CN100557941C - 绕线型无刷双馈发电机控制装置 - Google Patents

Abstract

一种绕线型无刷双馈发电机控制装置涉及风力发电机。本发明包括机组集控装置，集控装置连接信号传感器，设有控制信号输出端口，其中，控制装置设有机组集控制装置、励磁机交流励磁装置、发电机助磁装置、风速风向测量装置、发电机转速传感器和风机制动控制器；机组集控装置设有传感器测量的信号输入端口；励磁机交流励磁装置主回路输入侧与发电机定子输出端连接，输出侧主回路与励磁机定子绕组连接；发电机助磁装置主回路与发电机输出端连接，并接受机组集控装置的控制指令，发电机输出端通过并网开关、升压变压器与电网连接。本发明实现了机组的变速恒频运行，方便调节无功，降低了控制系统成本，提高了机组的安全性、可靠性和运行效率。

Description

绕线型无刷双馈发电机控制装置

技术领域

本发明涉及风力发电机，特别是变速恒频绕线型无刷双馈发电机控制装置。

背景技术

习知技术双馈感应发电机作为变速恒频型机组，在水电站、抽水蓄能电站，特别是在大型风力发电机组中得到广泛应用，因其机组可以变速恒频运行的特点，使发电机组的能量转换效率大大提高。由于大型MW级风力发电机组转速很低，一般在15-35rpm，如此低的转速将会使电机极对数增加、电机几何尺寸和重量都大大增加。目前的办法是通过增速齿轮箱升速，齿轮箱效率可达到97％、虽然故障率较高，但此办法可选用高速双馈感应发电机，一般为4/6极电机，从而减轻电机制造和成本上的麻烦。随着海上风电场机组容量的增大如3-5MW机组、甚至10MW容量的机组已在研发中。此型机组的可靠性，主要是由滑环和齿轮箱故障导致的停机，已成为突出问题，出于对风电机组可靠性、系统转换效率和机组综合成本的考虑，永磁直驱型同步风力发电机组便应运而生。中国专利CN200410003089.3公开了一种MW级直接驱动永磁外转子同步风力发电机，它采用多极外转子结构。该发电机包括固定轴、转动轴、线圈绕组、永磁磁钢、铁芯、定子和外转子，其中转动轴通过轴承安装于固定轴上，定子通过定子支架安装于固定轴上，外转子通过转子支架安装于转动轴上，在绕组线圈和定子支架之间可以设有轴向的冷却通风道；在外转子和定子之间的迎风面设有保护罩。该机组去掉损失系统效率、故障频繁的增速齿轮箱，没有传输大电流的滑环电刷，采用永磁材料励磁，励磁损耗降低，发电机发出频率变化的低频交流电，通过全功率变频器并网，从而实现风电机组的变速恒频发电。永磁直驱型同步风力发电机组由于其良好的可靠性，很高的系统效率，虽机组费用高于前者、但其维护成本低等诸多优势。此机型存在电机直径尺寸庞大，安装运输不便，发电机与全功率变流器成本高，发电机运行不便进行无功调节等技术缺陷。

发明内容

本发明所要解决的问题在于，克服袭用技术存在的上述缺陷，而提供一种绕线型无刷双馈发电机控制装置。

本发明目的是提供一种绕线型无刷双馈发电机控制装置。

本发明解决绕线型无刷双馈发电机控制装置技术问题是采取以下技术方案来实现：

依据本发明提供的一种绕线型无刷双馈发电机控制装置，包括机组集控装置，机组集控装置连接信号传感器，设有控制信号输出端口，其中，控制装置设有机组集控装置、励磁机交流励磁装置、发电机助磁装置、风速风向测量装置、发电机转速传感器和风机制动控制器；

机组集控装置设有风速传感器测量的信号输入端口、风向传感器测量的信号输入端口，设有与上位机远程通信的输出信号端口；机组集控装置与发电机机端电压互感器连接，以测得发电机机端电压数值，与发电机输出电流互感器连接，以测得发电机输出电流数值；机组集控装置与励磁电压互感器连接，以测得励磁机励磁电压数值，与励磁电流互感器连接，以测得励磁机励磁电流数值；机组集控装置连接发电机转速传感器和风机制动控制器；

励磁机交流励磁装置主回路输入侧通过投励开关与发电机定子输出端并网开关连接，交流励磁装置接受机组集控装置的控制指令，其输出侧主回路与励磁机定子绕组连接；

发电机助磁装置主回路与发电机定子输出端连接，并接受机组集控装置的控制指令，发电机定子输出端通过并网开关、升压变压器与电网连接。

本案解决绕线型无刷双馈发电机控制装置技术问题还可依以下技术措施进一步实现：

前述的绕线型无刷双馈发电机控制装置，其中，机组集控装置连接控制偏航机构，使风轮上风向旋转。

前述的绕线型无刷双馈发电机控制装置，其中，机组集控装置通过闭环控制变桨距机构，保持风轮额定风速以下以最佳风能利用率运行、额定风速以上以发电机额定输出功率运行；变桨距机构连接转速测量器、桨距角测量器、变桨伺服机构、伺服电机、变桨距控制装置。

前述的绕线型无刷双馈发电机控制装置，其中，励磁装置主回路由两组双向整流-逆变单元组成；发电机在同步转速以下运行时，励磁装置向励磁机定子提供励磁电流和部分有功能量，发电机超过同步转速运行时，励磁装置向励磁机定子提供励磁电流的同时，有部分有功能量馈向电网；励磁装置通过控制回路实现与机组集控装置的通信联系。

前述的绕线型无刷双馈发电机控制装置，其中，机组集控装置，设有电机温升监测端口，设有风轮制动信号输出端口。

前述的绕线型无刷双馈发电机控制装置，其中，发电机助磁装置设有电容器，电容器通过可控硅控制其投入数量，可控硅的导通控制由机组集控装置完成。

前述的绕线型无刷双馈发电机控制装置，其中，发电机助磁装置(22)和励磁机交流励磁装置(23)安装于内定子输出轴圆筒形空间内。

本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果。由以上技术方案可知，本发明在优异的结构配置下，至少有如下的优点：

本发明采用绕线型无刷双馈发电控制装置，在大型风力发电领域实现了机组的变速恒频运行，以约1/3发电机额定容量的变流励磁装置，可方便调节无功。本发明降低了控制系统成本，提高了机组的安全性、可靠性和运行效率。本发明对比现有技术有显著的贡献和进步，确实是具有新颖性、创造性、实用型的好技术。

本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

图1是本发明工作原理结构示意框图；

图2是本发明机组集控装置硬件结构示意框图；

图3是本发明控制绕线型套叠转子无刷双馈发电机的整体结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提供的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

如图1-3所示。

一种绕线型无刷双馈发电机控制装置，包括机组集控装置，机组集控装置连接信号传感器，设有控制信号输出端口，其中，控制装置设有机组集控装置24、励磁机交流励磁装置23、发电机助磁装置22、风速风向测量装置、发电机转速传感器和风机制动控制器；

机组集控装置24设有风速传感器测量的信号输入端口、风向传感器测量的信号输入端口，设有与上位机远程通信的输出信号端口；机组集控装置24与发电机机端电压互感器连接，以测得发电机机端电压数值，与发电机输出电流互感器T3连接，以测得发电机输出电流数值；机组集控装置24与励磁电压互感器T5连接，以测得励磁机励磁电压数值，与励磁电流互感器T4连接，以测得励磁机励磁电流数值；机组集控装置24连接发电机转速传感器和风机制动控制器；

励磁机交流励磁装置23主回路输入侧通过投励开关K2与发电机定子输出端并网开关连接，励磁机交流励磁装置23接受机组集控装置24的控制指令，其输出侧主回路与励磁机定子绕组连接；

发电机助磁装置22主回路与发电机定子输出端连接，并接受机组集控装置24的控制指令，发电机定子输出端通过并网开关K1、升压变压器T1与电网连接。

绕线型叠套转子无刷双馈电机WBDFG控制装置结构：

WBDFG控制装置包括机组集控装置、励磁机交流励磁装置、发电机助磁装置、偏航控制器、变桨控制器、风速风向测量装置、发电机转速传感器、风机制动控制器等。

机组集控装置24设有控制单元24-1、触摸屏24-2、上位远端中控计算机24-3、自动同期装置24-4、发电机侧适配单元24-5、励磁机侧适配单元24-6、保护控制单元24-7。控制单元24-1设有风速、风向、转速、电机温升信号输入端口，开关K1、开关K2、偏航控制、变桨调节、解缆输出、风轮制动开关等信号输出端口。

机组集控装置24设有风速传感器测量的信号输入端口，风向传感器测量的信号输入端口，设有与上位机远程通信的输出信号端口，设有电机温升监测端口，设有风轮制动信号输出端口。

机组集控装置24与电压互感器连接，以测得发电机机端电压数值，与电流互感器T3连接，以测得发电机输出电流数值。

机组集控装置24与电压互感器T5连接，以测得励磁机励磁电压数值，与电流互感器T4连接，以测得励磁机励磁电流数值。励磁机交流励磁装置23主回路输入侧通过投励开关K2与发电机定子输出端并网开关内侧连接，励磁机交流励磁装置23接受机组集控装置24的控制指令，其输出侧主回路与WBDFG励磁机定子绕组连接，励磁机交流励磁装置23主回路由两组双向PWM整流-逆变单元Q1、Q2组成。WBDFG在同步转速以下运行时，Q1PWM整流、Q2PWM逆变，励磁机交流励磁装置23向励磁机定子提供励磁电流和部分有功能量，WBDFG在同步转速以上运行时，Q1PWM逆变、Q2PWM整流，励磁机交流励磁装置23向励磁机定子提供励磁电流的同时，有部分有功能量馈向电网。励磁机交流励磁装置23通过控制回路实现与机组集控装置24的通信联系。

发电机助磁装置22主回路与发电机输出端连接，并接受机组集控装置24的控制指令。发电机助磁装置22由n+1个电容器组成，并通过可控硅控制其投入数量，可控硅的导通控制由机组集控装置24完成，发电机输出端通过并网开关K1、升压变压器690/110000V TI与电网连接。

机组集控装置24通过偏航机构25控制WBDFG使风轮上风向旋转，机组集控装置24通过闭环控制变桨距机构29，保持风轮额定风速以下以最佳风能利用率运行、额定风速以上以发电机额定输出功率运行。变桨距机构29连接转速测量机构G1、桨距角测量机构G2、变桨伺服机构G3、伺服电机M1、变桨距控制装置G4。

以本发明控制绕线型套叠转子无刷双馈发电机为例，进行详细说明：

绕线型套叠转子无刷双馈发电机，包括发电机主体、定子、转子、风机叶片2、轮毂1，风机叶片2安装在轮毂1上，在发电机主体内，转子相对定子旋转的构造设置，风机叶片2带动轮毂1驱动转子旋转，其主体内设置套叠转子式发电机和励磁机，发电机和励磁机转子同轴安装，发电机和励磁机轴向并联结构设置；发电机和励磁机各自独立磁路，发电机转子绕组15极对数与发电机定子绕组14极对数相同，励磁机转子绕组16极对数与励磁机定子绕组7极对数相同。

绕线型套叠转子无刷双馈电机(WBDFG)结构：

WBDFG由两个多对极绕线转子电机复合而成，P_P对极电机为发电机，P_C对极电机为励磁机，其两电机极对数关系满足：P_P≥P_C。发电机和励磁机各自独立铁芯磁路，安装在一个外壳内。两电机转子同轴安装、且绕组为绕线式波绕组结构、导线为铜或铝材质，转子为多相最佳为三相，转子绕组极对数与各自定子绕组极对数相同，两转子绕组均为星型接线，两转子绕组出线端反相序连接。

绕线型套叠转子无刷双馈发电机套叠转子结构：

为了利用电机圆筒形结构的内部空间、缩短WBDFG的轴向长度，采用套叠转子结构。如图：风机叶片2安装在轮毂1上，轮毂1内设有通用的变桨距机构29，变桨距机构29在机组集控装置24的控制下，通过改变叶片2的桨距角，实现风轮转速的调节。轮毂安装板3用以将轮毂1与电机输出轴6连接。

套叠转子式WBDFG由励磁机和发电机轴向并联结构组成。兼作发电的励磁机由励磁机定子铁芯9、装在此铁芯槽中的励磁机定子绕组7、励磁机转子铁芯8、装在此铁芯槽中的励磁机转子绕组16组成，励磁机转子在励磁机定子外侧围绕励磁机定子旋转，励磁机定子铁芯9与励磁机转子铁芯8之间设有励磁机气隙12，励磁机定子绕组7与励磁机交流励磁装置23相连，励磁机转子绕组16通过转子绕组连接线13与发电机转子绕组15反相序连接。发电机由发电机定子铁芯11、装在此铁芯槽中的发电机定子绕组14、发电机转子铁芯10、装在此铁芯槽中的发电机转子绕组15组成，发电机转子在发电机定子内侧旋转，发电机定子铁芯11和发电机转子铁芯10之间设有发电机气隙17，发电机定子绕组14与发电机助磁装置22并联。

励磁机定子铁芯9安装在励磁机定子外壳32外侧，发电机定子铁芯11安装在电机外壳28内侧，励磁机定子外壳32与电机左轴端支撑板21、电机中部支撑板31和励磁机端部支撑板33连接成一个整体，并与机舱后盖20和电机外壳28连接。

励磁机转子铁芯8与发电机转子铁芯10安装在同一个圆筒形电机输出轴6的内外两侧，电机输出轴6分别与电机左端盖18和电机右端盖5连接，并由于其连接的电机右轴端支撑板30径向支撑，两端盖通过电机左轴承19和电机右轴承4支撑两转子同轴旋转。

电机外壳28底部与电机支撑板27连接，使电机倾斜5-10度，以防止叶片工作时与塔筒26刮蹭，电机底座处与塔筒顶部之间装设偏航机构25。

发电机助磁装置22装于内定子输出轴圆筒形空间内，与发电机定子绕组14并接，励磁机交流励磁装置23装于内定子输出轴圆筒形空间内，与励磁机定子绕组7连接，机组集控装置24装于内定子输出轴圆筒形空间内，与机组内外相关部件连接。

发电机偏航解缆控制、发电机安全保护控制、发电机工作状态信息监控同现有风电机组。

绕线型无刷双馈电机WBDFG电气控制方法如下：

WBDFG的励磁系统由励磁机交流励磁装置23与发电机助磁装置22组合而成，在机组集控装置24的控制下，完成发电机的起励升压、并网发电和无功调节。

起励控制：风力机在额定转速以下，以一定速度驱动WBDFG旋转，发电机处于与电网解裂状态，励磁机准备投励，发电机助磁装置22在机组集控装置24的调节下，使发电机逐渐建立电压，由机组集控装置24通过发电机机端电压互感器测得发电机输出电压，当发电机空载输出电压达到额定输出电压30％-60％时，机组集控装置24令K2闭合，励磁机交流励磁装置23投励，机组集控装置24调节励磁机交流励磁装置23，使发电机电压达到额定输出值、使发电机频率达到并网要求，准备并网。

并网控制：机组集控装置24通过发电机机端电压互感器、T6对K1两侧电压、相序、频率及通过G对风力机转速的测量，在发电机输出端与电网接线相序一致的条件下、机组集控装置24调节励磁机交流励磁装置23电压的幅值和频率，跟踪对电网侧和风力机转速测量的数据，当发电机输出端和电网侧的电压幅值、相序及频率达到并网技术要求的一致性后，由机组集控装置24内置的同期装置发出信号，令发电机并网开关K1自动闭合，完成并网。

变速恒频特性控制：目前国标规定风力发电机输出电压频率范围为：47.5Hz-51Hz。不管发电机转速如何变化，其定子电压频率满足此国标规定的频率范围、且与电网频率相同，风电机组就实现了变速恒频运行。具体控制过程如下：

随着风速的变化，机组集控装置24通过控制变桨距机构29以熟知的方式调节风力机叶片2的桨距角，即可调节发电机机械转速ω_r。励磁机交流励磁装置23通过励磁机定子绕组7馈入的交流励磁电流频率为f_C，该频率旋转磁场在励磁机转子绕组16产生感应电流其频率为S_Cf_C，该转子电流通过与励磁机转子绕组16反相序连接的发电机转子绕组15，形成发电机定子绕组14的励磁磁场，该励磁磁场相对发电机转子的机械旋转速度为 ${\mathrm{\ω}}_2=\frac{2\mathrm{\π}60S_C{f}_C}{P_P},$ 发电机定子电压频率即电网频率f₁，该频率磁场的旋转速度为 ${\mathrm{\ω}}_1=\frac{2\mathrm{\π}60f_1}{P_P}.$ 同步工作时，发电机转子的机械角速度和相对其旋转的励磁磁场同步旋转的角速度二者的和或差，始终与定子磁场同步旋转的角速度同步，三者关系以下式表示。

ω₁＝ω_r±ω₂  或者 ${\mathrm{\ω}}_1=\frac{2\mathrm{\π}60f_1}{P_P}={\mathrm{\ω}}_r\±\frac{2\mathrm{\π}60S_C{f}_C}{P_P}$

式中：发电机转速低于WBDFG的同步速时，取“+”号

发电机转速高于WBDFG的同步速时，取“-”号

由此以发电机定子输出电压频率f₁为目标，调节风力机转速即发电机转速ω_r和励磁机定子励磁电流频率f_C形成闭环控制，就可实现WBDFG的变速恒频特性控制。

有功控制：

WBDFG的转速也可表示为：

一般表示 $N=\frac{60(50\±f_C)}{P_P+P_C}$ 同步转速 $N_0=\frac{60\×50}{P_P+P_C}$ f_C＝0

其中N：风力机转速即发电机转速  f_C：励磁机定子励磁电流频率

在此关系式中，当N＜N₀时，交流励磁装置23向励磁机定子绕组7提供励磁电流的同时，还馈入滑差容量的有功功率，其馈入励磁电流相序使励磁机转子转向与发电机转向相反，上述表达式取“-”号，当N＞N₀时，交流励磁装置23向励磁机定子绕组7提供励磁电流的同时，还向电网馈入滑差容量的有功功率，其馈入励磁电流相序使励磁机转子转向与发电机转向相同，上述表达式取“+”号。在前述变速恒频特性控制方法中，分阶段按不同规律调节发电机转速，实现机组的有功控制。WBDFG并网运行后，风力机在低于额定风速以下运行时，机组集控装置24通过控制变桨距机构29以熟知的方式调节风力机叶片2的桨距角使其转速以风能利用系数最大模式运行，此阶段为风能利用率最大化阶段。在此阶段，当发电机转速低于同步转速即取“-”号区间，此转速区间励磁机提供励磁的同时还需从电网吸收容量等于发电机滑差功率的有功功率，此部分有功功率经励磁机定子绕组7、励磁机转子绕组16、发电机转子绕组15到发电机定子绕组14输出，此部分有功功率对电网没有贡献、且有一定的内部损耗，此区间WBDFG发电机效率最低。当发电机以同步转速工作时刻，即f_C＝0状态，励磁机只有励磁功率输入，发电机单独输出有功功率，此刻WBDFG发电机效率较高。当发电机转速高于同步转速即取“+”号区间，此区间励磁机提供励磁的同时，还有与发电机滑差功率相同的有功功率从发电机转子绕组15、励磁机转子绕组16、经励磁机定子绕组7馈入电网，此区间发电机、励磁机双侧同时向电网贡献有功，即所谓双馈发电，此区间WBDFG发电机效率很高。当风力机在额定及以上风速运行时，机组集控装置24通过控制变桨距机构29以熟知的方式调节风力机叶片2的桨距角使其转速基本恒定，WBDFG以额定功率输出模式运行，此阶段为恒功率输出阶段。恒功率输出阶段WBDFG为双馈发电，发电机的效率最高。

电压和无功控制：WBDFG在不同转速下均可并网，并网前当频率、相序满足要求后，发电机助磁装置22在机组集控装置24的调节下，使发电机逐渐建立电压，由机组集控装置24通过T2测得发电机输出电压，当发电机空载输出电压达到额定输出电压30％-60％时，机组集控装置24通过调节励磁机交流励磁装置23交流励磁电流的大小，从而调节发电机输出电压的高低。发电机并网运行后，机组集控装置24通过调节励磁机交流励磁装置23和发电机助磁装置22，使WBDFG向电网馈电的功率因数满足国标要求，

本发明利用励磁机侧的交流励磁装置与发电机侧的辅助励磁装置有机结合，在机组集控装置的调节下根据风电场运行要求完成满足国标要求的无功控制。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种绕线型无刷双馈发电机控制装置，包括机组集控装置，机组集控装置连接信号传感器，设有控制信号输出端口，其特征在于：控制装置设有机组集控装置(24)、励磁机交流励磁装置(23)、发电机助磁装置(22)、发电机转速传感器和风机制动控制器；

机组集控装置(24)设有风速传感器测量的信号输入端口、风向传感器测量的信号输入端口，设有与上位机远程通信的输出信号端口；机组集控装置(24)与发电机机端电压互感器连接，以测得发电机机端电压数值，与发电机输出电流互感器(T3)连接，以测得发电机输出电流数值；机组集控装置(24)与励磁电压互感器(T5)连接，以测得励磁机励磁电压数值，与励磁电流互感器(T4)连接，以测得励磁机励磁电流数值；机组集控装置(24)连接发电机转速传感器和风机制动控制器；

励磁机交流励磁装置(23)主回路输入侧通过投励开关(K2)与发电机定子输出端并网开关连接，励磁机交流励磁装置(23)接受机组集控装置(24)的控制指令，其输出侧主回路与励磁机定子绕组连接；

发电机助磁装置(22)主回路与发电机定子输出端连接，并接受机组集控装置(24)的控制指令，发电机定子输出端通过并网开关(K1)、升压变压器(T1)与电网连接。

2.如权利要求1所述的绕线型无刷双馈发电机控制装置，其特征在于：机组集控装置(24)连接控制偏航机构(25)，使风轮上风向旋转。

3.如权利要求1或2所述的绕线型无刷双馈发电机控制装置，其特征在于：机组集控装置(24)通过闭环控制变桨距机构(29)保持风轮额定风速以下以最佳风能利用率运行，超过额定风速以发电机额定输出功率运行；变桨距机构(29)连接转速测量器(G1)、桨距角测量器(G2)、变桨伺服机构(G3)、伺服电机(M1)、变桨距控制装置(G4)。

4.如权利要求3所述的绕线型无刷双馈发电机控制装置，其特征在于：励磁机交流励磁装置(23)主回路由两组双向整流-逆变单元组成；发电机在同步转速以下运行时，励磁机交流励磁装置(23)向励磁机定子提供励磁电流和部分有功能量，发电机超过同步转速运行时，励磁机交流励磁装置(23)向励磁机定子提供励磁电流的同时，有部分有功能量馈向电网；励磁机交流励磁装置(23)通过控制回路实现与机组集控装置(24)的通信联系。

5.如权利要求4所述的绕线型无刷双馈发电机控制装置，其特征在于：机组集控装置(24)，设有电机温升监测端口和风轮制动信号输出端口。

6.如权利要求5所述的绕线型无刷双馈发电机控制装置，其特征在于：发电机助磁装置(22)设有电容器，电容器通过可控硅控制其投入数量，可控硅的导通控制由机组集控装置(24)完成。

7.如权利要求6所述的绕线型无刷双馈发电机控制装置，其特征在于：发电机助磁装置(22)和励磁机交流励磁装置(23)安装于内定子输出轴圆筒形空间内。

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