CN101753089A - 直驱式定子双绕组异步发电机的风力发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种直驱式定子双绕组异步发电机的风力发电系统，其特征在于包括主回路、检测回路和控制回路，主回路由直驱式定子双绕组异步发电机、整流桥、功率绕组侧直流电容、滤波电感、控制变换器、励磁电容器组、控制侧直流电容组成；检测回路由电流传感器、第一至第m个电压传感器组成；控制回路由数字信号处理器和控制变换器的驱动电路组成。本发明在低速下输出较高的电压(可达数千伏等级)；它的控制绕组设计成较低电压等级。通过对励磁电容器组和控制变换器的联合控制，系统具有较好的稳态和动态性能。该风力发电系统，具有直驱运行，无电刷滑环，宽风速发电，成本低等优点。

Description

直驱式定子双绕组异步发电机的风力发电系统

技术领域

发明涉及一种能在低风速下进行发电的新型直驱式定子双绕组异步电机发电系统。

背景技术

世界性的能源短缺和环境的恶化极大地促进了风力发电等可再生能源发电系统的发展，独立电源系统对电源的容量和品质也提出了更高的要求。这些电源系统的共同点是都要求发电机能适应原动机的宽转速变化，而三相异步电机(特别是鼠笼型转子)因其结构简单坚固、可靠性高、易维护等优点越来越成为风力发电和独立电源系统的重要选择。

传统的异步发电机，因系统的成本较高，而且输出的电能品质较差，它的应用受到了限制。以电力电子为基础的鼠笼型异步电机发电系统，能够实现无功功率的连续调节，电源输出品质大大提高。不过该类发电机也存在一些不足：如串联励磁式三相异步电机发电系统的变换器容量较大，变换器的开关谐波容易注入负载；并联励磁式发电系统，需要较大体积的隔离电感，且系统性能受到负载的大小和性质影响很大。这些问题在一定程度上制约了三相异步发电机系统在上述领域中的发展。

2000年前后提出的定子双绕组异步发电机系统，对上述系统的不足进行了改进。该电机定子上放置两套绕组，一套为功率绕组，可以为三相，也可为多相，经整流后输出直流电；另一套为控制绕组，接电力电子变换器以调节发电机内部磁场，稳定功率绕组输出电压。两套绕组极对数相同，没有电气连接，仅通过电机内部磁场关联；发电机的转子为鼠笼结构。

国内对定子双绕组异步电机有所研究，海军工程大学在舰船电源系统中就是采用这种结构的异步发电机，但它的特点是发电机转速基本不变，其系统设计方法和控制方法不能使用于转速大范围变化的场合。南京航空航天大学率先对该发电机在宽变速范围内运行时的系统设计和发电机控制问题进行了研究，并提出相应的发明专利[200510041200.2]，如图1所示。

该定子双绕组发电机系统主要针对独立电源系统在恒功率区实现变速变负载运行，发电机的转速较高，不适应转速较低直驱式风力发电系统，这在一定程度上限制了定子双绕组发电机在低风速区风能捕获能力。同时由于输出电压等级不高，如将其应用到海上风力发电中，不能适应高压直流输电的方式，增加了后级高压直流输电的难度和成本。

发明内容

本发明目的是克服图1所示的定子双绕组异步发电机在低风速下不能输出较高的电压要的不足，对定子双绕组异步发电机系统的结构进行改进，提出一种直驱式定子双绕组异步发电机发电系统，在低风速下通过功率绕组的灵活连接形式使发电机输出数千伏的电压，同时采用励磁电容器组和控制变换器联合控制，可进一步减小变换器的容量，从而使系统具备直驱运行，宽风速发电，成本低等优点，能适应海上风力发电的高压直流输电的方式。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明直驱式定子双绕组异步发电机的风力发电系统，其特征在于包括主回路、检测回路和控制回路，主回路由直驱式定子双绕组异步发电机、m个输出整流桥、功率绕组侧直流电容、三个滤波电感、控制变换器、励磁电容器组、控制侧直流电容组成；检测回路由电流传感器、m+2个电压传感器组成；控制回路由数字信号处理器和控制变换器的驱动电路组成；其中直驱式定子双绕组异步发电机的功率绕组由m个独立单元构成，所述的每个独立单元为相同绕组结构的三相绕组，直驱式定子双绕组异步发电机的控制绕组为一组三相；控制侧直流电容的两端分别接控制变换器的正负输入端，第一电压传感器设置于控制变换器的正负输入端上，控制变换器的三相输出端分别串接一个滤波电感后并接励磁电容器组和直驱式定子双绕组异步发电机的三相控制绕组的输入端，第二电压传感器设置于直驱式定子双绕组异步发电机的三相控制绕组的输入端上，电流传感器设置于直驱式定子双绕组异步发电机任意两相控制绕组上，第一电压传感器、第二电压传感器和电流传感器的输出端接数字信号处理器的输入端，数字信号处理器的控制端分别接励磁电容器组和控制变换器的驱动电路的控制端，控制变换器的驱动电路的输出端接控制变换器的输入端，直驱式定子双绕组异步发电机的m个三相功率绕组输出端分别接m个整流桥的输入端，每个整流桥的正负输出端之间串接一个功率绕组侧直流电容，其中第一整流桥的正输出端接直流电网的正输入端，第m整流桥的负输出端接直流电网的负输入端，第一整流桥的负输出端接第二整流桥的正输出端，第二整流桥的负输出端接第三整流桥的正输出端，依此类推，第m-1个整流桥的负输出端接第m个整流桥的正输出端，第三至m+2个电压传感器分别依次设置于第一至第m个整流桥的正负输出端上，其中m为大于2的自然数。

所述的直驱式定子双绕组异步发电机的风力发电系统，其特征在于所述励磁电容器组包括n个子电容器组，n个子电容器组分别通过开关与控制绕组连接，所述开关接数字信号处理器的的控制端，其中n为大于1的自然数。

本发明与图1拓扑结构相比，最大的不同有两点：一是功率绕组极对数较多，电机转速较低，可直驱运行，功率绕组的灵活连接可输出较高等级的电压。二是励磁电容采用电容器组，并接在控制绕组，这样可以根据转速和负载的变化投切不同等级的电容值，再利用控制变换器动态响应快的优点可实现连续调节发电机的励磁无功。

附图说明

图1现有的定子双绕组异步电机发电系统结构框图。

图2适合于宽风速范围运行的新型直驱式定子双绕组异步电机发电系统。

图3新型直驱式定子双绕组异步发电机单元分布示意。

图4控制侧励磁电容器组结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

由图2可知本发明的定子双绕组异步电机发电系统包括直驱式定子双绕组异步发电机1、整流桥2-1，2-2……2-m、功率绕组侧直流电容3、滤波电感4、励磁变换5、励磁电容器组6、控制侧直流电容7组成的主回路；由电流传感器8、电压传感器9、10、11-1，11-2，……11-m组成的检测回路；由数字信号处理器12和控制变换器的驱动电路13组成的控制回路。控制变换器的开关管可以采用IGBT或者智能功率模块IPM。首先由控制侧电容器组自励建压，发电机控制侧电压通过三相全桥IPM内部的反并二极管整流，为控制绕组侧控制变换器直流侧电容充电，待功率侧直流电压达到切换值后，切换到闭环控制，由控制变换器和励磁电容器组继续建压，使功率侧和控制侧直流母线电压都最终稳定在设定值。当转速或负载发生变化时，通过投切不同的电容器组和控制变换器联合控制使输出电压保持恒定。

本发明针对这种能宽风速范围内运行并能输出高压直流电的直驱式定子双绕组异步电机发电系统所提出的新拓扑结构是：如图3所示，功率绕组按极相分组，形成数个低压单元，每个单元有一套三相控制绕组，每个单元的输出经整流后相串联，这样可以使输出电压等级达到数千伏，控制绕组设计成三相低压绕组，由于是低压单元，可采用常规的器件，降低了成本；控制绕组接有控制变换器和励磁电容器组，该电容器组有不同等级电容组成，如图4所示，所述励磁电容器组包括n个子电容器组，n个子电容器组分别通过开关与控制绕组连接，所述开关接数字信号处理器的的控制端，其中n为大于1的自然数。通过对二者的联合控制，可使得输出电压在负载和转速变化时保持恒定；当出现故障时，励磁电容器组与控制绕组切断，进行灭磁保护。

本发明提出的直驱式定子双绕组异步电机发电系统，发电机的转速较低，不需要齿轮箱增速，可实现直驱运行。功率绕组通过极相串联可输出较高的电压，同时各串联单元的电压等级不高，采用常规器件，成本较低。控制绕组侧接有励磁电容器组和控制变换器。根据转速和负载的变化，通过投切不同的励磁电容器组和控制变换器联合控制可使输出电压保持稳定，其工作原理可描述如下：

(1)该直驱式定子双绕组异步电机，功率绕组极对数较多，电机的转速较低，按极相分组，形成数个低压单元，如图3所示，每个单元均有一套三相功率绕组，利用常规低压整流器件和滤波电容，将整流后的电压按极相灵活串联，这样很容易得到数千伏等级的电压，再将同样的几个发电系统进行级联可得到更高的电压，这样可将所发出高压直流电并入高压直流电网。例如，功率绕组每个单元设计在400V等级，直流母线电压为600V等级，当m＝10时，即发电机的功率绕组拥有10个单元，单台电机的单元串联输出电压可达6000V等级。在发电机的单元串联时，单元串联次序不能依次串联，否则位于高压两端的首尾单元绕组相邻，对绝缘不利。

(2)为了配合上面的结构变化，可投切励磁电容器组并接在控制绕组侧，由于该电机的转速变化较宽，磁通的变化也较大，为进一步降低控制变换器的容量，将励磁电容器组分成多个等级。当转速或负载变化时，根据输出直流母线电压的波动，由数字信号处理器来确定所需的电容值，从而选择合适的励磁电容器组进行投切，再通过控制变换器联合控制，可使发电机中的励磁无功连续变化，从而保证了输出电压的稳定。

(3)控制侧绕组电压等级不高，电容器组和电力电子器件都可利用常规低压器件，由于根据负载或转速变化投切了不同的电容器组，电容器组提供了大部分的无功功率，不足的励磁无功由控制变换器提供，由于电容器组分了若干等级，这样可以减小控制变换器的容量，降低系统的体积和成本。

(4)当负载或转速变化时，需要根据发电机所需励磁无功的大小来投切不同等级的励磁电容器组。励磁电容器组容量较大，动态响应较慢，而控制变换器容量较小，动态响应较快。目前的无功补偿技术已相当成熟，电力电子变换器的研究也很深入，通过二者的联合控制，这样可使发电机的励磁无功连续调节，得到较好的稳态和动态性能。

所述的直驱式定子双绕组异步发电机的风力发电系统，其控制绕组和功率绕组设计如下：由于两套绕组仅通过磁场耦合，将控制绕组设计成常规的低压等级，与之相连的电容器组和励磁变换器采用常规低压器件，选取较易、成本低；将功率绕组设计成多单元串联输出，可使发电机整流输出电压达到数千伏的电压等级，有利于远距离直流输电。

所述的直驱式定子双绕组异步发电机的风力发电系统，其励磁控制如下：分级投切的励磁电容器和控制变换器共同提供定子双绕组异步发电机的励磁无功功率，其中，励磁电容器组提供了大部分的无功功率，随转速的变化分级调节，控制变换器提供稳压所需的可变励磁无功功率，其容量较小，动态响应快，实现在转速和负载变化过程中连续调节发电机的内部磁场，使输出电压稳定。

Claims (2)

1.一种直驱式定子双绕组异步发电机的风力发电系统，其特征在于包括主回路、检测回路和控制回路，主回路由直驱式定子双绕组异步发电机(1)、m个输出整流桥(2-1，2-2，……2-m)、功率绕组侧直流电容(3)、三个滤波电感(4)、控制变换器(5)、励磁电容器组(6)、控制侧直流电容(7)组成；检测回路由电流传感器(8)、m+2个电压传感器(9、10、11-1，11-2……11-m)组成；控制回路由数字信号处理器(12)和控制变换器的驱动电路(13)组成；其中直驱式定子双绕组异步发电机(1)的功率绕组由m个独立单元构成，所述的每个独立单元为相同绕组结构的三相绕组，直驱式定子双绕组异步发电机(1)的控制绕组为一组三相；控制侧直流电容(7)的两端分别接控制变换器(5)的正负输入端，第一电压传感器(9)设置于控制变换器(5)的正负输入端上，控制变换器(5)的三相输出端分别串接一个滤波电感后并接励磁电容器组(6)和直驱式定子双绕组异步发电机(1)的三相控制绕组的输入端，第二电压传感器(10)设置于直驱式定子双绕组异步发电机(1)的三相控制绕组的输入端上，电流传感器(8)设置于直驱式定子双绕组异步发电机(1)任意两相控制绕组上，第一电压传感器(9)、第二电压传感器(10)和电流传感器(8)的输出端接数字信号处理器(12)的输入端，数字信号处理器(12)的控制端分别接励磁电容器组(6)和控制变换器的驱动电路(13)的控制端，控制变换器的驱动电路(13)的输出端接控制变换器(5)的输入端，直驱式定子双绕组异步发电机(1)的m个三相功率绕组输出端分别接m个整流桥(2-1，2-1，……2-m)的输入端，每个整流桥的正负输出端之间串接一个功率绕组侧直流电容(3)，其中第一整流桥(2-1)的正输出端接直流电网的正输入端，第m整流桥(2-m)的负输出端接直流电网的负输入端，第一整流桥(2-1)的负输出端接第二整流桥(2-2)的正输出端，第二整流桥(2-2)的负输出端接第三整流桥(2-3)的正输出端，依此类推，第m-1个整流桥(2-m-1)的负输出端接第m个整流桥(2-m)的正输出端，第三至m+2个电压传感器(11-1，11-2……11-m)分别依次设置于第一至第m个整流桥(2-1，2-2，……2-m)的正负输出端上，其中m为大于2的自然数。

2.根据权利要求1所述的直驱式定子双绕组异步发电机的风力发电系统，其特征在于所述励磁电容器组(6)包括n个子电容器组，n个子电容器组分别通过开关与控制绕组连接，所述开关接数字信号处理器(12)的的控制端，其中n为大于1的自然数。

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