[發明專利]一種模塊分離式風力發電機控制系統及方法

有效

• 申請號: 201710285067.8
• 申請日: 2017-04-27
• 公開（公告）號: CN107147338B
• 公開（公告）日: 2019-08-23
• 發明（設計）人: 閆士杰;張坤;張化光;高文忠
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: H02P9/30
• 分類號: H02P9/30;H02P21/26;H02P21/18;H02P101/15
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 梅洪玉

本發明公開了一種模塊分離式風力發電機控制系統及方法。以模塊分離式永磁同步發電機為控制對象，通過對永磁同步發電機在不同風速下的最大功率跟蹤控制，解決風力發電系統中由于定子整體研制、運輸和裝配，導致施工困難問題和多模塊定子協調控制和冗余控制問題。在模塊分離式永磁電機發電機轉速和位置估計上，采用零序載波電壓檢測無速度傳感器系統，設計了分布式協調控制器實現多模塊的協同控制，節省成本提高系統可靠性和估算精度；發電機側采用電壓型PWM整流電路提高電機側功率因素，降低諧波干擾；在電網側采用H橋五電平逆變電路，提高電能質量，降低風力發電不穩定因素對電網的干擾，實現有功功率和無功功率的控制。

技術背景

本發明屬于電力電子與電力傳動技術領域，具體涉及一種模塊分離式風力發電機控制系統及方法。

背景技術

當下全球生態環境不斷惡化，各國對新能源的開發和利用也在日益增加。風力發電系統在能源發電系統中占有十分重要的地位。當前，風力發電系統均采用單支路背靠背結構，此種結構存在很多問題。主要有以下幾個方面：發電機定子采用整體研制、運輸和裝配的方法，加之強風等環境因素，導致施工困難等一系列問題；定子一旦發生故障，電機整體及其控制系統都將癱瘓，供電可靠性受到威脅，對生產工程產生重大影響；發電機輸出功率小，輸出功率密度低，不能根據負載或電網的需求決定投入運行的功率，運行效率低；永磁電機轉速檢測采用傳統安裝光電編碼器方法，降低了系統可靠性，提高了產品成本；電網側變流器輸出電壓含有大量的高次諧波，對電網或負載產生不利影響。為了解決上述問題，本發明采用電機定子多瓣拼接化的組合形式，并設計了一整套能量轉換系統和永磁發電機的控制系統，能夠很好的解決上述問題，對于優化未來能源結構以及改善生態環境等諸多方面具有十分重大意義。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提出了一種模塊分離式風力發電機控制系統及控制方法，以解決風力發電系統中由于定子整體研制、運輸和裝配，導致施工困難問題、解決多單元定子協調控制和冗余控制問題、解決風力發電系統中輸出功率小，密度低和功率可調性不強問題、解決風力發電系統中機側變流器輸入電流諧波分量大，功率因數低問題、解決風力發電系統中負載側或網側輸出電壓諧波含量高，輸出電壓波形不夠正弦問題、解決系統可靠性低，成本高問題。

本發明的具體技術方案為：

一種模塊分離式風力發電機控制系統，包含模塊分離式永磁同步發電機、三組永磁同步發電機無速度傳感器控制單元、H橋五電平逆變器、電網側控制單元及LC濾波電路；其中，三組永磁同步發電機無速度傳感器控制單元通過并聯的方式協調控制模塊分離式永磁同步發電機的三個定子單元；模塊分離式永磁同步發電機的整圓定子采用分瓣式結構，先將定子單元根據拆分規則分成t₀個獨立的子模塊，再將相鄰的三個子模塊通過繞組換相連接和星型連接方式組成定子單元；其中三個定子單元共用一個轉子，轉子采用表貼結構。

所述的永磁同步發電機無速度傳感器控制單元包括控制單元和PWM整流器單元，所述的控制單元通過相互通信實現模塊分離式永磁同步電機的協同控制。

所述的控制單元包括分布式協同控制器、轉速與位置估算單元和電流控制單元；其中，轉速與位置估算單元輸出的每個定子單元的轉速值作為分布式協同控制器的輸入，分布式協同控制器輸出的最優電流控制量作為電流控制單元的輸入，電流控制單元輸出兩相靜止坐標系下的直軸參考電壓和交軸參考電壓通過SVPWM發生器獲得PWM整流電路驅動信號作為PWM整流器單元的輸入，PWM整流器單元輸出的直流電壓相互串聯作為H橋五電平逆變器的輸入直流電壓，電網側控制單元產生PWM信號來控制H橋五電平逆變器的輸出，再通過LC濾波電路得到濾波后的三相正弦交流電。

上述模塊分離式永磁同步電機的設計方法，包括以下步驟：

步驟1:計算整體電機能拆分成的子模塊個數t₀＝gcd(Q,p)，Q和p為整圓電機的槽數和極對數，gcd(Q,p)表示Q與p的最大公約數；t₀≥9且為3的倍數；