CN102868346A - 无刷双馈电机励磁控制系统及利用该系统的控制方法 - Google Patents

无刷双馈电机励磁控制系统及利用该系统的控制方法 Download PDF

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CN102868346A CN2012102931263A CN201210293126A CN102868346A CN 102868346 A CN102868346 A CN 102868346A CN 2012102931263 A CN2012102931263 A CN 2012102931263A CN 201210293126 A CN201210293126 A CN 201210293126A CN 102868346 A CN102868346 A CN 102868346A
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刘宏鑫
向守兵
谭应朝
马文武
杜战波
赵雅茹
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Abstract

一种无刷双馈电机励磁控制系统,其特征在于:包括PWM整流单元、第一电流传感器、平波电抗器、接触器、励磁控制器与逆变单元、操作与显示单元、储能装置、BOOST电抗器、软启动电路、第一电压检测电路、第二电压检测电路,本发明使得无刷双馈电机在发电运行状态下,无刷转子转速快速变化以及负载条件在较大范围内变化时,该系统能够始终保持变速变载恒频恒压发电;无刷双馈电机在电动运行状态下,控制系统能够通过励磁控制,完成对无刷转子转速快速调整,实现同步运行、异步运行和双馈调速等多种电动运行方式。当负载条件在较大范围内变化时,该系统能够始终保持同步电机硬的机械特性,还包括利用本发明的控制方法。

Description

无刷双馈电机励磁控制系统及利用该系统的控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种电机自动控制系统及控制方法,特别是涉及一种用于无刷双馈电机的励磁控制系统及控制方法。
背景技术
[0002]目前,无刷双馈电机设计及其控制系统的研究已经进行几十年,但是仍未解决应用中一些关键问题,如无刷双馈电机系统模型复杂,没有现成的控制算法和控制系统拓扑结构,现有控制系统对于无刷双馈电机正常运行时负载的突增突减以及无刷转子转速的变化不能做出快速反应,在负载条件较大范围内变化时,不能够始终保持同步电机硬的机械特性,不具有运行效率高、节能、稳定性好、可靠性高的特点。需要人工介入,不是真正意义上的闭环控制系统。
[0003] 现有的控制系统既不能保证无刷双馈电机在发电运行状态下,始终保持恒频恒压 发电,也不能保证在电动运行状态下,实现无刷转子转速快速调整。所以至今在全世界还没有产业化的报导。
发明内容
[0004] 本发明的目的是提供一种无刷双馈电机励磁控制系统,解决无刷双馈电机的励磁控制结构复杂,功能单一,适应性差的技术问题。
[0005] 本发明的另一个目的是提供一种利用上述无刷双馈电机励磁控制系统,进行无刷双馈电机励磁控制的方法,解决对无刷双馈电机控制过程繁琐、控制精度差的技术问题。
[0006] 本发明的另一个目的是提供一种利用上述无刷双馈电机励磁控制系统的风力发电系统。
[0007] 本发明的另一个目的是提供一种利用上述无刷双馈电机励磁控制系统的轴带发电系统。
[0008] 本发明的无刷双馈电机励磁控制系统,包括PWM整流单元、第一电流传感器、平波电抗器、接触器、励磁控制器与逆变单元、操作与显示单元、储能装置、BOOST电抗器、软启动电路、第一电压检测电路、第二电压检测电路;
[0009] PWM整流单元的第一个三相输入端顺序串联BOOST电抗器、软启动电路、平波电抗器后连接无刷双馈电机的功率绕组,PWM整流单元的直流输出端通过正、负极直流母线连接励磁控制器与逆变单元的直流输入端,励磁控制器与逆变单元的三相输出端连接无刷双馈电机的控制绕组,PWM整流单元的直流输出端连接的正、负极直流母线上并联储能装置;
[0010] 励磁控制器与逆变单元的信号输入端接收编码器采集的无刷双馈电机转速信号、第二电压检测电路采集的无刷双馈电机的功率绕组与PWM整流单元的第一个三相输入端间三相线路的电压变化信号和第一电流传感器采集的无刷双馈电机的功率绕组与PWM整流单元的第一个三相输入端间三相线路的电流变化信号;
[0011] PWM整流单元的另一个三相输入端接收第一电压检测电路采集的无刷双馈电机的功率绕组与PWM整流单元的第一个三相输入端间三相线路的电压变化信号;
[0012] 励磁控制器与逆变单元与操作与显示单元间通过数据端口连接;接触器一端连接在平波电抗器与软启动电路间的三相线路上,另一端与电网、电力负载、电源或局域电网中的一种相连接。
[0013] 所述BOOST电抗器直接串联在PWM整流单元和软启动电路之间,或者与非容性元件串联在PWM整流单元和软启动电路之间。
[0014] 还包括隔离变压器,在平波电抗器与软启动电路间的三相线路上串联隔离变压器。
[0015] 还包括后备直流电源,在PWM整流单元的直流输出端连接的正、负极直流母线上并联后备直流电源。
[0016] 所述一种无刷双馈电机励磁控制系统,其中:所述PWM整流单元有两个三相输入端,一个三相输入端引入的三相线路依次通过BOOST电抗器、软启动电路、隔离变压器、平波电抗器与无刷双馈感应发电机的三相功率绕组相连,另一个三相输入端连接第一电压检测电路的输出端,第一电压检测电路输入端引入的三相线路直接连接在软启动电路与隔离变压器之间对应的三相线路上;
[0017] PWM整流单元的输出端正、负直流母线和励磁控制器与逆变单元的正、负输入端相连;在PWM整流单元和励磁控制器与逆变单元之间的正负直流母线上并联接有储能装置;
[0018] 励磁控制器与逆变单元的一个三相输出端引出的三相线路与无刷双馈感应发电机的三相控制绕组相连,励磁控制器与逆变单元的一个信号输入端连接第二电压检测电路的输出端,第二电压检测电路的输入端引入的三相线路直接连接在隔离变压器与平波电抗器之间对应的三相线路上,励磁控制器与逆变单元的另一个信号输入端连接电流检测电路的输出端,三相线路上的第一电流传感器的输出端与电流检测电路的输入端连接;
[0019] 操作与显示单元和励磁控制器与逆变单元之间通过串行通讯方式相连;编码器与无刷双馈电机的无刷转子相连并将采集信号传送至励磁控制器与逆变单元;接触器的一端连接在隔离变压器与平波电抗器之间的三相线路上,接触器的另一端与电力负载相连,无刷双馈感应发电机通过机械传动方式与原动机连接,原动机为无刷双馈感应发电机提供发电运行所需动力;
[0020] 第一电流传感器连接在接触器与平波电抗器之间靠近接触器的三相线路上;
[0021] 在PWM整流单元和励磁控制器与逆变单元之间的正、负直流母线上还并联接有后备直流电源。
[0022] 所述后备直流电源的输出正极母线上还串联有一个有单相接触器Kl和电阻Rl并联构成的小型软启动电路。
[0023] 所述另一种无刷双馈电机励磁控制系统,其中:所述PWM整流单元的两个三相输入端,一个三相输入端引入的三相线路依次通过BOOST电抗器、软启动电路、平波电抗器、第一电流传感器与无刷双馈感应电动机的三相功率绕组相连,另一个三相输入端连接第一电压检测电路的输出端,第一电压检测电路输入端引入的三相线路直接连接在软启动电路与平波电抗器之间对应的三相线路上;
[0024] PWM整流单元的输出端正、负直流母线和励磁控制器与逆变单元的正、负输入端相连;在PWM整流单元和励磁控制器与逆变单元之间的正、负直流母线上并联接有储能装置;[0025] 励磁控制器与逆变单元的一个三相输出端引出的三相线路与无刷双馈感应电动机的三相控制绕组相连,励磁控制器与逆变单元的一个信号输入端连接第二电压检测电路的输出端,第二电压检测电路的输入端引入的三相线路直接连接在隔离变压器与平波电抗器之间对应的三相线路上,励磁控制器与逆变单元的另一个信号输入端连接电流检测电路的输出端,三相线路上的第一电流传感器的输出端与电流检测电路的输入端连接;
[0026] 操作与显示单元和励磁控制器与逆变单元之间通过串行通讯方式相连;编码器与无刷双馈电机的无刷转子相连并将采集信号传送至励磁控制器与逆变单元;接触器的一端连接在隔离变压器与平波电抗器之间的三相线路上,接触器另一端与电源或电网相连,无刷双馈感应电动机通过机械传动方式与动力负载连接,为动力负载提供动力。
[0027] 所述无刷双馈电机作为无刷双馈感应发电机发电运行时,原动机可以是热力发动机、水力发动机、风力发动机、和电动机中的一种。
[0028] 所述无刷双馈电机作为无刷双馈感应发电机发电运行时,所述原动机为无刷双馈 电机提供机械动力利用的机械传动方式为连轴、皮带、齿轮、链条、曲轴方式中的一种。
[0029] 所述无刷双馈电机作为无刷双馈感应电动机电动运行时,电力来源是三相交流电网,或是二相交流发电机。
[0030] 所述无刷双馈电机作为无刷双馈感应电动机电动运行时,所述无刷双馈电机为动力负载提供机械动力利用的机械传动方式为连轴、皮带、齿轮、链条、曲轴方式中的一种。
[0031] 所述后备直流电源为经交流UPS整流后的直流电源、干电池、铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池、液流电池、钠硫电池、锂离子电池中的一种,或是单个的电池,或是电池组。
[0032] 所述PWM整流单元中,用于PWM斩波的通断调制电力半导体器件可以采用可控硅整流器、门极可关断器件、电力晶体管、电力场效应管、绝缘栅双极晶体管、集成门极换流晶闸管、对称门极换流晶闸管中的一种或几种。
[0033] 所述励磁控制器与逆变单元,针对无刷双馈电机数学模型和等效电磁转矩的控制策略可以采用标量控制、直接转矩控制、矢量控制、模糊控制、PID神经网络控制策略中的一种。
[0034] 所述储能装置,可以是配有DC/DC变换的电池组、超级电容、高能电容、电解电容、铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池、液流电池、钠硫电池、锂离子电池中的一种或几种,连接关系为串联、并联、混联中的一种。
[0035] 所述编码器为磁编码器、光电编码器中的一种。
[0036] 所述软启动电路采用三相软启动和两相软启动两种连接方式中的一种,
[0037] 三相软启动电路由电阻R2、电阻R3、电阻R4和一个三触点接触器K2构成,电阻R2、电阻R3、电阻R4分别串联在三条三相交流线路上,K2接触器的三个触点分别与电阻R2、电阻R3、电阻R4并联;
[0038] 两相软启动电路由两个电阻R5、电阻R6和一个双触点接触器K3构成,电阻R5、电阻R6串联在三相交流线路任意两条上,双触点接触器K3的两个触点分别与电阻R5、电阻R6并联。
[0039] 所述隔离变压器的连接方式为:
[0040] 一次侧为角形连接,二次侧为星形连接;
[0041] 或一次侧为角形连接,二次侧为角形连接;[0042] 或一次侧为星形连接,二次侧为角形连接;
[0043] 或一次侧为星形连接,二次侧为星形连接。
[0044] 所述操作与显示单元和励磁控制器与逆变单元之间的通讯方式可以是Canbus通讯、Modbus通讯、RS485通讯、RS232通讯或RS422通讯方式中的一种。
[0045] 所述第一电流传感器采用霍尔电流传感器,可以采用两个第一电流传感器对三相线路中的任意两相线路分别采集信号,或采用三个第一电流传感器对三相线路中的三相线路分别采集信号。
[0046] 所述接触器为交流接触器,可以是空气式电磁接触器、真空接触器、半导体接触器和永磁接触器中的一种。
[0047] 根据以上所述的无刷双馈电机励磁控制系统进行无刷双馈电机控制的方法,包括以下步骤:
[0048] 无刷双馈电机作为发电机运行时,原动机通过机械传动的方式为其提供原动力,后备直流电源和储能装置为系统提供励磁电流来源,PWM整流单元直流正负母线上的直流电能通过励磁控制器与逆变单元提供幅值、频率、相序可调的三相交流电,作为控制绕组的励磁电流;
[0049] 若此时接触器闭合接通电网或电力负载,则进行带载起励,储能装置提供带载启动时的瞬间高功率、大电流;
[0050] 若此时接触器断开不接通电力负载,则进行空载起励。
[0051] 根据以上所述的无刷双馈电机励磁控制系统进行无刷双馈电机控制的方法,包括以下步骤:
[0052] 无刷双馈电机作为发电机运行时,励磁控制器与逆变单元中励磁控制器根据编码器测得的原动机转速,实时调节励磁控制器与逆变单元中逆变单元的输出电压、频率使无刷双馈感应发电机输出的三相交流电频率保持在50Hz/60Hz,或其他设定频率;
[0053] 逆变单元的输出电压频率正比于原动机转速和无刷双馈感应发电机转速之差,当原动机转速高于无刷双馈感应发电机同步转速时,励磁控制器控制逆变单元输出正相序;
[0054] 当原动机转速低于无刷双馈感应发电机同步转速时,励磁控制器控制逆变单元输出反相序;
[0055] 当原动机转速等于无刷双馈感应发电机同步转速时,励磁控制器控制逆变单元输出频率为0Hz,实现无刷双馈电机励磁控制系统控制无刷双馈电机实现以同步转速频率发电。
[0056] 根据以上所述的无刷双馈电机励磁控制系统进行无刷双馈电机控制的方法,包括以下步骤:
[0057] 无刷双馈电机作为发电机运行时,励磁控制器与逆变单元中励磁控制器根据第二电压检测电路采集的无刷双馈发电机功率绕组输出电压值和当前励磁电流频率,实时调节逆变单元的输出电压幅值,使无刷双馈发电机功率绕组输出交流电压有效值维持在380V,或其他设定电压值,实现无刷双馈电机励磁控制系统控制无刷双馈电机恒压发电。
[0058] 根据以上所述的无刷双馈电机励磁控制系统进行无刷双馈电机控制的方法,包括以下步骤:
[0059] 无刷双馈电机作为发电机运行时,当原动机轴带牵引无刷双馈发电机时,PWM整流单元正负直流母线电压升高时,正负直流母线将自动为储能装置充电,使直流母线电压升高不至于影响励磁控制器与逆变单元中逆变单元工作,实现无刷双馈电机励磁控制系统过压保护,有效地节约能源。
[0060] 根据以上所述的无刷双馈电机励磁控制系统进行无刷双馈电机控制的方法,包括以下步骤:
[0061] 无刷双馈电机作为电动机运行时,闭合接触器,接通电网或电源,无刷双馈电机功率绕组接三相交流电,通过调节励磁控制器与逆变单元中励磁控制器提供给功率绕组电流的大小,改变电机转速,实现异步电动运行。
[0062] 根据以上所述的无刷双馈电机励磁控制系统进行无刷双馈电机控制的方法,包括以下步骤: [0063] 无刷双馈电机作为电动机运行时,闭合接触器,接通电网或电源,无刷双馈电机功率绕组接三相交流电,励磁控制器与逆变单元中励磁控制器控制逆变单元为控制绕组提供用于励磁的直流电,实现同步转速电动运行;
[0064] 当无刷双馈电机转速过高时,部分转差功率经励磁控制器与逆变单元回馈到PWM整流单元正负直流母线上,给储能装置或后备直流电源充电,实现超同步转速电动运行;
[0065] 当无刷双馈电机转速过低时,储能装置或后备直流电源通过经励磁控制器与逆变单元传递给控制绕组,功率绕组和控制绕组电源均向无刷双馈电机转轴输送有功功率,实现亚同步转速电动运行。
[0066] 根据以上所述的无刷双馈电机励磁控制系统进行无刷双馈电机控制的方法,包括以下步骤:
[0067] 无刷双馈电机作为电动机运行时,闭合接触器,接通电网或电源,无刷双馈电机功率绕组接三相交流电,通过改变励磁控制器与逆变单元的输出频率,调节无刷双馈电机转速,通过改变励磁控制器与逆变单元改变控制绕组和功率绕组的相序,使无刷双馈电机的转速高于或低于同步速度,实现双馈调速。
[0068] 根据以上所述的无刷双馈电机励磁控制系统进行无刷双馈电机控制的方法,包括以下步骤:
[0069] 无刷双馈电机作为电动机运行时,通过励磁控制器与逆变单元调节控制绕组的频率,调节无刷双馈电机转速,当控制绕组频率为OHz时,并且励磁控制器与逆变单元中励磁控制器为控制绕组提供用于励磁的直流电,无刷双馈电机运转于三相交流电的频率下,设定电机转速为自然同步转速;
[0070] 当励磁控制器与逆变单元中逆变单元输出反相序时,电机转速低于自然同步转速;
[0071] 当励磁控制器与逆变单元中逆变单元输出正相序时,电机转速高于自然同步转速;
[0072] 当控制绕组频率一定时,励磁控制器与逆变单元调节降低控制绕组电压,无刷双馈电机自然同步转速降低,励磁控制器与逆变单元调节提高控制绕组电压时,使无刷双馈电机自然同步转速提高。
[0073] 包括如以上所述的无刷双馈电机励磁控制系统的风力发电系统。
[0074] 包括如以上所述的无刷双馈电机励磁控制系统的轴带发电系统。[0075] 本发明的无刷双馈电机励磁控制系统既可以应用于无刷双馈电机的发电运行技术上,还可以应用于无刷双馈电机的电动运行技术上。使得无刷双馈电机在发电运行状态下,控制系统在无刷转子转速快速变化以及负载条件在较大范围内变化时,该系统能够始终保持变速变载恒频恒压发电;无刷双馈电机在电动运行状态下,控制系统能够通过励磁控制,完成对无刷转子转速快速调整,实现同步运行、异步运行和双馈调速等多种电动运行方式。并且不管电机是在发电运行或电动运行状态下,当负载条件在较大范围内变化时,该系统能够始终保持同步电机硬的机械特性,具有运行效率高、节能、稳定性好、可靠性高的特点。
[0076] 本发明的控制方法优越性和技术效果在于:
[0077] (I)提供了无刷双馈电机控制系统结构和方法;
[0078] (2)能够解决负载突变时,励磁变流器跳闸问题;
[0079] (3)在负载发生突变时,提高了系统稳定性,在任何负载、任何工况下系统都能够 保持稳定;
[0080] (4)解决了低电压的穿越问题,较之前的无刷双馈发电系统有革命性的进步;
[0081 ] (5)由于该系统可以应用于任何基于无刷双馈电机的数学模型建立的闭环控制系统,因此系统可以对正常运行时负载的突增突减以及无刷转子转速的变化快速做出反应。
[0082] 本发明的控制方法可以精确实现对无刷双馈电机在各种工况下的精确控制。
[0083] 包括本发明的无刷双馈电机励磁控制系统的风力发电系统,可以提高风力发电机的发电效率,使上网电力波动较小,对电网减少干扰。
[0084] 包括本发明的无刷双馈电机励磁控制系统的轴带发电系统,可以提高轴带发电机的发电效率,使电力输出波动较小,对电力负载减少谐波干扰。
[0085] 下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明。
附图说明
[0086] 图I为本发明无刷双馈电机励磁控制系统实施例I与无刷双馈感应发电机的拓扑结构图;
[0087] 图2为本发明无刷双馈电机励磁控制系统实施例2与无刷双馈感应电动机的拓扑结构图;
[0088] 图3为本发明的无刷双馈电机励磁控制系统实施例I应用于风力发电机发电运行时的拓扑结构图;
[0089] 图4为本发明的无刷双馈电机励磁控制系统实施例I应用于轴带发电机发电运行时的拓扑结构图;
[0090] 图5为本发明的无刷双馈电机励磁控制系统实施例2应用于动力电动机电动运行时的拓扑结构图;
[0091] 图6为软启动电路连接方式一;
[0092] 图7为软启动电路连接方式二;
[0093] 图8为后备直流电源连接方式一;
[0094] 图9为后备直流电源连接方式二 ;
[0095] 图10为隔离变压器连接方式一;[0096] 图11为隔离变压器连接方式二 ;
[0097] 图12为隔离变压器连接方式三;
[0098] 图13为隔离变压器连接方式四;
[0099] 图14为第一电流传感器连接方式一;
[0100] 图15为第一电流传感器连接方式二。
具体实施方式
[0101] 如所公知的,无刷双馈电机包括控制绕组和功率绕组,根据使用用途,无刷双馈电机既可以作为用于发电的无刷双馈感应发电机DFIG,也可以作为用于电动的无刷双馈感应电动机DFM。无刷双馈电机上通常设置有用于检测转速的编码器。 [0102] 本发明的无刷双馈电机励磁控制系统包括PWM整流单元、第一电流传感器、平波电抗器、接触器、励磁控制器与逆变单元、操作与显示单元、储能装置、BOOST电抗器、软启动电路、第一电压检测电路、第二电压检测电路;
[0103] PWM整流单元的第一个三相输入端顺序串联BOOST电抗器、软启动电路、平波电抗器后连接无刷双馈电机的功率绕组,PWM整流单元的直流输出端通过正、负极直流母线连接励磁控制器与逆变单元的直流输入端,励磁控制器与逆变单元的三相输出端连接无刷双馈电机的控制绕组,PWM整流单元的直流输出端连接的正、负极直流母线上并联储能装置;
[0104] 励磁控制器与逆变单元的信号输入端接收编码器采集的无刷双馈电机转速信号、第二电压检测电路采集的无刷双馈电机的功率绕组与PWM整流单元的第一个三相输入端间三相线路的电压变化信号和第一电流传感器采集的无刷双馈电机的功率绕组与PWM整流单元的第一个三相输入端间三相线路的电流变化信号;
[0105] PWM整流单元的另一个三相输入端接收第一电压检测电路采集的无刷双馈电机的功率绕组与PWM整流单元的第一个三相输入端间三相线路的电压变化信号;
[0106] 励磁控制器与逆变单元与操作与显示单元间通过数据端口连接;接触器一端连接在平波电抗器与软启动电路间的三相线路上,另一端与电网、电力负载、电源或局域电网中的一种相连接。
[0107] 为了进一步提高本发明的无刷双馈电机励磁控制系统的抗干扰能力,在平波电抗器与软启动电路间的三相线路上串联隔离变压器。
[0108] 为了进一步提高本发明的无刷双馈电机励磁控制系统的励磁信号的稳定与连贯,增加系统鲁棒性,在PWM整流单元的直流输出端连接的正、负极直流母线上并联后备直流电源。
[0109] 为了保证第一电流传感器的灵活配置,可以在第一电流传感器和励磁控制器与逆变单元的信号输入端间连接电流检测电路,用于信号汇聚。
[0110] 本发明无刷双馈电机励磁控制系统通过接触器与电网、或电源、或电力负载连接,通过无刷双馈电机以机械传动方式连接原动机动力负载。其中:
[0111] 后备直流电源,用于为无刷双馈电机的控制绕组提供励磁电流;当无刷双馈电机作为无刷双馈感应发电机DFIG进行发电运行时,后备直流电源为无刷双馈感应发电机DFIG的发电运行起励提供励磁电流,在无刷双馈感应发电机DFIG发电运行平稳后,还可以通过再充电的方式部分储存发电过程中电路中的多余电能;当无刷双馈电机作为无刷双馈感应电动机DFIM进行电动运行时,后备直流电源为无刷双馈感应电动机DFIM在电源突然断电时平稳停车提供提供励磁电流,在停车过程中减小因生产工艺突然中断造成的原材料损失,避免生产设备的损坏。
[0112] PWM整流单元,用于调节所包括的PWM整流器三相输入端的电流波形,减小总电流谐波畸变(THDi),减小谐波失真,提高功率因数。使总功率因数接近1,进而减小电机损耗,提高无刷双馈电机的有功功率输出能力。
[0113] BOOST电抗器,用于储能升压,使其直流侧电压高于交流侧电压,用于抑制PWM整流单元进行PWM斩波中瞬间突变电流的冲击,保护无刷双馈电机励磁控制系统的动态稳定和热稳定。 [0114] BOOST电抗器直接串联在PWM整流单元和软启动电路之间,或者与非容性元件串联在PWM整流单元和软启动电路之间,其目的是使BOOST电抗器不与任何容性元件做任何形式的连接。
[0115] PWM整流单元与BOOST电抗器,共同构成三相功率因数校正电路。三相功率因数校正电路可以调节所包括的PWM整流器三相输入端的电流波形,使输入电流平均值自动跟随基波电压基准,呈正弦波,且相位差为零,使输入阻抗呈纯阻性,从而实现其总功率因数为I,减小了总电流谐波崎变(THDi),减小谐波失真,提闻功率因数,进而减小电机损耗,提高了无刷双馈电机的有功功率输出能力。使得PWM整流器具有输出电压恒定,能实现单位功率因数运行。
[0116] 第一电流传感器,用于检测无刷双馈电机的功率绕组4的三相线路的电流变化信号;
[0117] 平波电抗器,用于抑制无刷双馈电机的功率绕组的三相线路中的有害纹波,增大线路短路电阻,限制短路电流。起到减小因交流电压下降引起逆变器换相失败的机率。
[0118] 接触器,用于将电网,或电力负载,或电源接入系统。
[0119] 编码器,用于在无刷双馈电机运转过程中测量无刷双馈电机的旋转速度,并将反馈信号输出。
[0120] 励磁控制器与逆变单元,包括励磁控制器部分、逆变单元两个部分,用于根据励磁控制器内置的数学模型、控制策略、输入的控制参数,计算出来的三相控制绕组电流来产生PWM波控制包括的电流型变频装置中整流部分的直流电压大小,达到调节控制电流幅值大小的目的;由计算出来的控制绕组电流角频率来产生PWM波调节包括的变频装置中逆变部分的输出频率,达到控制电流方向的目的,从而通过电压、频率、电流及其方向实现对无刷双馈电机的控制;通过励磁控制器给定的电压值、频率值、电流值及其方向等励磁信号,逆变单元将其直流正负母线上的直流电逆变为幅值、频率、相序可调的三相交流电,并提供给无刷双馈电机的控制绕组,实现对无刷双馈电机的控制;励磁控制器通过采集无刷双馈电机功率绕组的电流、电压信号,检测负载电流变化,实现前馈控制。
[0121] 操作与显示单元,用于输入系统励磁控制策略的参数和显示系统的运行状态;
[0122] 储能装置,用于为无刷双馈电机的控制绕组提供励磁电流,动态地存储和输出电能;当无刷双馈电机作为无刷双馈感应发电机DFIG进行发电运行时,通过逆变单元将储存的直流电能逆变为三相交流电为无刷双馈发电机DFIG的发电运行进行起励,在发电机起励完成后,存储无刷双馈感应发电机DFIG供应电网或电力负载后的多余电能,在需要提高无刷双馈电机的控制绕组的电压时,将存储的电能回馈到逆变单元;当无刷双馈电机作为无刷双馈感应电动机DFIM进行电动运行时,根据动力负载变化,动态调节无刷双馈电机的控制绕组的电压,根据逆变单元所需电能,动态地存储余额电能或输出缺额电能。尤其是在突加、突卸负载时,励磁功率会发生突变,储能装置可以很好地抑制励磁功率突变,提高了系统的鲁棒性。
[0123] 软启动电路,用于控制软启动电路中的接触器闭合,以减小电机启动过程中的大电流造成的电气冲击,避免启动冲击电流冲击损害电气设备。
[0124] 隔离变压器,用于使无刷双馈电机的一次侧与二次侧的电气完全绝缘,抑制高频杂波传入控制回路。同时使二次侧对地悬浮,增大绝缘,起到保护、防雷、滤波、保护人身安全的作用。
[0125] 第一电压检测电路,用于将滤除高频杂波的无刷双馈电机的功率绕组的三相线路的电压变化信号传送至PWM整流单元;
[0126] 电流检测电路,用于将接收的电流变化信号传送至励磁控制器与逆变单元;
[0127] 第二电压检测电路,用于将检测到的无刷双馈电机的功率绕组的三相线路的电压幅值变化信号传送至励磁控制器与逆变单元。
[0128] 如图I所示,当无刷双馈电机作为无刷双馈感应发电机DFIG进行发电运行时,本发明的无刷双馈电机励磁控制系统的实施例I由PWM整流单元2、励磁控制器与逆变单元10、储能装置12、BOOST电抗器13、软启动电路14、隔离变压器15、平波电抗器6、第一电流传感器5、接触器7、操作与显示单元11、第一电压检测电路17、第二电压检测电路18、电流检测电路19组成。
[0129] PWM整流单元2有两个三相输入端,一个三相输入端引入的三相线路依次通过BOOST电抗器13、软启动电路14、隔离变压器15、平波电抗器6、与无刷双馈感应发电机DFIG的三相功率绕组4相连,另一个三相输入端连接第一电压检测电路17的输出端,第一电压检测电路17输入端引入的三相线路直接连接在软启动电路14与隔离变压器15之间对应的三相线路上;
[0130] PWM整流单元2的输出端正、负直流母线和励磁控制器与逆变单元10的正、负输入端相连;在PWM整流单元2和励磁控制器与逆变单元10之间的正负直流母线上并联接有储能装置12 ;
[0131] 励磁控制器与逆变单元10的一个三相输出端引出的三相线路与无刷双馈感应发电机DFIG的三相控制绕组3相连,励磁控制器与逆变单元10的一个信号输入端连接第二电压检测电路18的输出端,第二电压检测电路18的输入端引入的三相线路直接连接在隔离变压器15与平波电抗器6之间对应的三相线路上,励磁控制器与逆变单元10的另一个信号输入端连接电流检测电路19的输出端,三相线路上的第一电流传感器5的输出端与电流检测电路19的输入端连接;
[0132] 操作与显示单元11和励磁控制器与逆变单元10之间通过CAN总线通讯方式相连;编码器9与无刷双馈电机的无刷转子相连并将采集信号传送至励磁控制器与逆变单元10 ;接触器7的一端连接在隔离变压器15与平波电抗器6之间的三相线路上,第一电流传感器5连接在接触器7与平波电抗器6之间靠近接触器7的三相线路上,接触器7的另一端与电力负载相连,无刷双馈感应发电机DFIG通过机械传动方式与原动机16连接,原动机为无刷双馈感应发电机DFIG提供发电运行所需动力;
[0133] 在PWM整流单元2和励磁控制器与逆变单元10之间的正、负直流母线上还并联接有后备直流电源1,同时在后备直流电源I的输出正极母线上还串联有一个有单相接触器Kl和电阻Rl并联构成的小型软启动电路。 [0134] 如图2所示,当无刷双馈电机作为无刷双馈感应电动机DF頂进行电动运行时,本发明的无刷双馈电机励磁控制系统的实施例2由PWM整流单元2、励磁控制器与逆变单元10、储能装置12、BOOST电抗器13、软启动电路14、隔离变压器15、平波电抗器6、第一电流传感器5、接触器7、操作与显示单元11、第一电压检测电路17、第二电压检测电路18、电流检测电路19组成。
[0135] PWM整流单元2的两个三相输入端,一个三相输入端引入的三相线路依次通过BOOST电抗器13、软启动电路14、隔离变压器15、平波电抗器6、第一电流传感器5与无刷双馈感应电动机DFM的三相功率绕组4相连,另一个三相输入端连接第一电压检测电路17的输出端,第一电压检测电路17输入端引入的三相线路直接连接在软启动电路14与隔离变压器15之间对应的三相线路上;
[0136] PWM整流单元2的输出端正、负直流母线和励磁控制器与逆变单元10的正、负输入端相连;在PWM整流单元2和励磁控制器与逆变单元10之间的正、负直流母线上并联接有储能装置12 ;
[0137] 励磁控制器与逆变单元10的一个三相输出端引出的三相线路与无刷双馈感应电动机DFM的三相控制绕组3相连,励磁控制器与逆变单元10的一个信号输入端连接第二电压检测电路18的输出端,第二电压检测电路18的输入端引入的三相线路直接连接在隔离变压器15与平波电抗器6之间对应的三相线路上,励磁控制器与逆变单元10的另一个信号输入端连接电流检测电路19的输出端,三相线路上的第一电流传感器5的输出端与电流检测电路19的输入端连接;
[0138] 操作与显示单元11和励磁控制器与逆变单元10之间通过CAN总线通讯方式相连;编码器9与无刷双馈电机的无刷转子相连并将采集信号传送至励磁控制器与逆变单元10 ;接触器7的一端连接在隔离变压器15与平波电抗器6之间的三相线路上,接触器7另一端与电源或电网相连,无刷双馈感应电动机DFIM通过机械传动方式与动力负载20连接,为动力负载提供动力。
[0139] 在PWM整流单元2和励磁控制器与逆变单元10之间的正、负直流母线上还并联接有后备直流电源1,同时在后备直流电源I的输出正极母线上还串联有一个有单相接触器Kl和电阻Rl并联构成的小型软启动电路。
[0140] 根据具体应用环境和制造成本,当接触器7另一端相连电源或电网质量较好时,隔离变压器15可以简化,当动力负载变化较小时,后备直流电源I及其连接的小型软启动电路可以简化、不影响系统的正常运行。
[0141] 如图3所示,无刷双馈电机在风力发电领域主要是将风力发电产生的电能供给电网,在本发明实施例I的基础上,将原动机16更换为风力发动机,将电力负载更换为电网,无刷双馈电机励磁控制系统就可以应用于风力发电系统。
[0142] 如图4所示,无刷双馈电机在轴带发电领域主要是将轴带发电产生的电能供给局域电网或电力负载,比如说船舶轴带发电,在本发明实施例I的基础上,将原动机16更换为轴带发动机,无刷双馈电机励磁控制系统就可以应用于轴带发电系统。
[0143] 如图5所示,三相交流电网作为电动机运行所需电源较为常见,在本发明实施例2的基础上,将电源更换为电网,无刷双馈电机励磁控制系统就可以应用于电网供电进行电动运行。
[0144] 在本发明的实施例I和实施例2中,后备直流电源I的作用是当无刷双馈电机作为无刷双馈感应发电机DFIG进行发电运行时,后备直流电源I为无刷双馈感应发电机DFIG的发电运行起励提供励磁电流,在无刷双馈感应发电机DFIG发电运行平稳后,还可以通过再充电的方式部分储存发电过程中电路中的多余电能。当无刷双馈电机作为无刷双馈感应电动机DF頂进行电动运行时,后备直流电源I的作用可以使无刷双馈感应电动机DF頂在电源突然断电的情况下平稳停车,减小因工艺过程突然中断造成的原材料损失,避免设备的损坏。如果省略后备直流电源I及其连接电路,不会影响无刷双馈感应电动机DFIM的正常电动运行。
[0145] PWM整流单元2与BOOST电抗器13共同构成三相PFC功率因数校正电路,该电路 可以调节PWM整流器三相输入端的电流波形,使输入电流平均值自动跟随基波电压基准,呈正弦波,且相位差为零,使输入阻抗呈纯阻性,从而实现其总功率因数为I,减小总电流谐波畸变(THDi),减小谐波失真,提高功率因数,进而减小电机损耗,提高无刷双馈电机的有功功率输出能力。恒定输出电压,实现单位功率因数运行,使的PWM整流单元2输出电压为近似平滑的直流输出电压,实现将无刷双馈电机的功率绕组4端的三相交流电整流成为近似平滑的直流电供给直流正负母线。进而实现回馈电网。
[0146] 第一电压检测电路17,通过实时检测无刷双馈电机功率绕组4端的电压,并跟踪其幅值,作为PWM整流单元2的信号输入,从而使PWM整流单元2实时完成调整直流正负母线的直流电压。
[0147] BOOST电抗器13是利用其储能作用升压,使其直流侧电压高于交流侧电压,利用BOOST电抗器13中电流不能突变的特性来抑制PWM整流单元2中用于PWM斩波的通断调制电力半导体器件快速关断、开启过程中瞬间突变电流的冲击,还能够保护无刷双馈电机励磁控制系统的动态稳定和热稳定。
[0148] 励磁控制器与逆变单元10包括励磁控制器、逆变单元两个部分,用于根据励磁控制器内置的数学模型、控制策略、输入的控制参数,计算出来的三相控制绕组电流来产生PWM波控制包括的电流型变频装置中整流部分的直流电压大小,达到调节控制电流幅值大小的目的;由计算出来的控制绕组电流角频率来产生PWM波调节包括的变频装置中逆变部分的输出频率,达到控制电流方向的目的,从而通过电压、频率、电流及其方向实现对无刷双馈电机的控制;逆变单元根据励磁控制器部分给定的励磁信号,将直流正负母线上的直流电逆变为幅值、频率、相序可调的三相交流电,并提供给无刷双馈电机的控制绕组,实现对无刷双馈电机的控制;励磁控制器通过采集无刷双馈电机功率绕组的电流、电压信号,检测负载电流变化,实现前馈控制。
[0149] 电流检测电路19输入端连接第一电流传感器5的输出端,将第一电流传感器5检测到的电流信息提供给励磁控制器部分,用于检测负载电流及实现前馈控制。第二电压检测电路18将无刷双馈电机功率绕组4端电压幅值信息提供给励磁控制器部分。
[0150] 储能装置12动态地存储和输出电能,使PWM整流单元直流侧呈低阻抗的电压源特性。在无刷双馈电机作为无刷双馈感应发电机DFIG发电运行时,可以通过逆变单元将储存的直流电能逆变为三相交流电为无刷双馈感应发电机DFIG的发电运行进行起励,在起励完成后,存储发电机发电供应电网或电力负载后的多余电能,并且可以在需要提高无刷双馈感应发电机DFIG控制绕组的电压时,将存储的电能回馈到直流正负母线上;在无刷双馈电机作为无刷双馈感应电动机DFM电动运行时,根据动力负载变化,需要适时地调节无刷双馈感应电动机DFIM控制绕组的电压,励磁控制器与逆变单元10会根据需要从直流正负母线上获取所需电能,此时储能装置12正好能够动态的存储余额电能或输出缺额电能。尤其是在突加、突卸负载时,励磁功率会发生突变,储能装置12很好地解决了这一问题,提高了系统的鲁棒性。
[0151] 编码器9是在无刷双馈电机运转过程中测量无刷双馈电机的转子旋转速度,并反馈给励磁控制器。
[0152] 软启动电路14的作用是按需要闭合软启动电路14中的接触器以减小BOOST电抗器13输入端的启动冲击电流避免电气冲击损害设备。
[0153] 隔离变压器15使一次侧与二次侧的电气完全绝缘,从而抑制高频杂波传入控制回路,隔离变压器使二次对地悬浮,也使该回路隔离,能够增大绝缘,起到保护、防雷、滤波、保护人身安全的作用。
[0154] 操作与显示单元11完成与励磁控制器部分进行通讯,用于系统的参数设置,参数显不如输出电压、输出频率、输出功率等。
[0155] 第一电流传感器5通过实时检测电机功率端三相交流线路中的电流,获得电流变化信号,用于作为输入参数,调节励磁控制器部分的励磁信号输出。
[0156] 平波电抗器6可以抑制三相交流电中的有害纹波,同时也能增大短路电阻,限制短路电流,并可减小因交流电压下降引起逆变器换相失败的机率。
[0157] 接触器7在电动运行模式下将电网或电源21接入系统;在发电运行模式下是将电网或电力负载8接入系统。
[0158] 软启动电路14可以采用三相软启动和两相软启动两种连接方式。如图6所示,三相软启动电路由电阻R2、电阻R3、电阻R4和一个三触点接触器K2构成,电阻R2、电阻R3、电阻R4分别串联在三条三相交流线路上,K2接触器的三组触点分别与电阻R2、电阻R3、电阻R4并联。如图7所示,两相软启动电路由两个电阻R5、电阻R6和一个双触点接触器K3构成,电阻R5、电阻R6可以串联在三相交流线路任意两条上,双触点接触器K3的两组触点分别与电阻R5、电阻R6并联。
[0159] 后备直流电源I的构成形式有两种,如图8所示,采用干电池、铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池、液流电池、钠硫电池、锂离子电池等种类之一的电池或电池组提供后备直流电。如图9所示,采用交流UPS电源经过整流单元整流后的直流电提供后备直流电。
[0160] 隔离变压器15连接方式有四种,如图10所示,一次侧为角形连接,二次侧为星形连接,如图11所示,一次侧为角形连接,二次侧为角形连接,如图12所示,一次侧为星形连接,二次侧为角形连接,如图13所示,一次侧为星形连接,二次侧为星形连接。
[0161] 根据霍尔基夫电流定律iu+iv+iw=0,所以只要测出三相交流线路上任意两相的电流,就能计算出第三相电流大小,因此在此,电流传感器的连接方式可以选择两相连接,也可以选择三相都连接。如图14所示,三相线路上分别串联有三个第一电流传感器5,每个第一电流传感器5单独输出采集的信号;如图15所示,三相线路的任意两条线路上分别串联有两个第一电流传感器5,每个第一电流传感器5单独输出米集的信号。
[0162] 根据具体的使用环境和制造成本,在无刷双馈电机作为无刷双馈感应电动机DFIM电动运行时,后备直流电源I和与之连接的小型软启动电路可以省略。在电网或电力负载运行环境较平稳,电流电压波动较小,电流波纹微小的系统中,隔离变压器15可以省略。
[0163] 励磁控制器与逆变单元10的励磁控制器部分基于无刷双馈电机的的数学模型采用转速、电流双闭环控制算法,可以在获得无刷双馈电机数学模型和等效电磁转矩的基础上,建立多种不同的控制策略,针对无刷双馈电机的控制策略可以采用标量控制、直接转矩控制、矢量控制、模糊控制、PID神经网络控制策略中的一种。
[0164] 第一电流传感器5采用霍尔电流传感器。
[0165] 原动机通过机械传动如连轴、皮带、齿轮、链条、曲轴等方式为无刷双馈感应发电机DFIG的发电运行提供原动力。该原动机是利用能源能够产生动力的机械,可以是热力发 动机、水力发动机、风力发动机、和电动机中的一种。
[0166] 无刷双馈感应电动机DFM使用的能够产生三相交流电的电源,可以是三相交流电网,也可以是三相交流发电机,无刷双馈感应电动机DFM通过机械传动如连轴、皮带、齿轮、链条、曲轴等方式为动力负载提供机械动力。
[0167] 的PWM整流单元2用于PWM斩波的通断调制电力半导体器件可以采用可控硅整流器(SCR)、门极可关断器件(GTO )、电力晶体管(GTR)、电力场效应管(Power MOSFET )、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、集成门极换流晶闸管(IGCT)、对称门极换流晶闸管(SGCT)等多种器件中的一种或几种。PWM整流单元2可以采用电压定向控制、虚拟磁链定向控制、基于电压的直接功率控制、基于虚拟磁链的的直接功率控制等控制策略中的一种。
[0168] 的储能装置12可以是配有DC/DC变换的电池组、超级电容、高能电容、电解电容、铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池、液流电池、钠硫电池、锂离子电池等多种元件中的一种。在上述元件种类选择中,根据需要储能装置内部构成可以是单个单种元件,可以是多个单种元件选择串联、并联、混联,还可以是多个多种元件串联、并联、混联。
[0169] 编码器9为磁编码器、光电编码器中的一种。
[0170] 根据具体使用环境和制造成本,以及与上下位控制系统的互联,操作与显示单元11和励磁控制器与逆变单元10之间通过串行通讯的方式相连,该通讯方式可以是Canbus通讯、也可以是Modbus通讯、RS485通讯、RS232通讯、RS422通讯等通讯方式中的一种。
[0171] 的接触器7为交流接触器,可以是空气式电磁接触器、真空接触器、半导体接触器、永磁接触器中的一种。可以根据需要,选择在无刷双馈电机电动运行模式下将电网或电源接入系统;选择在无刷双馈电机发电运行模式下将电网或电力负载接入系统。
[0172] 包括本发明的无刷双馈电机励磁控制系统的风力发电系统,可以提高风力发电机的发电效率,使上网电力波动较小,对电网减少干扰,同时可以保护风力发电系统的设备电器结构的电气安全。
[0173] 包括本发明的无刷双馈电机励磁控制系统的轴带发电系统,可以提高轴带发电机的发电效率,使电力输出波动较小,对电力负载减少谐波干扰,同时可以保护轴带发电系统的设备电器结构的电气安全。
[0174] 利用本发明的无刷双馈电机励磁控制系统对无刷双馈电机进行起励控制的方法包括无刷双馈电机作为无刷双馈感应发电机用于发电的控制方法,还包括无刷双馈电机作为无刷双馈感应电动机用于电动的控制方法。
[0175] 无刷双馈电机作为发电机运行时,原动机通过机械传动的方式为其提供原动力,后备直流电源I和储能装置12为系统提供励磁电流来源,PWM整流单元2直流正负母线上的直流电能通过励磁控制器与逆变单元10提供幅值、频率、相序可调的三相交流电,作为控制绕组3的励磁电流,若此时接触器7闭合接通电网或电力负载,则为带载起励,帯载起励时,储能装置12提供带载启动时的瞬间高功率、大电流,若此时接触器7断开不接通电力负载,则为空载起励。
[0176] 无刷双馈电机作为发电机运行时,励磁控制器与逆变单元10中励磁控制器根据编码器9测得的原动机转速,实时调节励磁控制器与逆变单元10中逆变单元的输出电压、频率,使无刷双馈感应发电机输出的三相交流电频率保持在50Hz/60Hz,或其他设定频率;逆变单元的输出电压频率正比于原动机16转速和无刷双馈感应发电机转速之差,当原动机16转速高于无刷双馈感应发电机同步转速时,励磁控制器控制逆变单元输出正相序;
[0177] 当原动机16转速低于无刷双馈感应发电机同步转速时,励磁控制器控制逆变单元输出反相序;当原动机16转速等于无刷双馈感应发电机同步转速时,励磁控制器控制逆变单元输出频率为0Hz,实现无刷双馈电机励磁控制系统控制无刷双馈电机实现以同步转速频率发电。
[0178] 无刷双馈电机作为发电机运行时,励磁控制器与逆变单元10中励磁控制器根据第二电压检测电路18采集的无刷双馈发电机功率绕组4输出电压值和当前励磁电流频率,实时调节逆变单元的输出电压幅值,使无刷双馈发电机功率绕组4输出交流电压有效值维持在380V,或其他设定电压值,实现无刷双馈电机励磁控制系统控制无刷双馈电机恒压发电。
[0179] 无刷双馈电机作为发电机运行时,当原动机轴带牵引无刷双馈发电机时,PWM整流单元2正负直流母线电压升高时,正负直流母线将自动为储能装置充电,使直流母线电压升高不至于影响励磁控制器与逆变单元10中逆变单元工作,实现无刷双馈电机励磁控制系统过压保护,有效地节约能源。
[0180] 无刷双馈电机作为电动机运行时,闭合接触器7,接通电网或电源,无刷双馈电机功率绕组4接三相交流电,通过调节励磁控制器与逆变单元10中励磁控制器提供给功率绕组电流的大小,改变电机转速,实现异步电动运行。
[0181] 无刷双馈电机作为电动机运行时,闭合接触器7,接通电网或电源,无刷双馈电机功率绕组4接三相交流电,励磁控制器与逆变单元10中励磁控制器控制逆变单元为控制绕组3提供用于励磁的直流电,实现同步电动运行;当无刷双馈电机转速过高时,部分转差功率经励磁控制器与逆变单元10回馈到PWM整流单元2正负直流母线上,给储能装置12或后备直流电源I充电,实现超同步速电动运行;当无刷双馈电机转速过低时,储能装置12或后备直流电源I通过经励磁控制器与逆变单元10传递给控制绕组3,功率绕组4和控制绕组3电源均向无刷双馈电机转轴输送有功功率,实现亚同步速电动运行。
[0182] 无刷双馈电机作为电动机运行时,闭合接触器7,接通电网或电源,无刷双馈电机功率绕组4接三相交流电,通过改变励磁控制器与逆变单元10的输出频率,调节无刷双馈电机转速,通过改变励磁控制器与逆变单元10改变控制绕组3和功率绕组4的相序,使无刷双馈电机的转速高于或低于同步速度,实现双馈调速。
[0183] 无刷双馈电机作为电动机运行时,通过励磁控制器与逆变单元10调节控制绕组3的频率,调节无刷双馈电机转速。当控制绕组频率为OHz时,并且励磁控制器与逆变单元10中励磁控制器为控制绕组3提供用于励磁的直流电,无刷双馈电机运转于三相交流电的频率下,此时电机转速称为自然同步转速;当励磁控制器与逆变单元10中逆变单元输出反相序时,电机转速低于自然同步转速,当励磁控制器与逆变单元10中逆变单元输出正相序时,电机转速高于自然同步转速。当控制绕组频率一定时,降低控制绕组3电压,无刷双馈电机自然同步转速降低,提高控制绕组3电压时,无刷双馈电机自然同步转速提高。
[0184] 为便于系统得到有效的维护,用户可通过操作与显示单元11人机交互界面方便地设置系统参数,同时用户可以方便地通过人机交互界面观测系统运行参数,如输出电压、输出频率、负载电流等。
[0185] 以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述,并非对本发明的范 围进行限定,在不脱离本发明设计精神的前提下,本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进,均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (31)

1. 一种无刷双馈电机励磁控制系统,其特征在于:包括PWM整流单元、第一电流传感器、平波电抗器、接触器、励磁控制器与逆变单元、操作与显示单元、储能装置、BOOST电抗器、软启动电路、第一电压检测电路、第二电压检测电路; PWM整流单元的第一个三相输入端顺序串联BOOST电抗器、软启动电路、平波电抗器后连接无刷双馈电机的功率绕组,PWM整流单元的直流输出端通过正、负极直流母线连接励磁控制器与逆变单元的直流输入端,励磁控制器与逆变单元的三相输出端连接无刷双馈电机的控制绕组,PWM整流单元的直流输出端连接的正、负极直流母线上并联储能装置; 励磁控制器与逆变单元的信号输入端接收编码器采集的无刷双馈电机转速信号、第二电压检测电路采集的无刷双馈电机的功率绕组与PWM整流单元的第一个三相输入端间三相线路的电压变化信号和第一电流传感器采集的无刷双馈电机的功率绕组与PWM整流单元的第一个三相输入端间三相线路的电流变化信号; PWM整流单元的另一个三相输入端接收第一电压检测电路采集的无刷双馈电机的功率绕组与PWM整流单元的第一个三相输入端间三相线路的电压变化信号; 励磁控制器与逆变单元与操作与显示单元间通过数据端口连接;接触器一端连接在平波电抗器与软启动电路间的三相线路上,另一端与电网、电力负载、电源或局域电网中的一种相连接。
2.根据权利要求I所述的无刷双馈电机励磁控制系统,其特征在于:所述BOOST电抗器直接串联在PWM整流单元和软启动电路之间,或者与非容性元件串联在PWM整流单元和软启动电路之间。
3.根据权利要求2所述的无刷双馈电机励磁控制系统,其特征在于:还包括隔离变压器,在平波电抗器与软启动电路间的三相线路上串联隔离变压器。
4.根据权利要求3所述的无刷双馈电机励磁控制系统,其特征在于:还包括后备直流电源,在PWM整流单元的直流输出端连接的正、负极直流母线上并联后备直流电源。
5.根据权利要求4所述的无刷双馈电机励磁控制系统,其特征在于:所述PWM整流单元(2 )有两个三相输入端,一个三相输入端弓I入的三相线路依次通过BOOST电抗器(13 )、软启动电路(14)、隔离变压器(15)、平波电抗器(6)与无刷双馈感应发电机(DFIG)的三相功率绕组(4)相连,另一个三相输入端连接第一电压检测电路(17)的输出端,第一电压检测电路(17)输入端引入的三相线路直接连接在软启动电路(14)与隔离变压器(15)之间对应的二相线路上; PWM整流单元(2)的输出端正、负直流母线和励磁控制器与逆变单元(10)的正、负输入端相连;在PWM整流单元(2)和励磁控制器与逆变单元(10)之间的正负直流母线上并联接有储能装置(12); 励磁控制器与逆变单元(10)的一个三相输出端引出的三相线路与无刷双馈感应发电机(DFIG)的三相控制绕组(3)相连,励磁控制器与逆变单元(10)的一个信号输入端连接第二电压检测电路(18)的输出端,第二电压检测电路(18)的输入端引入的三相线路直接连接在隔离变压器(15)与平波电抗器(6)之间对应的三相线路上,励磁控制器与逆变单元(10)的另一个信号输入端连接电流检测电路(19)的输出端,三相线路上的第一电流传感器(5)的输出端与电流检测电路(19)的输入端连接; 操作与显示单元(11)和励磁控制器与逆变单元(10)之间通过串行通讯方式相连;编码器(9)与无刷双馈电机的无刷转子相连并将采集信号传送至励磁控制器与逆变单元(10);接触器(7)的一端连接在隔离变压器(15)与平波电抗器(6)之间的三相线路上,接触器(7)的另一端与电力负载相连,无刷双馈感应发电机(DFIG)通过机械传动方式与原动机(16)连接,原动机为无刷双馈感应发电机(DFIG)提供发电运行所需动力; 第一电流传感器(5)连接在接触器(7)与平波电抗器(6)之间靠近接触器(7)的三相线路上; 在PWM整流单元(2)和励磁控制器与逆变单元(10)之间的正、负直流母线上还并联接有后备直流电源(I)。
6.根据权利要求5所述的无刷双馈电机励磁控制系统,其特征在于:所述后备直流电源(I)的输出正极母线上还串联有一个有单相接触器Kl和电阻Rl并联构成的小型软启动电路。
7.根据权利要求2所述的无刷双馈电机励磁控制系统,其特征在于:所述PWM整流单元(2)的两个三相输入端,一个三相输入端引入的三相线路依次通过BOOST电抗器(13)、软启动电路(14)、平波电抗器(6)、第一电流传感器(5)与无刷双馈感应电动机(DFM)的三相功率绕组(4)相连,另一个三相输入端连接第一电压检测电路(17)的输出端,第一电压检测电路(17)输入端引入的三相线路直接连接在软启动电路(14)与平波电抗器(6)之间对应的三相线路上; PWM整流单元(2)的输出端正、负直流母线和励磁控制器与逆变单元(10)的正、负输入端相连;在PWM整流单元(2)和励磁控制器与逆变单元(10)之间的正、负直流母线上并联接有储能装置(12); 励磁控制器与逆变单元(10)的一个三相输出端引出的三相线路与无刷双馈感应电动机(DFM)的三相控制绕组(3)相连,励磁控制器与逆变单元(10)的一个信号输入端连接第二电压检测电路(18)的输出端,第二电压检测电路(18)的输入端引入的三相线路直接连接在隔离变压器(15)与平波电抗器(6)之间对应的三相线路上,励磁控制器与逆变单元(10)的另一个信号输入端连接电流检测电路(19)的输出端,三相线路上的第一电流传感器(5)的输出端与电流检测电路(19)的输入端连接; 操作与显示单元(11)和励磁控制器与逆变单元(10)之间通过串行通讯方式相连;编码器(9)与无刷双馈电机的无刷转子相连并将采集信号传送至励磁控制器与逆变单元(10);接触器(7)的一端连接在隔离变压器(15)与平波电抗器(6)之间的三相线路上,接触器(7)另一端与电源或电网相连,无刷双馈感应电动机(DFIM)通过机械传动方式与动力负载(20)连接,为动力负载提供动力。
8.根据权利要求I至7任一所述的无刷双馈电机励磁控制系统,其特征在于:所述无刷双馈电机作为无刷双馈感应发电机(DFIG)发电运行时,原动机(16)可以是热力发动机、水力发动机、风力发动机、和电动机中的一种。
9.根据权利要求I至7任一所述的无刷双馈电机励磁控制系统,其特征在于:所述无刷双馈电机作为无刷双馈感应发电机(DFIG)发电运行时,所述原动机(16)为无刷双馈电机提供机械动力利用的机械传动方式为连轴、皮带、齿轮、链条、曲轴方式中的一种。
10.根据权利要求I至7任一所述的无刷双馈电机励磁控制系统,其特征在于:所述无刷双馈电机作为无刷双馈感应电动机(DFM)电动运行时,电力来源是三相交流电网,或是三相交流发电机。
11.根据权利要求I至7任一所述的无刷双馈电机励磁控制系统,其特征在于:所述无刷双馈电机作为无刷双馈感应电动机(DFIM)电动运行时,所述无刷双馈电机为动力负载(20)提供机械动力利用的机械传动方式为连轴、皮带、齿轮、链条、曲轴方式中的一种。
12.根据权利要求4至7任一所述的无刷双馈电机励磁控制系统,其特征在于:所述后备直流电源(I)为经交流UPS整流后的直流电源、干电池、铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池、液流电池、钠硫电池、锂离子电池中的一种,或是单个的电池,或是电池组。
13.根据权利要求I至7任一所述的无刷双馈电机励磁控制系统,其特征在于:所述PWM整流单元(2)中,用于PWM斩波的通断调制电力半导体器件可以采用可控硅整流器、门极可关断器件、电力晶体管、电力场效应管、绝缘栅双极晶体管、集成门极换流晶闸管、对称门极换流晶闸管中的一种或几种。
14.根据权利要求I至7任一所述的无刷双馈电机励磁控制系统,其特征在于:所述励磁控制器与逆变单元(10),针对无刷双馈电机数学模型和等效电磁转矩的控制策略可以采用标量控制、直接转矩控制、矢量控制、模糊控制、PID神经网络控制策略中的一种。
15.根据权利要求I至7任一所述的无刷双馈电机励磁控制系统,其特征在于:所述储能装置(12 ),可以是配有DC/DC变换的电池组、超级电容、高能电容、电解电容、铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池、液流电池、钠硫电池、锂离子电池中的一种或几种,连接关系为串联、并联、混联中的一种。
16.根据权利要求I至7任一所述的无刷双馈电机励磁控制系统,其特征在于:所述编码器(9)为磁编码器、光电编码器中的一种。
17.根据权利要求I至7任一所述的无刷双馈电机励磁控制系统,其特征在于:所述软启动电路(14)采用三相软启动和两相软启动两种连接方式中的一种, 三相软启动电路由电阻R2、电阻R3、电阻R4和一个三触点接触器K2构成,电阻R2、电阻R3、电阻R4分别串联在三条三相交流线路上,K2接触器的三个触点分别与电阻R2、电阻R3、电阻R4并联; 两相软启动电路由两个电阻R5、电阻R6和一个双触点接触器K3构成,电阻R5、电阻R6串联在三相交流线路任意两条上,双触点接触器K3的两个触点分别与电阻R5、电阻R6并联。
18.根据权利要求3至7任一所述的无刷双馈电机励磁控制系统,其特征在于:所述隔离变压器(15)的连接方式为: 一次侧为角形连接,二次侧为星形连接; 或一次侧为角形连接,二次侧为角形连接; 或一次侧为星形连接,二次侧为角形连接; 或一次侧为星形连接,二次侧为星形连接。
19.根据权利要求I至7任一所述的无刷双馈电机励磁控制系统,其特征在于:所述操作与显示单元(11)和励磁控制器与逆变单元(10)之间的通讯方式可以是Canbus通讯、Modbus通讯、RS485通讯、RS232通讯或RS422通讯方式中的一种。
20.根据权利要求I至7任一所述的无刷双馈电机励磁控制系统,其特征在于:所述第一电流传感器(5)采用霍尔电流传感器,可以采用两个第一电流传感器(5)对三相线路中的任意两相线路分别采集信号,或采用三个第一电流传感器(5)对三相线路中的三相线路分别采集信号。
21.根据权利要求I至7任一所述的无刷双馈电机励磁控制系统,其特征在于:所述接触器(7)为交流接触器,可以是空气式电磁接触器、真空接触器、半导体接触器和永磁接触器中的一种。
22.根据权利要求I至7任一所述的无刷双馈电机励磁控制系统进行无刷双馈电机控制的方法,其特征在于,包括以下步骤: 无刷双馈电机作为发电机运行时,原动机通过机械传动的方式为其提供原动力,后备直流电源(I)和储能装置(12)为系统提供励磁电流来源,PWM整流单元(2)直流正负母线上的直流电能通过励磁控制器与逆变单元(10)提供幅值、频率、相序可调的三相交流电,作为控制绕组(3)的励磁电流; 若此时接触器(7)闭合接通电网或电力负载,则进行带载起励,储能装置(12)提供带载启动时的瞬间高功率、大电流; 若此时接触器(7)断开不接通电力负载,则进行空载起励。
23.根据权利要求I至7任一所述的无刷双馈电机励磁控制系统进行无刷双馈电机控制的方法,其特征在于,包括以下步骤: 无刷双馈电机作为发电机运行时,励磁控制器与逆变单元(10)中励磁控制器根据编码器(9)测得的原动机转速,实时调节励磁控制器与逆变单元(10)中逆变单元的输出电压、频率使无刷双馈感应发电机输出的三相交流电频率保持在50Hz/60Hz,或其他设定频率; 逆变单元的输出电压频率正比于原动机(16)转速和无刷双馈感应发电机转速之差,当原动机(16)转速高于无刷双馈感应发电机同步转速时,励磁控制器控制逆变单元输出正相序; 当原动机(16)转速低于无刷双馈感应发电机同步转速时,励磁控制器控制逆变单元输出反相序; 当原动机(16)转速等于无刷双馈感应发电机同步转速时,励磁控制器控制逆变单元输出频率为0Hz,实现无刷双馈电机励磁控制系统控制无刷双馈电机实现以同步转速频率发电。
24.根据权利要求I至7任一所述的无刷双馈电机励磁控制系统进行无刷双馈电机控制的方法,其特征在于,包括以下步骤: 无刷双馈电机作为发电机运行时,励磁控制器与逆变单元(10)中励磁控制器根据第二电压检测电路(18)采集的无刷双馈发电机功率绕组(4)输出电压值和当前励磁电流频率,实时调节逆变单元的输出电压幅值,使无刷双馈发电机功率绕组(4)输出交流电压有效值维持在380V,或其他设定电压值,实现无刷双馈电机励磁控制系统控制无刷双馈电机恒压发电。
25.根据权利要求I至7任一所述的无刷双馈电机励磁控制系统进行无刷双馈电机控制的方法,其特征在于,包括以下步骤: 无刷双馈电机作为发电机运行时,当原动机轴带牵引无刷双馈发电机时,PWM整流单元(2)正负直流母线电压升高时,正负直流母线将自动为储能装置(12)充电,使直流母线电压升高不至于影响励磁控制器与逆变单元(10)中逆变单元工作,实现无刷双馈电机励磁控制系统过压保护,有效地节约能源。
26.根据权利要求I至7任一所述的无刷双馈电机励磁控制系统进行无刷双馈电机控制的方法,其特征在于,包括以下步骤: 无刷双馈电机作为电动机运行时,闭合接触器(7),接通电网或电源,无刷双馈电机功率绕组(4)接三相交流电,通过调节励磁控制器与逆变单元(10)中励磁控制器提供给功率绕组电流的大小,改变电机转速,实现异步电动运行。
27.根据权利要求I至7任一所述的无刷双馈电机励磁控制系统进行无刷双馈电机控制的方法,其特征在于,包括以下步骤: 无刷双馈电机作为电动机运行时,闭合接触器(7),接通电网或电源,无刷双馈电机功率绕组(4)接三相交流电,励磁控制器与逆变单元(10)中励磁控制器控制逆变单元为控制绕组(3 )提供用于励磁的直流电,实现同步转速电动运行; 当无刷双馈电机转速过高时,部分转差功率经励磁控制器与逆变单元(10)回馈到PWM整流单元(2)正负直流母线上,给储能装置(12)或后备直流电源(I)充电,实现超同步转速电动运行; 当无刷双馈电机转速过低时,储能装置(12)或后备直流电源(I)通过经励磁控制器与逆变单元(10)传递给控制绕组(3),功率绕组(4)和控制绕组(3)电源均向无刷双馈电机转轴输送有功功率,实现亚同步转速电动运行。
28.根据权利要求I至7任一所述的无刷双馈电机励磁控制系统进行无刷双馈电机控制的方法,其特征在于,包括以下步骤: 无刷双馈电机作为电动机运行时,闭合接触器(7),接通电网或电源,无刷双馈电机功率绕组(4)接三相交流电,通过改变励磁控制器与逆变单元(10)的输出频率,调节无刷双馈电机转速,通过改变励磁控制器与逆变单元(10)改变控制绕组(3)和功率绕组(4)的相序,使无刷双馈电机的转速高于或低于同步速度,实现双馈调速。
29.根据权利要求I至7任一所述的无刷双馈电机励磁控制系统进行无刷双馈电机控制的方法,其特征在于,包括以下步骤: 无刷双馈电机作为电动机运行时,通过励磁控制器与逆变单元(10)调节控制绕组(3)的频率,调节无刷双馈电机转速,当控制绕组频率为OHz时,并且励磁控制器与逆变单元(10)中励磁控制器为控制绕组(3)提供用于励磁的直流电,无刷双馈电机运转于三相交流电的频率下,设定电机转速为自然同步转速;当励磁控制器与逆变单元(10)中逆变单元输出反相序时,电机转速低于自然同步转速; 当励磁控制器与逆变单元(10)中逆变单元输出正相序时,电机转速高于自然同步转速; 当控制绕组频率一定时,励磁控制器与逆变单元(10)调节降低控制绕组(3)电压,无刷双馈电机自然同步转速降低,励磁控制器与逆变单元(10)调节提高控制绕组(3)电压时,使无刷双馈电机自然同步转速提高。
30.包括如权利要求I至21任一所述的无刷双馈电机励磁控制系统的风力发电系统。
31.包括如权利要求I至21任一所述的无刷双馈电机励磁控制系统的轴带发电系统。
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