[发明专利]一种故障容错性永磁发电系统及其控制方法

说明书

技术领域

本发明属于电机控制领域，特别涉及一种具有故障容错功能的绕组开路型永磁发电系统结构及其控制方法。

背景技术

随着稀土永磁材料技术的不断进步，永磁电机的性能不断提高，功率密度大、效率高等优点，使得永磁电机成为当今电机驱动领域、发电机应用领域首选的电机之一，并越来越广泛应用于军用、航空航天、工业自动化、风力发电等领域。然而，由于永磁体的存在，永磁电机内部的气隙磁场难以通过外部措施进行控制，应用于驱动和发电领域均存在弱磁和发电调压困难等问题，使其在一些高可靠性要求场合受到一定的限制。因此，当前针对永磁电机的可靠性、容错控制技术研究成为热点。

永磁电机要实现可靠、灵活控制，其根本在于电机内部磁场调节。为此，针对永磁电机的结构设计包括复合转子、混合励磁等方式，通过该结构设计，解决永磁电机磁场难以调节的问题，扩展永磁电机的应用领域。在容错控制技术方面，永磁电机为提高其容错能力，通常采用多绕组、双定子、多变换器冗余等结构方案，使得电机绕组在出现各种故障之后，利用备份绕组或变换器恢复其功能。然而，由于永磁体的固有特性，通常难以通过复合励磁实现完全的去磁效果，在出现电机绕组内部短路故障问题后，尤其是在发电系统中，若机械传动装置无法迅速闭锁，电机内部无法实现灭磁时，短路的电枢绕组产生的感生电势将在短路点形成很大的电流，导致电机内部过热，导致电机出现严重故障，甚至使永磁体出现永久性去磁的后果。因此永磁电机要实现其内部短路故障容错功能，必须要对现有的永磁电机的内部绕组结构加以改进。

传统的交流电机的三相绕组都是进行星形连接或者三角形连接，三角形连接的电机驱动系统，可以提高直流电压利用率，但由于存在零序电流通路，当电机由于加工或者磨损呈现不对称时，会在电机绕组电流中产生零序分量和谐波分量，增加电机损耗，而星形连接可以消除绕组中电流电压的三次序列谐波成分，消除由于电机不对称所引起的零序电流分量，因而被广泛采用。但是电机绕组的连接形式并非只有星形或者三角形两种方式，如果电机三相绕组开路，在两端连接合适的功率变换器也可以实现电机的电动和发电运行。

1989年日本学者ISAO TAKAHASHI首次提出了绕组开路型异步电机的驱动系统结构，将异步电机的中性点打开，两端连接三相桥式变换器，并在电机绕组中加入零序电抗器抑制零序电流，研究系统中异步电机的高性能直接转矩控制方法。此后相继有众多学者针对绕组开路型异步电机，研究其应用于驱动领域时电压空间矢量调制策略、零序电流抑制和共模电压抑制等方法，初步验证了绕组开路型结构应用于异步电机的优点。此后，2008年韩国学者SEUNG-KI SUL则针对小功率分布式风力发电系统提出一种绕组开路型永磁发电系统结构，绕组开路型永磁发电机一端通过三相桥式变换器与直流电源相连，另一端直接连接电网实现并网，研究发电机在零速、起动和同步发电时的控制策略，首次在发电系统中提出了永磁电机绕组开路型结构，并对其发电运行控制规律进行了分析。2011年美国威斯康星大学提出一种永磁直驱绕组开路型永磁电机发电系统，电机两侧分别连接半控整流桥进行整流后再实现并网，由于功率从电机两端分别流出，所以可以在一定程度上降低开关器件功率等级，并且该方案中采用半控整流桥，避免的了变换器桥臂的直通问题，提高了系统运行的可靠性。可见，将传统永磁电机的绕组中性点打开之后，构成绕组开路型结构，仍然具有功率密度大、效率等优点仍然保持，并且能够实现其电动、发电运行功能，由于各相绕组可以独立运行，通过外部功率变换器的设置，可以有效地提高系统运行的可靠性。可见，绕组开路型结构永磁电机既具有传统永磁电机功率密度大、效率高等优点，又由于各相绕组能够独立工作，具有独特的高可靠性等优点。

因此在绕组开路型永磁电机结构的基础上，设置合适的外部功率变换器，在提高系统可靠性的基础上，构成具有故障容错功能的绕组开路型永磁发电系统，相比于传统的永磁发电系统，其具有的短路和开路故障的容错运行能力，可大幅度地提高永磁发电系统的可靠性和系统性能。

发明内容

本发明的目的是在绕组开路型永磁电机工作原理的基础上，提出一种故障容错性永磁发电系统及其控制方法，拓宽永磁电机的应用领域。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：