CN201975800U - 半控变流器驱动交流永磁同步发电机系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种半控变流器驱动交流永磁同步发电机系统，它包括配备开放式绕组的交流永磁同步发电机、两套电机侧半控变流器、电网侧全控变流器、直流滤波电容、电网侧滤波器、电网侧变压器、电网、测量模块、控制模块和通信模块，两套电机侧半控变流器共同驱动一台交流永磁同步发电机，两套电机侧半控变流器均通过同一直流母线与电网侧全控变流器连接，直流母线上设有直流滤波电容，电网侧全控变流器、电网侧滤波器和电网侧变压器依次串接在电网线上，测量模块与交流永磁同步发电机、直流母线、电网及控制模块连接，控制模块与测量模块、通信模块、电机侧半控变流器及电网侧全控变流器连接。提高了系统的可靠性及容错能力。

Description

半控变流器驱动交流永磁同步发电机系统

技术领域

本实用新型属于电力电子应用和交流永磁同步发电机发电技术领域，尤其涉及一种半控变流器驱动交流永磁同步发电机系统。

背景技术

当前风力发电产业正在越来越多地使用交流永磁同步发电机，并且单机发电容量节节提升，这对交流永磁同步发电系统所要用到的电力电子变流器提出来越来越高的要求和挑战。如何提升变流器容量并降低成本成为了当前变流器制造商的主要课题之一。

当前交流永磁同步风力发电机一般为星联接式绕组，由电压源型全控桥驱动。当前的标准电压源型全控桥每一桥臂有上下两个主动主动开关，因此存在因两个主动开关误导通而可能导致的“击穿”现象，导致直流母线短路。为了避免同一桥臂上的两个主动开关同时导通，全控桥的主动开关信号需要植入“死区”，这就导致了全控桥输出电压波形的变形和不良谐波的产生。由于使用了星联接式绕组，因此直流母线上的电压通过全控桥变流器施加于电机两相绕组之间。相比之下，如果使用开放式绕组电机，并使用两套电压源型全控桥驱动，则直流母线上的电压可以直接施加于每相绕组，因此直流母线所需的电压可以降低，同样的，系统中电力电子器件和滤波部件的电压等级都可以降低。然而开放式绕组的拓扑结构需要两套全控变流器，尽管器件电压等级降低，但是器件数目加倍，因而系统成本升高，可靠性降低。

实用新型内容

本实用新型针对以上不足提供一种半控变流器驱动交流永磁同步发电机系统，从而在不牺牲系统性能的前提下从各个方面降低系统成本，提高系统可靠性和容错能力。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种半控变流器驱动交流永磁同步发电机系统，它包括配备开放式绕组的交流永磁同步发电机、两套电机侧半控变流器、电网侧全控变流器、直流滤波电容、电网侧滤波器、电网侧变压器、电网、测量模块、控制模块和通信模块，所述两套电机侧半控变流器共同驱动一台交流永磁同步发电机，所述两套电机侧半控变流器均通过同一直流母线与电网侧全控变流器连接，所述直流母线上设有直流滤波电容，所述电网侧全控变流器、电网侧滤波器和电网侧变压器依次串接在电网线上，所述测量模块与交流永磁同步发电机、直流母线、电网及控制模块连接，所述控制模块与测量模块、通信模块、电机侧半控变流器及电网侧全控变流器连接；

所述通信模块接收远程或本地的运行指令，将其传输给控制模块，同时，从控制模块处获得系统运行状态信息，并将之传输给远程或者本地信息终端；

所述测量模块测量交流永磁同步发电机的转子位置、速度以及每相电流，测量直流母线上的电压，及电网的相电压和电流，并将测得的上述信息传送给控制模块；

所述控制模块根据从通信模块处获得的指令，以及从测量模块处获得的信息，计算出正确的电机侧半控变流器和电网侧全控变流器的主动开关动作，并将数字开关逻辑信号分别传送给电机侧半控变流器和电网侧全控变流器的开关驱动电路以控制开关驱动电路上的电力电子器件动作。

进一步的，开放式绕组的两端分别连接一套电机侧半控变流器。

进一步的，每套电机侧半控变流器都通过断路器与直流母线连接。

进一步的，电力电子器件包括主动开关、自然换流二极管和强行换流二极管。

进一步的，两套电机侧半控变流器均为共射极结构，两套电机侧半控变流器内的所有开关驱动电路共用同一电源，两套电机侧半控变流器的所有主动开关都设于每相桥臂的下桥臂位置。

进一步的，交流永磁同步发电机及电机侧半控变流器至少为三相系统。

本实用新型的有益效果是：在不牺牲交流永磁同步发电机系统的性能以及不增加电力电子主动主动开关数量的前提下，降低了整个系统的所需电压水平，从而降低系统、尤其是其中电力电子器件的成本，同时降低系统各部件的绝缘电压要求，减小各部件的体积；

提高了交流永磁同步发电机系统的可靠性，主要体现在：在电机侧的半控变流器中彻底杜绝了“击穿”的可能性，并大大简化了开关驱动电路；

提高了交流永磁同步发电机系统的容错能力，主要体现在：(1)当某相电路出现开路故障，系统仍然可以运行在稍低的功率，(2)当其中一套半控变流器的主动开关出现短路，系统仍然可以通过动态改变绕组联接方式的办法运行于稍低的功率。

附图说明

图1半控变流器驱动交流永磁同步发电机系统示意图；

图2交流永磁同步发电机及驱动系统的单相简化电路图；

图3电机侧半控变流器的控制器原理图；

图4电网侧全控变流器的控制器原理示意图；

图5交流永磁同步发电机的相电流命令(虚线)和仿真值(实线)；

图6交流永磁同步发电机的仿真相电流测量值的频谱分析；

图7交流永磁同步发电机的输出转矩仿真；

图8速度命令从100％额定值降至80％的相电流的动态响应；

图9速度命令从100％额定值降至80％的速度与转矩的动态响应；

图10驱动转矩从80％额定值降至100％的相电流的动态响应；

图11驱动转矩从80％额定值降至100％的速度与转矩的动态响应。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

如图1所示，本发明所提出的半控变流器驱动交流永磁同步发电机系统至少包括开放式绕组交流永磁同步发电机101，电机侧半控变流器102，电网侧全控变流器103，直流母线104，直流滤波电容105，电网侧滤波器106，电网侧变压器107，电网108，测量模块114，控制模块115，和通信模块116。

开放式绕组109的每一端都连接于一套电机侧半控变流器102，两套电机侧半控变流器102与电网侧全控变流器103共用同一直流母线104和直流滤波电容105。对于三相系统，与传统单全控桥驱动星联接交流永磁同步发电机系统相比，直流母线104的电压等级为57.7％，系统使用的所有电力电子器件，即强行换流二极管110，自然换流二极管111及主动开关112的电压等级也为57.7％，同时系统使用的主动开关112总数不变，因而直流母线104上的直流滤波电容105体积和成本以及电机侧半控变流器102与电网侧全控变流器103的电力电子器件的成本都得以降低。同样的，交流永磁同步发电机101的绕组109，电网侧滤波器106和电网侧变压器107的电压等级以及相应的绝缘要求也都得以降低。

两套半控变流器102均为共射极结构，因此其所有开关驱动电路共用同一电位参考点和同一电源，使得开关驱动电路实现变得极为简单。并且两套电机侧半控变流器102的所有主动开关112都设于每相桥臂的下桥臂位置，半控变流器102都不存在因主动开关误动作而导致击穿的可能性，大大增强了系统的可靠性。

这一系统具有良好的容错能力。当有一相电路出现开路故障，则系统仍然可以通过驱动两相电路来维持系统的低功率运行。每套电机侧半控变流器102都通过断路器113与直流母线104连接，当有一侧的半控变流器102出现器件短路，则系统仍然可以使用正常的半控变流器102来驱动交流永磁同步发电机101。

通信模块116接收远程或本地的运行指令，将其传输给控制模块115，同时，从控制模块115处获得系统运行状态信息，并将之传输给远程或者本地信息终端。

测量模块114通过连接线118测量交流永磁同步发电机101的转子位置、速度，通过连接线117测量交流永磁同步发电机101每相电流，通过连接线119测量直流母线104上的电压V_dc，通过连接线121和120分别测量电网的相电压和电流，并将测得的信息传送给控制模块115。

控制模块115根据从通信模块116处获得的指令，以及从测量模块114处获得的信息，计算出正确的电机侧半控变流器102和电网侧全控变流器103的主动开关动作，并将数字开关逻辑信号分别通过连接线123和124传送给电机侧半控变流器102和电网侧全控变流器103的开关驱动电路以控制电力电子器件动作。

电力电子器件包括主动开关112、自然换流二极管111和强行换流二极管110。

当交流永磁同步发电机101的其中一相电路发生开路故障，那么仍然可以通过控制半控变流器102来驱动剩余正常的相电路。

当其中一套半控变流器102的一个或多个主动开关112发生短路故障，则将这一发生故障的半控变流器102的所有开关信号保持在闭合状态，形成一个人为的中性点。同时，断开这一半控变流器所联接的断路器113从而与直流母线104脱离。此时的交流永磁同步发电机101已经成为一台星联接式绕组的交流永磁同步发电机，可以使用另一套仍然正常的半控变流器102驱动运行在低功率状态。

下面就本发明的正常工作状态做以数学建模，运行原理分析，和控制器设计，以三相系统为例。

三相开放式绕组交流永磁同步电机101的D-Q等效电路的状态微分方程如下所示：

$\left\{\begin{array}{c}{\underset{\‾}{v}}_{\mathrm{dq}1}-{\underset{\‾}{v}}_{\mathrm{dq}2}=R_3{\underset{\‾}{i}}_{\mathrm{dq}}+\frac{d}{\mathrm{dt}}{\underset{\‾}{\mathrm{\λ}}}_{\mathrm{dq}}+\mathrm{j\ω}{\underset{\‾}{\mathrm{\λ}}}_{\mathrm{dq}}+\mathrm{\ω}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{pm}}\\ {\underset{\‾}{\mathrm{\λ}}}_{\mathrm{dq}}=L_q{i}_q-j{L}_d{i}_d\\ T_e=\frac{3}{2}\frac{\mathrm{Pole}}{2}[{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{pm}}{i}_q+(L_d-L_q)i_q{i}_d]\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中υ_dq1和v_dq2分别为由两套半控变流器102所合成的D-Q电压向量，i_dq为交流永磁同步发电机101的D-Q电流向量，λ_pm为交流永磁同步发电机101转子磁铁的磁链，L_d和L_q分别为交流永磁同步发电机101的D-Q电感值，T_e为发电机101的输出转矩。

电网侧全控变流器103的D-Q等效电路数学模型的状态微分方程如下所示：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_g\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{gq}}}{\mathrm{dt}}=v_{\mathrm{gq}}-\frac{m_q}{2}{v}_{\mathrm{dc}}-i_{\mathrm{gq}}{R}_g-\mathrm{\ω}{L}_g{i}_{\mathrm{gd}}\\ L_g\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{gd}}}{\mathrm{dt}}=v_{\mathrm{gd}}-\frac{m_d}{2}{v}_{\mathrm{dc}}-i_{\mathrm{gd}}{R}_g+\mathrm{\ω}{L}_g{i}_{\mathrm{gq}}\\ C_{\mathrm{dc}}\frac{{\mathrm{dv}}_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{dt}}=-\frac{v_{\mathrm{dc}}}{R_{\mathrm{load}}}+\sqrt{\frac{2}{3}}(m_q{i}_{\mathrm{gq}}+m_d{i}_{\mathrm{gd}})\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中v_gd和v_gq为电网108的D-Q坐标下电压，i_gd和i_gq为电网108的D-Q坐标下电流，L_g为电网侧线路电感，C_dc为直流母线104上滤波电容值，m_d和m_q为电网侧全控变流器103的D-Q坐标下调制参数，R_load为直流母线104上的等效直流负载。注意电网侧D-Q坐标的定义与电机侧D-Q坐标的定义是相互独立的。

交流永磁同步发电机及驱动系统的运行原理可以通过图2中的简化电路加以说明。当相电流i流向为图中所示方向，则主动开关208的反并联二极管209必须导通。此时，通过主动开关206的开关动作就可以控制这一相电流i的大小。如果相电流i反向，则二极管207导通并且由主动开关208来控制相电流i。

根据对交流永磁同步发电机及驱动系统的运行原理的描述可以发现，二极管207和二极管209为自然换流二极管，而二极管204和二极管205为强行换流二极管。同样地可以得到图1中的二极管111为自然换流二极管，二极管110为强行换流二极管。由于自然换流二极管不存在反向恢复电流，因此其主动开关损耗降低。

相比于使用两套全控桥来驱动开放式绕组交流永磁同步发电机，使用两套半控变流器102显然节约了一半的主动开关器件；相比于使用一套全控桥来驱动星联接绕组的交流永磁同步发电机，则使用两套半控变流器102驱动开放式绕组交流永磁同步发电机能够大幅降低直流母线电压，虽然其代价是更多的二极管，但是在大功率应用中，增加的二极管成本与节约的主动开关器件与滤波器件的成本相比微不足道，而且增加的二极管为自然换流二极管，因此这些二极管不存在反向恢复损耗。

系统的控制模块115需要控制电机侧半控变流器102和电网侧全控变流器103。基本的控制器设计如图3所示。根据控制变量命令P^*和反馈P的差值第一PI控制器304计算出交流永磁同步发电机的D-Q电流命令i^* _d和i^* _q，而后根据反馈的D-Q电流i_q和i_d，PI控制器和解耦307计算出D-Q输出电压命令V^* _q，V^* _d，通过旋转坐标反变换313得到三相输出电压命令V^* _a、V^* _b和V^* _c，最后由开关信号处理和输出模块315计算电机侧半控变流器102中各个主动开关112的开关信号并输出。每一相上施加的电压由两套电机侧半控变流器102共同完成，如(3)所示。

$\left\{\begin{array}{c}{m}_1=0\mathrm{and}{m}_2=\frac{{-v}^{*}}{v_{\mathrm{dc}}},\mathrm{ifi}>0\\ m_1=\frac{v^{*}}{v_{\mathrm{dc}}}\mathrm{and}{m}_2=0,\mathrm{ifi}<0\end{array}\right.---\left(3\right)$

如图4所示，根据直流母线104电压命令V^* _dc和反馈V_dc的差值第二PI控制器320计算出电网侧全控变流器103的Q轴电流命令i^* _gq，并根据对无功功率的需要计算出D轴电流命令i^* _gd，而后根据反馈的三相电网电压V_gabc和电流i_gabc，电流控制器325计算出电网侧全控变流器103的开关动作并输出。

需要说明的是，所附的各图均以三相系统为例，而事实上，电机侧半控变流器驱动的交流永磁同步发电系统可以推广到多相(＞3)系统，仅需要改变旋转坐标变换模块313的θ_r的定义及相应的电机侧测量模块114和电机侧半控变流器控制模块115设置，而电网侧全控变流器103及其相关模块则无需改变。

下面就本发明的正常工作状态做计算机数字仿真。以三相系统为例的仿真结果如图5至图7所示。仿真所使用的交流永磁同步发电机为3.6kW，PWM频率10kHz。可以看到，交流永磁同步发电机相电流为良好的正弦波。系统的动态响应如图8至图11所示。

针对以上情况，可以使用半控变流器来代替全控桥驱动开放式绕组的交流永磁同步发电机，从而在不牺牲系统性能的前提下从各个方面降低系统成本，提高系统可靠性和容错能力。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种半控变流器驱动交流永磁同步发电机系统，其特征在于：它包括配备开放式绕组的交流永磁同步发电机、两套电机侧半控变流器、电网侧全控变流器、直流滤波电容、电网侧滤波器、电网侧变压器、电网、测量模块、控制模块和通信模块，所述两套电机侧半控变流器共同驱动一台交流永磁同步发电机，所述两套电机侧半控变流器均通过同一直流母线与电网侧全控变流器连接，所述直流母线上设有直流滤波电容，所述电网侧全控变流器、电网侧滤波器和电网侧变压器依次串接在电网线上，所述测量模块与交流永磁同步发电机、直流母线、电网及控制模块连接，所述控制模块与测量模块、通信模块、电机侧半控变流器及电网侧全控变流器连接；

    所述通信模块接收远程或本地的运行指令，将其传输给控制模块，同时，从控制模块处获得系统运行状态信息，并将之传输给远程或者本地信息终端；

所述测量模块测量交流永磁同步发电机的转子位置、速度以及每相电流，测量直流母线上的电压，及电网的相电压和电流，并将测得的上述信息传送给控制模块；

所述控制模块根据从通信模块处获得的指令，以及从测量模块处获得的信息，计算出正确的电机侧半控变流器和电网侧全控变流器的主动开关动作，并将数字开关逻辑信号分别传送给电机侧半控变流器和电网侧全控变流器的开关驱动电路以控制开关驱动电路上的电力电子器件动作。

2.根据权利要求1所述的半控变流器驱动交流永磁同步发电机系统，其特征在于：所述开放式绕组的两端分别连接一套电机侧半控变流器。

3.根据权利要求1所述的半控变流器驱动交流永磁同步发电机系统，其特征在于：所述每套电机侧半控变流器都通过断路器与直流母线连接。

4.根据权利要求1所述的半控变流器驱动交流永磁同步发电机系统，其特征在于：电力电子器件包括主动开关、自然换流二极管和强行换流二极管。

5.根据权利要求1所述的半控变流器驱动交流永磁同步发电机系统，其特征在于：所述两套电机侧半控变流器均为共射极结构，两套电机侧半控变流器内的所有开关驱动电路共用同一电源，两套电机侧半控变流器的所有主动开关都设于每相桥臂的下桥臂位置。

6.根据权利要求1至5任一权利要求所述的半控变流器驱动交流永磁同步发电机系统，其特征在于：所述交流永磁同步发电机及电机侧半控变流器至少为三相系统。

Images