CN109449990B - 一种永磁直驱风力发电系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种永磁直驱风力发电系统及控制方法。永磁同步发电机将风力涡轮机的风力转换为电力，其输出端分别与变流器和整流器的输入端连接；变流器和整流器的输出端分别与三相逆变器的输入端连接，三相逆变器的输出端与交流电网连接；永磁同步发电机的转速采样输出端与控制器的输入端连接，控制器的输出端与整流器的驱动信号输入端连接，控制器控制转速调节信号与包含电机转子位置信息的标准正弦信号之积作为整流器的电流环参考信号；控制器的输出端与变流器的驱动信号输入端连接，控制器用于控制转速调节信号作为所述变流器上q轴电流分量的参考信号以及控制所述变流器上d轴电流分量的参考信号为0。本发明能够提高线路上的电流波形质量和功率因数，降低畸变率，调节无功输出。

Description

一种永磁直驱风力发电系统及控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电领域，特别是涉及一种永磁直驱风力发电系统及控制方法。

背景技术

直接驱动的基于PMSG的风电转换装置非常适合大型风力发电厂，已成为当今电力领域研究的热点之一，因其没有齿轮变速箱而大大减少了机械动力损失而得到工程师和设计者的认可。

随着现如今电网的发展，用户用电需求的增加，致使新能源发电技术的飞速发展，风力发电在当今电力市场中的占比以及机组容量也日趋增长。风电机组功率的稳步提升，使得变流器装置中的功率开关器件要承受更高的瞬间电压和电流应力，开关损耗也在逐步提高，而单一回线上的变流器系统也很难满足增加的功率需求，因此研究新型的变流器拓扑结构比如并联多台整流装置，对风力发电变流器系统中各项装置的合理安排以及制定完善的控制策略与监测机制都是要面临的挑战。

发明内容

本发明的目的是提供一种永磁直驱风力发电系统及控制方法，不仅能够保证风力涡轮机转速稳定，提高线路上的电流波形质量，还能提高功率因数，降低畸变率，调节无功输出。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种永磁直驱风力发电系统，包括：风力涡轮机、永磁同步发电机、变流器、整流器、三相逆变器、交流电网和控制器，所述风力涡轮机与所述永磁同步发电机连接，所述永磁同步发电机用于将所述风力涡轮机的风力转换为电力，所述永磁同步发电机的输出端分别与所述变流器的输入端和所述整流器的输入端连接；所述变流器的输出端与所述整流器的输出端分别与所述三相逆变器的输入端连接，所述三相逆变器的输出端与所述交流电网连接；所述永磁同步发电机的转速采样输出端与所述控制器的输入端连接，所述控制器的输出端与所述整流器的驱动信号输入端连接，所述控制器用于控制转速调节信号与包含电机转子位置信息的标准正弦信号之积作为所述整流器的电流环参考信号；所述控制器的输出端与所述变流器的驱动信号输入端连接，所述控制器用于控制转速调节信号作为所述变流器上q轴电流分量的参考信号以及控制所述变流器上d轴电流分量的参考信号为0。

可选的，所述变流器采用二极管中点箝位式三电平变流器。

可选的，所述整流器采用三相维也纳整流器。

可选的，所述整流器的数量为1台。

可选的，所述整流器的数量为N台，N为大于1的整数，各所述整流器之间相互并联。

可选的，所述三相逆变器通过直流母线分别与所述变流器的输出端和所述整流器的输出端连接。

一种永磁直驱风力发电系统的控制方法，包括：

获取风力涡轮机的给定转速和实时转速；

根据所述给定转速和所述实时转速，得到转速差值；

将转速差值经过PI调节器后得到转速调节信号；

获取滤波后的标准正弦信号；

根据所述转速调节信号和所述标准正弦信号，得到整流器的电流环的参考信号；

根据所述转速调节信号，得到变流器q轴电流分量的参考信号；

将所述变流器上d轴电流分量的参考信号设置为0；

将所述整流器的电流环的参考信号与整流器实际输入电流的差值经PI调节器后，得到第一输出信号；

将所述变流器q轴电流分量的参考信号与变流器实际输入电流的q轴分量经PI调节器后，得到第二输出信号；

将所述第一输出信号和所述第二输出信号分别进行PWM调制，得到的第一PWM调制信号和第二PWM调制信号；

将所述第一PWM调制信号作为驱动信号发送至整流器；将所述第二PWM调制信号作为驱动信号发送至变流器。

可选的，所述根据所述转速调节信号和所述标准正弦信号，得到整流器的电流环的参考信号，具体包括：

将所述转速调节信号和所述标准正弦信号相乘，得到整流器的电流环的参考信号。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供一种永磁直驱风力发电系统，包括：风力涡轮机、永磁同步发电机、变流器、整流器、逆变器、交流电网和控制器，所述风力涡轮机与所述永磁同步发电机连接，所述永磁同步发电机用于将所述风力涡轮机的风力转换为电力，所述永磁同步发电机的输出端分别与所述变流器的输入端和所述整流器的输入端连接；所述变流器的输出端与所述整流器的输出端分别与所述逆变器的输入端连接，所述三相逆变器的输出端与所述交流电网连接；所述永磁同步发电机的采样输出端与所述控制器的输入端连接，所述控制器的输出端与所述整流器的驱动信号输入端连接，所述控制器用于控制转速调节信号与包含电机转子位置信息的标准正弦信号之积作为所述整流器的电流环参考信号；所述控制器的输出端与所述变流器的驱动信号输入端连接，所述控制器用于控制转速调节信号作为所述变流器上q轴电流分量的参考信号以及控制所述变流器上d轴电流分量的参考信号为0。通过采用传统的双闭环控制方案，实现了并联的两种变流装置的电流平衡，即母线上流过的电流是变流器或整流器中电流的两倍。此外，在保证风力涡轮机转速稳定，线路上的电流波形质量良好，能够达到高功率因数，低畸变率的目的，而且可以调节无功输出。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例永磁直驱风力发电系统组成结构图；

图2为本发明实施例单台Vienna整流器与NPC并联运行的PMSG风电系统；

图3为本发明实施例多台Vienna整流器与NPC并联运行的PMSG风电系统；

图4为本发明实施例永磁直驱风力发电系统的控制方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种永磁直驱风力发电系统及控制方法，不仅能够保证风力涡轮机转速稳定，提高线路上的电流波形质量，还能提高功率因数，降低畸变率，调节无功输出。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例永磁直驱风力发电系统组成结构图。如图1所示，一种永磁直驱风力发电系统，包括：风力涡轮机1、永磁同步发电机2、变流器3、整流器4、逆变器5、交流电网6和控制器7，所述风力涡轮机1与所述永磁同步发电机2连接，所述永磁同步发电机2用于将所述风力涡轮机1的风力转换为电力，所述永磁同步发电机2的输出端分别与所述变流器3的输入端和所述整流器4的输入端连接；所述变流器3的输出端与所述整流器4的输出端分别与所述逆变器5的输入端连接，所述逆变器5的输出端与所述交流电网6连接；所述永磁同步发电机2的采样输出端与所述控制器7的输入端连接，所述控制器7的输出端与所述整流器4的驱动信号输入端连接，所述控制器7用于控制转速调节信号与包含电机转子位置信息的标准正弦信号之积作为所述整流器4的电流环参考信号；所述控制器7的输出端与所述变流器3的驱动信号输入端连接，所述控制器7用于控制转速调节信号作为所述变流器上q轴电流分量的参考信号以及控制所述变流器上d轴电流分量的参考信号为0。

所述变流器3采用二极管中点箝位式三电平变流器。

所述整流器4采用三相维也纳整流器。

当所述整流器4的数量为1台时，所述整流器与所述变流器并联。

当所述整流器4的数量为N台，N为大于1的整数，各所述整流器之间相互并联，各所述整流器与所述变流器相互并联。

所述逆变器5通过直流母线分别与所述变流器3的输出端和所述整流器4的输出端连接。

通过采用控制器设计一种双闭环控制方案，实现了并联的两种变流装置的电流平衡，即母线上流过的电流是变流器或整流器中电流的两倍。此外，在保证风力涡轮机转速稳定，线路上的电流波形质量良好的情况下，能够达到高功率因数，低畸变率的目的，而且还可以调节无功输出。

本发明的永磁直驱风力发电系统大致可以分为四个部分：

第一部分为以风力涡轮机驱动三相永磁同步发电机，完成风电转换，构成整个风电系统的发电机侧。

第二部分从三相永磁同步发电机接出的母线上，引入二极管中点箝位三电平变流器(NPC：Neutral-PointClampedMultilevelConverters)与Vienna整流器的并联结构装置。目的是将发电机侧产生的三相交流电压转换为直流电压。当风电机组的功率进一步增加时，可以考虑并联多台Vienna整流装置来对功率进行分配。其中，L_sa、L_sb、L_sc是NPC变流装置交流侧的输入电感，C₁、C₂是NPC变流装置直流侧的滤波电容，u_sa、u_sb、u_sc是从发电机输出端采集的三相交流正弦电压，i_sa1、i_sb1、i_sc1是从NPC变流装置的输入侧获取的三相电流，i_{sa2_k}、i_{sb2_k}、i_{sc2_k}是从第k台Vienna整流器交流侧获取的三相电流。图2为本发明实施例单台Vienna整流器与NPC并联运行的PMSG风电系统；如图2所示，当仅并联一台Vienna整流器装置时，k＝1，此时简化了下标，以i_sa2、i_sb2、i_sc2表示，此时对三相NPC以及三相Vienna整流器开关管的控制信号也以S_adc1和S_adc2表示。图3为本发明实施例多台Vienna整流器与NPC并联运行的PMSG风电系统，同时如图3所示，当并联n台Vienna整流器装置时，k＝1、2……n，此时对三相NPC以及第k台三相Vienna整流器开关管的控制信号以S_abc1和S_{abc2_k}表示。

第三部分是从第二部分并联的NPC变流和Vienna整流装置的直流电压侧经直流(母线)后接入逆变器，逆变器的输出端接入后级电网。其中的L_g和r_g是逆变器和电网之间交流输电线上的阻抗。

第四部分主要是直驱风力发电变流器系统的控制系统，利用现在工程上普遍采用的双闭环控制结构，即包括以风机转速环为外环，两个并联支路上的电流环为内环的内外两个闭环的控制策略，将给定转速ω^*与实时转速ω的差值Δω经PI控制器后的输出与母线上经采集滤波后的标准正弦信号u′_sabc相乘，得到的信号作为Vienna整流器的电流环的参考信号i_{sabc2_ref}；将给定转速ω^*与实时转速ω的差值Δω经PI控制器后的输出作为NPC上q轴电流分量的参考信号i_{sq1_ref}，d轴电流分量的参考信号i_{sq1_ref}设置为0。这样可以同时控制电流波形与转速稳定。开关管的驱动采用SPWM调制策略。

第一部分中以风力涡轮机驱动的三相永磁同步发电机产生对称三相交流电压，将该交流电压直接接入第二部分中变流器系统的交流侧，由于Vienna整流器与NPC变流器的直流侧都是三电平的拓扑结构，因此这两部分的直流侧可以直接相连，于是就形成了上述的并机运行方式，从两个变流装置的直流输出端引出直流母线，并接入三相逆变器的直流输入侧，三相逆变器输出交流电压经输电线以及变压器等设备后并入电网。

本发明的永磁直驱风力发电系统主要的优点体现在以下几个方面：

(1)直驱式风力发电机PMSG在风力涡轮机和PMSG转子轴之间没有齿轮变速箱，避免了机械动力产生的额外损耗，带来更高的转换效率。同时齿轮变速箱的拆除，也有利于降低设计与维护成本。

(2)变流器部分采用Vienna整流器与NPC并联运行的新型拓扑结构，随着风电装机容量的增加，产生了风力发电变流器系统的并联式拓扑结构，实现容量的分摊，NPC变流拓扑的优点在于功率开关管的换向电压仅为直流侧电压的一半，适用于高功率场合，但存在功率开关器件损耗较大且分布不均以及由此带来的运行稳定性等问题。Vienna整流器拓扑结构简单，成本较低，整流桥桥臂中点与直流侧中点的双向开关所采用的功率开关管数量较少，因此其转换效率较高，被广泛用于各种输配电网。将NPC变流与Vienna整流拓扑相并联，通过合理的控制策略，可以实现功率的平均分配，降低电路损耗，提高转换效率和系统稳定性等。此外，由于Vienna整流器是一个能量只能单向流动的整流装置，一台甚至多台Vienna整流器和NPC变流器并联的结构不会产生环流问题，同时也因NPC变流器可以实现直流电压与交流电压的双向变换，电能可以向发电机回馈，也使得驱动PMSG的成本降低，改善了现有的风力发电系统。

(3)采用传统的双闭环控制方案，通过设置合理的控制参数和控制结构，实现了并联的两种变流装置的电流平衡，即母线上流过的电流是NPC变流器或Vienna整流器中电流的两倍。此外，在保证风力涡轮机转速稳定，线路上的电流波形质量良好的情况下，能够达到高功率因数，低畸变率的目的。

图4为本发明实施例永磁直驱风力发电系统的控制方法流程图。如图4所示，一种永磁直驱风力发电系统的控制方法，包括：

步骤101：获取风力涡轮机的给定转速和实时转速；

步骤102：根据所述给定转速和所述实时转速，得到转速差值；

步骤103：将转速差值经过PI调节器后得到转速调节信号；

步骤104：获取滤波后的标准正弦信号；

步骤105：根据所述转速调节信号和所述标准正弦信号，得到整流器的电流环的参考信号；

步骤106：根据所述转速调节信号，得到变流器q轴电流分量的参考信号；

步骤107：将所述变流器上d轴电流分量的参考信号设置为0；

步骤108：将所述整流器的电流环的参考信号与整流器实际输入电流的差值经PI调节器后，得到第一输出信号；

步骤109：将所述变流器q轴电流分量的参考信号与变流器实际输入电流的q轴分量经PI调节器后，得到第二输出信号；

步骤110：将所述第一输出信号和所述第二输出信号分别进行PWM调制，得到的第一PWM调制信号和第二PWM调制信号；

步骤111：将所述第一PWM调制信号作为驱动信号发送至整流器；将所述第二PWM调制信号作为驱动信号发送至变流器。

步骤105，具体包括：

将所述转速调节信号和所述标准正弦信号相乘，得到整流器的电流环的参考信号。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的系统相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的系统及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种永磁直驱风力发电系统，其特征在于，包括：风力涡轮机、永磁同步发电机、第一整流器、第二整流器、三相逆变器、交流电网和控制器，所述风力涡轮机与所述永磁同步发电机连接，所述永磁同步发电机用于将所述风力涡轮机的风力转换为电力，所述永磁同步发电机的输出端分别与所述第一整流器的输入端和所述第二整流器的输入端连接；所述第一整流器的输出端与所述第二整流器的输出端分别与所述三相逆变器的输入端连接，所述三相逆变器的输出端与所述交流电网连接；所述永磁同步发电机的转速采样输出端与所述控制器的输入端连接，所述控制器的输出端与所述第二整流器的驱动信号输入端连接，所述控制器用于控制转速调节信号与包含电机转子位置信息的标准正弦信号之积作为所述第二整流器的电流环参考信号；所述控制器的输出端与所述第一整流器的驱动信号输入端连接，所述控制器用于控制转速调节信号作为所述第一整流器上q轴电流分量的参考信号以及控制所述第一整流器上d轴电流分量的参考信号为0；将所述第二整流器的电流环的参考信号与第二整流器实际输入电流的差值经PI调节器后，得到第一输出信号；将所述第一整流器q轴电流分量的参考信号与第一整流器实际输入电流的q轴分量经PI调节器后，得到第二输出信号；将所述第一输出信号和所述第二输出信号分别进行PWM调制，得到第一PWM调制信号和第二PWM调制信号；将所述第一PWM调制信号作为驱动信号发送至第二整流器；将所述第二PWM调制信号作为驱动信号发送至第一整流器。

2.根据权利要求1所述的永磁直驱风力发电系统，其特征在于，所述第一整流器采用二极管中点箝位式三电平整流器。

3.根据权利要求1所述的永磁直驱风力发电系统，其特征在于，所述第二整流器采用三相维也纳整流器。

4.根据权利要求1所述的永磁直驱风力发电系统，其特征在于，所述第二整流器的数量为1台。

5.根据权利要求1所述的永磁直驱风力发电系统，其特征在于，所述第二整流器的数量为N台，N为大于1的整数，各所述第二整流器之间相互并联。

6.根据权利要求1所述的永磁直驱风力发电系统，其特征在于，所述三相逆变器通过直流母线分别与所述第一整流器的输出端和所述第二整流器的输出端连接。

7.一种永磁直驱风力发电系统的控制方法，其特征在于，包括：

获取风力涡轮机的给定转速和实时转速；

根据所述给定转速和所述实时转速，得到转速差值；

将转速差值经过PI调节器后得到转速调节信号；

获取滤波后的标准正弦信号；

根据所述转速调节信号和所述标准正弦信号，得到第二整流器的电流环的参考信号；

根据所述转速调节信号，得到第一整流器q轴电流分量的参考信号；

将所述第一整流器上d轴电流分量的参考信号设置为0；

将所述第二整流器的电流环的参考信号与第二整流器实际输入电流的差值经PI调节器后，得到第一输出信号；

将所述第一整流器q轴电流分量的参考信号与第一整流器实际输入电流的q轴分量经PI调节器后，得到第二输出信号；

将所述第一输出信号和所述第二输出信号分别进行PWM调制，得到第一PWM调制信号和第二PWM调制信号；

将所述第一PWM调制信号作为驱动信号发送至第二整流器；将所述第二PWM调制信号作为驱动信号发送至第一整流器。

8.根据权利要求7所述的永磁直驱风力发电系统的控制方法，其特征在于，所述根据所述转速调节信号和所述标准正弦信号，得到第二整流器的电流环的参考信号，具体包括：

将所述转速调节信号和所述标准正弦信号相乘，得到第二整流器的电流环的参考信号。

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