一種用于諧波抑制的六相同步電機外接電抗器的選型方法與流程

本發明屬于電力電子
技術領域：
，涉及六相同步電機，尤其是一種用于諧波抑制的六相同步電機外接電抗器的選型方法。
背景技術：
：近年來，隨著風電技術的發展和對電力運行成本的考慮，大容量風力發電機組已經成為一個主要發展趨勢。采用多相發電機是增大發電機組容量的一個有效途徑。相比于三相電機，多相電機應用于風電系統中具有轉矩脈動小、容錯性能好等優點，有利于延長機組壽命、減小機組維護量，這對于新型發電方式例如海上風電等具有重要意義。本發明針對的對象是中性點分離的相移30°雙Y型六相同步風力發電機，其定子繞組結構如圖1所示。此類型電機的6m±1(m＝1,3,5…)次諧波流通路徑等效電感要遠遠小于三相電機的等效電感，因此更容易產生大量的諧波電流。這些諧波電流的次數主要與開關頻率相關，可以統稱為開關頻率電流諧波。開關頻率電流諧波是引起電機繞組發熱最重要的因素，大量的開關頻率諧波對電機和變流器的散熱系統提出了更大的挑戰，因此必須對其進行抑制。目前，對于開關頻率諧波電流的抑制可以采取優化調制算法、提高功率器件開關頻率和外接電抗器等調制策略進行。但并不是所有的調制策略能夠將諧波電流水平抑制到額定水平下。在特定調制策略下開關頻率電流諧波若超過散熱系統能夠承受的最大電流諧波水平，同時開關頻率不能繼續增大的條件下，則需要外接電抗器進行開關電流諧波抑制。在傳統電抗器選型中，交流電抗器的作用主要為吸收變頻器輸出的諧波，且其選取方法通常為經驗選取或實驗反復試湊。在經驗選取中，并沒有考慮散熱系統的散熱能力；而在反復試湊中，雖然可以獲得較為理想的效果，但選取合適的交流電抗器所需的選型時間長，也沒有一定的公式可以遵從，浪費大量人力物力。技術實現要素：本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種設計合理、簡便易行且省時省力的用于諧波抑制的六相同步電機外接電抗器的選型方法。本發明解決其技術問題是采取以下技術方案實現的：一種用于諧波抑制的六相同步電機外接電抗器的選型方法，包括以下步驟：步驟1、通過數值分析，計算得到六相同步風力發電系統在多種不同調制方式下的開關頻率諧波電流脈動的統一表達式為：Ihrms2(m)=ΔψN2(kf)2(1Lαβ2HDFαβ+1Lz1z22HDFz1z2)]]>其中，ΔΨN為標幺化基值，為一個定值；kf為程序中斷周期；Lαβ和Lz1z2分別為αβ子平面和z1z2子平面的等效電機電感；HDFαβ和HDFz1z2分別為αβ子平面和z1z2子平面的諧波畸變因子；m為電壓調制比；a、b、c、d和e分別為對應不同調制方式的常數。步驟2、根據步驟1的開關頻率諧波電流脈動的統一表達式，作圖得到不同調制方式下電流脈動曲線，通過對比分析得到在整個調制區域內電流脈動幅值最小的最優PWM調制策略。步驟3、在機側變流器不外接電抗器的情況下，按照最優PWM調制策略進行開環調節，在實驗系統開環運行條件下，采用最優PWM調制策略進行溫升實驗并記錄電機定子繞組溫升；步驟4、當電機發熱量與散熱系統導熱量達到平衡時，記錄電壓調制比m1；步驟5、根據所述電壓調制比m1和最優PWM調制策略的開關電流諧波峰值處的最大調制比mmax，根據如下所示的外接電抗器的選型求解公式，求解得出外接電抗器的選型參數；1Lαβ2HDFαβ(m1)+1Lz1z22HDFz1z2(m1)=1(Lαβ+Lext)2HDFαβ(mmax)+1(Lz1z2+Lext)2HDFz1z2(mmax)]]>而且，所述步驟5的建立外接電抗器的選型求解公式的具體步驟包括：(1)在機側變流器與六相電勵磁同步電機之間外接一組電抗器，根據如下計算公式求解外接電抗器后電機的等效電感；L′αβ＝Lαβ+LextL′z1z2＝Lz1z2+Lext上式中，Lext表示外接電抗器的電感值；(2)將熱平衡時的調制比m1代入步驟1的開關頻率諧波電流脈動的統一表達式，得到散熱系統允許的最大開關電流諧波：Ihrms2(m)=ΔψN2(kf)2(1Lαβ2HDFαβ(m1)+1Lz1z22HDFz1z2(m1))]]>(3)在接入外接電抗器后，令在最大調制比mmax處的開關電流諧波與散熱系統允許的最大開關電流諧波相同，即：Ihrms2(m1)=ΔψN2(kf)2(1(Lαβ′)2HDFαβ(mmax)+1(Lz1z2′)2HDFz1z2(mmax))]]>(4)由所述步驟5的第(2)步和第(3)步，可以得到外接電抗器的選型求解公式為：1Lαβ2HDFαβ(m1)+1Lz1z22HDFz1z2(m1)=1(Lαβ+Lext)2HDFαβ(mmax)+1(Lz1z2+Lext)2HDFz1z2(mmax)]]>本發明的優點和積極效果是：1、本發明根據開關電流諧波的數學表達式，結合六相電機風電系統原有的散熱系統特性，進行電抗器的參數選擇。本發明僅需要測定散熱系統最大的諧波電流承受能力，將參數代入開關電流諧波的數學表達式即可得到電抗器的參數，簡便易行，省去了大量的仿真實驗實測步驟，對于工程應用具有很大的實用價值。2、本發明結合散熱系統能夠承受的最大諧波電流與諧波電流表達式進行電抗器選型，而傳統電抗器選型方案并不考慮散熱系統的承受能力，因此本發明的選型方案更為可靠。3、本發明只需通過對電機等效電感參數進行逆向推算，便可快捷得到電抗器參數，從而省去了對不同的電機參數均進行仿真及實驗分析的步驟。本發明為工程應用中的電抗器選型提供了快捷有效的選型手段。4、本發明的電抗器選型方法只需進行一次實驗測定散熱系統能夠承受的最大諧波電流，而無需進行重復繁瑣的仿真和實驗驗證，有利于工程應用，實用性高。5、本發明結合散熱系統的實際情況進行電抗器選型的反推算，電抗器選型結果適中，經濟性更高。由于傳統電抗器選型方案只考慮諧波含量，而不考慮實際散熱系統能力，選型結果往往偏離實際的電抗器需求值。若選型參數過大，則經濟性不高；若選型參數過小，則散熱系統又不能帶走所有熱量，導致系統過熱停機。本發明綜合考慮六相電機風電系統原有的散熱系統特性，進行電抗器的參數選擇，既保證了六相電機風電系統安全運行，同時又兼具了電抗器選型的經濟性。附圖說明圖1是本發明的六相同步電機定子繞組結構示意圖；圖2是本發明的六相同步電機風力發電系統結構示意圖；圖3是本發明的αβ子平面的外接電抗器等效電路圖；圖4是本發明的z1z2子平面的外接電抗器等效電路圖；圖5是本發明的六相同步電機外接電抗器的選型方法流程圖。具體實施方式以下結合附圖對本發明實施例作進一步詳述：本發明利用六相電勵磁同步發電機、兩電平六相機側變流器、網側變流器、PT100溫度送變器、Mathmatic運算軟件、Matlab畫圖軟件，組成電抗器選型的實施系統。并利用該實施系統進行本發明的用于諧波抑制的六相同步電機外接電抗器的選型，其具體方法如下：一種用于諧波抑制的六相同步電機外接電抗器的選型方法，如圖5所示，包括以下步驟：步驟1、通過數值分析，計算得到六相同步風力發電系統在多種不同調制方式下的開關頻率諧波電流脈動的統一表達式。圖2為六相同步電機風力發電系統結構圖，其中不同次的諧波分量具有不同的等效電感。根據映射關系，六相同步風力發電機的各次諧波分量可以映射到兩個不同的平面，稱之為αβ子平面和z1z2子平面。在映射關系中，基波分量和k＝12m±1(m＝1,2,3,…)次諧波分量均映射到αβ子平面，此空間內的電流分量會在氣隙中形成旋轉磁動勢，參與機電能量的轉換，αβ子平面內所有次諧波的等效電感均為Lαβ；k＝6m±1(m＝1,3,5,…)次諧波分量均映射z1z2子平面，此空間的諧波均不參與氣隙旋轉磁動勢的合成，也不參與能量轉換，只會消耗能量，增加電機的發熱，z1z2子平面內所有次諧波的等效電感均為Lz1z2。在六相同步電機控制環節中，根據控制策略會輸出αβ子平面和z1z2子平面的參考電壓，一般情況下，z1z2子平面的參考電壓為0。根據機側變流器結構，可以由不同的調制策略進行參考電壓的合成。不同調制策略產生的開關電流諧波不同，開關電流諧波的定義為：Ihrms2=∫02π(1Ts∫0Ts(Δia2+Δib2+Δic2+Δix2+Δiy2+Δiz2)dt)dθ---(1)]]>其中，Ihrms為開關諧波電流，Ts為開關周期，ia、ib、ic、ix、iy、iz分別為六相橋臂的電流。利用Mathmatic軟件，經過數值分析，可以計算得到六相同步風力發電系統在多種不同調制方式下的開關頻率諧波電流脈動的統一表達式為：Ihrms2(m)=ΔψN2(kf)2(1Lαβ2HDFαβ+1Lz1z22HDFz1z2)---(2)]]>其中，ΔΨN為標幺化基值，為一個定值；kf為開關頻率；Lαβ和Lz1z2分別為αβ子平面和z1z2子平面的等效電機電感；HDFαβ和HDFz1z2分別為αβ子平面和z1z2子平面的諧波畸變因子，其表達式與調制方式有關，并且是電壓調制比m的函數；m為電壓調制比；一般情況下，兩個平面內的諧波畸變因子形式為：HDFαβ=am4+bm3+cm2HDFz1z2=dm3+em2---(3)]]>其中，a、b、c、d和e分別為對應不同調制方式的常數。步驟2、根據步驟1的開關頻率諧波電流脈動的統一表達式，利用Mathmatic軟件作圖得到不同調制方式下電流脈動曲線，通過對比分析得到在整個調制區域內電流脈動幅值最小的PWM調制方案，此方案即為最優PWM調制策略。其具體方法為：為了得到在整個調制區域內的電流脈動最小值，根據式(2)和(3)的開關諧波電流表達式，以調制比m為橫坐標，以開關電流諧波為縱坐標，對不同調制策略下開關電流諧波作圖，可以得到不同調制比下的開關電流諧波曲線。在不同調制比處各種調制策略得到的開關諧波電流特性各異，分別找到每個開關電流諧波曲線的峰值并比較，峰值最小的曲線對應的調制策略可以得到最小的電流脈動，此條曲線對應的調制方案即為最優PWM調制方案。在最優PWM調制方案中，對應開關電流諧波峰值處的調制比m表示為mmax。步驟3、在機側變流器不外接電抗器的情況下，按照最優PWM調制策略進行開環調節，在實驗系統開環運行條件下，采用最優PWM調制策略進行溫升實驗并利用PT100溫度送變器記錄電機定子繞組溫升。電機內部溫升取決于電機的發熱量與散熱系統的散熱能力。電機的最大發熱量與最大電流脈動成正比關系。在調制比m到達一定的數值時時，電機發熱量與散熱系統導熱量平衡，電機溫度穩定；當調制比進一步增大時，隨著電流脈動的增大電機發熱量增大，超過了散熱系統的散熱能力，導致電機溫度不斷升高至熱保護停機。其具體方法為：為了測定不同調制比下的定子繞組溫升，采用最優PWM調制策略進行溫升實驗。在實驗系統開環運行條件下，按照一定的步長設定αβ子平面參考電壓，經調制策略后脈沖電壓直接施加到電機定子繞組上，在每個參考電壓給定后，待電機溫度穩定記錄電機溫度。步驟4、當電機發熱量與散熱系統導熱量達到平衡時，記錄電壓調制比m1。一般來講，電機發熱量與開關電流諧波成正比，開關電流諧波又隨調制比的增加而不斷升高，因此在調制比較低時，電機很容易達到熱平衡；隨著調制比的增加，隨著開關電流諧波的增大電機發熱量增大；若調制比到達m1時，電機穩定仍然能保持不變，但在調制比增加一個步長后電機溫度不再保持穩定，而是不斷升高直至熱保護停機，說明調制比m1處，電機的發熱量與散熱系統導熱率已達到熱平衡，此時的調制比即為在不接外接電抗器條件下散熱系統所能承受的最大調制比，此時的電機開關電流諧波也為散熱系統所能承受的最大開關電流諧波。步驟5、根據所述電壓調制比m1和最優PWM調制策略的開關電流諧波峰值處的最大調制比mmax，根據如下所示的外接電抗器的選型求解公式，求解得出外接電抗器的選型參數：1Lαβ2HDFαβ(m1)+1Lz1z22HDFz1z2(m1)=1(Lαβ+Lext)2HDFαβ(mmax)+1(Lz1z2+Lext)2HDFz1z2(mmax)---(7)]]>在最優PWM調制策略下，調制比大于m1后開關諧波電流就不能滿足散熱系統要求，此時需進一步采取措施減小開關電流諧波。式(2)顯示減小開關電流脈動可以采取兩種方式：一是增大開關頻率，二是增大定子等效電感。在大功率電機控制系統中，開關頻率不宜過大，因此增大定子等效電感是降低電流脈動的一個主要途徑。在機側變流器與六相電勵磁同步電機之間外接一組電抗器，從變流器側看，相當于電機的等效電感增大，起到減小開關諧波電流的作用。若將外接電抗器看成電機定子繞組的一部分，各物理量進行映射后顯示，外接電抗器會同時增大αβ子平面與z1z2子平面的等效電感值。以Lext表示外接電抗器的電感值，則外接電抗器后兩個平面內的等效電路如圖3和圖4所示。即外接電抗器后電機的等效電感為：L′αβ＝Lαβ+LextL′z1z2＝Lz1z2+Lext(4)電機等效電抗增大后，對應的達到散熱系統所能承受的最大電流處調制比也會相應改變。散熱系統所能承受的最大諧波電流是定值，將熱平衡時的調制比m1代入式(2)即可得到散熱系統允許的最大開關電流諧波：Ihrms2(m)=ΔψN2(kf)2(1Lαβ2HDFαβ(m1)+1Lz1z22HDFz1z2(m1))---(5)]]>接入外接電抗器后，開關電流諧波在最大調制比mmax處達到最大，若要求解外接電抗器參數，只需令在最大調制比mmax處的開關電流諧波與散熱系統允許的最大開關電流諧波相同即可：Ihrms2(m1)=ΔψN2(kf)2(1(Lαβ′)2HDFαβ(mmax)+1(Lz1z2′)2HDFz1z2(mmax))---(6)]]>綜合公式(5)和(6)，可以得到外接電抗器的選型求解公式為：1Lαβ2HDFαβ(m1)+1Lz1z22HDFz1z2(m1)=1(Lαβ+Lext)2HDFαβ(mmax)+1(Lz1z2+Lext)2HDFz1z2(mmax)---(7)]]>由于在式(7)中，除Lext外，其它值都是定值，因此，可以容易求解得到電抗器的選型參數。此電抗器選型方案只需一次試驗即可得到同類型散熱系統的最大允許開關諧波電流值，再利用式(7)進行計算，便可快捷得到電抗器參數，從而省去了對不同的電機參數均進行仿真及實驗分析的步驟。這為工程應用中的電抗器選型提供了一個有效手段。需要強調的是，本發明所述的實施例是說明性的，而不是限定性的，因此本發明包括并不限于具體實施方式中所述的實施例，凡是由本領域技術人員根據本發明的技術方案得出的其他實施方式，同樣屬于本發明保護的范圍。當前第1頁1 2 3