一种模块分离式风力发电机控制系统及方法与流程

技术背景

本发明属于电力电子与电力传动技术领域，具体涉及一种模块分离式风力发电机控制系统及方法。

背景技术：

当下全球生态环境不断恶化，各国对新能源的开发和利用也在日益增加。风力发电系统在能源发电系统中占有十分重要的地位。当前，风力发电系统均采用单支路背靠背结构，此种结构存在很多问题。主要有以下几个方面：发电机定子采用整体研制、运输和装配的方法，加之强风等环境因素，导致施工困难等一系列问题；定子一旦发生故障，电机整体及其控制系统都将瘫痪，供电可靠性受到威胁，对生产工程产生重大影响；发电机输出功率小，输出功率密度低，不能根据负载或电网的需求决定投入运行的功率，运行效率低；永磁电机转速检测采用传统安装光电编码器方法，降低了系统可靠性，提高了产品成本；电网侧变流器输出电压含有大量的高次谐波，对电网或负载产生不利影响。为了解决上述问题，本发明采用电机定子多瓣拼接化的组合形式，并设计了一整套能量转换系统和永磁发电机的控制系统，能够很好的解决上述问题，对于优化未来能源结构以及改善生态环境等诸多方面具有十分重大意义。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提出了一种模块分离式风力发电机控制系统及控制方法，以解决风力发电系统中由于定子整体研制、运输和装配，导致施工困难问题、解决多单元定子协调控制和冗余控制问题、解决风力发电系统中输出功率小，密度低和功率可调性不强问题、解决风力发电系统中机侧变流器输入电流谐波分量大，功率因数低问题、解决风力发电系统中负载侧或网侧输出电压谐波含量高，输出电压波形不够正弦问题、解决系统可靠性低，成本高问题。

本发明的具体技术方案为：

一种模块分离式风力发电机控制系统，包含模块分离式永磁同步发电机、三组永磁同步发电机无速度传感器控制单元、h桥五电平逆变器、电网侧控制单元及lc滤波电路；其中，三组永磁同步发电机无速度传感器控制单元通过并联的方式协调控制模块分离式永磁同步发电机的三个定子单元；模块分离式永磁同步发电机的整圆定子采用分瓣式结构，先将定子单元根据拆分规则分成t0个独立的子模块，再将相邻的三个子模块通过绕组换相连接和星型连接方式组成定子单元；其中三个定子单元共用一个转子，转子采用表贴结构。

所述的永磁同步发电机无速度传感器控制单元包括控制单元和pwm整流器单元，所述的控制单元通过相互通信实现模块分离式永磁同步电机的协同控制。

所述的控制单元包括分布式协同控制器、转速与位置估算单元和电流控制单元；其中，转速与位置估算单元输出的每个定子单元的转速值作为分布式协同控制器的输入，分布式协同控制器输出的最优电流控制量作为电流控制单元的输入，电流控制单元输出两相静止坐标系下的直轴参考电压和交轴参考电压通过svpwm发生器获得pwm整流电路驱动信号作为pwm整流器单元的输入，pwm整流器单元输出的直流电压相互串联作为h桥五电平逆变器的输入直流电压，电网侧控制单元产生pwm信号来控制h桥五电平逆变器的输出，再通过lc滤波电路得到滤波后的三相正弦交流电。

上述模块分离式永磁同步电机的设计方法，包括以下步骤：

步骤1:计算整体电机能拆分成的子模块个数t0＝gcd(q,p)，q和p为整圆电机的槽数和极对数，gcd(q,p)表示q与p的最大公约数；t0≥9且为3的倍数；

步骤2：计算子模块构成定子单元后，定子单元间隔的子模块的个数k为整数；

步骤3：计算每个子模块定子槽数、极对数、槽距角和每极每相槽数，画出槽电势星型图，做出子模块定子绕组展开图；

步骤4：根据步骤1和步骤2中的计算，画出定子单元槽电势星型图，将3个子模块通过换相连接的方法组成3个定子单元；

步骤4-1：定子单元的a相连接方式为：第一个子模块的a相首端-第一个子模块的a相末端-第二个子模块的b相首端-第二个子模块的b相末端-第三个子模块的c相首端-第三个子模块的c相末端；

步骤4-2：定子单元的b相连接方式为：第一个子模块的b相首端-第一个子模块的b相末端-第二个子模块的c相首端-第二个子模块的c相末端-第三个子模块的a相首端-第三个子模块的a相末端；

步骤4-3：定子单元的c相连接方式为：第一个子模块的c相首端-第一个子模块的c相末端-第二个子模块的a相首端-第二个子模块的a相末端-第三个子模块的b相首端-第三个子模块的b相末端。

所述的控制单元包括分布式协同控制器、转速与位置估算单元和电流控制单元。其中：

分布式协同控制器：用于采用构建无向图的方法对三个控制单元通信关系进行描述，根据构建的无向图建立各个控制单元的邻接权重矩阵，并根据转速估计值、给定转速值、同步误差补偿系数和邻接权重矩阵建立系统误差矩阵，通过设定实数矩阵和设定值，根据建立的系统误差矩阵得到分布式协同控制器的输出值；

转速与位置算单元：用于采样各个定子模块零序载波电压信号，将定子模块零序载波电压通过低通滤波器并进行信号调制获得含有转速信息的信号，将调制后的信号通过pi调节器获得每个定子单元的转速估算值。转速估计值通过积分环节可以得到每个定子模块的位置信息；

电流控制单元：用于采样发电机输出端的a相、b相和c相电流，根据采集的a相、b相和c相电流和分布式协同控制器输出值，根据上述输出和采样值获得两相静止坐标系下直轴参考电压和交轴参考电压，再采用空间矢量调制获得输出的pwm信号，将获得pwm整流信号同过驱动电路获得pwm整流电路驱动信号；

所述的电网侧控制单元：用于采样h桥五电平逆变器输出端滤波后的a相、b相和c相电压电流量，根据以上采样值和设定值得到两相静止坐标系下直轴参考电压和交轴参考电压，再采用空间矢量调制获得输出的pwm信号，将获得pwm整流信号同过驱动电路获得h桥五电平逆变器电路驱动信号。

上述一种模块分离式风力发电机控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：三组永磁同步发电机无速度传感器控制单元同时采集电机侧的a相、b相、c相电流检测信号压和零序载波电压信号；

步骤2：三组永磁同步发电机无速度传感器控制单元分别根据所采集电机侧的a相、b相、c相电流检测信号压和零序载波电压信号，协调控制获得pwm信号；

步骤2-1：根据零序载波电压信号获得转子速度估计值，并同时发送至每个控制单元，实现单元间通信；

步骤2-1-1：利用数模转换技术采集定子模块的零序载波电压信号，并将采集来的电压信号进行带通滤波；

步骤2-1-2：将带通滤波后的电压信号与高频余弦电压信号相乘，获得包含位置和转速信息的电流信号；

步骤2-1-3：采用pi算法获得转子转速估计值，将转速估计值通过积分器获得转子相角估计值，用于坐标转换。

步骤2-2：构建无向图来描述三个控制单元间的通信关系，并建立各个单元的邻接权重矩阵；所述邻接权重矩阵为是对称矩阵，该矩阵行和列都为3；矩阵中的元素为0或1，当无速度传感器控制单元间存在通信关系时，元素为1，否则为0；

步骤2-3：根据构建的无向图建立各个控制单元的邻接权重矩阵，并根据转速估计值、给定转速值、同步误差补偿系数和邻接权重矩阵建立系统误差矩阵；所述的同步误差补偿系数为两个定子单元的转动惯量比值；系统误差矩阵为3行1列的矩阵，其中的元素为其中一个控制单元转速估计值与其他控制单元转速估计值之差乘以系数1，加上其中一个控制单元转速估计值与给定转速估计值之差乘以系数2；此中的系数1为邻接权重矩阵中的元素与相应同步误差补偿系数的乘积；系数2值都为1。

步骤2-4：通过设定实数矩阵和设定值，根据建立的系统误差矩阵得到分布式协同控制器的输出值；

步骤2-5：根据采集的a相、b相和c相电流和分布式协同控制器输出值，根据上述输出和采样值获得两相静止坐标系下直轴参考电压和交轴参考电压，再采用空间矢量调制获得输出的pwm信号；

步骤2-5-1：分布式协同控制器输出值作为交轴电流参考值；

步骤2-5-2:将交轴电流参考值与交轴电流反馈值作差得到交轴电流误差值；将直轴电流参考值与直轴电流反馈值作差得到直轴电流误差值；

步骤2-5-3：将交轴电流误差值、直轴电流误差值经pi算法计算分别得到直轴电压参考值、交轴电压参考值；将直轴电压参考值、交轴电压参考值与前馈量作代数运算得到新的直轴电压参考值、交轴电压参考值；

步骤2-5-4：新的直轴电压参考值、交轴电压参考值经反park变换后得到三相静止坐标系下的a相、b相和c相，再与高频电压信号求和得到高频a相、b相和c相电压参考值；

步骤2-5-5：根据高频a相、b相和c相电压参考值和电机转子相角估算值进行反park变换得到两相静止坐标系下的直轴电压参考值和交轴电压参考值，再使用空间矢量调制得到pwm信号。

步骤3：pwm信号改变定子电压和频率，实现各个定子单元协同控制、最大功率追踪和最大效率利用风能；

步骤4：电网侧控制单元采集电网a相、b相和c相电流电压信号和逆变电路直流侧电压信号作为控制单元的输入，通过控制单元控制产生pwm信号作为h桥五电平逆变器的控制信号。

步骤4-1：电网侧控制单元同时采集电网a相、b相和c相电流电压信号和逆变电路直流侧电压信号；

步骤4-2：电网侧控制单元根据采集电网a相、b相和c相电流信号和逆变电路直流侧电压信号，控制得到pwm信号；

步骤4-2-1：直流侧电压设定值与直流侧电压反馈值作差得到直流电压差信号，将直流电压差信号经pi算法计算得到直轴电流参考值；

步骤4-2-2：将直轴电流参考值与直轴电流反馈值作差得到直轴电流误差信号，将交轴电流参考值与交轴电流反馈值作差得到交轴电流误差信号；

步骤4-2-3：将直轴电流误差信号经pi算法计算得到直轴电压参考信号，再与前馈量作代数运算后得到新的直轴电压参考值；将交轴电流误差信号经pi算法计算得到交轴电压参考信号，再与前馈量作代数运算后得到新的交轴电压参考值；

步骤4-2-4：根据新的直轴电压参考值、新的交轴电压参考值和电机转子相角估算值进行反park变换得到两相静止坐标系下的直轴电压参考值和交轴电压参考值，再使用空间矢量调制得到pwm信号。

步骤4-3：pwm信号改变逆变器开关管的导通方式，实现变流器输出无功功率为零。

本发明的有益效果为：

本发明一种模块分离式风力发电机控制系统及方法，以模块分离式永磁同步发电机为控制对象，通过对永磁同步发电机在不同风速下的最大功率跟踪控制、发电机侧单位功率因素控制和多定子单元协同控制，实现风力发电系统大功率、高质量电能的输送。在模块分离式永磁电机发电机转速和位置估计上，为节省成本、提高系统可靠性，采用零序载波电压检测无速度传感器系统；为提高电机侧功率因素，降低谐波干扰，在发电机侧采用电压型pwm整流电路；为提高电能质量，降低风力发电不稳定因素对电网的干扰，在电网侧采用h桥五电平逆变电路；被控对象为模块分离式同步发电机，解决风力发电系统中由于定子整体研制、运输和装配，导致施工困难问题和多模块定子协调控制和冗余控制问题。

附图说明

图1为本发明一种实施例的模块分离式永磁同步发电机系统框图。

图2为本发明一种实施例的模块分离式永磁同步发电机结构示意图。

图3为本发明一种实施例的9槽2极子模块槽电势星型图。

图4为本发明一种实施例的9槽2极子模块定子绕组展开图。

图5为本发明一种实施例的27槽6极定子单元槽电势星型图。

图6为本发明一种实施例的27槽6极定子单元定子绕组展开图。

图7为本发明一种实施例的模块分离式永磁同步风力发电机无速度传感器控制系统1框图。

图8为本发明一种实施例的模块分离式永磁同步发电机电网侧控制系统框图。

图9为本发明一种实施例的pwm整流电路输出直流电压波形。

图10为本发明一种实施例的变压器高压侧三相电压波形。

图11为本发明一种实施例的h桥逆变器输出a相电压电压波形。

图12为本发明一种实施例的h桥逆变器输出b相电压电压波形。

图13为本发明一种实施例的h桥逆变器输出a相、b相线电压电压波形。

图中：1模块分离式永磁同步电机；2第一永磁发电机无速度传感器系统；3第二永磁发电机无速度传感器系统；4第三永磁发电机无速度传感器系统；5h桥五电平逆变器；6电网侧控制单元；7lc滤波电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明一种实施例做进一步说明。

本发明实施例中，一种模块分离式风力发电机控制系统，如图1所示，包含模块分离式永磁同步电机1、第一永磁发电机无速度传感器系统2、第二永磁发电机无速度传感器系统3、第三永磁发电机无速度传感器系统4、h桥五电平逆变器5、电网侧控制单元6和lc滤波电路7。其中第一永磁发电机无速度传感器系统2、第二永磁发电机无速度传感器系统3、第三永磁发电机无速度传感器系统4通过并联方式协调控制模块分离式永磁同步电机1的三个定子单元。

本发明实施例中，模块分离式永磁同步发电机结构，如图2所示，以81槽36极三相永磁同步发电机为例。永磁同步发电机有9个子模块，每个子定子模块相互独立，共用一个转子，相邻三个子模块构成一个定子单元。电机子模块采用不等跨距双层分数槽叠绕组的绕线方法，此种绕线法可以实现电机定子电气和机械解耦，减小每极磁通脉振，改善电势波形，使电机能更好得应用在风力发电系统。电机转子采用表贴式结构，相对于其他转子结构而言，表贴式结构能够使定子和转子之间的气隙比较均匀，表现为隐极特性。

本发明实施例中，通过下面所述的方法实现电机绕组的设计:

ⅰ电机的拆分规则及其父子模块槽极数计算

电机定子槽数q＝81，转子极数2p＝36，则定子槽数q和转子对极数p最大公约数t0＝9，所以电机的定子可以拆分成9个相互独立的定子模块，本发明中定义为子模块。由于9个子模块相互独立，所以每个子模块的定子槽数qs和转子极对数ps分别为：

所以，81槽36极三相永磁同步发电机可以拆分成9个空间上均匀分布的子模块。根据可知，k＝0，所以定子单元间隔子模块个数为0。将空间上相邻分布的3个子模块绕组连接起来，则形成3个新的定子模块，本发明中定义为定子单元，则每个定子单元定子槽数qf和转子极数pf分别为：

qf＝3qs＝3×9＝27pf＝3ps＝3×2＝6

ⅱ子模块定子绕组绕制方法

本发明中子模块定子绕组采用不等跨距双层分数槽叠绕组，具体方法如下。

①计算槽距角α和每极每相槽数q，分别为：

其中，m为电机子模块绕组相数，此处m＝3。

本发明中节距取所以节距为：

②画出电机子模块槽电势星型图，如图3所示。

③子模块定子绕组展开图

子模块定子绕组为不等跨距双层分数槽叠绕组，采用绕组反向嵌放的方法，此种方能实现电机定子的电气和机械解耦。规定顺时针方向为正方向，子模块定子绕组展开图如图4所示。

ⅲ定子单元定子绕组绕制方法

三个9槽2极的子模块构成一个27槽6极的定子单元，每个定子单元定子绕组由三个子模块定子绕组连接而成。规定顺时针为正方向，则定子单元槽电势星型图如图5所示。

为了使定子单元定子绕组三相旋转对称，定子单元三相定子绕组自感相等，减小定子单元定子绕组三相间的互感，本发明采用子模块绕组换相连接的方法组成定子单元定子绕组。如图6为定子单元定子绕组展开图，其中a1，b1，c1，x1，y1，z1为子模块1的三相绕组连接端子；a2，b2，c2，x2，y2，z2为子模块2的三相绕组接线端子；a3，b3，c3，x3，y3，z3为子模块3的三相绕组接线端子，每个定子单元结构相同。以定子单元1为例，采用子模块绕组换相连接的方法后，定子单元1定子绕组构成为：

a相：a1-x1-b2-y2-c3-z3

b相：b1-y2-c2-z2-a3-z3

c相：c1-z1-a2-x2-b3-y3

本发明例中，模块分离式永磁同步风力发电机无速度传感器控制系统，控制方法框图如图7所示，包括以下步骤：

步骤1：第一永磁同步发电机无速度传感器控制单元、第二永磁同步发电机无速度传感器控制单元、第三永磁同步发电机无速度传感器控制单元同时采集电机侧的a相、b相、c相电流检测信号压和零序载波电压信号；

本发明实施例中，采用三个电流互感器和三个电压互感器同时采集电机侧a相、b相、c相电流信号和零序载波电压信号，并将采样信号发送到各个控制单元；

步骤2：第一永磁同步发电机无速度传感器控制单元、第二永磁同步发电机无速度传感器控制单元、第三永磁同步发电机无速度传感器控制单元根据所采集电机侧的a相、b相、c相电流检测信号压和零序载波电压信号，协调控制获得pwm信号；

本发明实施例中，以第一永磁同步发电机无速度传感器控制单元为例阐述控制系统设计，图7为模块分离式永磁同步风力发电机无速度传感器控制系统1框图，具体步骤如下：

步骤2-1：采集零序载波电压信号获得转子速度估计值并同时发送至每个控制单元中来实现单元间通信；

步骤2-1-1：利用数模转换技术采集定子模块的零序载波电压信号并将采集来的电压信号进行带通滤波；

步骤2-1-2：将带通滤波后的电压信号与高频余弦电压信号相乘，获得包含位置和转速信息的信号；

本发明实施例中，将带通滤波后零序载波电压与调制信号2cosωht相乘得到再经低通滤波器lpf滤波后，可得到包含转速和δθ相角误差信息的值f(δθ)，信号调制过程中公式如下：

式中，l0为电机每相绕组的基波电感，l2为电机每相绕组的二次谐波电感；

步骤2-1-3：采用pi算法获得转子转速估计值，将转速估计值通过积分器获得转子相角估计值，用于坐标转换。

本发明实施例中，将f(δθ)通过pi调节器可得到定子单元1的转速值将通过一个积分器就可以得到定子单元1的转子位置信息其值可用于用于坐标变换。

步骤2-2：构建无向图来描述三个控制单元间的通信关系，并建立各个单元的邻接权重矩阵；

本发明实施例中，建立无向图g(v1,v2,v3)，v1,v2,v3表示3个协同控制单元，图的每条边邻接权重矩阵其中i,j＝1,2,3。邻接权重矩阵中的元素aij为1或0，当vi,vj之间有通信关系时，aij＝1，否者aij＝0。入度矩阵d＝diag(di)，其中，i,j＝1,2,3，拉普拉斯矩阵为l＝d-a。所以邻接权重矩阵a、入度矩阵d、拉普拉斯矩阵l分别为：

步骤2-3：根据构建的无向图建立各个控制单元的邻接权重矩阵，并根据转速估计值、给定转速值、同步误差补偿系数和邻接权重矩阵建立系统误差矩阵；

本发明实施例中，对于第i个节点，构建误差向量ei(t)为：

其中，i,j＝1,2,3，为同步误差补偿系数，kij≠kji，ji和jj为第i个和第j个单元电机的转动惯量。

所以系统误差向量e(t)为：

步骤2-4：通过设定实数矩阵和设定值，根据建立的系统误差矩阵得到分布式协同控制器的输出值；

本发明实施例中，分布式协同控制器输出为：

ui＝ω^*+kei

其中，i＝1,2,3，k为1×2的常数矩阵。

常数矩阵k计算步骤如下所示：

①计算j^*＝ei^τ(0)pei(0)。ei(0)为t＝0时的初始值，p＝p^τ>0且满足a^τp+pa-pbr^-1b^τp+q＝0，式中，q＝q^τ>0，r＝r^τ>0，q和r为2×2的矩阵，

②选取性能指标参数γ，使γmin<γ<γmax。其中，γmin＝j^*，γmax＝10j^*；

③设矩阵y和矩阵满足如下的线性矩阵不等式：

④若第三步线性矩阵不等式无解，则提升性能指标参数γ的数值，再次执行第三步，直到算出k的值。

步骤2-5：根据采集的a相、b相和c相电流和分布式协同控制器输出值，根据上述输出和采样值获得两相静止坐标系下直轴参考电压和交轴参考电压，再采用空间矢量调制获得输出的pwm信号。

步骤2-5-1：分布式协同控制器输出值u1作为交轴电流参考值iqref；

步骤2-5-2：iq作为q轴控制的反馈值，与u1比较后产生q轴控制的误差值iqe；设定d轴的参考值将id作为d轴控制的反馈值，与比较后产生d轴控制的误差值ide。

步骤2-5-3：iqe经pi电流调节器并与前馈值做代数运算，得到参考信号uqref，其中lg为定子电感；iqe经pi电流调节器并与前馈值做代数运算，其中lg为定子电感，得到参考信号udref。

步骤2-5-4：udref、uqref经dq-abc坐标变换得到uaref、ubref、ucref，uaref、ubref、ucref与注入的高频电压量uahf、ubhf、uchf合成形成含有高频量的

步骤2-5-5：经abc-αβ坐标变换的到svpwm模块的输入量将输入svpwm模块，其产生的脉冲经驱动电路后就可作为三相pwm整流电路开关管igbt驱动信号。

本发明实施例中，模块分离式永磁同步发电机电网侧控制系统，如图8所示。具体步骤如下：

步骤1：功率控制单元同时采集电网侧a相、b相和c相电流电压信号和逆变电路直流侧电压信号；

本发明实施例中，分别采用电压传感器和电流传感器采集a相、b相和c相电压信号、直流侧电压和a相、b相和c相电流信号；

步骤2：功率控制单元根据采集电网侧a相、b相和c相电流信号和逆变电路直流侧电压信号，控制得到pwm信号；

本发明实施例中，模块分离式永磁同步发电机电网侧控制系统，如图8所示。具体步骤如下：

步骤2-1：设定直流参考电压并采样h桥五电平逆变器直流侧输入电压u′dc作为直流环的反馈电压，与直流参考电压比较后的到误差值u′dce，将其经过pi电压调节器得到d轴电流的参考值

步骤2-2：d轴电流的参考值与d轴电流的反馈值isd比较的到d轴电流误差isde；给定q轴电流的参考值经abc-dq坐标变换后的isq作为q轴电流的反馈值，与比较之后得到q轴电流的误差isqe；

步骤2-3：将其经过pi电流调节器后得到d轴电压的参考值usdref。将d轴电压的参考值usdref与前馈量ωslsisq、d轴电压反馈值usq做代数运算后的到svpwm模块的d轴电压的参考值其中ls为电网侧线路电感和变压器漏感之和；将其经过pi电流调节器后得到q轴电压参考值usqref，将q轴电压参考值usqref与前馈量ωslsisd、q轴电压反馈值usq做代数运算后得到svpwm模块q轴电压的参考值

步骤2-4：将d轴电压的参考值与q轴电压的参考值经dq-αβ坐标变换后的到svpwm模块的输入值svpwm模块输出的脉冲信号，经驱动电路后作为h桥五电平逆变器开关管igbt驱动信号。

本发明实施例中，如图9所示，pwm整流电路将三相交流电能整流成直流电能，通过控制系统控制，输出的直流电压稳定在600v,且稳定性和动态响应比较好。

本发明实施例中，如图10所示，系统最后输出的三相交流电压稳定在3kv，在电压质量和频率稳定上都能满足电网或负载的要求。

本发明实施例中，如图11、图12所示，h桥五电平逆变器输出端的a相、b相电压为5电平；如图13所示，h桥五电平逆变器输出端的a相、b相线电压为9电平。