CN108233429A - 一种新型阻抗源直驱永磁风力发电系统及其控制方法 - Google Patents

一种新型阻抗源直驱永磁风力发电系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型阻抗源直驱永磁风力发电系统及其控制方法，阻抗源直驱永磁风力发电系统包括：风叶、永磁同步发电机、三相不可控整流器、阻抗源网络、三相六开关逆变桥臂、滤波电感和一套控制器。本发明还公开了上述系统的控制方法，采样阻抗源网络电感电流iL1、阻抗源网络电容电压VC2、永磁同步发电机的位置角θr和转速ωr、三相并网电压ega、egb、egc、三相并网电流ia、ib、ic，通过一套控制器即可实现对永磁同步发电机转速、阻抗源网络电容电压稳定和并网功率因数的控制。本发明可实现宽风速变化下的有效并网，降低器件的电压应力，从而提高系统的可靠性和降低成本。

Description

一种新型阻抗源直驱永磁风力发电系统及其控制方法
技术领域
本发明属于风力发电并网控制领域，具体涉及一种新型阻抗源直驱永磁风力发电系统及其控制方法。
背景技术
风力发电作为一种清洁可再生的新能源发电方式今年来发展迅猛，变流装置是风力发电系统中的核心装置，它不仅直接影响风力发电系统的可靠性和稳定性，还关系到整个系统的效率和成本。与电压型PWM逆变器相比，阻抗源逆变器具有允许逆变桥臂直通、单级控制等优势。目前，应用于风力发电的阻抗源逆变器包括Z源逆变器、准Z源逆变器等，传统阻抗源直驱永磁风力发电系统，由于其升压能力有限，当风速变化较宽时阻抗源逆变器的升压比已达到限值，只能通过增大其调制度升高电压，而此时必然引起阻抗源网络电容和三相六开关逆变桥臂承受更大的电压应力。因此，有必要设计一种高可靠性、低成本的新型阻抗源直驱永磁风力发电系统及其控制方法。
发明内容
针对背景技术所述的缺陷或不足，本发明提供了一种新型阻抗源直驱永磁风力发电系统及其控制方法，系统可靠性高，升压能力强。
一种新型阻抗源直驱永磁风力发电系统，包括风叶、永磁同步发电机、三相不可控整流器、阻抗源网络、三相六开关逆变桥臂、滤波电感和一套控制器，通过该控制器对永磁同步发电机转速、阻抗源网络电容电压稳定和并网功率因数进行控制。
所述阻抗源网络由二极管D1、D2、D3、D4、电感L1、L2、L3和电容C1、C2构成。
所述控制器的输入为阻抗源网络电感电流iL1、阻抗源网络电容电压VC2、永磁同步发电机的位置角θr和转速ωr、三相并网电压ega、egb、egc、三相并网电流ia、ib、ic，控制器的输出为阻抗源逆变器的触发脉冲。
通过风叶将风能转化为机械能，经永磁同步发电机将机械能转化成电能，以幅值和频率均变化的三相交流电形式输出，经三相不可控整流后变为大小变化的直流电，再经阻抗源逆变器升压逆变成幅值和频率固定的交流电，经滤波电感后并网。
直驱永磁风力发电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) 实时检测永磁同步风力发电机的转子位置角θr 、转速ωr 和阻抗源网络电感L1的电流iL1；
(2) 通过永磁同步风力发电机转速外环和阻抗源网络电感电流内环，得到阻抗源逆变器的直通占空比d0；
(3) 实时检测阻抗源逆变器的并网电压和并网电流，并通过PLL计算出相角θ；
(4) 通过abc-dq变换，得到并网电压和并网电流的dq轴分量；
(5) 实时检测阻抗源网络电容C2的电压VC2；
(6) d轴通过阻抗源网络电容电压外环和并网d轴电流内环，得到参考电压Uα；q轴通过并网q轴电流环，得到参考电压Uβ；
(7) 将步骤(6)中得到的Uα、Uβ分量和步骤(2)中得到的直通占空比d0输入STSVPWM控制器，得到阻抗源逆变器的触发脉冲信号。
所述的步骤(2)中的永磁同步风力发电机转速外环具体包括：通过MPPT装置给出发电机转速给定，经与实时转速检测值比较后输入PI控制器，得出阻抗源网络电感L1的电流给定值iL1 *。
所述的步骤(2)中的阻抗源网络电感电流内环具体包括：比较阻抗源网络电感L1的电流给定值iL1 *和电流实时检测值后，输入PI控制器，得到阻抗源逆变器的直通占空比d0。
所述的步骤(6)中的阻抗源网络电容电压外环具体包括：比较阻抗源网络电容电压给定值VC2 *和实时检测值VC2后，输入PI控制器，得到阻抗源逆变器的并网d轴电流给定值id *。
所述的步骤(6)中的并网d轴电流内环具体包括：将并网d轴电流给定值id *和实时检测值id比较后输入PI控制器，PI控制器的输出值减去(ωLiq+egd)得到电压参考值Ud，其中ω为并网电压角频率，L为单相滤波电感值。
所述的步骤(6)中的并网q轴电流环具体包括：令并网q轴电流的给定值iq *为0，将并网q轴电流给定值iq *和实时检测值iq比较后输入PI控制器，PI控制器的输出值减去(egq-ωLid)得到电压参考值Uq。
所述的步骤(7)中的参考电压Uα、Uβ，由Ud、Uq和θ经αβ-dq变换获得。
通过永磁同步风力发电机转速外环和阻抗源网络电感电流内环，可实现对发电机的转速和发电机定子电流谐波的控制；通过d轴通过阻抗源网络电容电压外环和并网d轴电流内环，可实现对阻抗源网络电容电压稳定的控制；通过并网q轴电流环，可实现单位功率因数并网控制。
本发明与现有技术相比的益处在于：
（1）新型阻抗源直驱永磁风力发电系统只需一套控制器就能实现发电机侧和电网侧的两级控制；
（2）新型阻抗源直驱永磁风力发电系统的变流部分升压能力强，当输入电压较低时，可调的升压比较大，只需较小的调制度就能升压至所需的直流母线电压；
（3）新型阻抗源直驱永磁风力发电系统可通过阻抗源逆变器的原有自由度和等效自由度实现对发电机的转速、发电机定子电流谐波、阻抗源网络电容电压稳定和并网功率因数的控制。
附图说明
图1为本发明提供的新型阻抗源直驱永磁风力发电系统结构示意图。
图2为本发明提供的新型阻抗源直驱永磁风力发电系统的控制框图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图对本发明做进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种新型阻抗源直驱永磁风力发电系统，包括风叶、永磁同步发电机、三相不可控整流器、阻抗源网络、三相六开关逆变桥臂、滤波电感和一套控制器，通过该控制器对永磁同步发电机转速、阻抗源网络电容电压稳定和并网功率因数进行控制。
阻抗源网络由二极管D1、D2、D3、D4、电感L1、L2、L3和电容C1、C2构成。
控制器的输入为阻抗源网络电感电流iL1、阻抗源网络电容电压VC2、永磁同步发电机的位置角θr和转速ωr、三相并网电压ega、egb、egc、三相并网电流ia、ib、ic，控制器的输出为阻抗源逆变器的触发脉冲。
通过风叶将风能转化为机械能，经永磁同步发电机将机械能转化成电能，以幅值和频率均变化的三相交流电形式输出，经三相不可控整流后变为大小变化的直流电，再经阻抗源逆变器升压逆变成幅值和频率固定的交流电，经滤波电感后并网。
本实施例新型阻抗源直驱永磁风力发电系统的控制框图如图2所示，控制方法包括如下步骤：
(1) 实时检测永磁同步风力发电机的转子位置角θr 、转速ωr和阻抗源网络电感L1的电流iL1；
(2) 通过永磁同步风力发电机转速外环和阻抗源网络电感电流内环，得到阻抗源逆变器的直通占空比d0；
(3) 实时检测阻抗源逆变器的并网电压和并网电流，并通过PLL计算出相角θ；
(4) 通过abc-dq变换，得到并网电压和并网电流的dq轴分量；
(5) 实时检测阻抗源网络电容C2的电压VC2；
(6) d轴通过阻抗源网络电容电压外环和并网d轴电流内环，得到参考电压Uα；q轴通过并网q轴电流环，得到参考电压Uβ；
(7) 将步骤(6)中得到的Uα、Uβ分量和步骤(2)中得到的直通占空比d0输入STSVPWM控制器，得到阻抗源逆变器的触发脉冲信号。
步骤(2)中的永磁同步风力发电机转速外环具体包括：通过MPPT装置给出发电机转速给定，经与实时转速检测值比较后输入PI控制器，得出阻抗源网络电感L1的电流给定值iL1 *。
步骤(2)中的阻抗源网络电感电流内环具体包括：比较阻抗源网络电感L1的电流给定值iL1 *和电流实时检测值后，输入PI控制器，得到阻抗源逆变器的直通占空比d0。
步骤(6)中的阻抗源网络电容电压外环具体包括：比较阻抗源网络电容电压给定值VC2 *和实时检测值VC2后，输入PI控制器，得到阻抗源逆变器的并网d轴电流给定值id *。
步骤(6)中的并网d轴电流内环具体包括：将并网d轴电流给定值id *和实时检测值id比较后输入PI控制器，PI控制器的输出值减去(ωLiq+egd)得到电压参考值Ud，其中ω为并网电压角频率，L为单相滤波电感值。
步骤(6)中的并网q轴电流环具体包括：令并网q轴电流的给定值iq *为0，将并网q轴电流给定值iq *和实时检测值iq比较后输入PI控制器，PI控制器的输出值减去(egq-ωLid)得到电压参考值Uq。
步骤(7)中的参考电压Uα、Uβ，由Ud、Uq和θ经αβ-dq变换获得。
通过永磁同步风力发电机转速外环和阻抗源网络电感电流内环，可实现对发电机的转速和发电机定子电流谐波的控制；通过d轴通过阻抗源网络电容电压外环和并网d轴电流内环，可实现对阻抗源网络电容电压稳定的控制；通过并网q轴电流环，可实现单位功率因数并网控制。

Claims (12)

1.一种新型阻抗源直驱永磁风力发电系统，其特征在于，包括风叶、永磁同步发电机、三相不可控整流器、阻抗源网络、三相六开关逆变桥臂、滤波电感和一套控制器，通过该控制器对永磁同步发电机转速、阻抗源网络电容电压稳定和并网功率因数进行控制。
2.根据权利要求1所述的新型阻抗源直驱永磁风力发电系统，其特征在于，所述阻抗源网络由二极管D1、D2、D3、D4、电感L1、L2、L3和电容C1、C2构成。
3.根据权利要求1所述的新型阻抗源直驱永磁风力发电系统，其特征在于，所述控制器的输入为阻抗源网络电感电流iL1、阻抗源网络电容电压VC2、永磁同步发电机的位置角θr和转速ωr、三相并网电压ega、egb、egc、三相并网电流ia、ib、ic，控制器的输出为阻抗源逆变器的触发脉冲。
4.根据权利要求1所述的新型阻抗源直驱永磁风力发电系统，其特征在于，通过风叶将风能转化为机械能，经永磁同步发电机将机械能转化成电能，以幅值和频率均变化的三相交流电形式输出，经三相不可控整流后变为大小变化的直流电，再经阻抗源逆变器升压逆变成幅值和频率固定的交流电，经滤波电感后并网。
5.一种新型阻抗源直驱永磁风力发电系统的控制方法，其特征在于，直驱永磁风力发电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) 实时检测永磁同步风力发电机的转子位置角θr 、转速ωr和阻抗源网络电感L1的电流iL1；
(2) 通过永磁同步风力发电机转速外环和阻抗源网络电感电流内环，得到阻抗源逆变器的直通占空比d0；
(3) 实时检测阻抗源逆变器的并网电压和并网电流，并通过PLL计算出相角θ；
(4) 通过abc-dq变换，得到并网电压和并网电流的dq轴分量；
(5) 实时检测阻抗源网络电容C2的电压VC2；
(6) d轴通过阻抗源网络电容电压外环和并网d轴电流内环，得到参考电压Uα；q轴通过并网q轴电流环，得到参考电压Uβ；
(7) 将步骤(6)中得到的Uα、Uβ分量和步骤(2)中得到的直通占空比d0输入STSVPWM控制器，得到阻抗源逆变器的触发脉冲信号。
6.根据权利要求5所述的新型阻抗源直驱永磁风力发电系统的控制方法，其特征在于，所述的步骤(2)中的永磁同步风力发电机转速外环具体包括：通过MPPT装置给出发电机转速给定，经与实时转速检测值比较后输入PI控制器，得出阻抗源网络电感L1的电流给定值iL1 *。
7.根据权利要求5所述的新型阻抗源直驱永磁风力发电系统的控制方法，其特征在于，所述的步骤(2)中的阻抗源网络电感电流内环具体包括：比较阻抗源网络电感L1的电流给定值iL1 *和电流实时检测值后，输入PI控制器，得到阻抗源逆变器的直通占空比d0。
8.根据权利要求5所述的新型阻抗源直驱永磁风力发电系统的控制方法，其特征在于，所述的步骤(6)中的阻抗源网络电容电压外环具体包括：比较阻抗源网络电容电压给定值VC2 *和实时检测值VC2后，输入PI控制器，得到阻抗源逆变器的并网d轴电流给定值id *。
9.根据权利要求5所述的新型阻抗源直驱永磁风力发电系统的控制方法，其特征在于，所述的步骤(6)中的并网d轴电流内环具体包括：将并网d轴电流给定值id *和实时检测值id比较后输入PI控制器，PI控制器的输出值减去(ωLiq+egd)得到电压参考值Ud，其中ω为并网电压角频率，L为单相滤波电感值。
10.根据权利要求5所述的新型阻抗源直驱永磁风力发电系统的控制方法，其特征在于，所述的步骤(6)中的并网q轴电流环具体包括：令并网q轴电流的给定值iq *为0，将并网q轴电流给定值iq *和实时检测值iq比较后输入PI控制器，PI控制器的输出值减去(egq-ωLid)得到电压参考值Uq。
11.根据权利要求5所述的新型阻抗源直驱永磁风力发电系统的控制方法，其特征在于，所述的步骤(7)中的参考电压Uα、Uβ，由Ud、Uq和θ经αβ-dq变换获得。
12.根据权利要求5所述的新型阻抗源直驱永磁风力发电系统的控制方法，其特征在于，通过永磁同步风力发电机转速外环和阻抗源网络电感电流内环，可实现对发电机的转速和发电机定子电流谐波的控制；通过d轴通过阻抗源网络电容电压外环和并网d轴电流内环，可实现对阻抗源网络电容电压稳定的控制；通过并网q轴电流环，可实现单位功率因数并网控制。
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