技術(shù)背景

本發(fā)明屬于電力電子與電力傳動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種模塊分離式風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

當(dāng)下全球生態(tài)環(huán)境不斷惡化，各國(guó)對(duì)新能源的開(kāi)發(fā)和利用也在日益增加。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在能源發(fā)電系統(tǒng)中占有十分重要的地位。當(dāng)前，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)均采用單支路背靠背結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)存在很多問(wèn)題。主要有以下幾個(gè)方面：發(fā)電機(jī)定子采用整體研制、運(yùn)輸和裝配的方法，加之強(qiáng)風(fēng)等環(huán)境因素，導(dǎo)致施工困難等一系列問(wèn)題；定子一旦發(fā)生故障，電機(jī)整體及其控制系統(tǒng)都將癱瘓，供電可靠性受到威脅，對(duì)生產(chǎn)工程產(chǎn)生重大影響；發(fā)電機(jī)輸出功率小，輸出功率密度低，不能根據(jù)負(fù)載或電網(wǎng)的需求決定投入運(yùn)行的功率，運(yùn)行效率低；永磁電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)采用傳統(tǒng)安裝光電編碼器方法，降低了系統(tǒng)可靠性，提高了產(chǎn)品成本；電網(wǎng)側(cè)變流器輸出電壓含有大量的高次諧波，對(duì)電網(wǎng)或負(fù)載產(chǎn)生不利影響。為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明采用電機(jī)定子多瓣拼接化的組合形式，并設(shè)計(jì)了一整套能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和永磁發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)，能夠很好的解決上述問(wèn)題，對(duì)于優(yōu)化未來(lái)能源結(jié)構(gòu)以及改善生態(tài)環(huán)境等諸多方面具有十分重大意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種模塊分離式風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)及控制方法，以解決風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中由于定子整體研制、運(yùn)輸和裝配，導(dǎo)致施工困難問(wèn)題、解決多單元定子協(xié)調(diào)控制和冗余控制問(wèn)題、解決風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中輸出功率小，密度低和功率可調(diào)性不強(qiáng)問(wèn)題、解決風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中機(jī)側(cè)變流器輸入電流諧波分量大，功率因數(shù)低問(wèn)題、解決風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中負(fù)載側(cè)或網(wǎng)側(cè)輸出電壓諧波含量高，輸出電壓波形不夠正弦問(wèn)題、解決系統(tǒng)可靠性低，成本高問(wèn)題。

本發(fā)明的具體技術(shù)方案為：

一種模塊分離式風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)，包含模塊分離式永磁同步發(fā)電機(jī)、三組永磁同步發(fā)電機(jī)無(wú)速度傳感器控制單元、h橋五電平逆變器、電網(wǎng)側(cè)控制單元及l(fā)c濾波電路；其中，三組永磁同步發(fā)電機(jī)無(wú)速度傳感器控制單元通過(guò)并聯(lián)的方式協(xié)調(diào)控制模塊分離式永磁同步發(fā)電機(jī)的三個(gè)定子單元；模塊分離式永磁同步發(fā)電機(jī)的整圓定子采用分瓣式結(jié)構(gòu)，先將定子單元根據(jù)拆分規(guī)則分成t0個(gè)獨(dú)立的子模塊，再將相鄰的三個(gè)子模塊通過(guò)繞組換相連接和星型連接方式組成定子單元；其中三個(gè)定子單元共用一個(gè)轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子采用表貼結(jié)構(gòu)。

所述的永磁同步發(fā)電機(jī)無(wú)速度傳感器控制單元包括控制單元和pwm整流器單元，所述的控制單元通過(guò)相互通信實(shí)現(xiàn)模塊分離式永磁同步電機(jī)的協(xié)同控制。

所述的控制單元包括分布式協(xié)同控制器、轉(zhuǎn)速與位置估算單元和電流控制單元；其中，轉(zhuǎn)速與位置估算單元輸出的每個(gè)定子單元的轉(zhuǎn)速值作為分布式協(xié)同控制器的輸入，分布式協(xié)同控制器輸出的最優(yōu)電流控制量作為電流控制單元的輸入，電流控制單元輸出兩相靜止坐標(biāo)系下的直軸參考電壓和交軸參考電壓通過(guò)svpwm發(fā)生器獲得pwm整流電路驅(qū)動(dòng)信號(hào)作為pwm整流器單元的輸入，pwm整流器單元輸出的直流電壓相互串聯(lián)作為h橋五電平逆變器的輸入直流電壓，電網(wǎng)側(cè)控制單元產(chǎn)生pwm信號(hào)來(lái)控制h橋五電平逆變器的輸出，再通過(guò)lc濾波電路得到濾波后的三相正弦交流電。

上述模塊分離式永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

步驟1:計(jì)算整體電機(jī)能拆分成的子模塊個(gè)數(shù)t0＝gcd(q,p)，q和p為整圓電機(jī)的槽數(shù)和極對(duì)數(shù)，gcd(q,p)表示q與p的最大公約數(shù)；t0≥9且為3的倍數(shù)；

步驟2：計(jì)算子模塊構(gòu)成定子單元后，定子單元間隔的子模塊的個(gè)數(shù)k為整數(shù)；

步驟3：計(jì)算每個(gè)子模塊定子槽數(shù)、極對(duì)數(shù)、槽距角和每極每相槽數(shù)，畫(huà)出槽電勢(shì)星型圖，做出子模塊定子繞組展開(kāi)圖；

步驟4：根據(jù)步驟1和步驟2中的計(jì)算，畫(huà)出定子單元槽電勢(shì)星型圖，將3個(gè)子模塊通過(guò)換相連接的方法組成3個(gè)定子單元；

步驟4-1：定子單元的a相連接方式為：第一個(gè)子模塊的a相首端-第一個(gè)子模塊的a相末端-第二個(gè)子模塊的b相首端-第二個(gè)子模塊的b相末端-第三個(gè)子模塊的c相首端-第三個(gè)子模塊的c相末端；

步驟4-2：定子單元的b相連接方式為：第一個(gè)子模塊的b相首端-第一個(gè)子模塊的b相末端-第二個(gè)子模塊的c相首端-第二個(gè)子模塊的c相末端-第三個(gè)子模塊的a相首端-第三個(gè)子模塊的a相末端；

步驟4-3：定子單元的c相連接方式為：第一個(gè)子模塊的c相首端-第一個(gè)子模塊的c相末端-第二個(gè)子模塊的a相首端-第二個(gè)子模塊的a相末端-第三個(gè)子模塊的b相首端-第三個(gè)子模塊的b相末端。

所述的控制單元包括分布式協(xié)同控制器、轉(zhuǎn)速與位置估算單元和電流控制單元。其中：

分布式協(xié)同控制器：用于采用構(gòu)建無(wú)向圖的方法對(duì)三個(gè)控制單元通信關(guān)系進(jìn)行描述，根據(jù)構(gòu)建的無(wú)向圖建立各個(gè)控制單元的鄰接權(quán)重矩陣，并根據(jù)轉(zhuǎn)速估計(jì)值、給定轉(zhuǎn)速值、同步誤差補(bǔ)償系數(shù)和鄰接權(quán)重矩陣建立系統(tǒng)誤差矩陣，通過(guò)設(shè)定實(shí)數(shù)矩陣和設(shè)定值，根據(jù)建立的系統(tǒng)誤差矩陣得到分布式協(xié)同控制器的輸出值；

轉(zhuǎn)速與位置算單元：用于采樣各個(gè)定子模塊零序載波電壓信號(hào)，將定子模塊零序載波電壓通過(guò)低通濾波器并進(jìn)行信號(hào)調(diào)制獲得含有轉(zhuǎn)速信息的信號(hào)，將調(diào)制后的信號(hào)通過(guò)pi調(diào)節(jié)器獲得每個(gè)定子單元的轉(zhuǎn)速估算值。轉(zhuǎn)速估計(jì)值通過(guò)積分環(huán)節(jié)可以得到每個(gè)定子模塊的位置信息；

電流控制單元：用于采樣發(fā)電機(jī)輸出端的a相、b相和c相電流，根據(jù)采集的a相、b相和c相電流和分布式協(xié)同控制器輸出值，根據(jù)上述輸出和采樣值獲得兩相靜止坐標(biāo)系下直軸參考電壓和交軸參考電壓，再采用空間矢量調(diào)制獲得輸出的pwm信號(hào)，將獲得pwm整流信號(hào)同過(guò)驅(qū)動(dòng)電路獲得pwm整流電路驅(qū)動(dòng)信號(hào)；

所述的電網(wǎng)側(cè)控制單元：用于采樣h橋五電平逆變器輸出端濾波后的a相、b相和c相電壓電流量，根據(jù)以上采樣值和設(shè)定值得到兩相靜止坐標(biāo)系下直軸參考電壓和交軸參考電壓，再采用空間矢量調(diào)制獲得輸出的pwm信號(hào)，將獲得pwm整流信號(hào)同過(guò)驅(qū)動(dòng)電路獲得h橋五電平逆變器電路驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

上述一種模塊分離式風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟：

步驟1：三組永磁同步發(fā)電機(jī)無(wú)速度傳感器控制單元同時(shí)采集電機(jī)側(cè)的a相、b相、c相電流檢測(cè)信號(hào)壓和零序載波電壓信號(hào)；

步驟2：三組永磁同步發(fā)電機(jī)無(wú)速度傳感器控制單元分別根據(jù)所采集電機(jī)側(cè)的a相、b相、c相電流檢測(cè)信號(hào)壓和零序載波電壓信號(hào)，協(xié)調(diào)控制獲得pwm信號(hào)；

步驟2-1：根據(jù)零序載波電壓信號(hào)獲得轉(zhuǎn)子速度估計(jì)值，并同時(shí)發(fā)送至每個(gè)控制單元，實(shí)現(xiàn)單元間通信；

步驟2-1-1：利用數(shù)模轉(zhuǎn)換技術(shù)采集定子模塊的零序載波電壓信號(hào)，并將采集來(lái)的電壓信號(hào)進(jìn)行帶通濾波；

步驟2-1-2：將帶通濾波后的電壓信號(hào)與高頻余弦電壓信號(hào)相乘，獲得包含位置和轉(zhuǎn)速信息的電流信號(hào)；

步驟2-1-3：采用pi算法獲得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速估計(jì)值，將轉(zhuǎn)速估計(jì)值通過(guò)積分器獲得轉(zhuǎn)子相角估計(jì)值，用于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

步驟2-2：構(gòu)建無(wú)向圖來(lái)描述三個(gè)控制單元間的通信關(guān)系，并建立各個(gè)單元的鄰接權(quán)重矩陣；所述鄰接權(quán)重矩陣為是對(duì)稱(chēng)矩陣，該矩陣行和列都為3；矩陣中的元素為0或1，當(dāng)無(wú)速度傳感器控制單元間存在通信關(guān)系時(shí)，元素為1，否則為0；

步驟2-3：根據(jù)構(gòu)建的無(wú)向圖建立各個(gè)控制單元的鄰接權(quán)重矩陣，并根據(jù)轉(zhuǎn)速估計(jì)值、給定轉(zhuǎn)速值、同步誤差補(bǔ)償系數(shù)和鄰接權(quán)重矩陣建立系統(tǒng)誤差矩陣；所述的同步誤差補(bǔ)償系數(shù)為兩個(gè)定子單元的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比值；系統(tǒng)誤差矩陣為3行1列的矩陣，其中的元素為其中一個(gè)控制單元轉(zhuǎn)速估計(jì)值與其他控制單元轉(zhuǎn)速估計(jì)值之差乘以系數(shù)1，加上其中一個(gè)控制單元轉(zhuǎn)速估計(jì)值與給定轉(zhuǎn)速估計(jì)值之差乘以系數(shù)2；此中的系數(shù)1為鄰接權(quán)重矩陣中的元素與相應(yīng)同步誤差補(bǔ)償系數(shù)的乘積；系數(shù)2值都為1。

步驟2-4：通過(guò)設(shè)定實(shí)數(shù)矩陣和設(shè)定值，根據(jù)建立的系統(tǒng)誤差矩陣得到分布式協(xié)同控制器的輸出值；

步驟2-5：根據(jù)采集的a相、b相和c相電流和分布式協(xié)同控制器輸出值，根據(jù)上述輸出和采樣值獲得兩相靜止坐標(biāo)系下直軸參考電壓和交軸參考電壓，再采用空間矢量調(diào)制獲得輸出的pwm信號(hào)；

步驟2-5-1：分布式協(xié)同控制器輸出值作為交軸電流參考值；

步驟2-5-2:將交軸電流參考值與交軸電流反饋值作差得到交軸電流誤差值；將直軸電流參考值與直軸電流反饋值作差得到直軸電流誤差值；

步驟2-5-3：將交軸電流誤差值、直軸電流誤差值經(jīng)pi算法計(jì)算分別得到直軸電壓參考值、交軸電壓參考值；將直軸電壓參考值、交軸電壓參考值與前饋量作代數(shù)運(yùn)算得到新的直軸電壓參考值、交軸電壓參考值；

步驟2-5-4：新的直軸電壓參考值、交軸電壓參考值經(jīng)反park變換后得到三相靜止坐標(biāo)系下的a相、b相和c相，再與高頻電壓信號(hào)求和得到高頻a相、b相和c相電壓參考值；

步驟2-5-5：根據(jù)高頻a相、b相和c相電壓參考值和電機(jī)轉(zhuǎn)子相角估算值進(jìn)行反park變換得到兩相靜止坐標(biāo)系下的直軸電壓參考值和交軸電壓參考值，再使用空間矢量調(diào)制得到pwm信號(hào)。

步驟3：pwm信號(hào)改變定子電壓和頻率，實(shí)現(xiàn)各個(gè)定子單元協(xié)同控制、最大功率追蹤和最大效率利用風(fēng)能；

步驟4：電網(wǎng)側(cè)控制單元采集電網(wǎng)a相、b相和c相電流電壓信號(hào)和逆變電路直流側(cè)電壓信號(hào)作為控制單元的輸入，通過(guò)控制單元控制產(chǎn)生pwm信號(hào)作為h橋五電平逆變器的控制信號(hào)。

步驟4-1：電網(wǎng)側(cè)控制單元同時(shí)采集電網(wǎng)a相、b相和c相電流電壓信號(hào)和逆變電路直流側(cè)電壓信號(hào)；

步驟4-2：電網(wǎng)側(cè)控制單元根據(jù)采集電網(wǎng)a相、b相和c相電流信號(hào)和逆變電路直流側(cè)電壓信號(hào)，控制得到pwm信號(hào)；

步驟4-2-1：直流側(cè)電壓設(shè)定值與直流側(cè)電壓反饋值作差得到直流電壓差信號(hào)，將直流電壓差信號(hào)經(jīng)pi算法計(jì)算得到直軸電流參考值；

步驟4-2-2：將直軸電流參考值與直軸電流反饋值作差得到直軸電流誤差信號(hào)，將交軸電流參考值與交軸電流反饋值作差得到交軸電流誤差信號(hào)；

步驟4-2-3：將直軸電流誤差信號(hào)經(jīng)pi算法計(jì)算得到直軸電壓參考信號(hào)，再與前饋量作代數(shù)運(yùn)算后得到新的直軸電壓參考值；將交軸電流誤差信號(hào)經(jīng)pi算法計(jì)算得到交軸電壓參考信號(hào)，再與前饋量作代數(shù)運(yùn)算后得到新的交軸電壓參考值；

步驟4-2-4：根據(jù)新的直軸電壓參考值、新的交軸電壓參考值和電機(jī)轉(zhuǎn)子相角估算值進(jìn)行反park變換得到兩相靜止坐標(biāo)系下的直軸電壓參考值和交軸電壓參考值，再使用空間矢量調(diào)制得到pwm信號(hào)。

步驟4-3：pwm信號(hào)改變逆變器開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通方式，實(shí)現(xiàn)變流器輸出無(wú)功功率為零。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明一種模塊分離式風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)及方法，以模塊分離式永磁同步發(fā)電機(jī)為控制對(duì)象，通過(guò)對(duì)永磁同步發(fā)電機(jī)在不同風(fēng)速下的最大功率跟蹤控制、發(fā)電機(jī)側(cè)單位功率因素控制和多定子單元協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)大功率、高質(zhì)量電能的輸送。在模塊分離式永磁電機(jī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和位置估計(jì)上，為節(jié)省成本、提高系統(tǒng)可靠性，采用零序載波電壓檢測(cè)無(wú)速度傳感器系統(tǒng)；為提高電機(jī)側(cè)功率因素，降低諧波干擾，在發(fā)電機(jī)側(cè)采用電壓型pwm整流電路；為提高電能質(zhì)量，降低風(fēng)力發(fā)電不穩(wěn)定因素對(duì)電網(wǎng)的干擾，在電網(wǎng)側(cè)采用h橋五電平逆變電路；被控對(duì)象為模塊分離式同步發(fā)電機(jī)，解決風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中由于定子整體研制、運(yùn)輸和裝配，導(dǎo)致施工困難問(wèn)題和多模塊定子協(xié)調(diào)控制和冗余控制問(wèn)題。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明一種實(shí)施例的模塊分離式永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)框圖。

圖2為本發(fā)明一種實(shí)施例的模塊分離式永磁同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明一種實(shí)施例的9槽2極子模塊槽電勢(shì)星型圖。

圖4為本發(fā)明一種實(shí)施例的9槽2極子模塊定子繞組展開(kāi)圖。

圖5為本發(fā)明一種實(shí)施例的27槽6極定子單元槽電勢(shì)星型圖。

圖6為本發(fā)明一種實(shí)施例的27槽6極定子單元定子繞組展開(kāi)圖。

圖7為本發(fā)明一種實(shí)施例的模塊分離式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)無(wú)速度傳感器控制系統(tǒng)1框圖。

圖8為本發(fā)明一種實(shí)施例的模塊分離式永磁同步發(fā)電機(jī)電網(wǎng)側(cè)控制系統(tǒng)框圖。

圖9為本發(fā)明一種實(shí)施例的pwm整流電路輸出直流電壓波形。

圖10為本發(fā)明一種實(shí)施例的變壓器高壓側(cè)三相電壓波形。

圖11為本發(fā)明一種實(shí)施例的h橋逆變器輸出a相電壓電壓波形。

圖12為本發(fā)明一種實(shí)施例的h橋逆變器輸出b相電壓電壓波形。

圖13為本發(fā)明一種實(shí)施例的h橋逆變器輸出a相、b相線(xiàn)電壓電壓波形。

圖中：1模塊分離式永磁同步電機(jī)；2第一永磁發(fā)電機(jī)無(wú)速度傳感器系統(tǒng)；3第二永磁發(fā)電機(jī)無(wú)速度傳感器系統(tǒng)；4第三永磁發(fā)電機(jī)無(wú)速度傳感器系統(tǒng)；5h橋五電平逆變器；6電網(wǎng)側(cè)控制單元；7lc濾波電路。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明一種實(shí)施例做進(jìn)一步說(shuō)明。

本發(fā)明實(shí)施例中，一種模塊分離式風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)，如圖1所示，包含模塊分離式永磁同步電機(jī)1、第一永磁發(fā)電機(jī)無(wú)速度傳感器系統(tǒng)2、第二永磁發(fā)電機(jī)無(wú)速度傳感器系統(tǒng)3、第三永磁發(fā)電機(jī)無(wú)速度傳感器系統(tǒng)4、h橋五電平逆變器5、電網(wǎng)側(cè)控制單元6和lc濾波電路7。其中第一永磁發(fā)電機(jī)無(wú)速度傳感器系統(tǒng)2、第二永磁發(fā)電機(jī)無(wú)速度傳感器系統(tǒng)3、第三永磁發(fā)電機(jī)無(wú)速度傳感器系統(tǒng)4通過(guò)并聯(lián)方式協(xié)調(diào)控制模塊分離式永磁同步電機(jī)1的三個(gè)定子單元。

本發(fā)明實(shí)施例中，模塊分離式永磁同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，如圖2所示，以81槽36極三相永磁同步發(fā)電機(jī)為例。永磁同步發(fā)電機(jī)有9個(gè)子模塊，每個(gè)子定子模塊相互獨(dú)立，共用一個(gè)轉(zhuǎn)子，相鄰三個(gè)子模塊構(gòu)成一個(gè)定子單元。電機(jī)子模塊采用不等跨距雙層分?jǐn)?shù)槽疊繞組的繞線(xiàn)方法，此種繞線(xiàn)法可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)定子電氣和機(jī)械解耦，減小每極磁通脈振，改善電勢(shì)波形，使電機(jī)能更好得應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。電機(jī)轉(zhuǎn)子采用表貼式結(jié)構(gòu)，相對(duì)于其他轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)而言，表貼式結(jié)構(gòu)能夠使定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙比較均勻，表現(xiàn)為隱極特性。

本發(fā)明實(shí)施例中，通過(guò)下面所述的方法實(shí)現(xiàn)電機(jī)繞組的設(shè)計(jì):

ⅰ電機(jī)的拆分規(guī)則及其父子模塊槽極數(shù)計(jì)算

電機(jī)定子槽數(shù)q＝81，轉(zhuǎn)子極數(shù)2p＝36，則定子槽數(shù)q和轉(zhuǎn)子對(duì)極數(shù)p最大公約數(shù)t0＝9，所以電機(jī)的定子可以拆分成9個(gè)相互獨(dú)立的定子模塊，本發(fā)明中定義為子模塊。由于9個(gè)子模塊相互獨(dú)立，所以每個(gè)子模塊的定子槽數(shù)qs和轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)ps分別為：

所以，81槽36極三相永磁同步發(fā)電機(jī)可以拆分成9個(gè)空間上均勻分布的子模塊。根據(jù)可知，k＝0，所以定子單元間隔子模塊個(gè)數(shù)為0。將空間上相鄰分布的3個(gè)子模塊繞組連接起來(lái)，則形成3個(gè)新的定子模塊，本發(fā)明中定義為定子單元，則每個(gè)定子單元定子槽數(shù)qf和轉(zhuǎn)子極數(shù)pf分別為：

qf＝3qs＝3×9＝27pf＝3ps＝3×2＝6

ⅱ子模塊定子繞組繞制方法

本發(fā)明中子模塊定子繞組采用不等跨距雙層分?jǐn)?shù)槽疊繞組，具體方法如下。

①計(jì)算槽距角α和每極每相槽數(shù)q，分別為：

其中，m為電機(jī)子模塊繞組相數(shù)，此處m＝3。

本發(fā)明中節(jié)距取所以節(jié)距為：

②畫(huà)出電機(jī)子模塊槽電勢(shì)星型圖，如圖3所示。

③子模塊定子繞組展開(kāi)圖

子模塊定子繞組為不等跨距雙層分?jǐn)?shù)槽疊繞組，采用繞組反向嵌放的方法，此種方能實(shí)現(xiàn)電機(jī)定子的電氣和機(jī)械解耦。規(guī)定順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎较?，子模塊定子繞組展開(kāi)圖如圖4所示。

ⅲ定子單元定子繞組繞制方法

三個(gè)9槽2極的子模塊構(gòu)成一個(gè)27槽6極的定子單元，每個(gè)定子單元定子繞組由三個(gè)子模塊定子繞組連接而成。規(guī)定順時(shí)針為正方向，則定子單元槽電勢(shì)星型圖如圖5所示。

為了使定子單元定子繞組三相旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)，定子單元三相定子繞組自感相等，減小定子單元定子繞組三相間的互感，本發(fā)明采用子模塊繞組換相連接的方法組成定子單元定子繞組。如圖6為定子單元定子繞組展開(kāi)圖，其中a1，b1，c1，x1，y1，z1為子模塊1的三相繞組連接端子；a2，b2，c2，x2，y2，z2為子模塊2的三相繞組接線(xiàn)端子；a3，b3，c3，x3，y3，z3為子模塊3的三相繞組接線(xiàn)端子，每個(gè)定子單元結(jié)構(gòu)相同。以定子單元1為例，采用子模塊繞組換相連接的方法后，定子單元1定子繞組構(gòu)成為：

a相：a1-x1-b2-y2-c3-z3

b相：b1-y2-c2-z2-a3-z3

c相：c1-z1-a2-x2-b3-y3

本發(fā)明例中，模塊分離式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)無(wú)速度傳感器控制系統(tǒng)，控制方法框圖如圖7所示，包括以下步驟：

步驟1：第一永磁同步發(fā)電機(jī)無(wú)速度傳感器控制單元、第二永磁同步發(fā)電機(jī)無(wú)速度傳感器控制單元、第三永磁同步發(fā)電機(jī)無(wú)速度傳感器控制單元同時(shí)采集電機(jī)側(cè)的a相、b相、c相電流檢測(cè)信號(hào)壓和零序載波電壓信號(hào)；

本發(fā)明實(shí)施例中，采用三個(gè)電流互感器和三個(gè)電壓互感器同時(shí)采集電機(jī)側(cè)a相、b相、c相電流信號(hào)和零序載波電壓信號(hào)，并將采樣信號(hào)發(fā)送到各個(gè)控制單元；

步驟2：第一永磁同步發(fā)電機(jī)無(wú)速度傳感器控制單元、第二永磁同步發(fā)電機(jī)無(wú)速度傳感器控制單元、第三永磁同步發(fā)電機(jī)無(wú)速度傳感器控制單元根據(jù)所采集電機(jī)側(cè)的a相、b相、c相電流檢測(cè)信號(hào)壓和零序載波電壓信號(hào)，協(xié)調(diào)控制獲得pwm信號(hào)；

本發(fā)明實(shí)施例中，以第一永磁同步發(fā)電機(jī)無(wú)速度傳感器控制單元為例闡述控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，圖7為模塊分離式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)無(wú)速度傳感器控制系統(tǒng)1框圖，具體步驟如下：

步驟2-1：采集零序載波電壓信號(hào)獲得轉(zhuǎn)子速度估計(jì)值并同時(shí)發(fā)送至每個(gè)控制單元中來(lái)實(shí)現(xiàn)單元間通信；

步驟2-1-1：利用數(shù)模轉(zhuǎn)換技術(shù)采集定子模塊的零序載波電壓信號(hào)并將采集來(lái)的電壓信號(hào)進(jìn)行帶通濾波；

步驟2-1-2：將帶通濾波后的電壓信號(hào)與高頻余弦電壓信號(hào)相乘，獲得包含位置和轉(zhuǎn)速信息的信號(hào)；

本發(fā)明實(shí)施例中，將帶通濾波后零序載波電壓與調(diào)制信號(hào)2cosωht相乘得到再經(jīng)低通濾波器lpf濾波后，可得到包含轉(zhuǎn)速和δθ相角誤差信息的值f(δθ)，信號(hào)調(diào)制過(guò)程中公式如下：

式中，l0為電機(jī)每相繞組的基波電感，l2為電機(jī)每相繞組的二次諧波電感；

步驟2-1-3：采用pi算法獲得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速估計(jì)值，將轉(zhuǎn)速估計(jì)值通過(guò)積分器獲得轉(zhuǎn)子相角估計(jì)值，用于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

本發(fā)明實(shí)施例中，將f(δθ)通過(guò)pi調(diào)節(jié)器可得到定子單元1的轉(zhuǎn)速值將通過(guò)一個(gè)積分器就可以得到定子單元1的轉(zhuǎn)子位置信息其值可用于用于坐標(biāo)變換。

步驟2-2：構(gòu)建無(wú)向圖來(lái)描述三個(gè)控制單元間的通信關(guān)系，并建立各個(gè)單元的鄰接權(quán)重矩陣；

本發(fā)明實(shí)施例中，建立無(wú)向圖g(v1,v2,v3)，v1,v2,v3表示3個(gè)協(xié)同控制單元，圖的每條邊鄰接權(quán)重矩陣其中i,j＝1,2,3。鄰接權(quán)重矩陣中的元素aij為1或0，當(dāng)vi,vj之間有通信關(guān)系時(shí)，aij＝1，否者aij＝0。入度矩陣d＝diag(di)，其中，i,j＝1,2,3，拉普拉斯矩陣為l＝d-a。所以鄰接權(quán)重矩陣a、入度矩陣d、拉普拉斯矩陣l分別為：

步驟2-3：根據(jù)構(gòu)建的無(wú)向圖建立各個(gè)控制單元的鄰接權(quán)重矩陣，并根據(jù)轉(zhuǎn)速估計(jì)值、給定轉(zhuǎn)速值、同步誤差補(bǔ)償系數(shù)和鄰接權(quán)重矩陣建立系統(tǒng)誤差矩陣；

本發(fā)明實(shí)施例中，對(duì)于第i個(gè)節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建誤差向量ei(t)為：

其中，i,j＝1,2,3，為同步誤差補(bǔ)償系數(shù)，kij≠kji，ji和jj為第i個(gè)和第j個(gè)單元電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

所以系統(tǒng)誤差向量e(t)為：

步驟2-4：通過(guò)設(shè)定實(shí)數(shù)矩陣和設(shè)定值，根據(jù)建立的系統(tǒng)誤差矩陣得到分布式協(xié)同控制器的輸出值；

本發(fā)明實(shí)施例中，分布式協(xié)同控制器輸出為：

ui＝ω^*+kei

其中，i＝1,2,3，k為1×2的常數(shù)矩陣。

常數(shù)矩陣k計(jì)算步驟如下所示：

①計(jì)算j^*＝ei^τ(0)pei(0)。ei(0)為t＝0時(shí)的初始值，p＝p^τ>0且滿(mǎn)足a^τp+pa-pbr^-1b^τp+q＝0，式中，q＝q^τ>0，r＝r^τ>0，q和r為2×2的矩陣，

②選取性能指標(biāo)參數(shù)γ，使γmin<γ<γmax。其中，γmin＝j(luò)^*，γmax＝10j^*；

③設(shè)矩陣y和矩陣滿(mǎn)足如下的線(xiàn)性矩陣不等式：

④若第三步線(xiàn)性矩陣不等式無(wú)解，則提升性能指標(biāo)參數(shù)γ的數(shù)值，再次執(zhí)行第三步，直到算出k的值。

步驟2-5：根據(jù)采集的a相、b相和c相電流和分布式協(xié)同控制器輸出值，根據(jù)上述輸出和采樣值獲得兩相靜止坐標(biāo)系下直軸參考電壓和交軸參考電壓，再采用空間矢量調(diào)制獲得輸出的pwm信號(hào)。

步驟2-5-1：分布式協(xié)同控制器輸出值u1作為交軸電流參考值iqref；

步驟2-5-2：iq作為q軸控制的反饋值，與u1比較后產(chǎn)生q軸控制的誤差值iqe；設(shè)定d軸的參考值將id作為d軸控制的反饋值，與比較后產(chǎn)生d軸控制的誤差值ide。

步驟2-5-3：iqe經(jīng)pi電流調(diào)節(jié)器并與前饋值做代數(shù)運(yùn)算，得到參考信號(hào)uqref，其中l(wèi)g為定子電感；iqe經(jīng)pi電流調(diào)節(jié)器并與前饋值做代數(shù)運(yùn)算，其中l(wèi)g為定子電感，得到參考信號(hào)udref。

步驟2-5-4：udref、uqref經(jīng)dq-abc坐標(biāo)變換得到uaref、ubref、ucref，uaref、ubref、ucref與注入的高頻電壓量uahf、ubhf、uchf合成形成含有高頻量的

步驟2-5-5：經(jīng)abc-αβ坐標(biāo)變換的到svpwm模塊的輸入量將輸入svpwm模塊，其產(chǎn)生的脈沖經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后就可作為三相pwm整流電路開(kāi)關(guān)管igbt驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

本發(fā)明實(shí)施例中，模塊分離式永磁同步發(fā)電機(jī)電網(wǎng)側(cè)控制系統(tǒng)，如圖8所示。具體步驟如下：

步驟1：功率控制單元同時(shí)采集電網(wǎng)側(cè)a相、b相和c相電流電壓信號(hào)和逆變電路直流側(cè)電壓信號(hào)；

本發(fā)明實(shí)施例中，分別采用電壓傳感器和電流傳感器采集a相、b相和c相電壓信號(hào)、直流側(cè)電壓和a相、b相和c相電流信號(hào)；

步驟2：功率控制單元根據(jù)采集電網(wǎng)側(cè)a相、b相和c相電流信號(hào)和逆變電路直流側(cè)電壓信號(hào)，控制得到pwm信號(hào)；

本發(fā)明實(shí)施例中，模塊分離式永磁同步發(fā)電機(jī)電網(wǎng)側(cè)控制系統(tǒng)，如圖8所示。具體步驟如下：

步驟2-1：設(shè)定直流參考電壓并采樣h橋五電平逆變器直流側(cè)輸入電壓u′dc作為直流環(huán)的反饋電壓，與直流參考電壓比較后的到誤差值u′dce，將其經(jīng)過(guò)pi電壓調(diào)節(jié)器得到d軸電流的參考值

步驟2-2：d軸電流的參考值與d軸電流的反饋值isd比較的到d軸電流誤差isde；給定q軸電流的參考值經(jīng)abc-dq坐標(biāo)變換后的isq作為q軸電流的反饋值，與比較之后得到q軸電流的誤差isqe；

步驟2-3：將其經(jīng)過(guò)pi電流調(diào)節(jié)器后得到d軸電壓的參考值usdref。將d軸電壓的參考值usdref與前饋量ωslsisq、d軸電壓反饋值usq做代數(shù)運(yùn)算后的到svpwm模塊的d軸電壓的參考值其中l(wèi)s為電網(wǎng)側(cè)線(xiàn)路電感和變壓器漏感之和；將其經(jīng)過(guò)pi電流調(diào)節(jié)器后得到q軸電壓參考值usqref，將q軸電壓參考值usqref與前饋量ωslsisd、q軸電壓反饋值usq做代數(shù)運(yùn)算后得到svpwm模塊q軸電壓的參考值

步驟2-4：將d軸電壓的參考值與q軸電壓的參考值經(jīng)dq-αβ坐標(biāo)變換后的到svpwm模塊的輸入值svpwm模塊輸出的脈沖信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后作為h橋五電平逆變器開(kāi)關(guān)管igbt驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

本發(fā)明實(shí)施例中，如圖9所示，pwm整流電路將三相交流電能整流成直流電能，通過(guò)控制系統(tǒng)控制，輸出的直流電壓穩(wěn)定在600v,且穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較好。

本發(fā)明實(shí)施例中，如圖10所示，系統(tǒng)最后輸出的三相交流電壓穩(wěn)定在3kv，在電壓質(zhì)量和頻率穩(wěn)定上都能滿(mǎn)足電網(wǎng)或負(fù)載的要求。

本發(fā)明實(shí)施例中，如圖11、圖12所示，h橋五電平逆變器輸出端的a相、b相電壓為5電平；如圖13所示，h橋五電平逆變器輸出端的a相、b相線(xiàn)電壓為9電平。