CN201323550Y - 基于矩阵式变换器的无刷双馈风力发电机控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于矩阵式变换器的无刷双馈风力发电机控制系统，包括3×3双向开关矩阵，控制器，矩阵式变换器的开关矩阵一侧与无刷双馈发电机组的控制绕组相连，另一侧与电网相连，根据无刷双馈发电机的转子转速，进行交—交变频，实现功率绕组的输出电能频率恒定，即变速恒频控制，保证电能质量。

Description

基于矩阵式变换器的无刷双馈风力发电机控制系统

技术领域

本实用新型涉及风力发动机的控制技术，具体是一种基于矩阵式变换器的无刷双馈风力发电机控制系统。

背景技术

风力发电机是一种利用风力机叶片捕获风能，并将其转换为旋转机械能，进而驱动发电机发电的能源机器。

传统的并网型风力发电机组一般采用异步发电机，且直接并网，风速变化所带来的空气动力变化，会导致风力发电机组的负载增加，以及转速变化，影响风力发电机寿命和风电品质。新发展的风力发电机组采用了双馈发电机组，双馈发电机组可以实现变速恒频控制和最大风能捕获控制，对风力发电技术的提高和应用推广起到了积极作用，但由于存在电刷和滑环，增加了维修工作量和成本。

无刷双馈发电机其转子类似于鼠笼式电机结构，而定子上有两套相互电磁解耦的绕组——功率绕组和控制绕组，功率绕组与控制绕组间通过笼形转子来产生电磁耦合，可通过控制绕组的电压、电流的频率、幅值、相位和相序调节，来实现发电机组的输出频率以及有功功率和无功功率的解耦控制。功率绕组直接与电网相连，而控制绕组通过变流器与电网相连。变流器根据发电机转子转速调节控制绕组的励磁频率，使功率绕组的输出电能频率维持工频50Hz不变。目前的变流器采用的是交-直-交的结构形式，结构复杂，效率较低。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种结构简单、效率较高的基于矩阵式变换器的无刷双馈风力发电机控制系统。

一种基于矩阵式变换器的无刷双馈风力发电机控制系统，其特征在于：包括矩阵式变换器，所述矩阵式变换器包括3×3双向开关矩阵及其控制器，各开关的动作由控制器控制；3×3双向开关矩阵的一侧与无刷双馈风力发电机的控制绕组相连，另一侧与电网相连。

矩阵式变换器的输出波形采用空间矢量法进行调制，并对矩阵式变换器的输出电流进行了闭环控制，以提高矩阵式变换器的抗干扰性。

本实用新型与现有技术相比，结构简单、效率较高，电能质量较高。

附图说明

图1为基于矩阵式变换器的无刷双馈风力发电机控制系统的整体结构图；

图2为矩阵式变换器控制器的结构图；

图3为矩阵式变换器的输出闭环控制结构图。

具体实施方式

下面将结合附图详细讲解本实用新型提供的基于矩阵式变换器的无刷双馈发电机控制系统结构和原理。

参考图1，基于矩阵式变换器的无刷双馈风力发电机控制系统包括双向开关矩阵1和控制器2，该双向开关矩阵1包括9个双向开关。所述9个开关组成如图所示的3×3阵列，阵列的一侧三相输入端与电网相连，另一侧的三相输出端与无刷双馈发电机的控制绕组相连，开关的动作由控制器2控制。

参考图2，该图为控制器2的内部结构图，其中采样检测部分20检测三相中的两相电流和电压的幅值、相位和频率。控制算法部分21为以高速数字处理器DSP为核心的控制单元，功能为生成输出波形和产生必要的控制算法。外部时钟22提供同步时钟信号。开关控制部分23其功能为根据控制算法生成开关驱动信号。换流控制部分24保证开关的可靠反向关断。

参考图3，该图为矩阵式变换器的输出闭环控制结构图，根据矩阵变换器间接控制原理，将矩阵式变换器虚拟为交-直-交变换器，采用双环控制结构，外环采取空间矢量控制，即由控制器2实现空间矢量控制(SVM)，并生成输入侧开关SAP、SBP、SCP、SAN、SBN、SCN等开关的PWM控制信号。内环为矩阵式变换器的电流跟踪控制环，由控制器3实现，控制器3首先根据空间矢量调制要求生成三相指令电流信号i_a ^*、i_b ^*、i_c ^*，并测量实际的三相电流信号i_a、i_b、i_c，并分别将三相电流信号进行Park变换，形成d-q轴等效信号i_d ^*、i_q ^*和i_d、i_q，电流反馈控制控制信号按下述公式计算：

矩阵变换器的d-q轴模型为：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_d}{\mathrm{dt}}=u_d-{\mathrm{Ri}}_d+{\mathrm{\ω}}_o{\mathrm{Li}}_q-u_{\mathrm{nd}}\\ L\frac{{\mathrm{di}}_q}{\mathrm{dt}}=u_q-{\mathrm{Ri}}_q-{\mathrm{\ω}}_o{\mathrm{Li}}_d-u_{\mathrm{nq}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式(1)中为两轴电压，u_nd、u_nq为负载星结点处两轴电压，R与L分别为三相平衡负载的每相电阻和电感。按(2)式计算输出侧开关SaP、SbP、ScP、SaN、SbN、ScN等开关的控制信号，在经空间矢量调制(SVM)，生成开关PWM信号。

$\left\{\begin{array}{c}{u}_d={-u}_{\mathrm{nd}}-L{\stackrel{\·}{i}}_d^{*}-{\mathrm{L\ω}}_0{i}_q-{\mathrm{Ri}}_d^{*}+R(i_d-i_d^{*})\\ u_q=-u_{\mathrm{nq}}-L{\stackrel{\·}{i}}_q^{*}+{\mathrm{L\ω}}_0{i}_d-{\mathrm{Ri}}_q^{*}+R(i_q-i_q^{*})\end{array}\right.---\left(2\right)$

式(2)表示的控制信号经Park反变换后，再实际控制双向开关阵列中的双向开关动作。

图3中所示虚拟矩阵式变换器的开关SAP、SBP、SCP、SAN、SBN、SCN和SaP、SbP、ScP、SaN、SbN、ScN，与图1中所示的实际开关SAa、SAb、Sac、SBa、SBb、SBc、SCa、SCb、SCc间的对开关状态的等效关系为：

S_jk＝S_jPS_kP+S_jNS_kN，j∈(A，B，C)，k∈(a，b，c)         (3)

限定条件为：1≤S_Gm+S_Jn+S_Kl≤2                          (4)

其中，G，J，K∈(A，B，C)；m，n，l∈(a，b，c)。且G≠J≠K，m≠n≠l。

式中，开关状态为开时，取值为1，开关状态为关时，取值为0。

Claims (1)

1、一种基于矩阵式变换器的无刷双馈风力发电机控制系统，其特征在于：包括矩阵式变换器，所述矩阵式变换器包括3×3双向开关矩阵及其控制器，各开关的动作由控制器控制；3×3双向开关矩阵的一侧与无刷双馈风力发电机的控制绕组相连，另一侧与电网相连。

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