通占空比的优化，抑制高速发电机定子电流的畸变，提高了系统的效率和稳定性。
附图说明
图1为本发明基于准Z源逆变器的高速发电机并网系统结构示意图。
图2为本发明拓扑结构的控制框图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图和实施方式对本发明做进一步说明。
如图1所示，一种基于准Z源逆变器的高速发电机并网系统，包括：一台高速永磁同步发电机（额定转速在10000rpm以上）、一台机侧AC/DC变流器、一台准Z源并网逆变器、一台并网滤波电抗器和一套控制器。其中：
机侧AC/DC变流器由三3个二极管半桥电路并联组成，二极管半桥电路由2个二极管串联而成；准Z源并网逆变器由准Z源网络和3个IGBT半桥电路并联组成，IGBT半桥电路由2个IGBT串联而成；并网滤波电抗器由3个电感构成。其中，高速永磁同步发电机的三相定子分别与机侧AC/DC变流器对应的中心接电相连；机侧AC/DC变流器的直流侧与准Z源逆变器的输入端相连；准Z源逆变器三相输出接滤波电抗器后并入电网。
本实施方式高速发电机并网系统的控制框图如图2所示，控制方法包括如下步骤：
(1) 实时检测高速永磁同步发电机的转速ω g 和准Z源网络的输入电感电流I L1 ；
(2) 机侧控制通过高速永磁同步发电机的转速和准Z源网络的输入电感电流的实时值和参考值的比较计算，通过PI控制器得到准Z源逆变器的直通占空比；
(3) 实时检测准Z源逆变器三相并网相电压和相电流，进而估算出相角Ө；
(4) 利用相角Ө对准Z源逆变器三相并网电压和三相并网电流进行dq变换，得到三相并网电压的dq轴分量和三相并网电流的dq轴分量；
(5) 实时检测准Z源网络电容C 1 的电压V C1 ；
(6) 通过网侧双闭环控制方法对准Z源逆变器三相并网电压、并网电流的dq轴分量、相角Ө和准Z源网络电容C 1 的电压V C1 进行比较计算，通过PI控制器得到电压参考值αβ分量；
(7) 将(2)中得到直通占空比和(6)中得到的电压参考值αβ分量输入带直通零矢量的空间矢量脉冲宽度调制控制器，得到准Z源逆变器的高速发电机并网系统的控制脉冲信号。
根据三相不可控整流器在一个开关周期内的不同扇区下，高速发电机相电流的变化规律，对一个开关周期内的直通零矢量进行重新安排，从而对高速发电机的转速进行控制，这样可以提高高速发电机定子电流的正弦度。准Z源网络的输入电感电流的参考值是由高速永磁同步发电机转速的参考值和实时值通过PI控制器计算获得。
机侧控制以高速发电机的转速稳定和定子电流谐波小为控制目标。网侧双闭环控制方法以准Z源逆变器的阻抗源网络电容电压稳定和单位功率因数并网为控制目标。空间矢量脉冲宽度调制控制器的输入为电压参考值αβ分量、高速发电机转速、以及准Z源逆变器的直通占空比，输出为三相六开关逆变器桥臂的脉冲信号。
在一个开关周期中，准Z源逆变器的直通占空比在该控制器中进行重置，不改变总量，通过变化插入位置对其进行优化，以降低高速发电机的定子电流谐波。
高速发电机机侧控制和电网侧控制均由对准Z源逆变器的控制实现。
该实例仅为本发明的一个实例，而非全部实例，凡在本发明思路和原则下的修改、改进方案均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于准Z源逆变器的高速发电机并网系统，其特征在于，包括一台高速永磁同步发电机（额定转速在10000rpm以上）、一台机侧AC/DC变流器、一台准Z源并网逆变器、一台并网滤波电抗器和一套控制器，通过该控制器实现高速发电机转速和并网的集成控制；所述机侧AC/DC变流器由三3个二极管半桥电路并联组成，二极管半桥电路由2个二极管串联而成，准Z源并网逆变器由准Z源网络和3个IGBT半桥电路并联组成，IGBT半桥电路由2个IGBT串联而成，并网滤波电抗器由3个电感构成；其中，高速永磁同步发电机的三相定子分别与机侧AC/DC变流器对应的中心接电相连，机侧AC/DC变流器的直流侧与准Z源逆变器的输入端相连，准Z源逆变器三相输出接滤波电抗器后并入电网。
2.根据权利要求1所述的基于准Z源逆变器的高速发电机并网系统，其特征在于，所述控制器用于采集高速永磁同步发电机的转速、准Z源网络的输入电感电流、准Z源网络电容C 1 的端电压、准Z源逆变器三相并网电压和准Z源逆变器三相并网电流，随后通过直通控制策略构造出带直通零矢量的PWM脉冲信号，对高速永磁同步发电机的转速和并网进行集成控制。
3.一种基于准Z源逆变器的高速发电机并网系统的控制方法，其特征在于，高速发电机并网系统采用权利要求1所述的拓扑结构，其控制方法包括如下步骤：
(1) 实时检测高速永磁同步发电机的转速ω g 和准Z源网络的输入电感电流I L1 ；
(2) 机侧控制通过高速永磁同步发电机的转速和准Z源网络的输入电感电流的实时值和参考值的比较计算，得到准Z源逆变器的直通占空比；
(3) 实时检测准Z源逆变器三相并网相电压和相电流，进而估算出相角Ө；
(4) 利用所述的相角Ө对准Z源逆变器三相并网电压和三相并网电流进行dq变换，得到三相并网电压的dq轴分量和三相并网电流的dq轴分量；
(5) 实时检测准Z源网络电容C 1 的电压V C1 ；
(6) 通过网侧双闭环控制方法对准Z源逆变器三相并网电压、并网电流的dq轴分量、相角Ө和准Z源网络电容C 1 的电压V C1 进行比较计算，得到电压参考值αβ分量；
(7) 将(2)中得到直通占空比和(6)中得到的电压参考值αβ分量输入带直通零矢量的空间矢量脉冲宽度调制控制器，得到准Z源逆变器的高速发电机并网系统的控制脉冲信号。
4.根据权利要求3所述的基于准Z源逆变器的高速发电机并网系统的控制方法，其特征在于，直通零矢量的获得方法是根据三相不可控整流器在一个开关周期内的不同扇区下，高速发电机相电流的变化规律，对一个开关周期内的直通零矢量进行重新安排，从而对高速发电机的转速进行控制，这样可以提高高速发电机定子电流的正弦度。
5.根据权利要求3所述的基于准Z源逆变器的高速发电机并网系统的控制方法，其特征在于，所述的步骤(2)中准Z源网络的输入电感电流的参考值是由高速永磁同步发电机转速的参考值和实时值比较计算获得。
6.根据权利要求3所述的基于准Z源逆变器的高速发电机并网系统的控制方法，其特征在于，所述的步骤(2)中的机侧控制以高速发电机的转速稳定和定子电流谐波小为控制目标。
7.根据权利要求3所述的基于准Z源逆变器的高速发电机并网系统的控制方法，其特征在于，所述的步骤(6)中网侧双闭环控制方法以准Z源逆变器的阻抗源网络电容电压稳定和单位功率因数并网为控制目标。
8.根据权利要求3所述的基于准Z源逆变器的高速发电机并网系统的控制方法，其特征在于，所述的步骤(7)中的空间矢量脉冲宽度调制控制器，其输入为电压参考值αβ分量、高速发电机转速、以及准Z源逆变器的直通占空比，输出为三相六开关逆变器桥臂的脉冲信号。
9.根据权利要求8所述的基于准Z源逆变器的空间矢量脉冲宽度调制控制器，其特征在于，在一个开关周期中，准Z源逆变器的直通占空比在该控制器中进行重置，不改变总量，通过变化插入位置对其进行优化，以降低高速发电机的定子电流谐波。
10.根据权利要求3所述的基于准Z源逆变器的高速发电机并网系统的控制方法，其特征在于，高速发电机机侧控制和电网侧控制均由对准Z源逆变器的控制实现。
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