一种多相大功率发电‑变流一体化系统及其控制方法与流程

本发明专利属于发电技术领域，特别涉及一种多相大功率发电-变流一体化系统及其控制方法。

背景技术：

从全球能源供应这个角度来说，化石能源逐渐消耗已是事实。为了保持全球经济可持续发展，如何确保充足的能源供应、如何开发多种形式的能源，并将这些能源直接转化成人类可以直接使用的电能是全人类即将面临的重要课题。发电机作为将热能、风能、潮汐能等多种形式的清洁、可再生能源转换为电能的核心设备，在实现机电能量转换的过程中起到关键的作用。发电机的应用领域已经不局限于传统的火电、核电、水电等领域，更多新领域的应用对发电机提出了新的要求，如在全电推进系统和风力发电的应用中，受输出电压限制，需要发电机具备较低的端电压、较大的功率输出特性；电动车及多电飞机的应用中，需要发电机及其驱动控制系统有非常高的可靠性。针对具体的应用场合，研发出高效、控制灵活、可靠性高的发电系统是工业及国防科技的必然选择。

目前，新能源发电系统的并网方式主要有以下两种不同的拓扑结构：

一种是不可控整流加可控逆变。这种并网拓扑结构的主要优点是控制比较简单。但由于不可控整流无法实现对永磁同步发电机的有效控制，不能直接调节发电机的转矩、不能调节无功功率，功率因数不可调；而且不可控整流必然会使发电机定子电流的谐波大增，增加发电机的损耗，并引起较大转矩脉动，影响发电机组的使用寿命。

另一种是采用“双PWM变流器”作为并网电路的拓扑结构，这种并网拓扑结构优势在于可实现对发电机的有效控制。但是该拓扑结构也存在系统结构复杂、控制困难、全控型器件数量较多、成本高、电机侧或网侧需采用大容量滤波器等不足。此外，该拓扑结构一般需通过升压变压器升压后才能实现并网，因此造成了系统结构的复杂及装置体积和成本的大幅上升。受换流器容量限制等原因，使得其在较大型发电场并网中的应用并非最优方案。

因此，有必要设计一种新的发电系统的并网结构及其控制方法。

技术实现要素：

本发明所解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种多相大功率发电-变流一体化系统及其控制方法，具有模块化的结构设计和良好的控制特性。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种多相大功率发电-变流一体化系统，包括一台模块化多电平逆变器和一台多相永磁发电机；模块化多电平逆变器采用A、B、C三相结构，每相由上桥臂和下桥臂串联组成；每相上桥臂由n个子模块GM和1个滤波电感依次串联组成，下桥臂由1个滤波电感和n个子模块GM依次串联组成，每相上下桥臂的滤波电感串联，其连接点即为对应相上下桥臂的连接点，构成对应相桥臂的输出端，输出端接入公共电网；A、B、C三相上桥臂的上端相互连接、A、B、C三相下桥臂的下端相互连接、A、B、C三相上桥臂的上端与A、B、C三相下桥臂的下端构成直流侧母线；

所述每个GM子模块包括一个三相PWM整流器、一个电容、上下两个IGBT；其中，上IGBT的发射极与下IGBT的集电极相连并构成子模块的正极输出端，上IGBT的集电极与电容C的正极相连，下IGBT的发射极与电容的负极相连并构成子模块的负极输出端；上IGBT和下IGBT的门极均接收外部设备提供的调制脉冲信号；电容C与三相PWM整流器的直流输出端并联；三相PWM整流器的交流端接多相永磁发电机的一个三相绕组；

将上桥臂的n个子模块GM依次记为GM₁～GM_n；上桥臂由n个子模块GM和1个滤波电感依次串联组成，即GM₁的正极输出端接直流侧母线的正极，处于中间的GM_i的正极输出端与GM_i-1的负极输出端相连，GM_i的负极输出端与GM_i+1的正端相连，i＝2，3，…，n-1，GM_n的负极输出端与上桥臂滤波电感一端相连，另一端接下桥臂滤波电感的一端；

将下桥臂的n个子模块GM依次记为GM_n+1～GM_2n；下桥臂由1个滤波电感和n个子模块GM依次串联组成，即下桥臂滤波电感的一端与上桥臂滤波电感的一端相连，另一端与GM_n+1的正极输出端相连，处于中间的GM_i的正极输出端与GM_i-1的负极输出端相连，GM_i的负极输出端与GM_i+1的正端相连，i＝n+2，n+3，…，2n-1，GM_2n的负极输出端与直流侧母线的负极相连；

所述多相永磁发电机具有6n个三相绕组，分别接入模块化多电平逆变器中的6n个三相PWM整流器的交流端。

多相永磁发电机的绕组采用双层、分数槽集中整距结构，转子为V型内置式永磁转子，具有较高的凸极率，能更好进行弱磁控制；极对数P与槽数Z满足Z＝2P±1，可获得较高的绕组系数及较低的转矩波动，每个三相绕组都采用Y型连接；转子磁钢采用钕铁硼材料。

模块化多电平逆变器的每条支路上桥臂投入子模块数与下桥臂投入子模块数之和为n，n的取值参考如下公式：

其中：V_dc为直流侧母线电压额定值，u_p为子模块电容电压额定值；

所述子模块中电容的值为1100uF，所述滤波电感的值为1.5mH。

一种多相大功率发电-变流一体化系统的控制方法，所述多相大功率发电-变流一体化系统为上述多相大功率发电-变流一体化系统，其控制方法包括模块化多电平逆变器控制和多相永磁发电机控制两个部分；

所述模块化多电平逆变器控制是指针对模块化多电平逆变器中的每一相，进行以下控制：

(1)计算稳压控制的参考量U_ref1：

检测该相桥臂中所有子模块的电容电压u_{p_i}(i＝1,2,…,2n)，计算得到该相桥臂电容电压的平均值U_ave：

将该相桥臂电容电压的平均值U_ave与比较后，经过第一PI调节器得到环流参考值检测该相上桥臂电流i_up与该相下桥臂电流i_dw，并计算得到环流将i_cir与环流参考值比较后经过第二PI调节器得到稳压控制的参考量U_ref1；

(2)计算并网控制的参考信号U_ref2：将检测得到的直流侧母线电压V_jc与直流侧母线电压额定值V_dc比较，其差值通过第三PI调节器控制，结果乘以与电网公共电压同步的正弦信号，作为模块化多电平逆变器输出电流指令信号I_inf；

检测该相支路电流输出电流I_in，将I_in与I_inf比较，其差值经过第四PI调节器控制得到并网控制的参考信号U_ref2；

(3)将稳压控制的参考量U_ref1与并网控制的参考信号U_ref2相加，所得到的结果通过载波移相的方式获得该相各个子模块中的IGBT的脉冲控制信号；

所述多相永磁发电机控制是指针对多相永磁发电机的每一个三相绕组，进行以下有功与无功控制：

检测该三相绕组的电流i_a、i_b、i_c，再进行abc/dq变换得到i_d、i_q，然后将i_d与系统给定有功电流进行比较，其差值带入到第五PI调节器，得到u_d；将i_q与系统给定无功电流进行比较，其差值带入到第六PI调节器，得到u_q；再将u_d、u_q通过dq/abc反变换后得到参考信号U_ref3,再将U_ref3与三角波比较后得到脉冲信号，最后将该脉冲信号作为与该三相绕组所连接的PWM整流器的上桥臂开关器件的门极信号，PWM整流器的下桥臂开关器件的门极信号与上桥臂开关器件的门极信号互补。

所述第一PI调节器的比例系数为0.46，积分系数为95；所述第二PI调节器的比例系数为0.53，积分系数为114；所述第三PI调节器的比例系数为0.5，积分系数为110；所述第四PI调节器的比例系数为0.53，积分系数为96；所述第五PI调节器的比例系数为0.5，积分系数为110；所述第六PI调节器的比例系数为0.53，积分系数为96；所述系统给定有功电流为147A；所述子模块电容电压额定值u_p为600V。

本发明的有益效果是：

本发电-变流一体化拓扑具有模块化的结构设计和良好的控制特性，易于实现发电系统与电网之间的柔性连接。在采用相同数目电力电子器件的前提下，可以实现对不同的功率和电压等级扩展，无需使用变压器就可直接应用于高压交流输电，在高压、大功率能量转换系统中的应用前景可观。所述的控制方法包括直接电流控制，实现对发电机输出有功与无功功率调节；支路电压的稳压控制与并网控制，保证整体稳定并网。具体具有以下优点：

1)结构模块化程度高，可充分利用标准化的电力电子器件，利于集成化，生产、安装和调试等周期大幅缩短；

2)无论是多相永磁发电机本体还是模块化多电平逆变器都具有较强的容错特性，系统运行的可靠性高；

3)电力电子器件的开关频率相对较低，开关损耗小、谐波含量低，输出电压近似于标准的正弦；

4)通过调整标准化子模块的串联个数可以提高整个系统电压和功率等级，可省去传统意义上的变压器直接并网运行，在高压、大功率能量转换系统中的应用前景可观。

附图说明

图1本发明拓扑结构及多相永磁发电机图；图1(a)为本发明拓扑结构图；图1(b)为多相永磁发电机图；

图2支路稳压控制框图；

图3并网控制图；

图4多相永磁发电机有功与无功控制框图；

图5为多相永磁发电机第i(1≤i≤6n)个三相绕组输出空载反电势波形；

图6为模块化多电平逆变器输出三相电压波形；

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1为本发明的一种多相大功率发电-变流一体化系统拓扑结构及子模块图，模块化多电平逆变器采用A、B、C三相结构，每相由上桥臂和下桥臂串联组成，上桥臂由n个子模块和1个滤波电感依次串联组成，下桥臂由1个滤波电感和n各子模块依次串联组成，两个滤波电感的连接点构成对应相桥臂的输出端，输出端接入公共电网；A、B、C三相上桥臂的上端相互连接、A、B、C三相下桥臂的下端相互连接，A、B、C三相上桥臂的上端与A、B、C三相下桥臂的下端构成直流侧母线；所述子模块由三相PWM整流器、电容、上下两个串联的IGBT管构成；三相PWM整流器的直流输出端与电容并联，三相PWM整流器的直流输出端还与上IGBT的集电极和下IGBT的发射极并联，上IGBT的发射极与下IGBT的集电极连接点作为子模块的正极输出端，下IGBT的发射极作为子模块的负极输出端。所述多相永磁发电机具有6n个三相绕组，6n个三相绕组一一对应接入模块化多电平逆变器的6n个三相PWM整流器的交流端。

多相永磁发电机的绕组采用双层、分数槽集中整距结构，转子为V型内置式永磁转子，具有较高的凸极率，能更好进行弱磁控制；极对数P与槽数Z满足Z＝2P±1，可获得较高的绕组系数及较低的转矩波动，每个三相绕组都采用Y型连接；转子磁钢采用钕铁硼材料。

图2为模块化多电平逆变器稳压控制方法：以A相为例：检测A相桥臂中所有子模块u_{p_i}(1≤i≤2n)的电容电压，计算得到电容电压的平均值U_ave：

桥臂电容电压的平均值U_ave与直流侧母线电压的比较后，经过第一PI调节器得到环流参考值检测A相上桥臂电流i_up与A相下桥臂电流i_dw，并计算得到的环将i_cir与环流参考值比较后经过第二PI调节器得到稳压控制的参考量U_ref1。

图3为并网的控制方法：将检测得到的直流侧母线电压V_jc与直流侧母线电压额定值V_dc比较，其差值通过第三PI调节器控制，结果I_pref乘以与电网公共电压同步的正弦信号，作为模块化多电平逆变器输出电流指令信号I_inf，以A相为例，U_sa为A相电网电压有效值，检测模块化多电平逆变器A相支路电流输出电流I_in，将I_in与I_inf比较，其差值经过第四PI调节器控制得到并网的控制的参考信号U_ref2；

将稳压控制的参考量U_ref1与并网控制的参考信号U_ref2相加，所得到的结果通过载波移相的方式获得该相各个子模块中的IGBT的脉冲控制信号。

图4为多相永磁发电机有功与无功控制框图，以第i套三相绕组为例，检测三相绕组的电流i_a、i_b、i_c，再进行abc/dq变换得到i_d、i_q，然后将i_d与系统给定有功电流进行比较，其差值带入到第五PI调节器，得到u_d；将i_q与系统给定无功电流进行比较，其差值带入到第六PI调节器，得到u_q；再将u_d、u_q通过dq/abc反变换后得到参考信号U_ref3,再将U_ref3与三角波比较后得到脉冲信号，最后将该脉冲信号送入到与该三相绕组所连接的PWM整流器的上桥臂开关器件的门极，PWM整流器的下桥臂开关器件的门极信号互补。

图5为多相永磁发电机第i(i＝1,2,…，6n)个三相绕组输出空载反电势波形，由于采用了Y型连接，3次及3次倍数谐波含量被消除；空载电动势的波形畸变率为8.4％，能够满足工程要求。

图6为模块化多电平逆变器输出三相电压波形，电压波动值为0.98％，满足国标要求；三相供电时的电压偏差值为7.9％，满足国家对电压偏差的允许值。