專利名稱：定子雙繞組異步風力發(fā)電系統(tǒng)及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明所涉及的是一種能在寬風速范圍內(nèi)發(fā)電的定子雙繞組異步風力發(fā)電系統(tǒng)
拓撲結(jié)構(gòu)及控制方法。
背景技術(shù)：
近年來，不可再生資源儲量不斷減少、電力資源緊張及常規(guī)能源對環(huán)境污染嚴重 等原因極大地促進了綠色可再生能源的發(fā)展。風能作為一種可再生的清潔能源，以其蘊量 巨大、分布廣泛和沒有污染等優(yōu)勢受到了世界各國越來越多的重視，風能的開發(fā)和利用得 到了長足進步和發(fā)展，成為發(fā)展最快的綠色能源。 異步電機(尤其是籠型轉(zhuǎn)子)因其結(jié)構(gòu)簡單堅固、可靠性高、成本低、功率密度大 獨特優(yōu)點越來越成為風力發(fā)電系統(tǒng)和獨立電源系統(tǒng)的重要選擇。傳統(tǒng)的自激式異步電機輸 出端并聯(lián)電容以提供無功勵磁功率，由于轉(zhuǎn)速和負載的變化，其勵磁電容需要相應的頻繁 切換，增加了系統(tǒng)的成本且電能輸出品質(zhì)不高，不適合應用于風力發(fā)電等變速變負載的場 合。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，由電力電子變換器控制的異步電機發(fā)電系統(tǒng)，能連續(xù)調(diào)節(jié)勵 磁無功，發(fā)電系統(tǒng)的品質(zhì)大幅提升。不過該類發(fā)電系統(tǒng)也存在一些不足串聯(lián)勵磁式的三相 異步電機發(fā)電系統(tǒng)變換器容量較大，變換器的開關(guān)諧波易注入負載；并聯(lián)勵磁式的發(fā)電系 統(tǒng)，需要較大體積的隔離電感，且系統(tǒng)的性能受負載大小和性質(zhì)的影響很大。這些問題在一 定程度上限制了三相異步電機發(fā)電系統(tǒng)在上述領(lǐng)域中的發(fā)展。 本世紀初提出的定子雙繞組異步電機，對傳統(tǒng)籠型異步發(fā)電系統(tǒng)的不足進行了改
進，以其獨特的結(jié)構(gòu)形式得到了學者的廣泛關(guān)注，并針對發(fā)電機的優(yōu)化設計、電壓控制策
略、系統(tǒng)的穩(wěn)定性和變速運行的規(guī)律等內(nèi)容開展了深入的研究。從目前的研究來看，由這種
電機構(gòu)成的發(fā)電系統(tǒng)具有較好的運行性能。由于它的輸出為穩(wěn)定的直流，可采用直流集電
的方式輸送，這為日益發(fā)展的海上風力發(fā)電技術(shù)開辟了一條新穎的途徑。 2005年南京航空航天大學針對該發(fā)電機在寬變速范圍內(nèi)運行時的系統(tǒng)設計和發(fā)
電機控制問題進行了研究，并提出相應的發(fā)明專利[200510041200. 2]，如圖1所示。該發(fā)電
系統(tǒng)主要在額定轉(zhuǎn)速之上的恒功率區(qū)實現(xiàn)變速運行，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機內(nèi)部磁場實現(xiàn)發(fā)電機
的輸出電壓穩(wěn)定，但對于低于額定速的恒轉(zhuǎn)矩運行的區(qū)域，需要采用強勵才能輸出額定電
壓，由于電機勵磁飽和，不能實現(xiàn)較低于額定轉(zhuǎn)速下恒壓運行，這在一定程度上限制了定子
雙繞組異步電機在低風速區(qū)域捕獲風能的能力。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是克服圖1所示的定子雙繞組異步發(fā)電機系統(tǒng)在低風速下不能輸出 較高電壓的不足，對定子雙繞組異步發(fā)電機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行改進，提出了一種能適應寬風 速范圍內(nèi)發(fā)電的定子雙繞組異步風力發(fā)電系統(tǒng)及控制方法。
本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案 本發(fā)明定子雙繞組異步風力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于包括主回路、檢測回路和控制回路，主回路由定子雙繞組異步發(fā)電機、第一整流橋、第二整流橋、控制開關(guān)、三個濾波電 感、勵磁電容、控制變換器、小容量蓄電池、二極管、控制側(cè)直流電容和功率側(cè)直流電容組 成；檢測回路由第一電流傳感器、第二電流傳感器和第一至第三電壓傳感器組成；控制回 路由數(shù)字信號處理器和控制變換器的驅(qū)動電路組成；其中定子雙繞組異步發(fā)電機的功率繞 組為6相雙Y型結(jié)構(gòu)，控制繞組為三相Y型結(jié)構(gòu)；二極管的陽極串接小容量蓄電池后分別接 控制側(cè)直流電容、控制變換器的負輸入端，二極管的陰極分別接控制側(cè)直流電容、控制變換 器的正輸入端，第三電壓傳感器設置于控制變換器的輸入端上，第三電壓傳感器的輸出端 接數(shù)字信號處理器的輸入端，控制變換器的三相輸出端分別串接一個濾波電感后分別接勵 磁電容組的輸入端和定子雙繞組異步發(fā)電機的三相控制控制繞組的輸入端，第一電壓傳感 器設置于定子雙繞組異步發(fā)電機的三相控制繞組的輸入端上，第一電流傳感器設置于定子 雙繞組異步發(fā)電機的任意兩相控制繞組的輸入端上，第一電流傳感器和第一電壓傳感器的 輸出端分別接數(shù)字信號處理器的輸入端，定子雙繞組異步發(fā)電機的一個三相功率繞組輸出 端接第一整流橋的輸入端，定子雙繞組異步發(fā)電機的另一個三相功率繞組輸出端接第二整 流橋的輸入端，第一整流橋的正輸出端分別接控制開關(guān)的正輸出端、功率側(cè)直流電容的正 輸入端、直流負載的一端和輸出逆變器的正輸入端，第一整流橋的負輸出端接控制開關(guān)的 負輸入端，第二整流橋的正輸出端接控制開關(guān)的正輸入端，第二整流橋的負輸出端分別接 控制開關(guān)的負輸出端、功率側(cè)直流電容的負輸入端、直流負載的另一端和輸出逆變器的負 輸入端，逆變器的輸出端接三相電網(wǎng)的輸入端，第二電流傳感器設置于第二整流橋的負輸 出端上，第二電壓傳感器設置于功率側(cè)直流電容正負輸入端上，第二電流傳感器和第二電 壓傳感器的輸出端分別接數(shù)字信號處理器的輸入端，數(shù)字信號處理器的控制端分別接控制 開關(guān)和控制變換器的驅(qū)動電路的控制端，控制變換器的驅(qū)動電路的輸出端接控制變換器的 輸入端。 所述的定子雙繞組異步風力發(fā)電系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，包括如下步驟 (1)在低風速區(qū)即所述定子雙繞組異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速的2/3，數(shù)字
信號處理器輸出串聯(lián)控制信號，控制控制開關(guān)動作將第一整流橋、第二整流橋輸出按串聯(lián)
方式連接即第一整流橋的負輸出端通過控制開關(guān)接第二整流橋的正輸出端； (2)隨著風速上升到一定值即所述定子雙繞組異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速達到設定轉(zhuǎn)速即
額定轉(zhuǎn)速的2/3，數(shù)字信號處理器根據(jù)風速、第一電流傳感器檢測得到的控制繞組電流信
號、第二電流傳感器檢測得到的第二整流橋輸出電流信號、第一電壓傳感器檢測得到的控
制繞組輸入電壓信號、第二電壓傳感器檢測得到的逆變器輸入電壓信號和第三電壓傳感器
檢測得到的控制變換器的輸入直流電壓信號輸出并聯(lián)控制信號，控制控制開關(guān)動作將第
一整流橋、第二整流橋輸出按并聯(lián)方式連接即第一整流橋的負輸出端通過控制開關(guān)接第二
整流橋的負輸出端、第一整流橋的正輸出端通過控制開關(guān)接第二整流橋的正輸出端； (3)在高風速區(qū)即所述定子雙繞組異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速大于設定轉(zhuǎn)速即額定轉(zhuǎn)速的
2/3，同步驟(2)所述將第一整流橋、第二整流橋輸出按并聯(lián)方式連接。 本發(fā)明為了拓寬定子雙繞組異步風力發(fā)電系統(tǒng)風能利用范圍，對圖l所示的發(fā)明 專利[200510041200.2]中的定子雙繞組異步發(fā)電系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)進行了改進，并提出了 相應的控制方法，進一步擴大它的變速運行的轉(zhuǎn)速范圍，從而使其能利用低風速的風能來 發(fā)電。該風力發(fā)電系統(tǒng)無電刷滑環(huán)，可在寬風速范圍內(nèi)發(fā)電，能適應直驅(qū)運行，此外，它的輸直流電，既可帶直流負載運行，又通過并網(wǎng)逆變器并入三相交流電網(wǎng)。
圖1現(xiàn)有的定子雙繞組異步電機發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
圖2寬風速范圍發(fā)電的定子雙繞組異步電機發(fā)電系統(tǒng)。
圖3定子雙繞組異步發(fā)電機定子繞組示意圖。
圖4控制開關(guān)示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明 如圖2所示，在不同的風速區(qū)，通過對功率繞組側(cè)兩組整流橋2、3的輸出連接形式 的改變及采用適當?shù)目刂品椒墒瓜到y(tǒng)在寬風速范圍內(nèi)均可滿足輸出電壓的要求，同時通 過控制變換器7對發(fā)電機勵磁無功功率的及時合理的調(diào)節(jié)使得輸出電壓保持恒定，從而使 系統(tǒng)具備寬風速發(fā)電，直驅(qū)運行，成本低等優(yōu)點，拓展了風能利用范圍。 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是，包括主回路、檢測回路和控制回路。主回 路由定子雙繞組異步發(fā)電機1，整流橋2、3，控制開關(guān)4，濾波電感5，勵磁電容6，控制變換器 7、小容量蓄電池8、二極管9、控制側(cè)直流電容17，功率側(cè)直流電容18 ;檢測回路由電流傳感 器10、11，電壓傳感器12、13、14組成；控制回路由數(shù)字信號處理器15、控制變換器的驅(qū)動電 路16組成。 本發(fā)明針對這種在寬風速范圍內(nèi)均可輸出恒定電壓的定子雙繞組異步電機發(fā)電 系統(tǒng)所提出的新拓撲結(jié)構(gòu)是如圖3所示，功率繞組有六相，設置成兩組Y型的形式，兩組Y 型功率繞組分別整流輸出，通過控制開關(guān)的控制，將兩組整流橋的輸出進行串聯(lián)或并聯(lián)?？?制開關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖4所示，當控制開關(guān)打在左側(cè)，兩組整流橋的輸出為串聯(lián)，當控制開關(guān)打 在右側(cè)，兩組整流橋的輸出為并聯(lián)?？刂评@組為三相，接有控制變換器和勵磁電容，通過控 制變換器的控制，可使得輸出電壓在負載和轉(zhuǎn)速變化時保持恒定。 控制變換器的開關(guān)管可以采用IGBT或者智能功率模塊IPM。用于切換兩組整流橋 輸出連接方式的控制開關(guān)由可由接觸器構(gòu)成。在控制繞組安裝小容量蓄電池的目的是，為 系統(tǒng)提供初始直流母線電壓，依靠控制變換器向發(fā)電機提供勵磁無功，使功率繞組和控制 繞組的輸出電壓上升，當控制繞組直流母線電壓超過低壓小功率輔助電源的電平時，依靠 二極管使蓄電池自然脫離系統(tǒng)，系統(tǒng)建壓完成后進入發(fā)電運行狀態(tài)。 本發(fā)明提出寬風速范圍內(nèi)發(fā)電的定子雙繞組異步發(fā)電系統(tǒng)，其工作原理描述如 下 當風速較高時，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速較高，兩組整流橋的輸出電壓可達到設定值，這時通 過控制開關(guān)的控制，兩組整流橋輸出按并聯(lián)的方式輸出，控制變換器和勵磁電容共同向發(fā) 電機提供所需的勵磁無功功率，同時控制變換器隨著轉(zhuǎn)速和負載的變化調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁 無功功率使輸出直流電壓保持恒定。 隨著風速的減小，控制繞組和功率繞組輸出端電壓逐漸降低，為維持功率繞組整 流輸出直流電壓恒定，控制變換器必須增加勵磁無功功率，直至整個變換器的容量完全用 來輸出無功，達到其額定最大容量，這時發(fā)電機內(nèi)部磁場也略有飽和，處于強勵狀態(tài)。當風速進一步下降，就不能采用調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁無功的方式去維持功率繞組整流輸出直流電壓 達到指令值，這時，數(shù)字信號處理器根據(jù)風速，轉(zhuǎn)速，電壓，電流等信息進行計算和判斷，并 輸出串聯(lián)控制信號，控制開關(guān)動作，兩組整流橋輸出由原來的并聯(lián)方式轉(zhuǎn)為串聯(lián)方式連接。 盡管風速較低，發(fā)電機的兩套繞組的輸出端電壓也低，但經(jīng)過這種連接方式，輸出電壓仍可 達到設定值。 在整個發(fā)電過程中，控制變換器要根據(jù)風速，發(fā)電機轉(zhuǎn)速以及負載大小的不同，及 時合理的調(diào)整發(fā)電機的勵磁無功功率，以使輸出電壓保持穩(wěn)定和兩組整流橋輸出的串并聯(lián) 之間的快速切換。
本發(fā)明不同于現(xiàn)有的系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)(圖1)的一個重要特點在于功率繞組由為六
相，由兩組Y型繞組組成，它們分別整流輸出，在低風速區(qū)，由適當?shù)目刂品椒?，兩組整流橋
輸出按串聯(lián)的方式連接，從而使得該發(fā)電系統(tǒng)低風下也可輸出較高的電壓，同時通過控制
變換器的對發(fā)電機勵磁無功功率進行控制使得輸出電壓恒定，這樣可以拓寬低風速風能利
用能力。在高風速區(qū)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速較高，兩組整流橋的輸出電壓可達到設定值，這時通過控
制開關(guān)的控制，兩組整流橋輸出按并聯(lián)的方式輸出。 具體定子雙繞組異步風力發(fā)電系統(tǒng)的控制方法如下 (1)在低風速區(qū)即所述定子雙繞組異步發(fā)電機1的轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速的2/3，數(shù)字 信號處理器15輸出串聯(lián)控制信號，控制控制開關(guān)4動作將第一整流橋2、第二整流橋3輸 出按串聯(lián)方式連接即第一整流橋2的負輸出端通過控制開關(guān)4接第二整流橋3的正輸出
丄山
順； (2)隨著風速上升到一定值即所述定子雙繞組異步發(fā)電機1的轉(zhuǎn)速達到設定轉(zhuǎn)速 即額定轉(zhuǎn)速的2/3，數(shù)字信號處理器15根據(jù)風速、第一電流傳感器10檢測得到的控制繞組 電流信號、第二電流傳感器11檢測得到的第二整流橋3輸出電流信號、第一電壓傳感12器 檢測得到的控制繞組線電壓信號、第二電壓傳感器13檢測得到的逆變器20輸入電壓信號 和第三電壓傳感器14檢測得到的控制變換器7輸入直流電壓信號輸出并聯(lián)控制信號，控制 控制開關(guān)4動作將第一整流橋2、第二整流橋3輸出按并聯(lián)方式連接即第一整流橋2的負 輸出端通過控制開關(guān)4接第二整流橋3的負輸出端、第一整流橋2的正輸出端通過控制開 關(guān)4接第二整流橋3的正輸出端； (3)在高風速區(qū)即所述定子雙繞組異步發(fā)電機1的轉(zhuǎn)速大于設定轉(zhuǎn)速即額定轉(zhuǎn)速 的2/3，同步驟(2)所述將第一整流橋2、第二整流橋3輸出按并聯(lián)方式連接。
權(quán)利要求
一種定子雙繞組異步風力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于包括主回路、檢測回路和控制回路，主回路由定子雙繞組異步發(fā)電機(1)、第一整流橋(2)、第二整流橋(3)、控制開關(guān)(4)、三個濾波電感(5)、勵磁電容(6)、控制變換器(7)、小容量蓄電池(8)、二極管(9)、控制側(cè)直流電容(17)和功率側(cè)直流電容(18)組成；檢測回路由第一電流傳感器(10)、第二電流傳感器(11)和第一至第三電壓傳感器(12、13、14)組成；控制回路由數(shù)字信號處理器(15)和控制變換器的驅(qū)動電路(16)組成；其中定子雙繞組異步發(fā)電機(1)的功率繞組為6相雙Y型結(jié)構(gòu)，控制繞組為三相Y型結(jié)構(gòu)；二極管(9)的陽極串接小容量蓄電池(8)后分別接控制側(cè)直流電容(17)、控制變換器(7)的負輸入端，二極管(9)的陰極分別接控制側(cè)直流電容(17)、控制變換器(7)的正輸入端，第三電壓傳感器(14)設置于控制變換器(7)的輸入端上，第三電壓傳感器(14)的輸出端接數(shù)字信號處理器(15)的輸入端，控制變換器(7)的三相輸出端分別串接一個濾波電感后分別接勵磁電容組(6)的輸入端和定子雙繞組異步發(fā)電機(1)的三相控制控制繞組的輸入端，第一電壓傳感器(12)設置于定子雙繞組異步發(fā)電機(1)的三相控制繞組的輸入端上，第一電流傳感器(10)設置于定子雙繞組異步發(fā)電機(1)的任意兩相控制繞組的輸入端上，第一電流傳感器(10)和第一電壓傳感器(12)的輸出端分別接數(shù)字信號處理器(15)的輸入端，定子雙繞組異步發(fā)電機(1)的一個三相功率繞組輸出端接第一整流橋(2)的輸入端，定子雙繞組異步發(fā)電機(1)的另一個三相功率繞組輸出端接第二整流橋(3)的輸入端，第一整流橋(2)的正輸出端分別接控制開關(guān)(4)的正輸出端、功率側(cè)直流電容(18)的正輸入端、直流負載(19)的一端和輸出逆變器(20)的正輸入端，第一整流橋(2)的負輸出端接控制開關(guān)(4)的負輸入端，第二整流橋(3)的正輸出端接控制開關(guān)(4)的正輸入端，第二整流橋(3)的負輸出端分別接控制開關(guān)(4)的負輸出端、功率側(cè)直流電容(18)的負輸入端、直流負載(19)的另一端和輸出逆變器(20)的負輸入端，逆變器(20)的輸出端接三相電網(wǎng)的輸入端，第二電流傳感器(11)設置于第二整流橋(3)的負輸出端上，第二電壓傳感器(13)設置于功率側(cè)直流電容(18)正負輸入端上，第二電流傳感器(11)和第二電壓傳感器(13)的輸出端分別接數(shù)字信號處理器(15)的輸入端，數(shù)字信號處理器(15)的控制端分別接控制開關(guān)(4)和控制變換器的驅(qū)動電路(16)的控制端，控制變換器的驅(qū)動電路(16)的輸出端接控制變換器(7)的輸入端。
2. —種基于權(quán)利要求1所述的定子雙繞組異步風力發(fā)電系統(tǒng)的控制方法，其特征在 于，包括如下步驟(1) 在低風速區(qū)即所述定子雙繞組異步發(fā)電機(1)的轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速的2/3，數(shù)字 信號處理器(15)輸出串聯(lián)控制信號，控制控制開關(guān)(4)動作將第一整流橋(2)、第二整流 橋(3)輸出按串聯(lián)方式連接即第一整流橋(2)的負輸出端通過控制開關(guān)(4)接第二整流橋 (3)的正輸出端;(2) 隨著風速上升到一定值即所述定子雙繞組異步發(fā)電機(1)的轉(zhuǎn)速達到設定轉(zhuǎn)速即 額定轉(zhuǎn)速的2/3，數(shù)字信號處理器(15)根據(jù)風速、第一電流傳感器(10)檢測得到的控制繞 組電流信號、第二電流傳感器(11)檢測得到的第二整流橋(3)輸出電流信號、第一電壓傳 感器(12)檢測得到的控制繞組線電壓信號、第二電壓傳感器(13)檢測得到的系統(tǒng)輸出直 流電壓信號和第三電壓傳感器(14)檢測得到的控制變換器(7)的輸入直流電壓信號輸出 并聯(lián)控制信號，控制控制開關(guān)(4)動作將第一整流橋(2)、第二整流橋(3)輸出按并聯(lián)方 式連接即第一整流橋(2)的負輸出端通過控制開關(guān)(4)接第二整流橋(3)的負輸出端、第一整流橋(2)的正輸出端通過控制開關(guān)(4)接第二整流橋(3)的正輸出端；(3)在高風速區(qū)即所述定子雙繞組異步發(fā)電機(1)的轉(zhuǎn)速大于設定轉(zhuǎn)速即額定轉(zhuǎn)速的 2/3，同步驟(2)所述將第一整流橋(2)、第二整流橋(3)輸出按并聯(lián)方式連接。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種定子雙繞組異步風力發(fā)電系統(tǒng)及控制方法，本發(fā)明系統(tǒng)包括主回路、檢測回路和控制回路，主回路由定子雙繞組異步發(fā)電機、第一整流橋、第二整流橋、控制開關(guān)、濾波電感、勵磁電容、控制變換器、小容量蓄電池、二極管、控制側(cè)直流電容和功率側(cè)直流電容組成；檢測回路由第一電流傳感器、第二電流傳感器和第一至第三電壓傳感器組成；控制回路由數(shù)字信號處理器和控制變換器的驅(qū)動電路組成。本發(fā)明方法通過兩組整流橋輸出的串聯(lián)或并聯(lián)實現(xiàn)系統(tǒng)在寬風速范圍內(nèi)均可滿足輸出電壓的要求，同時及時合理的調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁無功使輸出電壓保持恒定和兩組整流橋輸出串并聯(lián)之間的快速切換。本發(fā)明無電刷滑環(huán)，輸出電壓穩(wěn)定，可在寬風速范圍內(nèi)發(fā)電，能適應直驅(qū)運行。
文檔編號H02P9/14GK101764566SQ201010018309
公開日2010年6月30日 申請日期2010年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月13日
發(fā)明者卜飛飛, 施凱, 胡育文, 黃文新 申請人:南京航空航天大學