CN102097826B - 电励磁双凸极风力发电系统的结构与控制方法 - Google Patents
电励磁双凸极风力发电系统的结构与控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种电励磁双凸极风力发电系统的结构与控制方法，实现电励磁双凸极风力发电机的变速运行和并网发电，由功率部件①、励磁调节控制器②和并网逆变控制器③三个部分组成。风力机直接或通过增速齿轮箱带动发电机旋转，双凸极发电机在励磁调节器的控制下，将风力机捕获的能量转换为电能，并经二极管不控整流后，通过并网逆变器馈入电网。励磁调节器负责控制风力机的变速运行，而后级并网逆变器则用来稳定母线电压。与现有的双馈和永磁直驱风力发电机组相比，本发明所提出的电励磁双凸极风力发电系统的结构具有结构简单、可靠性高、成本低等突出优点，具有很好的工程实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种风力发电技术领域的系统结构与控制方法，实现电励磁双凸极风力发电机的变速运行和并网发电。
技术背景
风能作为一种洁净的可再生能源，近些年来得到了广泛的开发和利用，尤其是风力发电技术，更是成为国内外当前关注的热点和焦点。根据全球风能协会的统计，2009年全球新增装机容量3820.8万千瓦，同比增长47.3％，连续多年超过30％。我国风电的发展也非常的迅速，仅09年新增装机容量1380.33万千瓦，累计装机容量2580.53万千瓦，较上一年增加了115％。但是，在我国风电产业高速发展的背后，是自主知识产权的严重缺乏。因此，研究和发展拥有完全自主知识产权的新型风力发电机组，是我国今后风电产业发展的主要任务。
众所周知，自然中的风能资源具有随机性和波动性，风速的大小时刻在变。而风力机的气动特性决定了某个风速下只有一个最佳的转速与之对应，此时风力机从风能中捕获的能量最高。因此，为了提高所以风力发电机组的风能利用效率，在额定风速以下，需要机组的转速能够跟随风速的变化而变化，即所谓的最大功率跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)。早期的风力发电机组以恒速机组为主，虽然具有结构简单、可靠高等特点，但由于转速不能改变，故只有在某一两个风速下才能实现最大功率跟踪，风能利用效率低，影响机组的年发电量小；而且采用异步电机直接并网，风速的波动会直接反应到机组的传动链转矩脉动和并网功率，导致机组的结构载荷较大，影响使用年限。目前已经逐渐被双馈和永磁同步两种变速风力发电机组所取代。
双馈风力发电机组的变流器容量仅为发电机额定功率的1/3，可以缩减功率变换器的制造成本。但这也导致了双馈机组的变速范围有一定的限制，难以在全风速范围内实现MPPT。另外，绕线型双馈发电机存在电刷，容易发生故障，维修成本和故障停机造成发电量的损失反而填补了变换器成本上带来的价格优 势。永磁直驱同步发电机省去了价格昂贵和故障率较高的增速齿轮箱，大幅的提高了系统的可靠性，但是需要配备全功率变换器。现有的全功率变换器主要有二极管不控整流+升压斩波+电压源型逆变器(VSI)和背靠背电压源型PWM整流器两种。前者存在发电机的输出电流谐波含量大、功率因数低、机组的转矩脉动大等缺点，多用于中小功率场合。而后者虽然发电机的输出功率因数较高，但数量较多的功率开关器件不仅增加了成本，也降低了系统的可靠性。JohanRibrant等在文献《Survey of Failures in Wind Power Systems with Focus on SwedishWind Power Plants during 1997-2005》中客观的分析了当前风电市场上风电机组各个部件的可靠性，就目前来看，电控系统的故障率仍然较高。因此，寻找一种结构简单，可靠性高、具有自主知识产权的风力发电系统结构和相应的控制方法，具有重要的现实意义和工程实用价值。
发明内容：
本发明旨在为变速风力发电机组提供一种结构简单、高可靠性的系统解决方案和控制策略。
本发明所述的电励磁双凸极风力发电系统的结构与控制方法如附图1所示，由功率部件(附图1①)、励磁调节控制器(附图1②)和并网逆变控制器(附图1③)三个部分组成。其特征在于：
1)风力机直接或通过增速齿轮箱带动发电机旋转，双凸极发电机在励磁调节器MR的控制下，将风力机捕获的能量转换为电能，并经二极管不控整流后，通过并网逆变器馈入电网；
2)励磁调节器MR负责控制风力机的工作状态。即根据机组的转速ω，由风力机的气动特性计算出该转速下的最佳输出功率Popt，并与电励磁双凸极发电机的实际输出功率Pg比较，经PI调节后产生对应的PWM控制信号去控制发电机的励磁电流使其输出功率Pg跟踪最佳功率给定Popt，从而实现额定风速以下的变速；
3)后级并网逆变器则用来稳定母线电压。即将母线电压Vb与期望电压Vb *的误差送入PI调节器，其输出作为逆变器有功电流iq的给定，通过空间电压矢 量(SVPWM)控制逆变器的并网电流，从而保证母线电压稳定。
除上述控制方法外，本发明所述的电励磁双凸极风力发电系统还可以采用另一种控制方法，如附图 4所示，其特征在于：
1)励磁调节器稳定母线电压。即将母线电压Vb与期望电压Vb *的误差送入PI调节器，调节器的输出与三角波交截产生励磁调节器所需的PWM控制信号，通过调节发电机的励磁电流使其输出电压(即母线电压)保持恒定；
2)后级并网逆变器则用来控制风力机的工作状态。即根据机组的实时转速，由风力机的气动特性计算出该转速下的最佳输出功率Popt，并与逆变器的实际输出功率Po比较，经PI调节器产生逆变器有功电流iq的大小给定，最后通过SVPWM控制逆变器的并网功率。
与现有的双馈和永磁直驱风力发电机组相比，本发明所提出的电励磁双凸极风力发电系统的结构具有如下一些优点：
1)双凸极发电机具有结构简单、可靠性高等优点，可有效降低机组的制造成本和后期维护投入；
2)电励磁双凸极发电机的励磁电流可以通过励磁调节器进行控制，增加了风力发电机组控制的灵活度，且无励磁时机组的启动转矩低；
3)可采用二极管不控整流器，结构简单、可靠性高、成本低，在低速时刻可通过调节器励磁电流来保证逆变器对直流母线电压的要求；
4)励磁调节器的功率比例小，通常不超过电机额定功率的1/10，可进一步降低机组成本，提升价格优势。
附图说明
附图1是本发明电励磁双凸极风力发电系统的总体结构框图，励磁调节器控制风机转速，并网逆变器控制母线电压。
附图2是本发明中励磁调节器的控制框图。
附图3是本发明中后级并网逆变器的控制框图。
附图4是本发明电励磁双凸极风力发电系统的总体结构框图，励磁调节器控制母线电压，并网逆变器控制风机转速。
表1附图符号说明
| 名称 | 说明 | 名称 | 说明 |
| DSEG | 电励磁双凸极发电机 | Pg | 发电机输出功率 |
| PWM | 脉宽调制 | Po | 逆变器并网功率 |
| SVPMM | 空间矢量调制 | Popt | 最佳功率给定 |
| PI | 比例积分调节器 | Ib | 母线电流 |
| MR | 励磁调节器 | Vb | 母线电压 |
| ω | 转速反馈信号 | Vb * | 母线电压参考给定 |
| iq * | 逆变器q轴电流参考给定 | PLL | 锁相环 |
| id * | 逆变器d轴电流参考给定 | θ | 锁相角 |
| iq | 逆变器q轴电流 | abc | 三相静止坐标系 |
| id | 逆变器d轴电流 | αβ | 两相静止坐标系 |
| if | 励磁电流 | dq | 两相旋转坐标系 |
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术实施方案及详细工作原理进行说明：
附图1所示的是本发明电励磁双凸极风力发电系统的整体结构框图，由风力机、电励磁双凸极发电机、二极管不控整流桥、励磁调节器、以及并网逆变器等几个部分组成。它们之间能量的转换和传递关系如下：
1)风力机用来捕获风能，将风能(动能)转换为机械能；
2)风力机直接与发电机相连或者通过增速齿轮箱与发电机相连，驱动发电机旋转发电，将机械能转换为电能。并通过励磁调节器MR来控制发电机的励磁电流if，实现机组的变速运行；
3)不控整流桥则将发电机的方波交流电压转换为直流电压，整流后直流母线与并网逆变器的输入相连，通过逆变器将电能送入电网。
由于励磁调节器MR负责了风力机的变速运行控制，因此发电机整流后的输出电压不能再受励磁调节器控制，故母线电压将由后级并网逆变器来控制。
附图2给出了励磁调节器的控制框图。根据机组的实际转速，由风力机的 气动特性可以计算出该转速对应的最佳功率，并作为发电机输出功率的参考给定Pref。发电机的实际输出功率Pg与功率给定的误差作为PI调节器的输入，调节器的输出与三角波交截产生PWM信号，控制励磁调节器中功率开关管的占空比。
附图3则给出了后级并网逆变器的控制框图，由电压外环和电流内外构成。电压外环又来稳定母线电压，即由电压参考给定和实际电压反馈的差值，经PI调节器后输出电流内环的给定iq *。由于常规的电压PWM逆变已经得到了普遍的使用，且其本身的拓扑结构和电流内外的实在不在本发明的权利要求之内，故在此不再详细介绍。
工作原理及工作过程
下面将结合本发明的具体实施方案对机组的工作原理作简单介绍：
A：最大功率跟踪
在额定风速以下，为了提高发电量，需要机组以最大功率跟踪运行，机组的转速需随着风速的变化而变化。文中以转速反馈MPPT控制为例，阐述发明的MPPT工作方式。
在额定风速以下，风力机的气动功率可以表示为Pm＝0.5ρπR2v3Cp(λ)，式中ρ为空气密度，R为风轮半径，v为风速，Cp(λ)为风能利用系数，其中λ＝ωR/v，为ω风轮的角速度。当λ等于最佳叶尖速比λopt的时候，风能利用系数最大，此时对应的转速为最优转速ωopt。由此，可以得到在最优转速下风力机的输出功率Pmopt＝0.5ρπR5ωopt 3Cp(λopt)/λopt 3。故只要根据转速给出该转速下对应的最佳输出功率，并作为发电机输出功率的参考给定，便可以实现MPPT运行。
B：恒功率控制
在额定风速以上，机组的功率不能再随着风速的增加而增加，目前主流的控制方法是变桨距控制。即通过改变桨叶的攻角，降低风力机的风能利用系数，从而限制风力机从风能中捕获的能量。
Claims (1)
1.一种电励磁双凸极风力发电系统的结构，由功率部件(1)、励磁调节控制器(2)和并网逆变控制器(3)三个部分组成，其特征在于：
1)风力机直接或通过增速齿轮箱带动发电机旋转，双凸极发电机在励磁调节器MR的控制下，将风力机捕获的能量转换为电能，经二极管不控整流后，由并网逆变器送入电网；
2)励磁调节器MR负责控制风力机的工作状态，即根据机组的转速ω，由风力机的气动特性计算出该转速下的最佳输出功率Popt，并与电励磁双凸极发电机的实际输出功率Pg比较，经PI调节后产生对应的PWM信号去控制发电机的励磁电流，使发电机的输出功率Pg跟踪最佳功率给定Popt，从而实现额定风速以下的变速运行；
3)后级并网逆变器则用来稳定母线电压，即将母线电压Vb与期望电压Vb *的误差送入PI调节器，其输出作为逆变器有功电流iq的给定iq *，并通过空间电压矢量(SVPWM)控制逆变器的并网功率，以维持母线电压的稳定。
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