[发明专利]风力发电用全功率型交直交变流器的控制结构

摘要

本发明是风力发电用全功率型交直交变流器的控制结构，交直交变流器由网侧变流器和发电机侧变流器组成，采用的发电机为永磁式发电机，转子为永磁式结构，无需外部提供励磁电源，对两个变流环节均采用基于全控型器件的四象限运行的PWM变流器，不但可以提高系统的动态响应，减少损耗和冲击，实现电能的双向传输，而且还能实现风力发电机网侧单位功率因数正弦波电流并网发电运行。同时采用改进了的直接转矩技术对逆变器进行控制，保证了发电机定子侧输入电流的正弦波变化，具有响应快、波动小、转矩动态控制、调速范围宽等一系列特点。

主权项

1、风力发电用全功率型交直交变流器的控制结构，其特征在于电机侧变流器的主电路采用不可控整流桥与PWM DC/AC桥式逆变器相串联的变频器拓扑结构，其中电网侧输入的三相交流信号经整流桥整流，输出的直流信号经过变频器的中间环节，其中的电感L1与电抗C1主要用于滤波及储存电路的无功分量，使整流桥输出的电压信号更为平滑，以利于实现PWM电流控制；直流电压信号经过PWMDC/AC桥式逆变器后转换为频率和幅值都可调的三相交流电压信号，给负载侧的交流电机供电；控制系统中使用高性能的霍尔电流及电压传感器对电流及电压信号进行采样；霍尔效应电压传感器测量到直流母线电压信号UD，经A/D转换后引到DSP的A/D引脚；ID获取的电流信号经A/D转换，送给软件保护单元实现变频器的过压和过电流保护；通过脉冲编码器检测永磁同步电机的输出转速信号ωr；将ωr与模拟转速给定信号ωr*进行比较后放入转速调节器运算出转矩给定值Te*；电压采样值UABC与电流采样值IABC经A/D转换电路接入DSP的A/D引脚，通过坐标变换公式(3/2变换)得到两相坐标系下的电压和电流信号Uαβ和Iαβ；根据转矩计算公式$T_e=\frac{3}{2}{p}_n({\psi }_{\mathrm{s\alpha }}{i}_{\mathrm{s\beta }}-{\psi }_{\mathrm{s\beta }}{i}_{s\partial }),$ 可以运算出电机的实际输出转矩值Te，其中pn是电机的极对数；将电机转矩给定值与实际值进行比较后输入转矩滞环比较器运算出转矩调节信号TQ；当转矩给定信号发生突变时，为了起到快速减小转矩的目的，在转矩滞环比较器中加上一个上下限较宽的滞环比较器，得到定子磁链反向转矩信号P/N；根据磁链的计算公式ψsα＝∫(usα-Rsisα)dt和ψsβ＝∫(usβ-Rsisβ)dt(其中Rs是电机定子侧电阻)，可以计算出电机定子磁通幅值的实际值ψs；保持定子磁通的幅值ψs*为恒定值，把磁通给定值与实际值进行比较后输入定子磁通滞环比较器可以得到定子磁通幅值的调节信号ψQ；此外，由于定子磁链矢量在空间上是幅值恒定的圆形轨迹，根据磁链位置判断公式以及事先划分好的扇区分布可以得到磁链的空间位置信号θ；如果将逆变器的开关状进行定义，设逆变器桥臂上管导通时定义为状态“1”，下管导通时定义为状态“0”，则三相桥臂上的开关共有8种状态组合；其中六个非零电压矢量V1-V6和两个零电压矢量V0、V7；这六个非零电压矢量在空间呈六边形轨迹分布，其中零电压的作用是使减小定子磁通的旋转速度；不同扇区的电压矢量对转矩和磁链幅值的调节作用不同，由此构造了在不同扇区下调节转矩和磁链幅值的电压矢量开关表格，依据转矩调节信号TQ、磁通调节信号ψQ和磁链的空间位置信号θ，选择最佳的电压矢量使电动机转矩及磁链按要求增加或减小，达到调节转速的效果；当双馈发电机工作在亚同步状态时，网侧变流器从电网吸收能量，工作在整流状态；当双馈发电机工作在超同步状态时，能量从直流侧回馈到电网，网侧变流器工作在逆变状态；母线直流电压恒定并且具有良好的动态响应能力，网侧单位功率因数控制和输入电流为正弦波是网侧变流器的控制目标，网侧变流器采用的是PWM固定开关频率的直接电流控制，主电路功率模块采用IPM模块，三相交流电抗器La、Lb、Lc主要用于滤波及储存电路的无功分量，以实现PWM电流控制，直流侧电容两端电压经过A/D转换电路变为数字信号接入DSP的A/D引脚，作为直流侧电压的反馈信号与电压外环指令信号相比较送入电压外环PI调节器，其输出再与网侧交流电压同步信号相乘，生成电流内环调节器的指令信号，网侧三相交流电流ia、ib经过A/D转换电路变为数字信号接入DSP的A/D引脚，作为三相交流电流的反馈信号与电流内环调节器的指令信号相比较，再经过电流内环比例放大系数Kip，其输出与电网电动势前馈相加，选取适当的前馈系数KF，其结果由DSP的PWM调制发生单元输出6路脉宽信号输入至由光耦组成的隔离驱动电路，直接控制IPM模块中的功率管；实现对网侧变流器的控制。