无刷双馈发电机的背靠背变流器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于电力电子技术领域，具体设及一种无刷双馈发电机的背靠背变流 器。
【背景技术】
[0002] 无刷双馈电机是具有两套定子绕组、而转子没有电刷的双馈电机，其可靠性、可维 护性相比有刷双馈电机大大提高，但又具有双馈电机变速恒频恒压发电的优点，在风力发 电、水力发电、船舶轴带发电等应用中具有特殊的优势。无刷双馈电机能够用低压小功率的 变频器对高压大容量电机进行变频调速控制，相对传统高压感应电机全功率变频调速更加 经济。定子两套绕组中承担主要功率的称为功率绕组，通常由电网供电，其频率为3!，极对 数为.C。;另外的小功率绕组称为励磁绕组，由变频电源供电，其频率为與，极对数为巧。常用 的反相序连接转子结构无刷双馈电机同步转速为
[0003]
[0004] 无刷双馈发电机运行于同步转速W上时，主绕组和励磁绕组同时向电网馈电，运 行于同步转速W下时，主绕组向电网馈电，励磁绕组从电网取电，因此为励磁绕组供电的必 须是背靠背变流器，才能能够实现能量的双向流动。现有无刷双馈发电机的常规背靠背变 流器系统结构如图1所示，其中直流侧电路采用电容器，结构简单。
[000引图1所示的背靠背变流器的控制有两部分，分别是对电机侧变流器的励磁控制和 电网侧变流器的并网控制，对直流侧电容两端电压的控制也由网侧变流器完成。
[0006] 然而，无刷双馈发电机在运行中，为了满足励磁强度，电机侧变流器输出电流基 本保持在额定电流水平上，但是由于绕组阻抗会随着励磁频率袭变化，故电机侧变流器输 出电压塔幅值也会随着频率变化，并且变化范围非常大。传统的调节输出电压幾的方式是保 持直流侧电容电压踐^不变，调节逆变器输出电压的调制系数Μ实现。直流侧电压;掠^的确定 由两个变流器的工作要求来共同确定，电机侧变流器需要的踐一般低于540V，而网侧变流 器需要的24通常选择700~800V的水平，综合考虑后，背靠背变流器必须选择较高的数值， 运就对电机侧变流器的正常工作形成较大压力:过高的:?导致调制系数Μ过低，输出电压 波形、IGBT耐压和电流容量、等效开关频率等都受到不利影响。
[0007] 同时，采用电容器组作为直流侧电压支撑的VSI逆变器，其上下桥臂的开关器件不 能同时导通，否则会造成电容器两极短路，烧坏开关器件和电容器。为了防止上下桥臂直 通，控制系统在确定开关器件的开关状态时，必须加入死区时间，必然会导致输出波形偏离 控制目标，恶化补偿效果。即便加入死区，控制系统仍然必须加入对直通故障的检测、保护 功能，增加了控制系统复杂度。
[0008] 此外，网侧变流器输出的谐波电流会造成有功功率波动，电容器漏电流、均压电阻 也会造成一定的有功功率损耗，所W传统电路的直流侧电容器电压控制复杂，必须在网侧 变流器输出指令电流中加入有功电流分量，才能够保证直流侧电压的稳定，致使直流电压 控制与输出电流控制不能解禪，有功电流加入到指令电流中也恶化了输出电流波形。为了 降低电压控制难度，直流侧电容器往往采取增大容量的办法，提高了成本。
[0009] 最后，为了提高直流电压稳定性、降低控制难度，直流电容倾向于选择较大容量， 同时为了提高发电机控制系统的动态响应性能，尤其是突然加/减大负载时，由于发电机的 机械系统时间常数较大，导致动态响应速度不能满足控制要求，发电系统的输出电压会产 生大幅度波动，为了弥补机械系统的滞后，往往在直流电容两端并接储能单元，W满足动态 性能要求。如果采用高电压直流母线，那么高达700~800V的高压对于大多数储能元件来说 都比较高，难W搭配合适的储能系统。 【实用新型内容】
[0010] 本实用新型的目的在于提供一种直流侧电容电压能够同时适应于电网侧变流器 和电机侧变流器、储能系统容易选取、电网侧变流器控制简单且成本低廉的无刷双馈发电 机的背靠背变流器。
[0011] 本实用新型提供的运种无刷双馈发电机的背靠背变流器，包括电机侧变流器、电 网侧变流器、励磁控制电路、并网控制电路、储能单元和直流侧电容，其特征在于还包括Z源 电路，直流侧电容与Z源电路串联后与电网侧变流器并联，由Z源电路为电网侧变流器提供 电压支撑。
[001引所述储能单元包括低压储能单元和高压储能单元;低压储能单元并联在直流侧电 容和Z源电路之间，高压储能单元并联在Z源电路和电网侧变流器之间。
[0013] 所述的Z源电路包括二极管、第一电感、第二电感和第一电容、第二电容;二极管的 阳极与电机侧变流器直流母线正极连接，阴极与第一电感和第一电容正极连接;第一电感 的一端与二极管连接，另一端与电网侧变流器直流母线正极和第二电容正极连接;第二电 感的一端连接电机侧逆变器直流母线负极和第二电容的负极，另一端连接电网侧变流器直 流母线负极和第一电感的负极。
[0014] 所述的电机侧变流器和电网侧变流器均为包括IGBT的变流器。
[0015] 所述的电机侧变流器和电网侧变流器均为VSI型Ξ相逆变器。
[0016] 本实用新型提供的运种无刷双馈发电机的背靠背变流器，由于采用了 Z源电路，在 电网侧变流器的开关控制逻辑设计中无需加入死区、短时间内的直通状态也不会烧坏开关 器件，能够使得控制逻辑的设计变得简单，而且控制逻辑更加可靠；电网侧变流器的直流电 压控制与输出电流控制实现解禪，降低了控制复杂度、输出电流波形基本不受直流电压波 动的影响，使得控制精度较高；电机侧变流器直流储能电容可W工作在较低的电压，并能够 根据工作情况不断变化，降低了开关器件的应力，改善了励磁电流波形，并且更容易与储能 部件接口，而电网侧变流器的等效直流电压更高，更有利于向电网馈送电能，储能单元选取 更加容易；而且，直流电流侧有一高一低两个直流侧电压，在储能系统的搭配上就灵活的 多，可W在两个电压水平上分别搭配不同的储能单元，降低了储能单元的成本，而且低压储 能单元还能够为控制绕组提供额外的起励电源，增加系统工作灵活性和适应范围。
【附图说明】
[0017] 图1为【背景技术】的无刷双馈发电机的背靠背变流器的结构示意图。
[0018] 图2为本实用新型的无刷双馈发电机的背靠背变流器的结构示意图。
[0019] 图3为本实用新型的电网侧变流器零矢量直通状态电路示意图。
[0020] 图4为本实用新型的电网侧变流器零矢量关断状态电路示意图。
【具体实施方式】
[0021] 如图2所示为本实用新型的无刷双馈发电机的背靠背变流器的结构示意图：无刷 双馈发电机的背靠背变流器包括电机侧变流器、电网侧变流器、直流侧电容（图中标示C)、Z 源电路、低压储能单元和高压储能单元，电机侧变流器连接无刷双馈发电机的励磁绕组，电 网侧变流器直接连接电网；励磁控制电路与电机侧变流器连接并控制，并网控制电路与电 网侧变流器连接并控制；低压储能单元为低压储能电池，并联在直流侧电容与Z源电路之 间，高压储能单元为高压储能电容，并联在Z源电路和电网侧变流器之间；并网控制电路根 据直流侧电容电压（亦即电机侧变流器直流母线电压)Ud。、电网侧变流器的实际输出电流 ip、电网侧电压UP对电网侧变流器进行控制;励磁控制电路采用标量控制，W发动机输出电 压幅值和频率为控制目标，通过调整励磁电流的幅值和频率达到控制目的；电机侧变流器 和电网侧变流器均可采用包括IGBT的VSI型Ξ相逆变器。
[0022] 如图3和图4所示，为本实用新型的电网侧变流器的Z源电路直通/断开状态电路示 意图：
[0023] 由于电路的对称性，可W假定稳定状态下轉卢啜3:=鶴，環4=?:心鶴。在电路 直通状态下，S(即二极管）断开，此时有島马輕。在非直通状态下，S导通，此时有 雖二辟苗％。如果设定直通时间为龜，整个开关周期为Γ，那么非直通时间为巧-r-霖， 直流导通占比疫= §:，则Z源电路的支撑电容电压馬与电机侧变流器上直流电容电压1%的 关系可W写成
[0024]
[00巧]非直通状态下，网侧变流器的等效直流电压
[0026]
[0027] 从上式可见，Z源电路的加入，使得通过控制直占比D的大小就可W调节电机侧变 流器直流母线电压与电网侧变流器等效直流母线电压機之间的关系，由于D总是大于0 小于1的，实际上取巧这泻竣获帛，就能够实现背靠背变流器直流母线电压的高低配置方案。
【主权项】
1. 一种无刷双馈发电机的背靠背变流器，包括电机侧变流器、电网侧变流器、励磁控制 电路、并网控制电路、储能单元和直流侧电容，其特征在于还包括Z源电路，直流侧电容与Z 源电路串联后与电网侧变流器并联，由Z源电路为电网侧变流器提供电压支撑。2. 根据权利要求1所述的无刷双馈发电机的背靠背变流器，其特征在于所述储能单元 包括低压储能单元和高压储能单元;低压储能单元并联在直流侧电容和Z源电路之间，高压 储能单元并联在Z源电路和电网侧变流器之间。3. 根据权利要求1或2所述的无刷双馈发电机的背靠背变流器，其特征在于所述的Z源 电路包括二极管、第一电感、第二电感和第一电容、第二电容;二极管的阳极与电机侧变流 器直流母线正极连接，阴极与第一电感和第一电容正极连接;第一电感的一端与二极管连 接，另一端与电网侧变流器直流母线正极和第二电容正极连接;第二电感的一端连接电机 侧逆变器直流母线负极和第二电容的负极，另一端连接电网侧变流器直流母线负极和第一 电感的负极。4. 根据权利要求1或2所述的无刷双馈发电机的背靠背变流器，其特征在于所述的电机 侧变流器和电网侧变流器均为包括IGBT的变流器。5. 根据权利要求1或2所述的无刷双馈发电机的背靠背变流器，其特征在于所述的电机 侧变流器和电网侧变流器均为VSI型三相逆变器。
【专利摘要】本实用新型公开了一种无刷双馈发电机的背靠背变流器，包括电机侧变流器、电网侧变流器、励磁控制电路、并网控制电路、储能单元、直流侧电容和Z源电路，且储能单元包括低压储能单元和高压储能单元；直流侧电容与电机侧变流器的直流母线并联并提供电压支撑和能量缓冲，直流侧电容与Z源电路串联后与电网侧变流器并联，由Z源电路为电网侧变流器提供电压支撑；低压储能单元并联在直流侧电容和Z源电路之间，高压储能单元并联在Z源电路和电网侧变流器之间。本实用新型由于采用了Z源电路，无需加入死区控制，控制简单可靠；直流电压控制与输出电流控制解耦，降低控制复杂度，提高控制精度；储能单元选取更加容易，降低成本，增加系统工作灵活性。
【IPC分类】H02M5/458
【公开号】CN205160381
【申请号】CN201521029245
【发明人】胡楷, 张玘, 郑小平
【申请人】威胜集团有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月14日