[发明专利]一种永磁同步风力发电机单位功率因数控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种永磁同步风力发电机，尤其涉及一种永磁同步风力发电机单位功率因数控制方法。

背景技术

永磁直驱风力发电系统采用风轮机与永磁同步发电机直接相连的方式，利用全容量变频器实现并网发电，由于其省去了电刷、滑环和齿轮箱，因此系统结构得以简化，提高了发电效率和运行可靠性，在今后的大型变速恒频风力发电系统中将有广阔的应用空间。

采用不可控整流和可控逆变作为并网电路，实现了直驱永磁风力发电机的最大风能跟踪控制，但其缺点是电机侧整流器功率因数不可控，不可控整流还会增大发电机的定子谐波电流，加大电机损耗和转矩脉动。采用双PWM变换器并网的永磁直驱风电系统进行了研究，其针对永磁同步发电机采用按转子磁场定向的矢量控制方式，控制发电机d轴电流为零，同时控制发电机q轴电流实现最大风能捕获，然而该方案中由于发电机d轴控制电压不为零，则造成系统满载时发电机将吸收较大的无功功率，使得发电机功率因数降低。对于兆瓦级的大型永磁直驱风电机组而言，电机功率因数的降低将增加电机侧变换器的容量和机组成本。因此，有必要研究针对直驱永磁同步风力发电机的单位功率因数运行控制方法，这将有助于减少电机侧变换器的运行容量和成本及提高永磁直驱风电机组的运行可靠性。

发明内容

为了克服风力发电机功率因数降低的难题，本发明提出一种永磁同步风力发电机单位功率因数控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明提出一种适用于永磁同步发电机的单位功率因数运行控制方法。采用双PWM变换器作为发电机的并网电路，通过控制电机侧变换器实现发电机的单位功率因数控制和最大风能捕获。

永磁同步风力发电机单位功率因数控制方法包括双PWM变换器、电流双闭环控制和空间矢量调制三个部分。

所述双PWM变换器包括电机侧变换器和电网侧变换器，通过控制其开关管通断实现了单位功率因数控制。

所述电流双闭环控制外环可采用有功功率的闭环PI控制，内环则分别实现定子d、q轴电流的闭环控制。

所述空间矢量调制的给定信号时电流双闭环控制得到的直轴和交轴电压信号，经过空间矢量调制得到控制双PWM变换器的开关信号。

本发明的有益效果是：采用双PWM变换器作为直驱永磁同步风力发电机的并网电路，提出一种适用于永磁同步发电机的单位功率因数运行控制策略，通过控制电机侧变换器实现发电机的单位功率因数控制和最大风能捕获控制。实现了永磁同步发电机单位功率因数运行，对于减小电机侧变换器的运行容量有实用意义，同时该发电系统具有良好的动静态控制性能，可实现最大风能跟踪、并网有功和无功独立控制以及变速恒频发电运行。

附图说明

图1为直驱永磁同步风力发电机系统图。

具体实施方式

请参阅图1，发电机以单位功率因数运行时，定子相电压和相电流保持反相位，要使得定子d 轴电压和d 轴电流均为零，则必有坐标系q 轴与定子相电压综合相量相重合，即定子电压综合相量为定子q 轴电压分量，定子电流综合相量为定子q 轴电流分量。新同步坐标轴系的d 轴不再与转子永磁体的磁场方向保持同向，其相对于定子A 相绕组的同步角为θ。

为实现永磁直驱风电机组的最佳风能跟踪控制，通过对发电机电磁转矩的调节实现。控制定子电流q 轴分量可实现对电磁转矩的控制，当风速变化时，通过调节发电机的电磁转矩来及时调整风力机转速，使其始终保持最佳叶尖速比运行即可实现对发电机电磁功率和输出有功的准确控制。当风速变化时，永磁同步发电机输出的最佳有功功率指令。有功指令控制发电机输出的有功功率可使风力机实时捕获最大风能，从而实现发电机的最大风能跟踪控制。

由此，永磁同步发电机控制系统外环可采用有功功率的闭环PI控制，其调节输出量作为发电机定子电流的有功电流分量给定，控制系统内环则分别实现定子d、q 轴电流的闭环控制。对d、q 轴电流可分别进行闭环PI调节控制，得到相应的控制电压，并分别加上交叉耦合电压补偿项，即可得到最终的d、q 轴控制电压分量，结合d 轴位置角和直流电容电压，经空间矢量调制( space vector modulation，SVM) 可得到电机侧变换器所需的PWM 驱动信号。

由于要控制电网侧变换器来保持直流侧电压恒定，因此运行过程中直流侧电容的充放电功率变化很小。可认为发电机输出的有功功率经双PWM变换器后全部馈入电网。因此，发电机输出的有功功率可通过间接测量网侧变换器馈入电网的有功功率来近似获得。