CN101764566A - 定子双绕组异步风力发电系统及控制方法 - Google Patents
定子双绕组异步风力发电系统及控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公布了一种定子双绕组异步风力发电系统及控制方法，本发明系统包括主回路、检测回路和控制回路，主回路由定子双绕组异步发电机、第一整流桥、第二整流桥、控制开关、滤波电感、励磁电容、控制变换器、小容量蓄电池、二极管、控制侧直流电容和功率侧直流电容组成；检测回路由第一电流传感器、第二电流传感器和第一至第三电压传感器组成；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。本发明方法：通过两组整流桥输出的串联或并联实现系统在宽风速范围内均可满足输出电压的要求，同时及时合理的调节发电机的励磁无功使输出电压保持恒定和两组整流桥输出串并联之间的快速切换。本发明无电刷滑环，输出电压稳定，可在宽风速范围内发电，能适应直驱运行。
Description
技术领域
本发明所涉及的是一种能在宽风速范围内发电的定子双绕组异步风力发电系统拓扑结构及控制方法。
背景技术
近年来，不可再生资源储量不断减少、电力资源紧张及常规能源对环境污染严重等原因极大地促进了绿色可再生能源的发展。风能作为一种可再生的清洁能源，以其蕴量巨大、分布广泛和没有污染等优势受到了世界各国越来越多的重视，风能的开发和利用得到了长足进步和发展，成为发展最快的绿色能源。
异步电机(尤其是笼型转子)因其结构简单坚固、可靠性高、成本低、功率密度大独特优点越来越成为风力发电系统和独立电源系统的重要选择。传统的自激式异步电机输出端并联电容以提供无功励磁功率，由于转速和负载的变化，其励磁电容需要相应的频繁切换，增加了系统的成本且电能输出品质不高，不适合应用于风力发电等变速变负载的场合。随着电力电子技术的发展，由电力电子变换器控制的异步电机发电系统，能连续调节励磁无功，发电系统的品质大幅提升。不过该类发电系统也存在一些不足：串联励磁式的三相异步电机发电系统变换器容量较大，变换器的开关谐波易注入负载；并联励磁式的发电系统，需要较大体积的隔离电感，且系统的性能受负载大小和性质的影响很大。这些问题在一定程度上限制了三相异步电机发电系统在上述领域中的发展。
本世纪初提出的定子双绕组异步电机，对传统笼型异步发电系统的不足进行了改进，以其独特的结构形式得到了学者的广泛关注，并针对发电机的优化设计、电压控制策略、系统的稳定性和变速运行的规律等内容开展了深入的研究。从目前的研究来看，由这种电机构成的发电系统具有较好的运行性能。由于它的输出为稳定的直流，可采用直流集电的方式输送，这为日益发展的海上风力发电技术开辟了一条新颖的途径。
2005年南京航空航天大学针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。该发电系统主要在额定转速之上的恒功率区实现变速运行，通过调节发电机内部磁场实现发电机的输出电压稳定，但对于低于额定速的恒转矩运行的区域，需要采用强励才能输出额定电压，由于电机励磁饱和，不能实现较低于额定转速下恒压运行，这在一定程度上限制了定子双绕组异步电机在低风速区域捕获风能的能力。
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系统在低风速下不能输出较高电压的不足，对定子双绕组异步发电机系统的结构进行改进，提出了一种能适应宽风速范围内发电的定子双绕组异步风力发电系统及控制方法。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
本发明定子双绕组异步风力发电系统，其特征在于包括主回路、检测回路和控制回路，主回路由定子双绕组异步发电机、第一整流桥、第二整流桥、控制开关、三个滤波电感、励磁电容、控制变换器、小容量蓄电池、二极管、控制侧直流电容和功率侧直流电容组成；检测回路由第一电流传感器、第二电流传感器和第一至第三电压传感器组成；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；其中定子双绕组异步发电机的功率绕组为6相双Y型结构，控制绕组为三相Y型结构；二极管的阳极串接小容量蓄电池后分别接控制侧直流电容、控制变换器的负输入端，二极管的阴极分别接控制侧直流电容、控制变换器的正输入端，第三电压传感器设置于控制变换器的输入端上，第三电压传感器的输出端接数字信号处理器的输入端，控制变换器的三相输出端分别串接一个滤波电感后分别接励磁电容组的输入端和定子双绕组异步发电机的三相控制控制绕组的输入端，第一电压传感器设置于定子双绕组异步发电机的三相控制绕组的输入端上，第一电流传感器设置于定子双绕组异步发电机的任意两相控制绕组的输入端上，第一电流传感器和第一电压传感器的输出端分别接数字信号处理器的输入端，定子双绕组异步发电机的一个三相功率绕组输出端接第一整流桥的输入端，定子双绕组异步发电机的另一个三相功率绕组输出端接第二整流桥的输入端，第一整流桥的正输出端分别接控制开关的正输出端、功率侧直流电容的正输入端、直流负载的一端和输出逆变器的正输入端，第一整流桥的负输出端接控制开关的负输入端，第二整流桥的正输出端接控制开关的正输入端，第二整流桥的负输出端分别接控制开关的负输出端、功率侧直流电容的负输入端、直流负载的另一端和输出逆变器的负输入端，逆变器的输出端接三相电网的输入端，第二电流传感器设置于第二整流桥的负输出端上，第二电压传感器设置于功率侧直流电容正负输入端上，第二电流传感器和第二电压传感器的输出端分别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控制开关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。
所述的定子双绕组异步风力发电系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在低风速区即所述定子双绕组异步发电机的转速低于额定转速的2/3，数字信号处理器输出串联控制信号，控制控制开关动作：将第一整流桥、第二整流桥输出按串联方式连接即第一整流桥的负输出端通过控制开关接第二整流桥的正输出端；
(2)随着风速上升到一定值即所述定子双绕组异步发电机的转速达到设定转速即额定转速的2/3，数字信号处理器根据风速、第一电流传感器检测得到的控制绕组电流信号、第二电流传感器检测得到的第二整流桥输出电流信号、第一电压传感器检测得到的控制绕组输入电压信号、第二电压传感器检测得到的逆变器输入电压信号和第三电压传感器检测得到的控制变换器的输入直流电压信号输出并联控制信号，控制控制开关动作：将第一整流桥、第二整流桥输出按并联方式连接即第一整流桥的负输出端通过控制开关接第二整流桥的负输出端、第一整流桥的正输出端通过控制开关接第二整流桥的正输出端；
(3)在高风速区即所述定子双绕组异步发电机的转速大于设定转速即额定转速的2/3，同步骤(2)所述将第一整流桥、第二整流桥输出按并联方式连接。
本发明为了拓宽定子双绕组异步风力发电系统风能利用范围，对图1所示的发明专利[200510041200.2]中的定子双绕组异步发电系统的拓扑结构进行了改进，并提出了相应的控制方法，进一步扩大它的变速运行的转速范围，从而使其能利用低风速的风能来发电。该风力发电系统无电刷滑环，可在宽风速范围内发电，能适应直驱运行，此外，它的输出为稳定的直流电，既可带直流负载运行，又通过并网逆变器并入三相交流电网。
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宽风速范围发电的定子双绕组异步电机发电系统。
图3定子双绕组异步发电机定子绕组示意图。
图4控制开关示意图。
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：
如图2所示，在不同的风速区，通过对功率绕组侧两组整流桥2、3的输出连接形式的改变及采用适当的控制方法可使系统在宽风速范围内均可满足输出电压的要求，同时通过控制变换器7对发电机励磁无功功率的及时合理的调节使得输出电压保持恒定，从而使系统具备宽风速发电，直驱运行，成本低等优点，拓展了风能利用范围。
为实现上述目的，本发明的技术方案是，包括主回路、检测回路和控制回路。主回路由定子双绕组异步发电机1，整流桥2、3，控制开关4，滤波电感5，励磁电容6，控制变换器7、小容量蓄电池8、二极管9、控制侧直流电容17，功率侧直流电容18；检测回路由电流传感器10、11，电压传感器12、13、14组成；控制回路由数字信号处理器15、控制变换器的驱动电路16组成。
本发明针对这种在宽风速范围内均可输出恒定电压的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，功率绕组有六相，设置成两组Y型的形式，两组Y型功率绕组分别整流输出，通过控制开关的控制，将两组整流桥的输出进行串联或并联。控制开关的结构如图4所示，当控制开关打在左侧，两组整流桥的输出为串联，当控制开关打在右侧，两组整流桥的输出为并联。控制绕组为三相，接有控制变换器和励磁电容，通过控制变换器的控制，可使得输出电压在负载和转速变化时保持恒定。
控制变换器的开关管可以采用IGBT或者智能功率模块IPM。用于切换两组整流桥输出连接方式的控制开关由可由接触器构成。在控制绕组安装小容量蓄电池的目的是，为系统提供初始直流母线电压，依靠控制变换器向发电机提供励磁无功，使功率绕组和控制绕组的输出电压上升，当控制绕组直流母线电压超过低压小功率辅助电源的电平时，依靠二极管使蓄电池自然脱离系统，系统建压完成后进入发电运行状态。
本发明提出宽风速范围内发电的定子双绕组异步发电系统，其工作原理描述如下：
当风速较高时，发电机的转速较高，两组整流桥的输出电压可达到设定值，这时通过控制开关的控制，两组整流桥输出按并联的方式输出，控制变换器和励磁电容共同向发电机提供所需的励磁无功功率，同时控制变换器随着转速和负载的变化调节发电机的励磁无功功率使输出直流电压保持恒定。
随着风速的减小，控制绕组和功率绕组输出端电压逐渐降低，为维持功率绕组整流输出直流电压恒定，控制变换器必须增加励磁无功功率，直至整个变换器的容量完全用来输出无功，达到其额定最大容量，这时发电机内部磁场也略有饱和，处于强励状态。当风速进一步下降，就不能采用调节发电机励磁无功的方式去维持功率绕组整流输出直流电压达到指令值，这时，数字信号处理器根据风速，转速，电压，电流等信息进行计算和判断，并输出串联控制信号，控制开关动作，两组整流桥输出由原来的并联方式转为串联方式连接。尽管风速较低，发电机的两套绕组的输出端电压也低，但经过这种连接方式，输出电压仍可达到设定值。
在整个发电过程中，控制变换器要根据风速，发电机转速以及负载大小的不同，及时合理的调整发电机的励磁无功功率，以使输出电压保持稳定和两组整流桥输出的串并联之间的快速切换。
本发明不同于现有的系统拓扑结构(图1)的一个重要特点在于：功率绕组由为六相，由两组Y型绕组组成，它们分别整流输出，在低风速区，由适当的控制方法，两组整流桥输出按串联的方式连接，从而使得该发电系统低风下也可输出较高的电压，同时通过控制变换器的对发电机励磁无功功率进行控制使得输出电压恒定，这样可以拓宽低风速风能利用能力。在高风速区发电机的转速较高，两组整流桥的输出电压可达到设定值，这时通过控制开关的控制，两组整流桥输出按并联的方式输出。
具体定子双绕组异步风力发电系统的控制方法如下：
(1)在低风速区即所述定子双绕组异步发电机1的转速低于额定转速的2/3，数字信号处理器15输出串联控制信号，控制控制开关4动作：将第一整流桥2、第二整流桥3输出按串联方式连接即第一整流桥2的负输出端通过控制开关4接第二整流桥3的正输出端；
(2)随着风速上升到一定值即所述定子双绕组异步发电机1的转速达到设定转速即额定转速的2/3，数字信号处理器15根据风速、第一电流传感器10检测得到的控制绕组电流信号、第二电流传感器11检测得到的第二整流桥3输出电流信号、第一电压传感12器检测得到的控制绕组线电压信号、第二电压传感器13检测得到的逆变器20输入电压信号和第三电压传感器14检测得到的控制变换器7输入直流电压信号输出并联控制信号，控制控制开关4动作：将第一整流桥2、第二整流桥3输出按并联方式连接即第一整流桥2的负输出端通过控制开关4接第二整流桥3的负输出端、第一整流桥2的正输出端通过控制开关4接第二整流桥3的正输出端；
(3)在高风速区即所述定子双绕组异步发电机1的转速大于设定转速即额定转速的2/3，同步骤(2)所述将第一整流桥2、第二整流桥3输出按并联方式连接。
Claims (2)
1.一种定子双绕组异步风力发电系统，其特征在于包括主回路、检测回路和控制回路，主回路由定子双绕组异步发电机(1)、第一整流桥(2)、第二整流桥(3)、控制开关(4)、三个滤波电感(5)、励磁电容(6)、控制变换器(7)、小容量蓄电池(8)、二极管(9)、控制侧直流电容(17)和功率侧直流电容(18)组成；检测回路由第一电流传感器(10)、第二电流传感器(11)和第一至第三电压传感器(12、13、14)组成；控制回路由数字信号处理器(15)和控制变换器的驱动电路(16)组成；其中定子双绕组异步发电机(1)的功率绕组为6相双Y型结构，控制绕组为三相Y型结构；二极管(9)的阳极串接小容量蓄电池(8)后分别接控制侧直流电容(17)、控制变换器(7)的负输入端，二极管(9)的阴极分别接控制侧直流电容(17)、控制变换器(7)的正输入端，第三电压传感器(14)设置于控制变换器(7)的输入端上，第三电压传感器(14)的输出端接数字信号处理器(15)的输入端，控制变换器(7)的三相输出端分别串接一个滤波电感后分别接励磁电容组(6)的输入端和定子双绕组异步发电机(1)的三相控制控制绕组的输入端，第一电压传感器(12)设置于定子双绕组异步发电机(1)的三相控制绕组的输入端上，第一电流传感器(10)设置于定子双绕组异步发电机(1)的任意两相控制绕组的输入端上，第一电流传感器(10)和第一电压传感器(12)的输出端分别接数字信号处理器(15)的输入端，定子双绕组异步发电机(1)的一个三相功率绕组输出端接第一整流桥(2)的输入端，定子双绕组异步发电机(1)的另一个三相功率绕组输出端接第二整流桥(3)的输入端，第一整流桥(2)的正输出端分别接控制开关(4)的正输出端、功率侧直流电容(18)的正输入端、直流负载(19)的一端和输出逆变器(20)的正输入端，第一整流桥(2)的负输出端接控制开关(4)的负输入端，第二整流桥(3)的正输出端接控制开关(4)的正输入端，第二整流桥(3)的负输出端分别接控制开关(4)的负输出端、功率侧直流电容(18)的负输入端、直流负载(19)的另一端和输出逆变器(20)的负输入端，逆变器(20)的输出端接三相电网的输入端，第二电流传感器(11)设置于第二整流桥(3)的负输出端上，第二电压传感器(13)设置于功率侧直流电容(18)正负输入端上，第二电流传感器(11)和第二电压传感器(13)的输出端分别接数字信号处理器(15)的输入端，数字信号处理器(15)的控制端分别接控制开关(4)和控制变换器的驱动电路(16)的控制端，控制变换器的驱动电路(16)的输出端接控制变换器(7)的输入端。
2.一种基于权利要求1所述的定子双绕组异步风力发电系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在低风速区即所述定子双绕组异步发电机(1)的转速低于额定转速的2/3，数字信号处理器(15)输出串联控制信号，控制控制开关(4)动作：将第一整流桥(2)、第二整流桥(3)输出按串联方式连接即第一整流桥(2)的负输出端通过控制开关(4)接第二整流桥(3)的正输出端；
(2)随着风速上升到一定值即所述定子双绕组异步发电机(1)的转速达到设定转速即额定转速的2/3，数字信号处理器(15)根据风速、第一电流传感器(10)检测得到的控制绕组电流信号、第二电流传感器(11)检测得到的第二整流桥(3)输出电流信号、第一电压传感器(12)检测得到的控制绕组线电压信号、第二电压传感器(13)检测得到的系统输出直流电压信号和第三电压传感器(14)检测得到的控制变换器(7)的输入直流电压信号输出并联控制信号，控制控制开关(4)动作：将第一整流桥(2)、第二整流桥(3)输出按并联方式连接即第一整流桥(2)的负输出端通过控制开关(4)接第二整流桥(3)的负输出端、第一整流桥(2)的正输出端通过控制开关(4)接第二整流桥(3)的正输出端；
(3)在高风速区即所述定子双绕组异步发电机(1)的转速大于设定转速即额定转速的2/3，同步骤(2)所述将第一整流桥(2)、第二整流桥(3)输出按并联方式连接。
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Application publication date: 20100630 Assignee: Wuhan Guoce Nordic New Energy Co., Ltd. Assignor: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Contract record no.: 2012320001038 Denomination of invention: Stator duplex winding asynchronous wind generating system and control method thereof Granted publication date: 20120516 License type: Exclusive License Record date: 20121225 |
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