基于开绕组结构的永磁同步发电机直接并网系统及其控制方法与流程

本发明属于并网发电技术领域，具体涉及一种基于开绕组结构的永磁同步发电机直接并网系统及其控制方法。

背景技术：

电励磁同步电机是目前发电机系统中被广泛采用的一种电机结构，其输送到电网的有功功率直接由原动机输入的机械功率决定，但可以通过调节励磁电流的大小来改变电机的磁链大小，以改变反电动势的幅值，最终完成对输送到电网的无功功率的调节，其控制原理也较为简单。传统电励磁同步发电机系统结构如图1所示，发电机定子绕组单端出口，直接与交流电网相连，交流电网通过一台变流器整流后，再通过滑环、碳刷等装置为发电机转子上的励磁绕组供电；发电机系统输出到电网的有功功率由原动机输入的机械功率决定，输出到电网的无功功率可以通过调节励磁电流实现。但传统的电励磁同步发电机系统需要一套直流励磁装置，导致整个发电机系统的结构较为复杂，可靠性较低，并且由于存在励磁回路的损耗，导致发电机系统的整体效率较低。

相较之下，永磁同步电机具有结构简单、功率密度高、效率高、结构灵活多样等优点，随着驱动技术的不断进步与发展，其应用已遍及航空航天、国防、工农业生产以及日常生活的各个领域。近年来，随着材料性能、设计技术和工艺水平的日益提高，永磁同步电机的功率等级正逐渐增大，在能源、工业和交通运输等领域已得到了大量应用。例如在风力发电、新能源汽车、高速铁路、船舶推进、多电飞机及舰船全电驱动和矿山机械等应用场合，永磁同步电机都具有极为强大的竞争力和广阔的应用前景。

传统永磁同步发电机系统结构如图2所示，发电机定子绕组单端出口，通过背靠背式的两个变流器后再与电网相连；由于该系统采用永磁同步电机进行发电，磁链直接由永磁体转子产生，所以直流励磁装置得以取消，于是系统结构的可靠性和整体效率都得以提高。但是，由于永磁体产生的磁链不可调节，倘若直接将定子绕组并入交流电网，那么输出到电网的无功功率不可调节，所以需要经过背靠背式的两个变流器后再与电网相连，仍旧增加了成本。

技术实现要素：

鉴于上述，本发明提供了一种基于开绕组结构的永磁同步发电机直接并网系统及其控制方法，能够实现有功功率和无功功率的解耦控制，且结构简单，成本较低。

一种基于开绕组结构的永磁同步发电机直接并网系统，包括：开绕组永磁同步发电机、变流器和控制器；所述开绕组永磁同步发电机具有三相绕组，所述变流器采用三相全桥可控逆变器；

所述开绕组永磁同步发电机中任一相绕组的一端与变流器中对应相上下桥臂的中心接点相连，另一端直接与交流电网的对应相线连接；

所述控制器用于采集开绕组永磁同步发电机的三相绕组电流、并网点线电压以及变流器的直流母线电压，依据这些电气量通过相应控制策略构造出pwm信号以对变流器中的功率开关器件进行控制。

上述永磁同步发电机直接并网系统的控制方法，包括如下步骤：

(1)通过采集获取变流器的直流母线电压vc、开绕组永磁同步发电机的三相绕组电流ia～ic以及并网点线电压，并估算出电网电压矢量的空间位置角θg；

(2)利用空间位置角θg对三相绕组电流ia～ic进行park变换，得到开绕组永磁同步发电机的有功电流ip和无功电流iq；

(3)使无功电流iq减去无功电流指令iq_ref后的差值通过积分控制得到无功补偿电压指令ucomq_ref；使直流母线电压vc减去预设的直流电压指令vc_ref后的差值通过pi(比例积分)控制得到有功补偿电压指令ucomp_ref；

(4)根据有功电流ip和无功电流iq以及有功补偿电压指令ucomp_ref和无功补偿电压指令ucomq_ref，计算出补偿参考电压矢量ucom_ref；

(5)利用空间位置角θg对补偿参考电压矢量ucom_ref进行坐标变换得到α-β坐标系下的参考电压矢量uαβ，进而根据该参考电压矢量uαβ通过svpwm(spacevectorpulsewidthmodulation，空间矢量脉宽调制)技术计算得到一组pwm信号用以对变流器中的功率开关器件进行控制。

进一步地，所述步骤(1)中利用电流传感器采集开绕组永磁同步发电机ab两相的绕组电流ia和ib，进而根据公式ic＝-ia-ib计算出永磁同步发电机的c相绕组电流ic。

进一步地，所述步骤(1)中利用电压传感器采集开绕组永磁同步发电机并网点a相与b相之间的线电压vab以及b相与c相之间的线电压vbc，进而根据线电压vab和vbc通过锁相环估算出电网电压矢量的空间位置角θg。

进一步地，所述无功电流指令iq_ref的计算表达式如下：

其中：qref为开绕组永磁同步发电机输出到交流电网的无功功率指令，qref为正表示输出容性无功，qref为负表示输出感性无功，ug为交流电网相电压幅值。

进一步地，所述步骤(4)中通过以下公式计算补偿参考电压矢量ucom_ref；

其中：j为虚数单位。

本发明并网系统将永磁同步发电机的中性点打开，变成开绕组结构，一端直接并入交流电网，另一端接入一台变流器。本发明控制方法通过调整原动机输入的功率可以调节发电机系统输出到电网的有功功率，通过调整变流器产生的补偿电压矢量可以调节发电机系统输出到电网的无功功率，实现有功功率和无功功率的解耦控制。本发明开绕组永磁同步发电机系统与传统的电励磁同步发电机系统相比，取消了直流励磁装置，降低了系统结构的复杂性，提高了系统结构的可靠性以及整体效率，与传统的永磁同步发电机系统相比，减少了变流器的数量，降低了成本。

附图说明

图1为传统电励磁同步发电机系统的结构示意图。

图2为传统永磁同步发电机系统的结构示意图。

图3为本发明开绕组结构的永磁同步发电机直接并网系统的结构示意图。

图4为本发明开绕组永磁同步发电机直接并网系统的控制原理示意图。

图5(a)为本发明开绕组永磁同步发电机输出到电网的无功功率波形图。

图5(b)为本发明开绕组永磁同步发电机输出到电网的有功功率波形图。

图6为本发明系统中变流器直流母线电容电压的波形示意图。

图7(a)为输出感性无功时本发明开绕组永磁同步发电机的相电流波形图。

图7(b)为本发明开绕组永磁同步发电机输出感性无功时电网电压的波形图。

图8(a)为输出容性无功时本发明开绕组永磁同步发电机的相电流波形图。

图8(b)为本发明开绕组永磁同步发电机输出容性无功时电网电压的波形图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明基于开绕组结构的永磁同步发电机直接并网系统，如图3所示，包括一台开绕组永磁同步发电机、一台变流器和一个控制器；其中：

开绕组永磁同步发电机具有三相绕组，变流器采用三相全桥可控逆变器，其直流端并联有直流母线电容c，每个桥臂由至少一个全控型电力电子开关器件串联组成，本实施方式中全控型器件可以采用igbt。

开绕组永磁同步发电机任一相绕组的一端与变流器中对应相上下桥臂的中心接点相连，另一端直接与交流电网的对应相相连。

控制器用于采集永磁同步发电机的相电流ia、ib、ic，并网点的线电压uab和ubc以及直流母线电容的电压vc，进而通过控制策略构造出pwm信号以对变流器进行控制；本实施方式中控制器采用dsp。

本发明永磁同步发电机直接并网系统的控制方法，如图4所示，包括如下步骤：

a1.采集直流母线电容的电压vc；采集永磁同步发电机的两相电流ia、ib，并按以下算式计算出第三相电流ic；

ic＝-ia-ib

采集并网点的线电压uab和ubc，进而利用锁相环估算出电网电压矢量的空间位置角θg。

a2.利用电网电压矢量的空间位置角θg对相电流ia、ib、ic进行坐标变换，得到有功电流ip和无功电流iq。

a3.根据以下算式计算出无功电流指令iq_ref：

其中：qref为输出到电网的无功功率指令，qref为正代表输出容性无功，qref为负代表输出感性无功，ug为电网电压相幅值。

计算无功电流iq与无功电流指令iq_ref的差值，根据以下算式进行积分调节得到无功补偿电压指令ucomq_ref；

其中：ki_q为积分系数，本实施方式中ki_q＝100。

a4.计算直流母线电容电压vc与预设的直流电压指令vc_ref的差值，根据以下算式进行比例积分调节得到有功补偿电压指令ucomp_ref；

其中：kp_p和ki_p分别为比例系数和积分系数，本实施方式中kp_p＝3，ki_p＝100。

a5.根据无功补偿电压指令ucomq_ref和有功补偿电压指令ucomq_ref以及相电流的有功分量ip和无功分量iq，根据以下算式计算出补偿参考电压矢量ucom_ref；

a6.根据补偿参考电压矢量ucom_ref，通过svpwm技术得到pwm信号对变流器进行控制。

以下我们对本实施方式进行仿真测试，所选用的永磁同步风力发电机参数如表1所示：

表1

图5(a)～图5(b)、图6、图7(a)～图7(b)、图8(a)～图8(b)均为采用本实施方式对开绕组永磁风电直流并网系统进行控制的仿真波形，图5(a)～图5(b)和图6的波形取0s～1.2s时间段，图7的波形取0.4s～0.5s时间段，图8(a)～图8(b)的波形取1.0s～1.1s时间段。0s～0.6s时永磁同步发电机输出到电网的无功功率指令为-0.37p.u.(感性)，0.6s～1.2s时输出到电网的无功功率指令为0.37p.u.(容性)。从图5(a)可以看出，在无功功率指令改变后，永磁同步发电机实际输出的无功功率在0.4s后跟上了指令q_ref，发电机系统重新运行在稳定状态，说明了本发明控制方法的有效性。图7(a)中相电流的thd为2.9％，图8(a)中相电流的thd为3.9％，说明在两个稳态中永磁同步发电机输出到电网的电能质量都符合要求。此外，从图6中可以看出直流母线电容电压基本维持恒定，仿真结果证明本发明系统能够实现且控制策略有效。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。