CN101459405A - 电励磁双凸极双速风力发电机系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种电励磁双凸极双速风力发电机系统及其控制方法，该系统从左往右依次设置有风轮机、转速传感器、第一电励磁双凸极电机、第二电励磁双凸极电机和桥式整流器，还包括励磁电路、第一励磁绕组、第二励磁绕组、风轮转速检测电路、主控单元、驱动电路、调压器主电路、综合保护电路、采样调理电路、励磁电源、电压传感器、电流传感器、输出电压检测电路和输出电流检测电路。本发明所述控制方法具有两种工作方式，通过反馈转速切换工作方式。本发明结构简单，控制方便，具有非常好的实用性与可行性。

Description

电励磁双凸极双速风力发电机系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种电励磁双凸极双速风力发电机系统及其控制方法，属于风力发电领域、特种电机控制领域。

背景技术

风能是一种无污染、可再生绿色能源。开发风能，大力发展风力发电，对于解决全球性的能源危机和环境危机具有重要意义，成为各国学者研究的热点。近几十年来，风力发电技术得到了飞速发展，变桨矩控制、变速恒频发电、无齿轮箱直驱等众多先进技术从实验室走向现场，得到了广泛应用。目前，国内外主流定桨矩、失速型风力发电系统多采用异步电机，由于风力发电机长时间工作在额定风速以下，为了提高低风速时发电机的效率问题，异步风力发电机常采用6/4极双速结构，通过改变极数使风力发电机能够运行在小电机与大电机两种工作方式，以获得不同风速下最大发电效率。即在低风速时，风力发电机以小电机工作方式(6极结构)运行，达到切换风速以后，以大电机工作方式运行(4极结构)。

定桨矩、失速型电励磁双凸极风力发电系统同样存在低速效率问题，而电励磁双凸极发电机的结构与异步发电机有着很大的区别，无法采用双速变极结构以获得最大效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术存在的缺陷提出一种电励磁双凸极双速风力发电机系统及其控制方法。

本发明电励磁双凸极双速风力发电机系统，其特征在于该系统从左往右依次设置有风轮机、转速传感器、第一电励磁双凸极电机、第二电励磁双凸极电机和桥式整流器，还包括励磁电路、第一励磁绕组、第二励磁绕组、风轮转速检测电路、主控单元、驱动电路、调压器主电路、综合保护电路、采样调理电路、励磁电源、电压传感器、电流传感器、输出电压检测电路和输出电流检测电路；其中风轮机、第一电励磁双凸极电机和第二电励磁双凸极电机同轴安装，风轮机与第一电励磁双凸极电机之间的转轴上设置有转速传感器，转速传感器的输出端接风轮转速检测电路的输入端，风轮转速检测电路的输出端接主控单元的输入端，桥式整流器的输入端分别接第一电励磁双凸极电机的输出端和第二电励磁双凸极电机的输出端，桥式整流器的输出端设置有电压传感器和电流传感器，电压传感器的输出端接输出电压检测电路的输入端，电流传感器的输出端接输出电流检测电路的输入端，输出电压检测电路的输出端和输出电流检测电路的输出端分别接采样调理电路的输入端，采样调理电路的输出端分别接主控单元的输入端和综合保护电路的输入端，综合保护电路的输出端接主控单元的输入端，主控单元的输出端串接驱动电路后接调压器主电路的输入端，励磁电源的输出端接调压器主电路的输入端，调压器主电路的输出端分别接第一励磁绕组的输入端和第二励磁绕组的输入端，第一励磁绕组的输出端接第一电励磁双凸极电机的输入端，第二励磁绕组的输出端接第二电励磁双凸极电机的输入端。

所述的电励磁双凸极双速风力发电机系统的控制方法，其特征在于：将转速传感器检测得到的风轮机速度信号经过风轮转速检测电路得到反馈速度ω_n，将电压传感器检测得到的输出电压信号经过电压检测电路得到采样电压信号，将电流传感器检测得到的输出电流信号经过输出电流检测电路得到采样电流信号，将采样电压信号和采样电流信号经过采样调理电路得到调理信号，将调理信号经过综合保护电路得到保护信号，将所述反馈速度ω_n、调理信号和保护信号经过主控单元得到脉宽调制信号PWM，将脉宽调制信号PWM依次经过驱动电路、调压器主电路输出第一励磁电流i_f1和第二励磁电流i_f2；

当风轮机反馈速度ω_n小于设定的切换转速ω_q，则调压器主电路只输出第一励磁电流i_f1，将所述第一励磁电流i_f1通过第一励磁绕组输出至第一电励磁双凸极电机，将第一电励磁双凸极电机输出的第一电磁转矩T_e1输出至风轮机控制风轮机转速，将第一电励磁双凸极电机输出的第一整流电压经V1过桥式整流器得到第一最大输出功率P_o1；

当风轮机反馈速度ω_n大于设定的切换转速ω_q，则调压器主电路输出第一励磁电流i_f1和第二励磁电流i_f2，将所述第一励磁电流i_f1过第一励磁绕组输出至第一电励磁双凸极电机，第二励磁电流i_f2通过第二励磁绕组输出至第二电励磁双凸极电机，将第一电励磁双凸极电机和第二电励磁双凸极电机输出的合成电磁转矩T_e输出至风轮机控制风轮机转速，将第一电励磁双凸极电机和第二电励磁双凸极电机输出的合成整流电压经V过桥式整流器得到第二最大输出功率P_o2。

本发明具有以下有益效果：

1、采用新型电励磁双凸极双速风力发电机及其控制方法，使电励磁双凸极风力发电机在低风速下、额定风速下均有较高的发电效率，解决了定桨矩、失速型电励磁双凸极风力发电系统存在的低速运行效率问题。

2、新型电励磁双凸极双速风力发电机由于采用双机联动方式，控制相对独立，具有很好的故障容错功能，因此在单机出现故障时，发电机组仍能够发电工作。

3、新型电励磁双凸极双速风力发电机结构简单，控制方便，具有非常好的实用性与可行性。

附图说明

图1：本发明控制系统示意图；

图2：本发明双速风力发电机结构图；

图3：本发明系统输出功率—风速曲线图；

图4：本发明整流发电电路图。

具体实施方式

如图1所示。本发明电励磁双凸极双速风力发电机系统，其特征在于该系统从左往右依次设置有风轮机、转速传感器、第一电励磁双凸极电机、第二电励磁双凸极电机和桥式整流器，还包括励磁电路、第一励磁绕组、第二励磁绕组、风轮转速检测电路、主控单元、驱动电路、调压器主电路、综合保护电路、采样调理电路、励磁电源、电压传感器、电流传感器、输出电压检测电路和输出电流检测电路；其中风轮机、第一电励磁双凸极电机和第二电励磁双凸极电机同轴安装，风轮机与第一电励磁双凸极电机之间的转轴上设置有转速传感器，转速传感器的输出端接风轮转速检测电路的输入端，风轮转速检测电路的输出端接主控单元的输入端，桥式整流器的输入端分别接第一电励磁双凸极电机的输出端和第二电励磁双凸极电机的输出端，桥式整流器的输出端设置有电压传感器和电流传感器，电压传感器的输出端接输出电压检测电路的输入端，电流传感器的输出端接输出电流检测电路的输入端，输出电压检测电路的输出端和输出电流检测电路的输出端分别接采样调理电路的输入端，采样调理电路的输出端分别接主控单元的输入端和综合保护电路的输入端，综合保护电路的输出端接主控单元的输入端，主控单元的输出端串接驱动电路后接调压器主电路的输入端，励磁电源的输出端接调压器主电路的输入端，调压器主电路的输出端分别接第一励磁绕组的输入端和第二励磁绕组的输入端，第一励磁绕组的输出端接第一电励磁双凸极电机的输入端，第二励磁绕组的输出端接第二电励磁双凸极电机的输入端。

所述的电励磁双凸极双速风力发电机系统的控制方法，其特征在于：将转速传感器检测得到的风轮机速度信号经过风轮转速检测电路得到反馈速度ω_n，将电压传感器检测得到的输出电压信号经过电压检测电路得到采样电压信号，将电流传感器检测得到的输出电流信号经过输出电流检测电路得到采样电流信号，将采样电压信号和采样电流信号经过采样调理电路得到调理信号，将调理信号经过综合保护电路得到保护信号，将所述反馈速度ω_n、调理信号和保护信号经过主控单元得到脉宽调制信号PWM，将脉宽调制信号PWM依次经过驱动电路、调压器主电路输出第一励磁电流i_f1和第二励磁电流i_f2；

当风轮机反馈速度ω_n小于设定的切换转速ω_q，则调压器主电路只输出第一励磁电流i_f1，将所述第一励磁电流i_f1通过第一励磁绕组输出至第一电励磁双凸极电机，将第一电励磁双凸极电机输出的第一电磁转矩T_e1输出至风轮机控制风轮机转速，将第一电励磁双凸极电机输出的第一整流电压经V₁过桥式整流器得到第一最大输出功率P_o1；

当风轮机反馈速度ω_n大于设定的切换转速ω_q，则调压器主电路输出第一励磁电流i_f1和第二励磁电流i_f2，将所述第一励磁电流i_f1过第一励磁绕组输出至第一电励磁双凸极电机，第二励磁电流i_f2通过第二励磁绕组输出至第二电励磁双凸极电机，将第一电励磁双凸极电机和第二电励磁双凸极电机输出的合成电磁转矩T_e输出至风轮机控制风轮机转速，将第一电励磁双凸极电机和第二电励磁双凸极电机输出的合成整流电压经V过桥式整流器得到第二最大输出功率P_o2。

如图2所示。本发明电励磁双凸极双速风力发电机采用双体结构，在双速风力发电机机壳内设计两个功率等级不同的电励磁双凸极发电机同轴连接，同样分为小电机与大电机2种工作方式，设计小电机的效率为大电机的1/4～1/5。当风力发电机在低风速运行时，双速风力发电机运行在小电机工作状态，控制小电机励磁电流以输出额定电压，大电机不通入励磁电流(非工作状态，无电磁转矩)；当风速继续增大，增大的切换转速，给大电机通入励磁电流，此时小电机与大电机同时工作以获得最大功率。

如图3所示，定桨矩、失速型电励磁双凸极双速发电机系统，由风轮机、转速传感器、励磁控制器、小电机DEWG1即第一电励磁双凸极电机、小电机励磁绕组(第一励磁绕组)、大电机DEWG2即第二电励磁双凸极电机、大电机励磁绕组(第二励磁绕组)已经桥式整流器组成。当发电机系统起动后，在反馈转速ω_n以下，先给小电机DEWG1通入励磁电流，发电机处于小电机DEWG1工作状态，以获得低风速下的最大功率，大电机DEWG2不通入励磁电流(处于不工作状态)；当风速达到反馈转速ω_n以后，给大电机DEWG2通入励磁电流，大电机小电机同时工作，以获得额定风速下的最大功率。

如图4所示，图中绕组a₁、b₁、c₁分别为小电机DEWG1的三相绕组，绕组a₂、b₂、c₂分别为大电机DEWG2的三相绕组，第一二极管D₁至第十二二极管D₁₂为整流二极管，C为滤波电容，R_L为用电负载。其中第一二极管D₁至第六二极管D₆构成一个全桥整流电路，对小电机DEWG1进行整流；第一二极管D₇至第十二二极管D₁₂构成一个全桥整流电路，对大电机DEWG2进行整流。两个整流桥并联方式连接，给负载供电，构成电励磁双凸极双速风力发电机发电整流电路。

Claims (2)

1.一种电励磁双凸极双速风力发电机系统，其特征在于该系统从左往右依次设置有风轮机、转速传感器、第一电励磁双凸极电机、第二电励磁双凸极电机和桥式整流器，还包括励磁电路、第一励磁绕组、第二励磁绕组、风轮转速检测电路、主控单元、驱动电路、调压器主电路、综合保护电路、采样调理电路、励磁电源、电压传感器、电流传感器、输出电压检测电路和输出电流检测电路；其中风轮机、第一电励磁双凸极电机和第二电励磁双凸极电机同轴安装，风轮机与第一电励磁双凸极电机之间的转轴上设置有转速传感器，转速传感器的输出端接风轮转速检测电路的输入端，风轮转速检测电路的输出端接主控单元的输入端，桥式整流器的输入端分别接第一电励磁双凸极电机的输出端和第二电励磁双凸极电机的输出端，桥式整流器的输出端设置有电压传感器和电流传感器，电压传感器的输出端接输出电压检测电路的输入端，电流传感器的输出端接输出电流检测电路的输入端，输出电压检测电路的输出端和输出电流检测电路的输出端分别接采样调理电路的输入端，采样调理电路的输出端分别接主控单元的输入端和综合保护电路的输入端，综合保护电路的输出端接主控单元的输入端，主控单元的输出端串接驱动电路后接调压器主电路的输入端，励磁电源的输出端接调压器主电路的输入端，调压器主电路的输出端分别接第一励磁绕组的输入端和第二励磁绕组的输入端，第一励磁绕组的输出端接第一电励磁双凸极电机的输入端，第二励磁绕组的输出端接第二电励磁双凸极电机的输入端。

2.一种基于权利要求1所述的电励磁双凸极双速风力发电机系统的控制方法，其特征在于：将转速传感器检测得到的风轮机速度信号经过风轮转速检测电路得到反馈速度ω_n，将电压传感器检测得到的输出电压信号经过电压检测电路得到采样电压信号，将电流传感器检测得到的输出电流信号经过输出电流检测电路得到采样电流信号，将采样电压信号和采样电流信号经过采样调理电路得到调理信号，将调理信号经过综合保护电路得到保护信号，将所述反馈速度ω_n、调理信号和保护信号经过主控单元得到脉宽调制信号PWM，将脉宽调制信号PWM依次经过驱动电路、调压器主电路输出第一励磁电流i_f1和第二励磁电流i_f2；

当风轮机反馈速度ω_n小于设定的切换转速ω_q，则调压器主电路只输出第一励磁电流i_f1，将所述第一励磁电流i_f1通过第一励磁绕组输出至第一电励磁双凸极电机，将第一电励磁双凸极电机输出的第一电磁转矩T_e1输出至风轮机控制风轮机转速，将第一电励磁双凸极电机输出的第一整流电压经V₁过桥式整流器得到第一最大输出功率P_o1；

当风轮机反馈速度ω_n大于设定的切换转速ω_q，则调压器主电路输出第一励磁电流i_f1和第二励磁电流i_f2，将所述第一励磁电流i_f1过第一励磁绕组输出至第一电励磁双凸极电机，第二励磁电流i_f2通过第二励磁绕组输出至第二电励磁双凸极电机，将第一电励磁双凸极电机和第二电励磁双凸极电机输出的合成电磁转矩T_e输出至风轮机控制风轮机转速，将第一电励磁双凸极电机和第二电励磁双凸极电机输出的合成整流电压经V过桥式整流器得到第二最大输出功率P_o2。

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