無刷雙饋發(fā)電機(jī)的背靠背變流器及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種無刷雙饋發(fā)電機(jī)的背靠背變流器及 控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無刷雙饋電機(jī)是具有兩套定子繞組、而轉(zhuǎn)子沒有電刷的雙饋電機(jī)，其可靠性、可 維護(hù)性相比有刷雙饋電機(jī)大大提高，但又具有雙饋電機(jī)變速恒頻恒壓發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)，在風(fēng)力 發(fā)電、水力發(fā)電、船舶軸帶發(fā)電等應(yīng)用中具有特殊的優(yōu)勢(shì)。無刷雙饋電機(jī)能夠用低壓小功 率的變頻器對(duì)高壓大容量電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制，相對(duì)傳統(tǒng)高壓感應(yīng)電機(jī)全功率變頻調(diào) 速更加經(jīng)濟(jì)。定子兩套繞組中承擔(dān)主要功率的稱為功率繞組，通常由電網(wǎng)供電，其頻率為 /；，極對(duì)數(shù)為?| ;另外的小功率繞組稱為勵(lì)磁繞組，由變頻電源供電，其頻率為_;，極對(duì)數(shù)為 _。常用的反相序連接轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)無刷雙饋電機(jī)同步轉(zhuǎn)速為
無刷雙饋發(fā)電機(jī)運(yùn)行于同步轉(zhuǎn)速以上時(shí)，主繞組和勵(lì)磁繞組同時(shí)向電網(wǎng)饋電，運(yùn)行于 同步轉(zhuǎn)速以下時(shí)，主繞組向電網(wǎng)饋電，勵(lì)磁繞組從電網(wǎng)取電，因此為勵(lì)磁繞組供電的必須是 背靠背變流器，才能能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向流動(dòng)?，F(xiàn)有無刷雙饋發(fā)電機(jī)的常規(guī)背靠背變流器 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中直流側(cè)電路采用電容器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
[0003] 圖1所示的背靠背變流器的控制有兩部分，分別是對(duì)電機(jī)側(cè)變流器的勵(lì)磁控制和 電網(wǎng)側(cè)變流器的并網(wǎng)控制，對(duì)直流側(cè)電容兩端電壓的控制也由網(wǎng)側(cè)變流器完成。
[0004] 圖2所示為背靠背變流器的電機(jī)側(cè)變流器的勵(lì)磁控制流程：電機(jī)側(cè)變流器的勵(lì)磁 控制算法采用標(biāo)量控制，以發(fā)動(dòng)機(jī)輸出電壓幅值和頻率為控制目標(biāo)，通過調(diào)整勵(lì)磁電流的 幅值和頻率達(dá)到控制目的。
[0005] 圖3所示為背靠背變流器的網(wǎng)側(cè)變流器的并網(wǎng)控制流程：電網(wǎng)側(cè)變流器的主要功 能是維持恒定，通過控制變流器的有功功率的輸出/輸入，平衡電容器C與電網(wǎng)之間的 能量平衡。網(wǎng)側(cè)變流器的控制對(duì)象是輸出電流按照電壓矢量的方向分解為dq軸分量。 控制算法首先要檢測(cè)網(wǎng)側(cè)電壓的過零點(diǎn)，以獲取當(dāng)前電網(wǎng)電壓矢量角:?，電流傳感器檢測(cè) 得到的三相電流經(jīng)過坐標(biāo)變換后分解為dq軸分量_和:?，這也分別是網(wǎng)側(cè)變流器輸出電 流中的有功和無功功率分量。網(wǎng)側(cè)變流器將檢測(cè)得到的1?實(shí)際值與期望值_&:比較，通過 PID控制器計(jì)算有功電流期望值該值與有功電流實(shí)際值;％的差值通過PID控制計(jì)算得 到輸出電壓的d軸分量心@。如果網(wǎng)側(cè)變流器還有無功功率輸出需求，則根據(jù)需求量確定無 功電流期望值，該值與無功電流實(shí)際值I的差值通過PID控制計(jì)算得到輸出電壓的q軸 分量輸出電壓指令經(jīng)過SVPWM算法確定變流器的開關(guān)模式，在加入死區(qū)時(shí)間后用于驅(qū) 動(dòng)電網(wǎng)側(cè)變流器。
[0006] 然而，無刷雙饋發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中，為了滿足勵(lì)磁強(qiáng)度，電機(jī)側(cè)變流器輸出電流毛基 本保持在額定電流水平上，但是由于繞組阻抗會(huì)隨著勵(lì)磁頻率:i變化，故電機(jī)側(cè)變流器輸 出電壓氣幅值也會(huì)隨著頻率變化，并且變化范圍非常大。傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)輸出電壓Η的方式是 保持直流側(cè)電容電壓@{不變，調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓的調(diào)制系數(shù)Μ實(shí)現(xiàn)。直流側(cè)電壓％:的 確定由兩個(gè)變流器的工作要求來共同確定，電機(jī)側(cè)變流器需要的一般低于540V，而網(wǎng)側(cè) 變流器需要的通常選擇700~800V的水平，綜合考慮后，背靠背變流器必須選擇較高的數(shù) 值，這就對(duì)電機(jī)側(cè)變流器的正常工作形成較大壓力：過高的Q導(dǎo)致調(diào)制系數(shù)Μ過低，輸出 電壓波形、IGBT耐壓和電流容量、等效開關(guān)頻率等都受到不利影響。
[0007] 同時(shí)，采用電容器組作為直流側(cè)電壓支撐的VSI逆變器，其上下橋臂的開關(guān)器件 不能同時(shí)導(dǎo)通，否則會(huì)造成電容器兩極短路，燒壞開關(guān)器件和電容器。為了防止上下橋臂直 通，控制系統(tǒng)在確定開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)時(shí)，必須加入死區(qū)時(shí)間，必然會(huì)導(dǎo)致輸出波形偏離 控制目標(biāo)，惡化補(bǔ)償效果。即便加入死區(qū)，控制系統(tǒng)仍然必須加入對(duì)直通故障的檢測(cè)、保護(hù) 功能，增加了控制系統(tǒng)復(fù)雜度。
[0008] 此外，網(wǎng)側(cè)變流器輸出的諧波電流會(huì)造成有功功率波動(dòng)，電容器漏電流、均壓電阻 也會(huì)造成一定的有功功率損耗，所以傳統(tǒng)電路的直流側(cè)電容器電壓控制復(fù)雜，必須在網(wǎng)側(cè) 變流器輸出指令電流中加入有功電流分量，才能夠保證直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，致使直流電壓 控制與輸出電流控制不能解耦，有功電流加入到指令電流中也惡化了輸出電流波形。為了 降低電壓控制難度，直流側(cè)電容器往往采取增大容量的辦法，提高了成本。
[0009] 最后，為了提高直流電壓穩(wěn)定性、降低控制難度，直流電容傾向于選擇較大容量， 同時(shí)為了提高發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，尤其是突然加/減大負(fù)載時(shí)，由于發(fā)電機(jī) 的機(jī)械系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)較大，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度不能滿足控制要求，發(fā)電系統(tǒng)的輸出電壓會(huì) 產(chǎn)生大幅度波動(dòng)，為了彌補(bǔ)機(jī)械系統(tǒng)的滯后，往往在直流電容兩端并接儲(chǔ)能單元，以滿足動(dòng) 態(tài)性能要求。如果采用高電壓直流母線，那么高達(dá)700~800V的高壓對(duì)于大多數(shù)儲(chǔ)能元件來 說都比較高，難以搭配合適的儲(chǔ)能系統(tǒng)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0010] 本發(fā)明的目的之一在于提供一種直流側(cè)電容電壓能夠同時(shí)適應(yīng)于電網(wǎng)側(cè)變流器 和電機(jī)側(cè)變流器、儲(chǔ)能系統(tǒng)容易選取、電網(wǎng)側(cè)變流器控制簡(jiǎn)單且成本低廉的無刷雙饋發(fā)電 機(jī)的背靠背變流器。
[0011] 本發(fā)明的目的之二在于提供一種所述的無刷雙饋發(fā)電機(jī)的背靠背變流器的控制 方法。
[0012] 本發(fā)明提供的這種無刷雙饋發(fā)電機(jī)的背靠背變流器，包括電機(jī)側(cè)變流器、電網(wǎng)側(cè) 變流器、勵(lì)磁控制電路、并網(wǎng)控制電路、儲(chǔ)能單元和直流側(cè)電容，其特征在于還包括Ζ源電 路，直流側(cè)電容與Z源電路串聯(lián)后與電網(wǎng)側(cè)變流器并聯(lián)，由Z源電路為電網(wǎng)側(cè)變流器提供電 壓支撐。
[0013] 所述儲(chǔ)能單元包括低壓儲(chǔ)能單元和高壓儲(chǔ)能單元；低壓儲(chǔ)能單元并聯(lián)在直流側(cè)電 容和Z源電路之間，高壓儲(chǔ)能單元并聯(lián)在Z源電路和電網(wǎng)側(cè)變流器之間。
[0014] 所述的Z源電路包括二極管、第一電感、第二電感和第一電容、第二電容；二極管 的陽極與電機(jī)側(cè)變流器直流母線正極連接，陰極與第一電感和第一電容正極連接；第一電 感的一端與二極管連接，另一端與電網(wǎng)側(cè)變流器直流母線正極和第二電容正極連接；第二 電感的一端連接電機(jī)側(cè)逆變器直流母線負(fù)極和第二電容的負(fù)極，另一端連接電網(wǎng)側(cè)變流器 直流母線負(fù)極和第一電感的負(fù)極。
[0015] 所述的電機(jī)側(cè)變流器和電網(wǎng)側(cè)變流器均為包括IGBT的變流器。
[0016] 所述的電機(jī)側(cè)變流器和電網(wǎng)側(cè)變流器均為VSI型三相逆變器。
[0017] -種所述的無刷雙饋發(fā)電機(jī)的背靠背變流器的控制方法，包括如下步驟： 51. 獲取無刷雙饋發(fā)電機(jī)的背靠背變流器的設(shè)計(jì)方案，得到電機(jī)側(cè)變流器直流母線電 壓理論值與電網(wǎng)側(cè)變流器等效直流母線電壓理論值； 52. 獲取無刷雙饋發(fā)電機(jī)的背靠背變流器工作時(shí)的電網(wǎng)側(cè)電壓、電網(wǎng)側(cè)變流器輸出電 流、電機(jī)側(cè)變流器直流母線電壓和電網(wǎng)側(cè)無功電流期望值； 53. 根據(jù)電步驟S2獲取的電網(wǎng)側(cè)電壓值，計(jì)算得到電網(wǎng)電壓矢量角；將依據(jù)電網(wǎng)電壓 矢量角，將電網(wǎng)側(cè)變流器輸出電流分解為q軸分量和d軸分量，q軸分量即為輸出電流的無 功分量，d軸分量即為輸出電流的有功分量； 54. 依據(jù)步驟S1獲取的電機(jī)側(cè)變流器直流母線電壓和電網(wǎng)側(cè)變流器等效直流母線電 壓理論值，依據(jù)下式計(jì)算得到直流導(dǎo)通占比D :
式中i為電網(wǎng)側(cè)變流器等效直流母線電壓理論值，1%:為步驟S2獲取的電機(jī)側(cè)變流器 直流母線電壓； 55. 依據(jù)步驟S4獲取的直流導(dǎo)通占比，采用SVPWM開關(guān)模式計(jì)算方法得到電網(wǎng)側(cè)變流 器的第一控制量； 56. 根據(jù)步驟S1得到的電機(jī)側(cè)變流器直流母線電壓理論值、步驟S2獲取的電機(jī)側(cè)變 流器直流母線電壓的差值和步驟S3得到的輸出電流的有功分量，計(jì)算得到輸出電壓的有 功控制分量； 57. 根據(jù)步驟S2獲取的電網(wǎng)側(cè)無功電流期望值和步驟S3得到的輸出電流的無功分量 計(jì)算得到輸出電壓的無功控制分量； 58. 根據(jù)步驟S3得到的電網(wǎng)電壓矢量角、步驟S6得到的輸出電壓的有功控制分量和 步驟S7得到的輸出電壓的無功控制分量，計(jì)算得到電網(wǎng)側(cè)變流器的第二控制量； 59. 結(jié)合步驟S5得到的電網(wǎng)側(cè)變流器的第一控制量和步驟S8得帶的電網(wǎng)側(cè)變流器的 第二控制量，對(duì)電網(wǎng)側(cè)變流器進(jìn)行控制，完成無刷雙饋發(fā)電機(jī)的背靠背變流器的控制。
[0018] 步驟S3所述的計(jì)算得到電網(wǎng)電壓矢量角，為采用鎖相環(huán)電路和Park變換算法計(jì) 算得到。
[0019] 步驟S6所述的計(jì)算輸出電壓的有功控制分量，為依據(jù)電機(jī)側(cè)變流器直流母線電 壓理論值和電機(jī)側(cè)變流器直流母線電壓的差值，通過PID控制算法得到有功電流期望值， 再與輸出電流的有功分量求差后通過PI控制算法計(jì)算得到輸出電壓的有功控制分量。
[0020] 步驟S7所述的計(jì)算輸出電壓的無功控制分量，為依據(jù)電網(wǎng)側(cè)無功電流期望值和 輸出電流的無功分量差值，通過PI控制算法計(jì)算得到輸出電壓的無功控制分量。
[0021] 步驟S8所述的計(jì)算得到電網(wǎng)側(cè)變流器的第二控制量，為采用SVPWM算法計(jì)算。
[0022] 本發(fā)明提供的這種無刷雙饋發(fā)電機(jī)的背靠背變流器，由于采用了 Z源電路，在電 網(wǎng)側(cè)變流器的開關(guān)控制邏輯設(shè)計(jì)中無需加入死區(qū)、短時(shí)間內(nèi)的直通狀態(tài)也不會(huì)燒壞開關(guān)器 件，能夠使得控制邏輯的設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單，而且控制邏輯更加可靠；電網(wǎng)側(cè)變流器的直流電壓 控制與輸出電流控制實(shí)現(xiàn)解耦，降低了控制復(fù)雜度、輸出電流波形基本不受直流電壓波動(dòng) 的影響，使得控制精度較高；電機(jī)側(cè)變流器直流儲(chǔ)能電容可以工作在較低的電壓，并能夠根 據(jù)工作情況不斷變化，降低了開關(guān)器件的應(yīng)力，改善了勵(lì)磁電流波形，并且更容易與儲(chǔ)能部 件接口，而電網(wǎng)側(cè)變流器的等效直流電壓更高，更有利于向電網(wǎng)饋送電能，儲(chǔ)能單元選取更 加容易；而且，直流電流側(cè)有一高一低兩個(gè)直流側(cè)電壓，在儲(chǔ)能系統(tǒng)的搭配上就靈活的多， 可以在兩個(gè)電壓水平上分別搭配不同的儲(chǔ)能單元，降低了儲(chǔ)能單元的成本，而且低壓儲(chǔ)能 單元還能夠?yàn)榭刂评@組提供額外的起勵(lì)電源，增加系統(tǒng)工作靈活性和適應(yīng)范圍。
【附圖說明】
[0023] 圖1為【背景技術(shù)】的無刷雙饋發(fā)電機(jī)的背靠背變流器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024] 圖2為【背景技術(shù)】的電機(jī)側(cè)變流器的控制流程示意圖。
[0025] 圖3為【背景技術(shù)】的電