[发明专利]基于MMC的阻抗源大功率高速发电机并网系统及其控制方法

说明书

本发明公开了一种基于MMC整流的阻抗源大功率高速发电机并网系统及其控制方法，基于MMC整流的阻抗源大功率高速发电机并网系统包括：一台大功率高速发电机、一台MMC整流装置、一台阻抗源逆变器、一台三相滤波电抗器和两套控制器。本发明还公开了上述系统的控制方法，机侧引入MMC整流装置，对大功率高速发电机的转速和整流装置输入功率因数进行双闭环控制，网侧引入阻抗源逆变器，对阻抗源网络电容电压和并网功率因数进行双闭环控制。本发明可以解决大功率高速发电机定子电流畸变严重的问题，降低单个开关器件的电压应力，从而提高系统的可靠性和效率。

技术领域

本发明属于发电机并网控制领域，具体涉及一种基于MMC的阻抗源大功率高速发电机并网系统及其控制方法。

背景技术

能源是推动经济发展和社会进步的动力源泉，是关系到国计民生、社会稳定的重要物 质。随着我国现代工业的飞速发展，石油、天然气和煤炭等化石能源逐渐枯竭、环境问题日 益凸显，能源和环境已成为我国所面临的重大问题。

余热是指煤炭、石油、天然气等经过工业利用后排放出来的、无法继续参与其它生产过程的能量。它以高温热能为表现形式，以废气、废渣和废水为能量载体。我国余热资源非常丰富，占工业总能耗的20%左右。因此，余热利用具有广阔的市场前景。

大功率高速永磁同步发电机具有效率高、可靠性高、结构紧凑、维护量小等优点，与此同时，高速发电机与膨胀涡轮机直接相连组成的发电机组，中间可省去减速装置，可大大减小系统体积，提高系统效率和可靠性。因此，大功率高速发电机被广泛应用于余热发电系统。

传统大功率高速发电机采用三相六开关PWM整流拓扑，随着高速发电机额定转速的不断提高，高速发电机的输出频率大幅提高，甚至有可能达到上千赫兹，为高速发电机的整流调制带来困难，由此产生的发电机定子电流谐波不仅会增加高速发电机的损耗和温升，还会增加其转矩脉动，威胁系统安全。与此同时，随着发电机功率的增大，整流器件的开关应力随之增大。因此，有必要设计一种高可靠性的大功率高速发电机并网系统及其控制方法。

发明内容

针对背景技术所述的缺陷或不足，本发明提供了一种基于MMC的阻抗源大功率高速发电机并网系统及其控制方法，系统具有更高的可靠性与安全性。

一种基于MMC整流的阻抗源大功率高速发电机并网系统，包括一台大功率高速永磁同步发电机、一台MMC整流器、一台阻抗源逆变器（Z源逆变器、准Z源逆变器或半准Z源逆变器等阻抗源逆变器）、一台三相滤波电抗器和两套控制器（控制器1和控制器2），两套控制器分别对MMC整流器和阻抗源逆变器进行控制。

所述MMC整流器由三3个桥臂并联组成，每一个桥臂由2n个子模块串联组成，每个子模块由两个IGBT串联后再并联一个电容构成；所述阻抗源逆变器由电感、电容、二极管构成的阻抗源网络和三个3个IGBT半桥电路并联组成；所述并网滤波电抗器由3个交流电感构成。

所述大功率高速永磁同步发电机的三相定子分别与MMC整流器三个桥臂的中点相连；所述MMC整流器的公共直流侧与阻抗源逆变器的输入端并联；所述阻抗源逆变器三相输出端接滤波电抗器后并入电网。

所述控制器1用于采集大功率高速永磁同步发电机的转速、转子位置角和三相定子电流，随后通过脉冲触发信号对发电机的转速和MMC整流器输入功率因数进行控制；所述控制器2用于采集阻抗源网络电容的端电压、阻抗源逆变器三相并网电压和阻抗源逆变器三相并网电流，随后通过直通控制策略构造出带直通零矢量的PWM脉冲信号，对阻抗源网络电容电压和并网功率因数进行控制。

上述基于MMC整流的阻抗源大功率高速发电机并网系统的控制方法包括如下步骤：