CN112832951A - 一种18相风力发电系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种18相风力发电系统及其控制方法，所述风力发电系统包括18相永磁同步发电机、18个单相桥式全控整流器和18个电力电子变压器；18相永磁同步发电机的每相绕组分别经过一个单相桥式全控整流器整流后再通过一个电力电子变压器，所有电力电子变压器的副边输出端级联后并入高压直流电网。本发明通过采用18相永磁同步发电机代替传统三相电机，与传统三相发电机相比，18相永磁同步发电机传输的功率更大；同时，更多相的绕组确保了18相永磁同步发电机在发生绕组部分断路故障时，依然能够有效的进行功率传输，具备较高的容错性；并且，在定子谐波电流的作用下，18相永磁同步发电机的电磁转矩脉动更低，使得18相永磁同步发电机在运行过程中的可靠性大大提高。

Description

一种18相风力发电系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种18相风力发电系统及其控制方法。

背景技术

随着全球能源短缺问题的加重，以及能源供应安全问题越来越严峻，世界各国正在积极努力探索和开发新能源。近年来，我国的风力发电发展迅速，风机装机总容量逐年递增，目前我国风力发电的总装机容量己经位居世界第一位。根据国家能源局发布的《2019年全国电力工业统计数据》显示，截止到2019年12月，我国风电的累计装机已经达到210050MW，近十年来我国风电累计装机容量增量巨大。

传统的三相电机输出功率低，输出转矩小，电压等级低，已难以满足高压大功率并网的要求，需要额外增加升压变压器或者多台三相电机组合以实现高压并网，但实际中这样不仅会造成系统体积过大、可靠性太低、成本较高，而且控制较为复杂。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种18相风力发电系统及其控制方法，采用18相直驱永磁同步发电机代替传统三相电机，提高了输出功率和输出电压等级以及风力发电系统的容错性和可靠性。

为了实现上述目的，本发明实施例提供了一种18相风力发电系统的控制方法，所述风力发电系统包括18相永磁同步发电机、18个单相桥式全控整流器和18个电力电子变压器；

所述18相永磁同步发电机含有6套三相绕组，分别为A_m、B_m、C_m，m＝1，2，…6；每两套相邻的三相绕组之间相差10°电角度；6套三相绕组的中性点相连，作为18相永磁同步发电机的中性点N；

所述单相桥式全控整流器包括四个IGBT管T₁、T₂、T₃、T₄和一个电容C_f；其中，T₁的射极与T₂的集电极相连接，连接点作为单相桥式全控整流器的输入端正极；T₃的射极与T₄的集电极相连接，连接点作为单相桥式全控整流器的输入端负极；T₁和T₃的集电极与电容C_f的正极相连作为单相桥式全控整流器的输出端正极；T₂和T₄的发射极与电容C_f的负极相连作为单相桥式全控整流器的输出端负极；18个单相桥式全控整流器的输入端正极分别与18相永磁同步发电机的18个绕组相连，输入端负极与18相永磁同步发电机的中性点N相连；

所述电力电子变压器包括单相逆变器、多绕组变压器和k个单相桥式不控整流器；其中，所述单相逆变器包括四个IGBT管G₁、G₂、G₃、G₄；G₁和G₃的集电极相连作为电力电子变压器的输入端正极；G₂和G₄的发射极相连作为电力电子变压器的输入端负极；G₁的发射极与G₂的集电极相连接，连接点作为单相逆变器的输出端正极；G₃的发射极与G₄的集电极相连接，连接点作为单相逆变器的输出端负极；所述单相桥式不控整流器包括四个二极管L₁、L₂、L₃、L₄；L₁的阴极和L₃的阴极与电容C的正极相连作为单相桥式不控整流器的输出端正极；L₂的阳极和L₄的阳极与电容C的负极相连作为单相桥式不控整流器的输出端负极；L₁的阳极与L₂的阴极相连，连接点作为单相桥式不控整流器的输入端正极；L₃的阳极与L₄的阴极相连，连接点作为单相桥式不控整流器的输入端负极；所述多绕组变压器的原边与所述单相逆变器输出端相连，所述多绕组变压器的副边每个绕组与一个单相桥式不控整流器的输入端相连；将k个单相桥式不控整流器的输出端依次首尾相连，将第一个单相桥式不控整流器的输出端正极作为电力电子变压器的输出端正极，最后一个单相桥式不控整流器的输出端负极作为电力电子变压器的输出端负极；电力电子变压器的输入端正极与单相桥式全控整流器的输出端正极相连，电力电子变压器的输入端负极与单相桥式全控整流器的输出端负极相连；将18个电力电子变压器的输出端依次首尾相连，第一个电力电子变压器的输出端正极与高压直流电网正极相连，最后一个电力电子变压器的输出端负极与高压直流电网的负极相连；

所述18相风力发电系统的控制方法包括以下步骤：

以18相永磁同步发电机的第1相为例，其余17相控制方法相同；

(1)检测当前风速v，根据18相永磁同步发电机的叶片半径R和最佳叶尖速比λ_opt计算电机转子角速度的参考值ω_ref：

(2)检测18相永磁同步发电机的转子实际角速度ω，将ω与ω_ref进行比较，比较结果通过第一个PI调节器进行调节，得到第一个PI调节器的输出结果为机侧q轴电流参考值i_{mq_ref}：

其中，K_P1和K_I1分别为第一个PI调节器的比例系数和积分系数，s表示积分因子；

(3)将i_{mq_ref}乘以单位正弦量sin(θ_m1)，得到18相永磁同步发电机第1相输出电流参考值i_{1_ref}：

i_{1_ref}＝i_{mq_ref}×sin(θ_m1)

其中，θm1通过对18相永磁同步发电机第1相相电压锁相得到；

(4)将i_{1_ref}与第1相输出电流实际值i₁进行比较，比较结果通过第二个PR调节器，得到第二个PR调节器的输出结果为第一个单相桥式全控整流器的调制波T_Z1，将T_Z1与三角波进行比较得到第一个单相桥式全控整流器的控制信号：

其中，K_P2和K_R2分别为第二个PR调节器的比例系数和谐振系数；

(5)检测第1相对应的电容C_f的电压U_C1，将U_C1与电容C_f的额定电压U_{C_ref}进行比较，比较结果通过第三个PI调节器，得到第三个PI调节器的输出结果为第一个多绕组变压器原边电流的幅值i_{d1_ref}：

其中，K_P3和K_I3分别为第三个PI调节器的比例系数和积分系数；

(6)将i_{d1_ref}通过第四个比例调节器得到第一个多绕组变压器原边电压的幅值u_{d1_ref}：

u_{d1_ref}＝K_P4×i_{d1_ref}

其中，K_P4为第四个比例调节器的比例系数；

(7)将u_{d1_ref}乘以单位正弦量sin(1000πt)，得到第一个单相逆变器的输出电压参考值u_{n1_ref}，将u_{n1_ref}和第一个单相逆变器实际输出电压u_n1通过一个滞环比较器得到第一个单相逆变器的控制信号：

u_{n1_ref}＝u_{d1_ref}×sin(1000πt)

其中，t表示时间，从控制器上电开始计时。

相对于现有技术，本发明实施例提供的一种18相风力发电系统及其控制方法的有益效果在于：通过采用18相永磁同步发电机代替传统三相电机，与传统三相发电机相比，18相永磁同步发电机传输的功率更大；同时，更多相的绕组确保了18相永磁同步发电机在发生绕组部分断路故障时，依然能够有效的进行功率传输，具备较高的容错性；并且，在定子谐波电流的作用下，18相永磁同步发电机的电磁转矩脉动更低，使得18相永磁同步发电机在运行过程中的可靠性大大提高。

附图说明

图1是本发明提供的一种18相风力发电系统的一个优选实施例的结构示意图；

图2是本发明提供的一种18相风力发电系统的控制方法的一个优选实施例的流程示意图；

图3是本发明提供的一种18相风力发电系统的控制方法中18相永磁同步发电机的电压波形图；

图4是本发明提供的一种18相风力发电系统的控制方法中高压直流侧并网电压波形图。

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作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。

请参阅图1，图1是本发明提供的一种18相风力发电系统的一个优选实施例的结构示意图。所述风力发电系统包括18相永磁同步发电机、18个单相桥式全控整流器和18个电力电子变压器；

所述18相永磁同步发电机含有6套三相绕组，分别为A_m、B_m、C_m，m＝1，2，…6；每两套相邻的三相绕组之间相差10°电角度；6套三相绕组的中性点相连，作为18相永磁同步发电机的中性点N；

所述单相桥式全控整流器包括四个IGBT管T₁、T₂、T₃、T₄和一个电容C_f；其中，T₁的射极与T₂的集电极相连接，连接点作为单相桥式全控整流器的输入端正极；T₃的射极与T₄的集电极相连接，连接点作为单相桥式全控整流器的输入端负极；T₁和T₃的集电极与电容C_f的正极相连作为单相桥式全控整流器的输出端正极；T₂和T₄的发射极与电容C_f的负极相连作为单相桥式全控整流器的输出端负极；18个单相桥式全控整流器的输入端正极分别与18相永磁同步发电机的18个绕组相连，输入端负极与18相永磁同步发电机的中性点N相连；

所述电力电子变压器包括单相逆变器、多绕组变压器和k个单相桥式不控整流器；其中，所述单相逆变器包括四个IGBT管G₁、G₂、G₃、G₄；G₁和G₃的集电极相连作为电力电子变压器的输入端正极；G₂和G₄的发射极相连作为电力电子变压器的输入端负极；G₁的发射极与G₂的集电极相连接，连接点作为单相逆变器的输出端正极；G₃的发射极与G₄的集电极相连接，连接点作为单相逆变器的输出端负极；所述单相桥式不控整流器包括四个二极管L₁、L₂、L₃、L₄；L₁的阴极和L₃的阴极与电容C的正极相连作为单相桥式不控整流器的输出端正极；L₂的阳极和L₄的阳极与电容C的负极相连作为单相桥式不控整流器的输出端负极；L₁的阳极与L₂的阴极相连，连接点作为单相桥式不控整流器的输入端正极；L₃的阳极与L₄的阴极相连，连接点作为单相桥式不控整流器的输入端负极；所述多绕组变压器的原边与所述单相逆变器输出端相连，所述多绕组变压器的副边每个绕组与一个单相桥式不控整流器的输入端相连；将k个单相桥式不控整流器的输出端依次首尾相连，将第一个单相桥式不控整流器的输出端正极作为电力电子变压器的输出端正极，最后一个单相桥式不控整流器的输出端负极作为电力电子变压器的输出端负极；电力电子变压器的输入端正极与单相桥式全控整流器的输出端正极相连，电力电子变压器的输入端负极与单相桥式全控整流器的输出端负极相连；将18个电力电子变压器的输出端依次首尾相连，第一个电力电子变压器的输出端正极与高压直流电网正极相连，最后一个电力电子变压器的输出端负极与高压直流电网的负极相连。

需要说明的是，根据采用的风机中电机相数的不同，风机可分为多相风机和三相风机。多相风机采用的发电机相数大于3，其与传统三相电机相比，具有更好的性能。首先，电机相数大于3，意味着在相同的定子电压下，电机能够传输的功率更大。同时，更多相的绕组确保了在电机发生绕组部分断路故障时，依然能够有效的进行功率传输，具备较高的容错性。并且，在定子谐波电流的作用下，多相电机的电磁转矩脉动更低，使得在运行过程中电机的可靠性大大提高。

在本实施例中，所述多绕组变压器的变比为1:1，且所述多绕组变压器的二次侧绕组数k为2；电容C_f的大小为6mF，电容C_f的额定电压U_{C_ref}为580V；电容C的大小为2mF，电容C的额定电压为580V；K_P1＝2，K_I1＝30，K_P2＝5，K_R2＝100，K_P3＝3，K_I3＝50，K_P4＝25，e＝20；其中，e为滞环比较器的滞环环宽。

请参阅图2，图2是本发明提供的一种18相风力发电系统的控制方法的一个优选实施例的流程示意图。所述18相风力发电系统的控制方法包括以下步骤：

以18相永磁同步发电机的第1相为例，其余17相控制方法相同；

(1)检测当前风速v，根据18相永磁同步发电机的叶片半径R和最佳叶尖速比λ_opt计算电机转子角速度的参考值ω_ref：

(2)检测18相永磁同步发电机的转子实际角速度ω，将ω与ω_ref进行比较，比较结果通过第一个PI调节器进行调节，得到第一个PI调节器的输出结果为机侧q轴电流参考值i_{mq_ref}：

其中，K_P1和K_I1分别为第一个PI调节器的比例系数和积分系数，K_P1＝2，K_I1＝30；s表示积分因子；

(3)将i_{mq_ref}乘以单位正弦量sin(θ_m1)，得到18相永磁同步发电机第1相输出电流参考值i_{1_ref}：

i_{1_ref}＝i_{mq_ref}×sin(θ_m1)

其中，θm1通过对18相永磁同步发电机第1相相电压锁相得到；

(4)将i_{1_ref}与第1相输出电流实际值i₁进行比较，比较结果通过第二个PR调节器，得到第二个PR调节器的输出结果为第一个单相桥式全控整流器的调制波T_Z1，将T_Z1与三角波进行比较得到第一个单相桥式全控整流器的控制信号：

其中，K_P2和K_R2分别为第二个PR调节器的比例系数和谐振系数；K_P2＝5，K_R2＝100；

需要说明的是，将T_Z1与三角波进行比较时，若T_Z1的值大于三角波，则T₁和T₄导通，T₂和T₃关断；若T_Z1的值小于或等于三角波，则T2和T3导通，T1和T4关断。

(5)检测第1相对应的电容C_f的电压U_C1，将U_C1与电容C_f的额定电压U_{C_ref}进行比较，比较结果通过第三个PI调节器，得到第三个PI调节器的输出结果为第一个多绕组变压器原边电流的幅值i_{d1_ref}：

其中，K_P3和K_I3分别为第三个PI调节器的比例系数和积分系数；K_P3＝3，K_I3＝50；

(6)将i_{d1_ref}通过第四个比例调节器得到第一个多绕组变压器原边电压的幅值u_{d1_ref}：

u_{d1_ref}＝K_P4×i_{d1_ref}

其中，K_P4为第四个比例调节器的比例系数；K_P4＝25；

(7)将u_{d1_ref}乘以单位正弦量sin(1000πt)，得到第一个单相逆变器的输出电压参考值u_{n1_ref}，将u_{n1_ref}和第一个单相逆变器实际输出电压u_n1通过一个滞环比较器得到第一个单相逆变器的控制信号：

u_{n1_ref}＝u_{d1_ref}×sin(1000πt)

其中，t表示时间，从控制器上电开始计时。

需要说明的是，滞环比较器的滞环环宽e＝20，将u_{n1_ref}和第一个单相逆变器实际输出电压u_n1通过一个滞环比较器时，当u_n1-u_{n1_ref}>e/2时，则G₂和G₃导通，G1和G4关断；当u_n1-u_{n1_ref}<e/2，则G2和G3关断，G1和G4导通。

本发明实施例通过采用叶尖速比法对风机进行最大功率跟踪控制后得到每个单相桥式全控整流器的控制信号，对电力电子变压器的输入电压进行控制得到电力电子变压器的控制信号；采用18相电机可提高系统功率等级，降低转矩脉动，提高系统可靠性；并且，整个系统拓扑简单，成本较低，控制较为简单。

请参阅图3，图3是本发明提供的一种18相风力发电系统的控制方法中18相永磁同步发电机的电压波形图。从图3中可以得出18相永磁同步发电机的电压满足正弦规律变化且谐波含量较低，电压幅值约为975.5V，电压有效值约为690V，基波频率为5.5Hz，说明发电机转速控制稳定，输出电压稳定。

请参阅图4，图4是本发明提供的一种18相风力发电系统的控制方法中高压直流侧并网电压波形图。从图4中可以得出高压直流电网侧并网电压基本维持在12.02kV到12.03kV之间，说明本发明实施例提供的风力发电系统并网的有效性较高，可实现直流并网。考虑到线路中的各种损耗，因此比额定值12kV略高。

本发明实施例提供了一种18相风力发电系统及其控制方法，将18相永磁同步发电机的每相绕组分别经过一个单相桥式全控整流器整流后再通过一个电力电子变压器，所有电力电子变压器的副边输出端级联后并入高压直流电网。通过采用18相永磁同步发电机代替传统三相电机，与传统三相发电机相比，18相永磁同步发电机传输的功率更大；同时，更多相的绕组确保了18相永磁同步发电机在发生绕组部分断路故障时，依然能够有效的进行功率传输，具备较高的容错性；并且，在定子谐波电流的作用下，18相永磁同步发电机的电磁转矩脉动更低，使得18相永磁同步发电机在运行过程中的可靠性大大提高。

需说明的是，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的系统实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述是本发明的优选实施方式，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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种18相风力发电系统的控制方法，其特征在于，所述风力发电系统包括18相永磁同步发电机、18个单相桥式全控整流器和18个电力电子变压器；

所述18相永磁同步发电机含有6套三相绕组，分别为A_m、B_m、C_m，m＝1，2，…6；每两套相邻的三相绕组之间相差10°电角度；6套三相绕组的中性点相连，作为18相永磁同步发电机的中性点N；

所述单相桥式全控整流器包括四个IGBT管T₁、T₂、T₃、T₄和一个电容C_f；其中，T₁的射极与T₂的集电极相连接，连接点作为单相桥式全控整流器的输入端正极；T₃的射极与T₄的集电极相连接，连接点作为单相桥式全控整流器的输入端负极；T₁和T₃的集电极与电容C_f的正极相连作为单相桥式全控整流器的输出端正极；T₂和T₄的发射极与电容C_f的负极相连作为单相桥式全控整流器的输出端负极；18个单相桥式全控整流器的输入端正极分别与18相永磁同步发电机的18个绕组相连，输入端负极与18相永磁同步发电机的中性点N相连；

所述电力电子变压器包括单相逆变器、多绕组变压器和k个单相桥式不控整流器；其中，所述单相逆变器包括四个IGBT管G₁、G₂、G₃、G₄；G₁和G₃的集电极相连作为电力电子变压器的输入端正极；G₂和G₄的发射极相连作为电力电子变压器的输入端负极；G₁的发射极与G₂的集电极相连接，连接点作为单相逆变器的输出端正极；G₃的发射极与G₄的集电极相连接，连接点作为单相逆变器的输出端负极；所述单相桥式不控整流器包括四个二极管L₁、L₂、L₃、L₄；L₁的阴极和L₃的阴极与电容C的正极相连作为单相桥式不控整流器的输出端正极；L₂的阳极和L₄的阳极与电容C的负极相连作为单相桥式不控整流器的输出端负极；L₁的阳极与L₂的阴极相连，连接点作为单相桥式不控整流器的输入端正极；L₃的阳极与L₄的阴极相连，连接点作为单相桥式不控整流器的输入端负极；所述多绕组变压器的原边与所述单相逆变器输出端相连，所述多绕组变压器的副边每个绕组与一个单相桥式不控整流器的输入端相连；将k个单相桥式不控整流器的输出端依次首尾相连，将第一个单相桥式不控整流器的输出端正极作为电力电子变压器的输出端正极，最后一个单相桥式不控整流器的输出端负极作为电力电子变压器的输出端负极；电力电子变压器的输入端正极与单相桥式全控整流器的输出端正极相连，电力电子变压器的输入端负极与单相桥式全控整流器的输出端负极相连；将18个电力电子变压器的输出端依次首尾相连，第一个电力电子变压器的输出端正极与高压直流电网正极相连，最后一个电力电子变压器的输出端负极与高压直流电网的负极相连；

所述18相风力发电系统的控制方法包括以下步骤：

以18相永磁同步发电机的第1相为例，其余17相控制方法相同：

(1)检测当前风速v，根据18相永磁同步发电机的叶片半径R和最佳叶尖速比λ_opt计算电机转子角速度的参考值ω_ref：

(2)检测18相永磁同步发电机的转子实际角速度ω，将ω与ω_ref进行比较，比较结果通过第一个PI调节器进行调节，得到第一个PI调节器的输出结果为机侧q轴电流参考值i_{mq_ref}：

其中，K_P1和K_I1分别为第一个PI调节器的比例系数和积分系数，s表示积分因子；

(3)将i_{mq_ref}乘以单位正弦量sin(θ_m1)，得到18相永磁同步发电机第1相输出电流参考值i_{1_ref}：

i_{1_ref}＝i_{mq_ref}×sin(θ_m1)

其中，θm1通过对18相永磁同步发电机第1相相电压锁相得到；

(4)将i_{1_ref}与第1相输出电流实际值i₁进行比较，比较结果通过第二个PR调节器，得到第二个PR调节器的输出结果为第一个单相桥式全控整流器的调制波T_Z1，将T_Z1与三角波进行比较得到第一个单相桥式全控整流器的控制信号：

其中，K_P2和K_R2分别为第二个PR调节器的比例系数和谐振系数；

(5)检测第1相对应的电容C_f的电压U_C1，将U_C1与电容C_f的额定电压U_{C_ref}进行比较，比较结果通过第三个PI调节器，得到第三个PI调节器的输出结果为第一个多绕组变压器原边电流的幅值i_{d1_ref}：

其中，K_P3和K_I3分别为第三个PI调节器的比例系数和积分系数；

(6)将i_{d1_ref}通过第四个比例调节器得到第一个多绕组变压器原边电压的幅值u_{d1_ref}：

u_{d1_ref}＝K_P4×i_{d1_ref}

其中，K_P4为第四个比例调节器的比例系数；

(7)将u_{d1_ref}乘以单位正弦量sin(1000πt)，得到第一个单相逆变器的输出电压参考值u_{n1_ref}，将u_{n1_ref}和第一个单相逆变器实际输出电压u_n1通过一个滞环比较器得到第一个单相逆变器的控制信号：

u_{n1_ref}＝u_{d1_ref}×sin(1000πt)

其中，t表示时间，从控制器上电开始计时。

2.如权利要求1所述的18相风力发电系统的控制方法，其特征在于，所述多绕组变压器的变比为1:1，且所述多绕组变压器的二次侧绕组数k为2；电容C_f的大小为6mF，电容C_f的额定电压U_{C_ref}为580V；电容C的大小为2mF，电容C的额定电压为580V；K_P1＝2，K_I1＝30，K_P2＝5，K_R2＝100，K_P3＝3，K_I3＝50，K_P4＝25，e＝20；其中，e为滞环比较器的滞环环宽。

Images