一种基于双变频结构的无刷双馈发电系统及其控制方法

技术领域

本发明属于电机发电领域，更具体地，涉及一种基于双变频结构的无刷双馈发电系统及其控制方法。

背景技术

随着人类社会的发展与物质水平的提升，能源短缺问题日益突出。因此，开发利用清洁的可再生能源和改进能源转换设备以提高能源利用率已成为近年来的研究热点。无刷双馈电机以其结构可靠、励磁调节灵活等特性，在风力、水力、船舶轴带等变速发电领域具有广阔的应用前景，近些年备受关注。

目前，无刷双馈发电系统通常为功率绕组直接连接负载或电网，控制绕组连接双向变频器，通过变频器改变控制绕组的电压与频率，从而保持功率绕组电压与频率恒定，进而实现电机的变速恒频发电。

然而，由于无刷双馈电机数学模型复杂，参数辨识准确度低，导致现有的无刷双馈发电系统仍存在动态响应不佳，直流母线电压稳定性较差等问题，极易造成整个发电系统的停机和崩溃；与此同时，复杂的控制策略也给发电系统的开发与调试带来困难，阻碍了无刷双馈发电技术的普及与推广。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于双变频结构的无刷双馈发电系统及其控制方法，其目的在于利用交直交变频器实现直流母线电压的稳定控制，由此解决目前无刷双馈电机发电系统存在的调节复杂、动态响应慢、直流母线电压稳定性差以及电机效率低、过载能力差的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于双变频结构的无刷双馈发电系统，包括：

无刷双馈发电机，包括：转子结构和定子结构，所述定子结构包括：铁芯、功率绕组和控制绕组；

控制绕组侧控制器，与所述无刷双馈发电机连接，用于利用负载电压U

功率绕组侧控制器，用于将所述直流母线电压U

交直交变频器，与所述控制绕组侧控制器和所述控制绕组连接，用于建立直流母线电压并设定其目标值，并在所述给定电压U

不控整流模块，与所述功率绕组连接，用于当所述直流母线电压由所述功率绕组的输出电压决定时，使所述直流母线电压达到并保持所述目标值；

逆变模块，与所述不控整流模块和所述功率绕组侧控制器连接，用于在所述直流母线电压达到所述目标值的状态下，保持输出固定幅值和频率的负载电压U

在其中一个实施例中，所述基于双变频结构的无刷双馈发电系统还包括：

转速传感器，与所述原动机和所述控制绕组侧控制器相连，用于采集所述原动机的转速信号n

电压传感器，与所述控制绕组侧控制器和所述功率绕组侧控制器连接，用于采集直流母线电压U

在其中一个实施例中，所述交直交变频器的直流母线与所述不控整流模块的直流母线并联，以通过所述逆变模块最终与负载或电网连接，实现对外发出电能。

在其中一个实施例中，所述转子结构包括绕线、鼠笼和磁阻中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述无刷双馈发电系统的起励方式为直流起励方式或交流起励方式。

在其中一个实施例中，当所述无刷双馈发电系统的起励方式为直流起励方式时，所述无刷双馈发电系统还包括蓄电池，所述蓄电池跨接在所述交直交变频器的直流母线与所述不控整流模块的直流母线上；由所述蓄电池为所述无刷双馈发电系统供电。

在其中一个实施例中，当所述无刷双馈发电系统的起励方式为交流起励方式时，所述电网通过变压器与所述交直交变频器连接，由所述电网为所述无刷双馈发电系统供电。

按照本发明的另外一个方面，提供了一种基于双变频结构的无刷双馈发电系统的控制方法，包括：

S1：当接收启动指令时，电网或蓄电池提供初始励磁以使交直交变频器建立直流母线电压；

S2：控制绕组侧控制器利用负载电压U

S3：交直交变频器设定所述直流母线电压的目标值，并在所述给定电压U

S4：当所述直流母线电压由所述功率绕组的输出电压决定时，不控整流模块使所述直流母线电压达到并维持所述目标值；控制逆变模块输出固定幅值和频率的负载电压U

在其中一个实施例中，所述S4包括：

S41：当所述直流母线电压由所述功率绕组的输出电压决定时，断开电网开关或蓄电池开关，闭合主断路器或并网开关；调节所述逆变模块与所述交直交变频器，以使所述逆变模块输出固定幅值和频率的负载电压U

S42：当所述直流母线电压不由功率绕组的输出电压决定时，重复所述S3。

在其中一个实施例中，所述S2之前所述控制方法还包括：

利用转速传感器采集所述原动机的转速信号n

利用电压传感器采集直流母线电压U

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1.本发明提供基于双变频结构的无刷双馈发电系统，利用直流母线并联的交直交变频器实现能量的交互流动，并始终保持交直交变频器直流母线电压稳定，利用V/F分离的交直交变频器独立控制无刷双馈电机控制绕组电压及频率，以保证功率绕组侧的输出电压值，进而通过不控整流模块维持直流电压稳定，最终实现负载端电压、频率的稳定。本发明所提出的发电系统动态响应好，鲁棒性高，且硬件均可选用成熟的模块化产品，具有实用性强、开发周期短等优点。

2.本发明提供的基于双变频结构的无刷双馈发电系统及其控制方法，通过创新电力电子拓扑及其控制方式，可以利用常规的商用变频器即可实现系统的直流母线电压及负载电压的稳定控制，免去了对电机数学模型的详细推导和控制算法的开发，可以显著节省研发成本和时间，并且提高了直流母线电压的稳定性和发电系统的动态响应。与此同时，在所提出的新型发电系统中无刷双馈电机功率绕组频率不需要固定在某一特定频率，可以根据具体工况，在过载时降低频率，提升过载能力，在轻载时提高频率，降低铁芯饱和程度，进而有效提升发电系统性能。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的基于双变频结构的无刷双馈发电系统的结构示意图；

图2是本发明一实施例提供的基于双变频结构的无刷双馈发电系统的控制方法的流程图；

图3是本发明另一实施例提供的基于双变频结构的无刷双馈发电系统的控制方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种基于双变频结构的无刷双馈发电系统，如图1所示，包括：无刷双馈发电机、控制绕组侧控制器、功率绕组侧控制器、交直交变频器、不控整流模块和逆变模块。其中，无刷双馈发电机包括：转子结构和定子结构，定子结构包括：铁芯、功率绕组和控制绕组；控制绕组侧控制器，与无刷双馈发电机连接，用于利用负载电压U

具体的，本发明提供的无刷双馈发电系统包含无刷双馈电机、交直交变频器、不控整流模块、逆变模块、变压器、转速传感器、电压传感器、电流传感器及开关等其它硬件，以及控制绕组侧控制器、功率绕组侧侧控制器。在其中一个实施例中，转子结构包括绕线、鼠笼和磁阻中的至少一种。

具体的，无刷双馈发电机包含定子和转子结构，转子结构由特殊设计的绕线、鼠笼、磁阻或混合结构组成，定子结构包含铁芯和两套不同极对数的三相交流绕组，称为功率绕组和控制绕组。功率绕组直接连接不控整流模块，向直流母线馈入电能，控制绕组通过交直交变频器与电网连接。

在其中一个实施例中，交直交变频器的直流母线与不控整流模块的直流母线并联，以通过逆变模块最终与负载或电网连接，实现对外发出电能。

具体的，交直交变频器的直流母线与不控整流模块直流母线并联，并通过逆变模块最终与负载或电网连接，实现对外发出电能。交直交变频器中的逆变部分根据所检测的负载电压U

本发明通过创新电力电子拓扑及其控制方式，可以利用常规的商用变频器即可实现系统的直流母线电压及负载电压的稳定控制，免去了对电机数学模型的详细推导和控制算法的开发，从而显著节省研发成本和时间，并且提高了直流母线电压的稳定性和发电系统的动态响应。

此外，本发明提供的基于双变频结构的无刷双馈发电系统中无刷双馈电机功率绕组频率不需要固定在某一特定频率，可以根据具体工况，在过载时降低频率，提升过载能力，在轻载时提高频率，降低铁芯饱和程度，进而有效提升发电系统性能。

在其中一个实施例中，基于双变频结构的无刷双馈发电系统还包括：转速传感器，与原动机和控制绕组侧控制器相连，用于采集原动机的转速信号n

在其中一个实施例中，无刷双馈发电系统的起励方式为直流起励方式或交流起励方式。

在其中一个实施例中，当无刷双馈发电系统的起励方式为直流起励方式时，无刷双馈发电系统还包括蓄电池，蓄电池跨接在交直交变频器的直流母线与不控整流模块的直流母线上；由蓄电池为无刷双馈发电系统供电。

在其中一个实施例中，当无刷双馈发电系统的起励方式为交流起励方式时，电网通过变压器与交直交变频器连接，由电网为无刷双馈发电系统供电。

如图2所示，本发明还提供了一种基于双变频结构的无刷双馈发电系统的控制方法，包括：

S1：当接收启动指令时，电网或蓄电池提供初始励磁以使交直交变频器建立直流母线电压；

S2：控制绕组侧控制器利用负载电压U

S3：交直交变频器设定直流母线电压的目标值，并在给定电压U

S4：当直流母线电压由功率绕组的输出电压决定时，不控整流模块使直流母线电压达到并维持目标值；控制逆变模块输出固定幅值和频率的负载电压U

具体的，首先闭合独往开关或蓄电池开关，为发电系统提供初始励磁，建立直流母线电压，交直交变频器可以正常工作；然后，给定直流母线电压目标值U

在其中一个实施例中，如图3所示，S4包括：S41：当直流母线电压由功率绕组的输出电压决定时，断开电网开关或蓄电池开关，闭合主断路器或并网开关；调节逆变模块与交直交变频器，以使逆变模块输出固定幅值和频率的负载电压U

在其中一个实施例中，S2之前控制方法还包括：利用转速传感器采集原动机的转速信号n

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。