[发明专利]一种注入虚拟电流的单周期控制三相PWM整流方法

说明书

技术领域

本发明涉及永磁直驱风力发电领域，尤其涉及一种基于载波调制的无位置传感器PWM整流方法。

背景技术

永磁直驱式风力发电系统采用电机转轴与叶轮直接连接的驱动方式，不仅具有传动链损失少、维护费用低和可靠性高等优点，而且简化了机舱设计、降低了噪音，受到人们日益广泛的关注。发电机侧的整流变换器通常采用：(1)二极管不控整流器附加斩波升压(Boost)电路；(2)由全控器件构成的脉宽调制(PWM)整流器。前者具有成本低、无位置传感器及控制方法简单等优点，仅需控制Boost电路中的功率开关管，即可实现高功率因数低谐波整流；但该方案要另外增加储能电感，并且为了降低储能电感中的电流纹波(电流纹波通过整流桥直接影响发电机的定子电流，进而导致发电机的转矩波动)，通常需选取感值较大的升压电感，势必增加变换器的体积和成本。三相PWM整流方案不需要增加储能电感，在当今大型风力发电机组中应用较为广泛。最常用的控制技术主要是矢量控制和直接转矩控制，两种技术各有特点，但一般都需增加位置传感器，由此降低了系统的可靠性并增加了系统成本。

风力发电机组工作的环境一般是非常严酷的，特别是近海风场和海上风场，盐雾、高温等因素都会增加传感器故障的几率，甚至导致发电机组被迫退出运行。因此，无位置传感器控制技术成为永磁同步发电机PWM研究的热点，学者们陆续提出了基于推广卡尔曼滤波器、全阶状态观测器、参考自适应系统、高频注入法等的永磁同步电机无位置传感器控制方法。

单周期控制方案是20世纪90年代末，由美国加州大学的K. M. Smedley教授等人提出的一种功率因数校正方案，利用复位积分器使被控量在一个开关周期内跟踪给定参考变化，从而将非线性开关变换成线性开关，由此实现三相PWM 整流器的解耦控制。该技术同时具有调制和控制的双重性，无论是稳态或者瞬态，都能确保受控量的平均值跟踪控制参考量，具有开关频率恒定、抗电源扰动、响应速度较快，易于实现，而且不涉及电源频率和相位信息等特点。将静止变流器中的单周期控制技术引入三相永磁同步直驱风力发电系统中，以电枢电感和漏感作为储能电感，无需位置传感器即可实现三相PWM 整流。但该方案存在两方面的问题：(1)静止变流器中，一定输入电流纹波要求下，高频开关电源的储能电感可以取较小的值，储能电感两端的电压降近似为零，因此基波相移可忽略不计，即功率因数接近于1。而在直驱式永磁同步风电系统中，电枢电感包含绕组自感和互感，其值较大，基波相移忽略不计的条件已不再成立；(2)轻载运行时，储能电感中的电流大小接近于零，系统稳定运行的条件无法满足，电感电流会出现较大的失真甚至系统失控。

发明内容

针对现有技术中三相PWM 整流方法的上述不足，本发明提供一种注入虚拟电流的单周期控制三相PWM整流方法。

本发明的技术方案是：

一种注入虚拟电流的单周期控制三相PWM整流方法，具体步骤如下：

（1）利用单周期控制模块计算得到三相全控桥的开关状态函数，结合负载上的直流母线电压，构造全控桥输入电压；

（2）采用低通滤波单元滤除全控桥输入电压中的高频脉动并产生所需的信号延时；

（3）将全控桥输入电压乘以适当比例系数R_S/R_V得到虚拟电流产生的等效压降，与各相输入电流采样电阻上的压降分别求和，作为最终的合成调制波。

进一步，中载与重载状态下，通过注入虚拟电流实现对三相等效负载相位的调节，消除传统单周期控制方案存在的基波相位差；轻载状态下，通过注入虚拟电流提高合成调制波幅值，拓宽控制系统的工作范围。

进一步，所述比例系数R_S/R_V的确定依据为：以确保系统空载状态稳定运行的比例系数R_S/R_V为下限值；负载增加时，采用合适的搜索方法，寻求满足电枢电流最小的比例系数R_S/R_V，由此实现低谐波高功率因数整流。

进一步，所述搜索方法采用爬山搜索法。

本发明的有益效果是：

(1) 传统永磁风力发电系统的整流方案，需要增加储能电感，或需要安置位置传感器(速度传感器)，在实际应用中有一定的局限性。将静止变流器中的单周期控制技术引入三相永磁同步直驱风力发电系统中，虽然不存在上述问题，但存在基波相移和轻载失控现象；