[發明專利]并聯式繞組開放式永磁發電機系統的控制方法

有效

• 申請號: 201410496163.3
• 申請日: 2014-09-25
• 公開（公告）號: CN104320027A
• 公開（公告）日: 2015-01-28
• 發明（設計）人: 鄭青青;魏佳丹;周波;何健
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: H02P9/00
• 分類號: H02P9/00;H02P21/00
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 葛瀟敏

技術領域

本發明屬于發電機控制領域，特別涉及了并聯式繞組開放式永磁發電機系統的控制方法。

背景技術

永磁同步發電機由于其效率高、功率密度大、結構簡單等優點，在風力發電系統和車載電源系統中具有廣泛的應用。但是永磁同步發電機由于永磁體的氣隙磁場調節困難，使得繞組的端電壓難以控制。傳統的永磁同步發電機系統采用三相PWM整流器控制，而PWM整流器為升壓型變換器，為了使得輸出電壓可控，發電機的線電壓必須小于輸出電壓，從而限制了發電機的最大轉速運行范圍。

為了擴展發電機的運行轉速范圍，常采用的方法有：（1）弱磁控制技術，在d軸注入反向電流使得發電機繞組上產生與永磁體磁場方向相反的磁場，以削弱主磁場的強度。該方法雖然在一定程度上能夠擴展發電機轉速，但是當定子電流一定時，由于d軸電流分量的增加，會使得有功功率下降，從而降低了電機的運行效率，在相同輸出功率等級時，會增加系統的容量，并且該方法需要產生的定子磁場在削弱主磁通的同時會使得永磁體造成永久退磁。（2）混合勵磁結構，在原來永磁體結構的基礎上增加了勵磁繞組構成混合勵磁電機，在高速的時候通過改變勵磁繞組中的電流從而達到弱磁升速的目的。該方法既保持了永磁電機原有的優點，并且在一定范圍內能夠提高發電機的運行范圍，但是增加的勵磁繞組會降低發電機的功率密度，并且使得發電機的結構設計復雜，目前這項技術仍在研究中，仍有許多問題亟待解決。（3）雙轉子永磁發電機結構，該結構在常規的永磁同步電機基礎上使得原靜止不動的定子也可相對于電機機座自由旋轉（視為外轉子），原轉子稱為內轉子，相當于有兩個轉子，并且這兩個轉子受到的電磁轉矩的大小相等，方向相反，但兩個轉子的摩擦系數和拖動轉矩不同時，內外轉子的輸出功率和轉速也不同，同步轉速相當于兩個轉子的相對轉速，通過改變內外轉子的相對轉速以拓寬電機的運行范圍，但外轉子繞組通過滑環引出，降低了系統的可靠性，并且雙轉子電機結構復雜，電機設計難度較大，目前仍處于研究階段。因此，研究如何保留永磁同步發電機原有的優點，并能夠有效地克服其存在的調壓困難和適用轉速范圍窄的問題十分緊迫。

傳統三相PWM整流器永磁發電機系統，繞組多采用星形連接方式，這種結構能夠避免繞組中流過零序電流，是應用最廣泛的一種拓撲。在1989年，隨著Isao?Takahashi提出一種開放式繞組結構，繞組開放式拓撲逐漸得到了人們廣泛的關注，許多學者、專家們主要針對異步電機的繞組開放式拓撲研究其變換器結構、SVPWM調制策略以及系統控制策略等。2011年南京航空航天大學提出一種新型的車載起動/發電系統，該系統由繞組開放式永磁同步電機、逆變器、整流橋和蓄電池構成，并提出了起動/發電一體化控制策略。在此基礎上，將逆變級的蓄電池省去，并將整流橋和逆變器的直流側并聯構成一種并聯式繞組開放式永磁同步發電機系統，這樣可以進一步簡化發電系統結構，降低系統成本。但是由于并聯式結構中整流橋和逆變器的直流側并聯導致電路中產生了零序電流的流通路徑，而零序電流不僅會增加系統的損耗和變換器的容量，還會引起電機軸承損壞。因此，在研究并聯式拓撲的調壓控制策略時必須考慮零序電流的抑制問題。

為了抑制電路中的零序電流，目前繞組開放式系統中零序電流的抑制方法主要有以下三種：（1）硬電路抑制法，增加四個輔助開關，并控制其互補導通，從而不產生零序電流的流通路徑。該方法不僅成本高，而且實現復雜。（2）矢量重新分配法，采用電壓空間矢量調制時，通過改變零矢量的作用時間，使得在一個開關周期內兩個變換器零序電壓的伏秒積之和相等，這種方法不僅算法復雜，并且不能保證完全消除零序電流。（3）零序補償器法，通過鎖相環對零序電流的相位和幅值進行跟蹤并補償，但是零序補償器設計復雜，參數選取較難，而且補償效果易受調節器參數的影響。該并聯式拓撲與常規的雙逆變器拓撲相比，將雙逆變器拓撲中的一個逆變器換成了整流橋，由于整流橋的存在，導致相電流中存在6n±1次諧波，并且由于直流側母線的并聯，提供了零序電流流通路徑，使得電路中流過與零序電流相關的3·（2n-1）次諧波，系統控制方法實現過程中必須抑制這兩類諧波。?

發明內容

為了解決上述背景技術存在的技術問題，本發明旨在提供并聯式繞組開放式永磁發電機系統的控制方法，以抑制系統中直流側并聯產生的零序電流以及整流橋的非線性產生的其他奇次諧波，實現并聯式繞組開放式永磁發電機系統的高效率運行。

為了實現上述技術目的，本發明的技術方案為：