CN110061614A - 十八相直驱永磁风力发电机的机侧变流器谐波抑制方法、系统及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种十八相直驱永磁风力发电机的机侧变流器谐波抑制方法、系统及介质，本发明机侧变流器谐波抑制方法将转速ω、d轴指令电流与1/6的d轴响应电流总和的偏差、q轴指令电流与1/6的q轴响应电流总和的偏差输入比例积分谐振控制器得到d轴电压Udref和q轴电压Uqref，通过调整生成开关信号控制十八相直驱永磁风力发电机的机侧变流器的工作状态。本发明对十八相直驱永磁风力发电机的机侧变流器进行指定次电流谐波抑制，达到消除定子电流谐波，改善电流波形的目的，从而能够起到防止谐波增加发电机的铁耗与铜耗以及引起转矩脉动的问题，可有效提升风电机组发电效率，以及延长发电机运行寿命。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电机的机侧变流器谐波抑制技术，具体涉及一种十八相直驱永磁风力发电机的机侧变流器谐波抑制方法、系统及介质，可实现对新型的十八相直驱永磁风力发电机的机侧变流器进行谐波抑制。
背景技术
风电是我国抢占新一轮经济科技竞争和全球能源变革制高点的战略性新兴产业。据统计，我国累计风力发电装机达到7556.4万kW，成为世界第一风力发电大国，年发电量超过1000 亿kWh，占电力需求的2％，且风电规模仍然在持续增加中。为了降低发电成本，海上风电机组大型化已成为风电发展的主流趋势，海上风电机组容量即将进入10MW级。
目前，海上MW级风电机组大都采用多绕组发电机。多相直驱永磁风力发电机具有高可靠性、低维护成本、高转换效率等优点，特别适合低压大功率风电系统。此外，由于多相发电机绕组数量多，将其应用于大功率风电系统中时可以有效降低定子绕组电流。当前，国内外学者针对低压大功率风电系统用多相直驱永磁风力发电机的理论研究，主要集中在传统多相永磁发电机。由于传统多相永磁发电机无法完全解耦，发电机的高性能控制难以实现。另一方面，海上MW级风电机组机侧PWM变流器开关频率低，输入与输出电流谐波含量较高。大量谐波会增加发电机的铁耗与铜耗，引起转矩脉动，降低风电机组发电效率，对发电机运行及寿命产生严重影响。十八相直驱永磁风力发电机是一种新型的可靠度高、结构简单及易模块化组装的风力发电机，其机侧变流器的控制一般是利用传统PI控制器来实现的，但是传统PI控制器不能实现发电机机侧变流器的谐波抑制。因此，针对多相直驱永磁风力发电机，如何实现机侧变流器的谐波抑制，已经成为一项亟待解决的关键技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种十八相直驱永磁风力发电机的机侧变流器谐波抑制方法、系统及介质，本发明对十八相直驱永磁风力发电机的机侧变流器进行指定次电流谐波抑制，达到消除定子电流谐波，改善电流波形的目的，从而能够起到防止谐波增加发电机的铁耗与铜耗以及引起转矩脉动的问题，可有效提升风电机组发电效率，以及延长发电机运行寿命。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种十八相直驱永磁风力发电机的机侧变流器谐波抑制方法，实施步骤包括：
1)获取十八相直驱永磁风力发电机的转速ω以及六个三相永磁电机单元的d轴响应电流总和、q轴响应电流总和；
2)将转速ω、d轴指令电流与1/6的d轴响应电流总和的偏差、q轴指令电流与1/6的q 轴响应电流总和的偏差输入比例积分谐振控制器，得到d轴电压Udref和q轴电压Uqref；
3)将d轴电压Udref和q轴电压Uqref经过坐标变换得到α轴电压Uαref和β轴电压Uβref；
4)将α轴电压Uαref和β轴电压Uβref通过SVPWM模块生成六个相同的调制开关信号；
5)将六个相同的调制开关信号分别输入机侧变流器的六个两电平变流器，从而实现机侧变流器谐波抑制的目的。
优选地，步骤2)中比例积分谐振控制器的传递函数如式(1)所示；
式(1)中，G(s)表示传递函数的值，s为输入量，Kp为比例系数，Ki为积分系数，h为谐波阶数，Khwi为h次谐波谐振增益系数，ωc为截止频率，ω为转速。
优选地，步骤1)的详细步骤包括：
1.1)获取十八相直驱永磁风力发电机的转速ω及六个三相永磁电机单元的a相响应电流 iaj以及b相响应电流ibj；
1.2)根据六个三相永磁电机单元的a相响应电流iaj、b相响应电流ibj以及c相响应电流icj计算六个三相永磁电机单元的a相响应电流总和、b相响应电流总和、c相响应电流总和；
1.3)将六个三相永磁电机单元的a相响应电流总和、b相响应电流总和、c相响应电流总和经过坐标变换，得到六个三相永磁电机单元的d轴响应电流总和、q轴响应电流总和。
本发明还提供一种十八相直驱永磁风力发电机的机侧变流器谐波抑制系统，包括计算机设备，该计算机设备被编程或配置以执行前述十八相直驱永磁风力发电机的机侧变流器谐波抑制方法的步骤，或该计算机设备的存储介质上存储有被编程或配置以执行前述十八相直驱永磁风力发电机的机侧变流器谐波抑制方法的计算机程序。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其特征为，该计算机可读存储介质上存储有被编程或配置以执行前述十八相直驱永磁风力发电机的机侧变流器谐波抑制方法的计算机程序。
本发明还提供一种十八相直驱永磁风力发电机的机侧变流器谐波抑制系统，包括十八相直驱永磁风力发电机、机侧变流器以及控制设备，所述十八相直驱永磁风力发电机由六个所有特性相互重复的三相永磁电机单元组成，所述机侧变流器由六个并联链接的两电平变流器组成，六个并联链接的两电平变流器交流侧分别与十八相直驱永磁风力发电机的六个三相永磁电机单元一一对应连接，且六个并联链接的两电平变流器直流侧共同接一个电容，所述控制设备被编程或配置以执行前述十八相直驱永磁风力发电机的机侧变流器谐波抑制方法的步骤，或所述控制设备的存储介质上存储有被编程或配置以执行前述十八相直驱永磁风力发电机的机侧变流器谐波抑制方法的计算机程序。
和现有技术相比，本发明具有下述优点：本发明十八相直驱永磁风力发电机的机侧变流器谐波抑制方法将转速ω、d轴指令电流与1/6的d轴响应电流总和的偏差、q轴指令电流与 1/6的q轴响应电流总和的偏差输入比例积分谐振控制器得到d轴电压Udref和q轴电压Uqref，从而能够对十八相直驱永磁风力发电机的机侧变流器进行指定次电流谐波抑制，达到消除定子电流谐波，改善电流波形的目的，从而能够起到防止谐波增加发电机的铁耗与铜耗以及引起转矩脉动的问题，可有效提升风电机组发电效率，以及延长发电机运行寿命。
附图说明
图1为本发明实施例方法的原理示意图。
图2为本发明实施例系统的结构示意图。
图3为本发明实施例中十八相直驱永磁风力发电机的结构示意图。
图4为本发明实施例中十八相直驱永磁风力发电机以及机侧变流器的连接结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例十八相直驱永磁风力发电机的机侧变流器谐波抑制方法的实施步骤包括：
1)获取十八相直驱永磁风力发电机的转速ω以及六个三相永磁电机单元的d轴响应电流总和、q轴响应电流总和；
2)将转速ω、d轴指令电流与1/6的d轴响应电流总和的偏差、q轴指令电流与1/6的q 轴响应电流总和的偏差输入比例积分谐振控制器，得到d轴电压Udref和q轴电压Uqref；
3)将d轴电压Udref和q轴电压Uqref经过坐标变换得到α轴电压Uαref和β轴电压Uβref；
4)将α轴电压Uαref和β轴电压Uβref通过SVPWM模块生成六个相同的调制开关信号；
5)将六个相同的调制开关信号分别输入机侧变流器的六个两电平变流器，从而实现机侧变流器谐波抑制的目的。
本实施例中，步骤2)中比例积分谐振控制器的传递函数如式(1)所示；
式(1)中，G(s)表示传递函数的值，s为输入量，Kp为比例系数，Ki为积分系数，h为谐波阶数，Khwi为h次谐波谐振增益系数，ωc为截止频率，ω为转速。
其中，为谐振控制器，为传统PI控制器，传统PI控制器仅能对dq坐标系下的直流信号进行调节来实现对发电机的控制，它无法实现对dq坐标系下的交流信号进行稳态调节，从而不能实现机侧变流器的谐波抑制。然而，谐振控制器可以实现对dq坐标系下的不同交流信号进行稳态调节，从而可以实现多次谐波的抑制；综上；比例积分谐振控制器不仅能对dq坐标系下的直流信号进行调节来实现对发电机的控制，同时可实现机侧变流器的指定次谐波抑制。
本实施例中，步骤1)的详细步骤包括：
1.1)获取十八相直驱永磁风力发电机的转速ω及六个三相永磁电机单元的a相响应电流 iaj以及b相响应电流ibj；
1.2)根据六个三相永磁电机单元的a相响应电流iaj、b相响应电流ibj以及c相响应电流icj计算六个三相永磁电机单元的a相响应电流总和、b相响应电流总和、c相响应电流总和；
a相响应电流总和、b相响应电流总和可表示为：
1.3)将六个三相永磁电机单元的a相响应电流总和、b相响应电流总和、c相响应电流总和经过坐标变换，得到六个三相永磁电机单元的d轴响应电流总和、q轴响应电流总和。
d轴响应电流总和、q轴响应电流总和可表示为：
此外，本实施例还提供一种十八相直驱永磁风力发电机的机侧变流器谐波抑制系统，包括计算机设备，该计算机设备被编程或配置以执行前述十八相直驱永磁风力发电机的机侧变流器谐波抑制方法的步骤，或该计算机设备的存储介质上存储有被编程或配置以执行前述十八相直驱永磁风力发电机的机侧变流器谐波抑制方法的计算机程序。
此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有被编程或配置以执行前述十八相直驱永磁风力发电机的机侧变流器谐波抑制方法的计算机程序。
此外，如图2所示，本实施例还提供一种十八相直驱永磁风力发电机的机侧变流器谐波抑制系统，包括控制设备1、十八相直驱永磁风力发电机2以及机侧变流器3。
如图2和图3所示，十八相直驱永磁风力发电机2由六个所有特性相互重复的三相永磁电机单元(1st～6th)组成。如图3所示，十八相直驱永磁风力发电机2包括由内到外依次设置的转子21、磁铁22、绕组23以及定子24，十八相直驱永磁风力发电机2被分割为六个所有特性相互重复的三相永磁电机单元，每个三相永磁电机单元的截面为圆心角为60°的扇形，其中绕组23的分布与传统三相永磁电机一致，单元之间具有电、磁、热隔离的特性，该十八相直驱永磁风力发电机2具有结构简单、容错性强、模块化的优点，且结构简单、可靠度高、控制算法简单易实现。
如图2和图4所示，机侧变流器3由六个并联链接的两电平变流器(A1B1C1～A6B6C6) 组成，六个并联链接的两电平变流器交流侧分别与十八相直驱永磁风力发电机2的六个三相永磁电机单元一一对应连接，且六个并联链接的两电平变流器直流侧共同接一个电容(图中未绘出)。
本实施例中，控制设备3被编程或配置以执行前述十八相直驱永磁风力发电机2的机侧变流器3谐波抑制方法的步骤，或控制设备3的存储介质上存储有被编程或配置以执行前述十八相直驱永磁风力发电机2的机侧变流器3谐波抑制方法的计算机程序。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/ 或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/ 或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种十八相直驱永磁风力发电机的机侧变流器谐波抑制方法，其特征为实施步骤包括：
1)获取十八相直驱永磁风力发电机的转速ω以及六个三相永磁电机单元的d轴响应电流总和、q轴响应电流总和；
2)将转速ω、d轴指令电流与1/6的d轴响应电流总和的偏差、q轴指令电流与1/6的q轴响应电流总和的偏差输入比例积分谐振控制器，得到d轴电压Udref和q轴电压Uqref；
3)将d轴电压Udref和q轴电压Uqref经过坐标变换得到α轴电压Uαref和β轴电压Uβref；
4)将α轴电压Uαref和β轴电压Uβref通过SVPWM模块生成六个相同的调制开关信号；
5)将六个相同的调制开关信号分别输入机侧变流器的六个两电平变流器，从而实现机侧变流器谐波抑制的目的。
2.根据权利要求1所述十八相直驱永磁风力发电机的机侧变流器谐波抑制方法，其特征为，步骤2)中比例积分谐振控制器的传递函数如式(1)所示；
式(1)中，G(s)表示传递函数的值，s为输入量，Kp为比例系数，Ki为积分系数，h为谐波阶数，Khwi为h次谐波谐振增益系数，ωc为截止频率，ω为转速。
3.根据权利要求1所述十八相直驱永磁风力发电机的机侧变流器谐波抑制方法，其特征为，步骤1)的详细步骤包括：
1.1)获取十八相直驱永磁风力发电机的转速ω及六个三相永磁电机单元的a相响应电流iaj以及b相响应电流ibj；
1.2)根据六个三相永磁电机单元的a相响应电流iaj、b相响应电流ibj以及c相响应电流icj计算六个三相永磁电机单元的a相响应电流总和、b相响应电流总和、c相响应电流总和；
1.3)将六个三相永磁电机单元的a相响应电流总和、b相响应电流总和、c相响应电流总和经过坐标变换，得到六个三相永磁电机单元的d轴响应电流总和、q轴响应电流总和。
4.一种十八相直驱永磁风力发电机的机侧变流器谐波抑制系统，包括计算机设备，其特征为，该计算机设备被编程或配置以执行权利要求1～3中任意一项所述十八相直驱永磁风力发电机的机侧变流器谐波抑制方法的步骤，或该计算机设备的存储介质上存储有被编程或配置以执行权利要求1～3中任意一项所述十八相直驱永磁风力发电机的机侧变流器谐波抑制方法的计算机程序。
5.一种计算机可读存储介质，其特征为，该计算机可读存储介质上存储有被编程或配置以执行权利要求1～3中任意一项所述十八相直驱永磁风力发电机的机侧变流器谐波抑制方法的计算机程序。
6.一种十八相直驱永磁风力发电机的机侧变流器谐波抑制系统，其特征为，包括十八相直驱永磁风力发电机、机侧变流器以及控制设备，所述十八相直驱永磁风力发电机由六个所有特性相互重复的三相永磁电机单元组成，所述机侧变流器由六个并联链接的两电平变流器组成，六个并联链接的两电平变流器交流侧分别与十八相直驱永磁风力发电机的六个三相永磁电机单元一一对应连接，且六个并联链接的两电平变流器直流侧共同接一个电容，所述控制设备被编程或配置以执行权利要求1～3中任意一项所述十八相直驱永磁风力发电机的机侧变流器谐波抑制方法的步骤，或所述控制设备的存储介质上存储有被编程或配置以执行权利要求1～3中任意一项所述十八相直驱永磁风力发电机的机侧变流器谐波抑制方法的计算机程序。
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