專利名稱：一種離網(wǎng)型雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其最大風(fēng)能捕獲方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種離網(wǎng)型雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其最大風(fēng)能捕獲方法，屬于離網(wǎng)型雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其最大風(fēng)能捕獲方法的改造技術(shù)。
背景技術(shù)：
風(fēng)力發(fā)電是解決當(dāng)前能源短缺和環(huán)境污染問題的有效方式，按是否接入電網(wǎng)可分為并網(wǎng)型和離網(wǎng)型兩種方式。對于電網(wǎng)難以覆蓋且風(fēng)能資源豐富的偏遠(yuǎn)地區(qū)，如果因地制宜地建設(shè)離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，既可免去鋪設(shè)長距離輸電線路或遠(yuǎn)程運(yùn)送燃料的費(fèi)用，又可滿足當(dāng)?shù)鼐用裆a(chǎn)生活用電需求，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)文化發(fā)展。雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有變速恒頻發(fā)電、提高風(fēng)能利用率、減小傳動(dòng)鏈應(yīng)力等優(yōu)點(diǎn)， 而且其功率變流器容量僅為發(fā)電機(jī)容量的30%左右，大幅度降低了電力電子裝置的成本， 因此得到了廣泛應(yīng)用。目前關(guān)于雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)的研究，主要圍繞并網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)，目前已成功解決了無沖擊并網(wǎng)、功率解耦、最大風(fēng)能捕獲、低電壓穿越、電網(wǎng)電壓不平衡工況下的控制等關(guān)鍵技術(shù)問題。然而，對于離網(wǎng)型雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其最大風(fēng)能捕獲問題尚未得到解決。對于并網(wǎng)型雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，由于電網(wǎng)容量遠(yuǎn)大于發(fā)電機(jī)容量，并網(wǎng)發(fā)電后發(fā)電機(jī)定子電壓恒等于電網(wǎng)電壓，控制方案無需考慮對定子電壓的控制，因此只需要采用轉(zhuǎn)子側(cè)變流器便可實(shí)現(xiàn)對雙饋發(fā)電機(jī)輸出功率的控制，從而使風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速變化， 實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲。并網(wǎng)型雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大風(fēng)能捕獲控制較為簡單，而且目前已經(jīng)取得很好的控制效果。離網(wǎng)型雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸出與獨(dú)立負(fù)載連接，其運(yùn)行特點(diǎn)、控制策略與并網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)存在很大的區(qū)別
1、發(fā)電機(jī)容量與負(fù)載容量接近，發(fā)電系統(tǒng)失去無窮大電網(wǎng)的支撐，雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)變流器主要用于控制雙饋發(fā)電機(jī)的定子電壓，使其維持在額定值，無法再參與功率的調(diào)節(jié)；
2、雙饋發(fā)電機(jī)的定子電壓確定后，定子輸出電流決定于負(fù)載電流，因此定子輸出功率由負(fù)載功率決定，而不是根據(jù)風(fēng)速改變，無法實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率低。綜上所述，現(xiàn)有的離網(wǎng)型雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制方法，僅僅依靠轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制雙饋發(fā)電機(jī)，而負(fù)載側(cè)變流器僅負(fù)責(zé)控制直流母線電壓，并未參與雙饋發(fā)電機(jī)的功率控制。因此，現(xiàn)有控制方案只能將發(fā)電系統(tǒng)的輸出電壓維持在額定值，而發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率完全由負(fù)載決定，不能跟蹤風(fēng)速變化，發(fā)電系統(tǒng)不具備最大風(fēng)能捕獲能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于考慮上述問題而提供一種通過負(fù)載側(cè)變流器控制雙饋發(fā)電機(jī)定子繞組的有功電流分量，從而控制雙饋發(fā)電機(jī)的輸出功率和轉(zhuǎn)速，使其跟蹤風(fēng)速變化，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，提高發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)能利用率和經(jīng)濟(jì)效益的離網(wǎng)型雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。本發(fā)明的另一目的在于提供一種控制簡單方便的離網(wǎng)型雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大風(fēng)能捕獲方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是本發(fā)明的離網(wǎng)型雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，包括有風(fēng)力機(jī)、齒輪箱、雙饋發(fā)電機(jī)、轉(zhuǎn)子側(cè)變流器、直流母線電容、負(fù)載側(cè)變流器、濾波電感、負(fù)載、蓄電池、雙向DC/DC變流器、負(fù)載側(cè)變流控制器、轉(zhuǎn)子側(cè)變流控制器、DC/DC變流控制器、電壓傳感器、 電流傳感器、編碼器、電流傳感器、電壓傳感器，其中齒輪箱的輸入軸與風(fēng)力機(jī)的輸出軸連接，雙饋發(fā)電機(jī)的輸入軸與齒輪箱的輸出軸連接，且雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子與編碼器同軸連接， 雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組經(jīng)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器與直流母線電容連接，雙饋發(fā)電機(jī)的定子繞組經(jīng)電流傳感器向負(fù)載供電；直流母線電容經(jīng)負(fù)載側(cè)變流器及濾波電感與負(fù)載連接；蓄電池經(jīng)雙向DC/DC變流器與直流母線電容連接；負(fù)載側(cè)變流控制器采樣電壓傳感器、電流傳感器和編碼器的輸出信號，生成空間矢量PWM信號驅(qū)動(dòng)負(fù)載側(cè)變流器；轉(zhuǎn)子側(cè)變流控制器采樣電壓傳感器和編碼器的輸出信號，生成空間矢量PWM信號驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器；DC/DC變流控制器采樣電流傳感器和電壓傳感器的輸出信號，生成PWM信號驅(qū)動(dòng)雙向DC/DC變流器。本發(fā)明離網(wǎng)型雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大風(fēng)能捕獲方法，包括如下步驟
1)利用電壓傳感器(14)采樣三相定子電壓信號
Usaic，利用電流傳感器采樣三相定子電流信號，利用編碼器檢測雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速
2)將采集得到的三相定子電壓信號Ms*和定子電流信號分別經(jīng)過靜止三相/ 兩相坐標(biāo)變換，得到定子電壓矢量Wsc^和定子電流矢；
3)根據(jù)定子電壓Msa、計(jì)算電壓角度g,求微分得同步轉(zhuǎn)速；
4)將靜止坐標(biāo)系中的定子電壓矢量Iiso^和定子電流矢量分別經(jīng)過旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，得到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的定子電壓Mg、“^和定子電流、4y ,由于控制器采用定子電壓定向
權(quán)利要求
1.一種離網(wǎng)型雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于包括有風(fēng)力機(jī)(1)、齒輪箱(2)、雙饋發(fā)電機(jī)(3)、轉(zhuǎn)子側(cè)變流器(4)、直流母線電容(5)、負(fù)載側(cè)變流器(6)、濾波電感(7)、負(fù)載(8)、蓄電池(9)、雙向DC/DC變流器(10)、負(fù)載側(cè)變流控制器(11)、轉(zhuǎn)子側(cè)變流控制器 (12)、DC/DC變流控制器(13)、電壓傳感器(14)、電流傳感器(15)、編碼器(16)、電流傳感器(17)、電壓傳感器(18)，其中齒輪箱⑵的輸入軸與風(fēng)力機(jī)⑴的輸出軸連接，雙饋發(fā)電機(jī)(3)的輸入軸與齒輪箱(2)的輸出軸連接，且雙饋發(fā)電機(jī)(3)的轉(zhuǎn)子與編碼器(16)同軸連接，雙饋發(fā)電機(jī)(3)的轉(zhuǎn)子繞組經(jīng)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器(4)與直流母線電容(5)連接，雙饋發(fā)電機(jī)⑶的定子繞組經(jīng)電流傳感器(15)向負(fù)載⑶供電；直流母線電容(5)經(jīng)負(fù)載側(cè)變流器(6)及濾波電感(7)與負(fù)載⑶連接；蓄電池(9)經(jīng)雙向DC/DC變流器(10)與直流母線電容(5)連接；負(fù)載側(cè)變流控制器(11)采樣電壓傳感器(14)、電流傳感器(15)和編碼器 (16)的輸出信號，生成空間矢量PWM信號驅(qū)動(dòng)負(fù)載側(cè)變流器(6)；轉(zhuǎn)子側(cè)變流控制器(12) 采樣電壓傳感器(14)和編碼器(16)的輸出信號，生成空間矢量PWM信號驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器(4) ；DC/DC變流控制器(13)采樣電流傳感器(17)和電壓傳感器(18)的輸出信號，生成 PWM信號驅(qū)動(dòng)雙向DC/DC變流器(10)。
2.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的離網(wǎng)型雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大風(fēng)能捕獲方法，其特征在于包括如下步驟1)利用電壓傳感器(14)采樣三相定子電壓信號 Umbc，利用電流傳感器(15)采樣三相定子電流信號Isflie，利用編碼器(16)檢測雙饋發(fā)電機(jī)⑶的轉(zhuǎn)速；2)將采集得到的三相定子電壓信號Msaie和定子電流信號分別經(jīng)過靜止三相/ 兩相坐標(biāo)變換，得到定子電壓矢量Msi^和定子電流矢量；3)根據(jù)定子電壓Msa、碎#計(jì)算電壓角度,求微分得同步轉(zhuǎn)速；4)將靜止坐標(biāo)系中的定子電壓矢量Wsfl^和定子電流矢量分別經(jīng)過旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，得到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的定子電壓Wsii、M_和定子電流is<i、iSg ,由于控制器采用定子電壓定向，Msd =|Ms |、 二 0 ；5)將采集到的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速除以齒輪箱(2)變比得風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速結(jié)合風(fēng)力機(jī)(1) 轉(zhuǎn)速和最大功率曲線，計(jì)算實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲所需的雙饋發(fā)電機(jī)(3)總輸出有功功率P ,hiksipmmmA^P^ = 0.50ηοπΚ2 (O)tRUrrf Y ；rnoptMopij! maz*\ r opt /6)根據(jù)雙饋發(fā)電機(jī)(3)轉(zhuǎn)速、同步轉(zhuǎn)速l s和定、轉(zhuǎn)子功率分配關(guān)系，計(jì)算雙饋發(fā)電機(jī)(3)總輸出有功功率為時(shí)的定子輸出有功功率€φ ，定、轉(zhuǎn)子功率分配關(guān)系的表達(dá)式為 Psopt = PmoptayS ！mY 7)根據(jù)實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲所需的雙饋發(fā)電機(jī)(3)定子有功功率J^pi和定子電壓My，計(jì)算雙饋發(fā)電機(jī)⑶的定子J軸電流參考值I:,定子電流參考值的計(jì)算公式為 f - ρ Ujhd — ι sopt ‘ mSd ‘‘8)將定子i/軸電流參考值f:與實(shí)際值ι-的偏差、定子g軸電流參考值與實(shí)際值 isq的偏差分別經(jīng)過PI控制，得到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中負(fù)載側(cè)變流器(6)控制電壓,Uiq9)將同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中負(fù)載側(cè)變流器(6)的控制電壓Mc^Mg經(jīng)過旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)逆變換，產(chǎn)生靜止坐標(biāo)系中負(fù)載側(cè)變流器(6)的控制電壓Mki、“經(jīng)空間矢量PWM調(diào)制產(chǎn)生PWM信號控制負(fù)載側(cè)變流器(6)中的功率開關(guān)器件。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的離網(wǎng)型雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大風(fēng)能捕獲方法，其特征在于上述轉(zhuǎn)子側(cè)變流器(4)不參與雙饋發(fā)電機(jī)(3)的功率調(diào)節(jié)，只負(fù)責(zé)控制雙饋發(fā)電機(jī)(3)三相定子電壓Msafe的幅值、頻率維持在額定值。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的離網(wǎng)型雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大風(fēng)能捕獲方法，其特征在于上述轉(zhuǎn)子側(cè)變流控制器(12)無需測量雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流，也無需對轉(zhuǎn)子電流進(jìn)行旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的離網(wǎng)型雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大風(fēng)能捕獲方法，其特征在于上述直流母線電容(5)借助蓄電池(9)的充放電減小直流電壓波動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明是一種離網(wǎng)型雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其最大風(fēng)能捕獲方法。該發(fā)電系統(tǒng)包括雙饋發(fā)電機(jī)、轉(zhuǎn)子側(cè)變流器、負(fù)載側(cè)變流器、雙向DC/DC變流器、負(fù)載側(cè)變流控制器、轉(zhuǎn)子側(cè)變流控制器、DC/DC變流控制器等，本發(fā)明負(fù)載側(cè)變流控制器根據(jù)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速和最大功率曲線，計(jì)算實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲所需的定子電流參考值，將定子電流參考值與反饋值的偏差輸入比例積分控制器，產(chǎn)生負(fù)載側(cè)變流器的控制電壓，生成空間矢量PWM信號驅(qū)動(dòng)負(fù)載側(cè)變流器的功率開關(guān)器件。轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制雙饋發(fā)電機(jī)定子電壓維持在額定值，負(fù)載側(cè)變流器控制雙饋發(fā)電機(jī)定子輸出功率，解決目前離網(wǎng)型雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定和最大風(fēng)能捕獲的問題，提高發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)能利用率和經(jīng)濟(jì)效益。
文檔編號H02P21/14GK102255596SQ20111019853
公開日2011年11月23日 申請日期2011年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月15日
發(fā)明者何薇薇, 唐雄民, 張淼, 程良倫, 章云, 陳思哲 申請人:廣東工業(yè)大學(xué)