CN115036979A - 基于开绕组电机的新能源发电及传动用电系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于开绕组电机的新能源发电及传动用电系统及控制方法。本系统包括分布式新能源发电端、三相双向变换器、三相二极管整流桥、三相逆变器、开绕组电机、三相断路器、控制器和三相电网。相较于传统的新能源发电及传动用电系统，本发明专利对开绕组电机进行复用，既可以在电机正常运转过程中直接利用新能源进行供电，又能在电机静止时将其用作新能源发电并网时的电抗器。此外，本系统根据新能源间歇性发电和发电功率波动的特点，构建了分布式新能源发电端停止供电及电机停转等情况下的多种运行方式。本发明可有效降低新能源发电及用电系统成本，提升系统效率，改善电网电能质量。

Description

基于开绕组电机的新能源发电及传动用电系统及控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子与电力传动技术领域，具体是基于开绕组电机的新能源发电及传动用电系统及控制方法。

背景技术

当前全球都在关注环境与能源问题，节能减排提升到了前所未有的战略高度。如何减少环境污染，优化能源结构，促进社会与经济的可持续性发展，是我国面临的重要战略课题。

目前，我国的电机用电量占全国总电量的60%以上。如何有效利用分布式新能源对电机进行高效、高质量的供电，是提升新能源发电和传动用电效率的关键。

在大政策背景下，大力发展分布式新能源是必然的趋势。随着分布式新能源的不断增多，如何高效利用分布式新能源是关键。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供基于开绕组电机的新能源发电及传动用电系统，包括分布式新能源发电端、控制器、开绕组电机、三相双向变换器、三相逆变器、三相断路器、三相二极管整流桥、储能电容、三相电网；

所述的三相双向变换器、开绕组电机、三相逆变器依次连接；三相逆变器直流侧与三相二极管整流桥直流侧相连；断路器与三相逆变器和三相二极管整流桥并联；所述的三相二极管整流桥与所述的三相电网连接；所述的三相双向变换器、三相逆变器还分别与所述的控制器连接；储能电容与分布式新能源发电端并联，储能电容和三相双向变换器相连。

应用于所述的基于开绕组电机的新能源发电及传动用电系统的控制方法，包括如下过程：

若分布式新能源发电端有电能输出且开绕组电机转动，三相断路器断开，分布式新能源发电端和三相电网分别通过三相双向变换器和三相逆变器对开绕组电机进行供电；

若分布式新能源发电端有电能输出且开绕组电机静止，三相断路器闭合，三相逆变器关闭；分布式新能源发电端输出电能先后经过三相双向变换器和开绕组电机送入三相电网；

若分布式新能源发电端无电能输出且开绕组电机转动，三相断路器断开；储能电容和三相电网分别通过三相双向变换器和三相逆变器对开绕组电机进行供电；

若分布式新能源发电端无电能输出且开绕组电机静止的组态，三相断路器闭合，三相逆变器关闭；储能电容、三相双向变换器和静止状态下的开绕组电机共同构成有源电力滤波器，通过向三相电网注入谐波电流，与电网原有谐波电流抵消。

本发明的有益效果是：（1）相较于以前新能源发电传输给电网再通过电网供能给电机的模式，新能源供电电能传输过程中经历的电力电子变换器级数变少，新能源发电电能的利用效率得到有效提高。

（2）相比传统新能源发电及传动用电拓扑成本降低。本发明的新型拓扑将电机绕组复用为并网电抗器，无需使用价格昂贵的传统并网电抗器，成本显著降低。

（3）对电机的控制从两电平变为多电平，电机的控制精度得到提高。

（4）可用作有源电力滤波器改善电网的电能质量。

（5）电机电压利用率高，电机功率和调速范围得到提升。通过两侧供电的开绕组拓扑系统，在同等电压水平下，提高了电机电压的利用率。

附图说明

图1为基于开绕组电机的新能源发电及传动用电系统的原理示意图；

图2为分布式新能源发电端有电能输出且开绕组电机转动状态下的等效系统示意图；

图3为分布式新能源发电端有电能输出且开绕组电机静止状态下的等效系统示意图；

图4为分布式新能源发电端无电能输出且开绕组电机转动状态下的等效系统示意图；

图5为分布式新能源发电端无电能输出且开绕组电机静止状态下的等效系统示意图。

附图标记说明如下:11为分布式新能源发电端，12为储能电容，13为三相双向变换器，14为开绕组电机，15为三相逆变器，16为三相二极管整流桥，17为三相断路器，18为三相电网，19为控制器。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。通常在此处附图中描述展示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

而且，术语“包括”，“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程，方法，物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程，方法，物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程，方法，物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

如图1所示，基于开绕组电机的新能源发电及传动用电系统，包括分布式新能源发电端11、控制器19、开绕组电机14、三相双向变换器13、三相逆变器15、三相断路器17、三相二极管整流桥16、储能电容12、三相电网18；

所述的三相双向变换器13、开绕组电机14、三相逆变器15依次连接；三相逆变器15直流侧与三相二极管整流桥16直流侧相连；断路器17与三相逆变器15和三相二极管整流桥16并联；所述的三相二极管整流桥16与所述的三相电网18连接；所述的三相双向变换器13、三相逆变器15还分别与所述的控制器19连接；储能电容12与分布式新能源发电端11并联，储能电容12还三相双向变换器13相连。

应用于所述的基于开绕组电机的新能源发电及传动用电系统的控制方法，包括如下过程：

若分布式新能源发电端11有电能输出且开绕组电机14转动，三相断路器17断开，分布式新能源发电端11和三相电网18分别通过三相双向变换器13和三相逆变器15对开绕组电机14进行供电；

若分布式新能源发电端11有电能输出且开绕组电机14静止，三相断路器17闭合，三相逆变器15关闭；分布式新能源发电端11输出电能先后经过三相双向变换器13和开绕组电机14送入三相电网18；

若分布式新能源发电端11无电能输出且开绕组电机14转动，三相断路器17断开；储能电容12和三相电网18分别通过三相双向变换器13和三相逆变器15对开绕组电机14进行供电；

若分布式新能源发电端11无电能输出且开绕组电机14静止的组态，三相断路器17闭合，三相逆变器15关闭；储能电容12、三相双向变换器13和静止状态下的开绕组电机14共同构成有源电力滤波器，通过向三相电网18注入谐波电流，与电网原有谐波电流抵消。

此外，三相断路器17可以与三相电机绕组的三个中点连接，从而实现通过三相双向变换器13和三相逆变器15共同向三相电网18注入谐波电流，与电网原有谐波电流抵消，从而达到改善电网电能质量的目的。

具体的，分布式新能源发电端11有电能输出且开绕组电机14转动如图2所示。该组态下，三相断路器17断开，分布式新能源发电端11通过三相双向变换器13向开绕组电机14一侧供电。同时，三相电网18通过三相二极管整流桥16与三相逆变器15向开绕组电机14另一侧供电，构成开绕组电机双端供电结构。控制器19采样开绕组三相电流，将三相ABC电流解耦为dq轴电流，实现电流闭环控制。为了使电机稳定工作，设定d轴参考电流为0，q轴参考电流由转速通过PI控制器转换得到。再通过两个PI控制器，分别对d轴电流与q轴电流进行闭环跟踪。使用SVPWM调制策略产生调制信号，生成变换器开关组别，控制变换器的开关，在三相双向变换器13与三相逆变器15输出两个180°相位差的参考电压矢量，两个参考电压矢量在开绕组电机14中合成最终的电压矢量，实现电机的精准高效控制。组态1的工作下，因分布式新能源发电电压不固定，通过调制策略配合，设定三相双向变换器13侧输出的参考电压矢量和三相逆变器15侧输出的参考电压矢量随实际的电压波动调整比例，并确保在开绕组电机14的绕组中合成的电压矢量保持不变，实现电机的稳定控制。相比两电平调制，组态1在不同电源电压比例下能够实现多电平输出，可降低电机电流谐波和电机能耗，实现更高的电机驱动精度。同时，分布式新能源发电端11直接为电机提供电能，减少了在电网传输过程中经过多级电力电子器件以及传输线路上所带来的额外损耗，提高了新能源发电的利用效率。

分布式新能源发电端11有电能输出且开绕组电机14静止，如图3所示。该组态下，三相断路器17闭合，三相逆变器15关闭。分布式新能源发电端11通过三相双向变换器13和静止的开绕组电机14的绕组向三相电网18输送电能。通过控制器19将新能源产生的直流电通过三相双向变换器13逆变为并网交流电。开绕组电机14的三相绕组此时作为电抗器，限制系统内的合闸涌流、高次谐波、短路故障电流等作用。该组态将开绕组电机14的三相绕组复用为并网电抗器，无需使用传统并网电抗器，大大降低了分布式新能源并网成本。

分布式新能源发电端11无电能输出且开绕组电机14转动，如图4所示。该组态下，三相断路器17断开，储能电容12和三相电网18分别通过三相双向变换器13和三相逆变器15对开绕组电机14进行供电，构成一侧电源一侧电容的开绕组电机混合供电结构。储能电容12在此期间起到电压支撑和无功支撑作用。该组态下的电压调制方式需要在组态1基本调制基础上，考虑不同开关组合时对储能电容12的充放电效应。通过在每一个周期内，进行各矢量充电与放电时间组合，使得储能电容12电压能够得到控制。将储能电容12电压控制为三相逆变器15直流母线电压的1/2，实现四电平输出。同时，引入调制指数m=参考电压/直流母线电压,限制0<m<0.66，防止储能电容12崩溃，在此基础上建立SVPWM电压调制，选择空间电压矢量，生成开关组别对三相双向变换器13和三相逆变器15进行控制，实现开绕组电机双变换器双电源2:1供电和4电平输出，从而大幅降低电机供电电压谐波和电流谐波，提升控制精度，降低电机能耗。

分布式新能源发电端11无电能输出且开绕组电机14静止，如图5所示。该组态下，三相断路器17闭合，并将三相逆变器15关闭，作有源电力滤波器的主电路。控制器19根据检测的电网谐波电流控制三相双向变换器13，由储能电容12提供无功电能，产生与电网谐波电流大小相等，相位相反的电流进入电网以抵消谐波电流的作用，起到改善电网电能质量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (2)

1.基于开绕组电机的新能源发电及传动用电系统，其特征在于，包括分布式新能源发电端（11）、控制器（19）、开绕组电机（14）、三相双向变换器（13）、三相逆变器（15）、三相断路器（17）、三相二极管整流桥（16）、储能电容（12）、三相电网（18）；

所述的三相双向变换器（13）、开绕组电机（14）、三相逆变器（15）依次连接；三相逆变器（15）直流侧与三相二极管整流桥（16）直流侧相连；断路器（17）与三相逆变器（15）和三相二极管整流桥（16）并联；所述的三相二极管整流桥（16）与所述的三相电网（18）连接；所述的三相双向变换器（13）、三相逆变器（15）还分别与所述的控制器（19）连接；储能电容（12）与分布式新能源发电端（11）并联，储能电容（12）和三相双向变换器（13）相连。

2.应用于权利要求1所述的基于开绕组电机的新能源发电及传动用电系统的控制方法，其特征在于，包括如下过程：

若分布式新能源发电端（11）有电能输出且开绕组电机（14）转动，三相断路器（17）断开，分布式新能源发电端（11）和三相电网（18）分别通过三相双向变换器（13）和三相逆变器（15）对开绕组电机（14）进行供电；

若分布式新能源发电端（11）有电能输出且开绕组电机（14）静止，三相断路器（17）闭合，三相逆变器（15）关闭；分布式新能源发电端（11）输出电能先后经过三相双向变换器（13）和开绕组电机（14）送入三相电网（18）；

若分布式新能源发电端（11）无电能输出且开绕组电机（14）转动，三相断路器（17）断开；储能电容（12）和三相电网（18）分别通过三相双向变换器（13）和三相逆变器（15）对开绕组电机（14）进行供电；

若分布式新能源发电端（11）无电能输出且开绕组电机（14）静止，三相断路器（17）闭合，三相逆变器（15）关闭；储能电容（12）、三相双向变换器（13）和静止状态下的开绕组电机（14）共同构成有源电力滤波器，通过向三相电网（18）注入谐波电流，与电网原有谐波电流抵消。

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