CN103107757A - 一种利用全功率变流器对风力发电机加热的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种利用全功率变流器对风力发电机加热的方法，该方法具体为：风力发电机组的主控制器检测风力发电机是否需要加热，当需要加热时，所述全功率变流器保持风力发电机转矩为风力发电机组的主控制器转矩给定值，同时提高风力发电机无功电流，通过增加风力发电机铜耗实现风力发电机加热。本发明利用现有风力发电机组的全功率变流器实现加热过程，不需要额外设备，因而成本低、适用性强。本发明的加热过程中风力发电机组无需采取停机、降低功率运行等影响风力发电机组发电量的措施，因而提高了设备可利用率，增加了经济效益。

Description

一种利用全功率变流器对风力发电机加热的方法

技术领域

本发明属于发电机控制技术领域，具体涉及一种利用全功率变流器对风力发电机加热的方法。

背景技术

风力发电机在寒冷或潮湿地区工作时，存在电缆绝缘下降问题。低温环境将导致电缆变脆、绝缘下降，容易发生电缆绝缘击穿；高湿度环境下电缆易发生凝露现象，容易导致风力发电机短路故障。

为解决上述问题，寒冷地区或潮湿地区使用的风力发电机组应具备加热能力，以保证机组安全。现有电机加热技术，主要通过以下两种方法实现：

第一种方法，在电机端部安装加热、吹风装置。需要加热时，通过向电机绕组中吹送热风实现电机加热。此种方法的加热方式简单、直接，送热效率较高。不足之处在于需要增加一套加热、送风装置，成本较高。而且设备安装受制于电机端部结构，并不适于所有电机。

第二种方法，风力发电机停机的情况下，向电机定子电缆上接入低压电流源。通过定子绕组通入大电流，利用电热效应对电机加热。此种方法具有良好的通用性，但其同样需要增加额外的设备投资，且加热过程需要停机，影响风力发电机组发电量。

发明内容

针对现有技术中存在的缺点，本发明提出一种利用全功率变流器对风力发电机加热的方法。本发明提出的对风力发电机加热的方法的出发点是不借助外部设备，最大限度的利用风力发电机自身的发热机制，通过改变全功率变流器的控制方式，实现对风力发电机加热。由于不需要增加设备或改变电机结构，本发明提出的加热方法通用性强，适用于多种结构的永磁同步电机、电励磁同步电机等。实施本发明仅需对现有设备进行软件更新，不需要额外的设备投资。风力发电机加热过程与风力发电机组正常运行过程并行，无需采取停机、降功率运行等可能影响风力发电机组发电量的措施。

本发明提出一种利用全功率变流器对风力发电机加热的方法，所述风力发电机组的主控制器检测风力发电机是否需要加热，当需要加热时，所述全功率变流器保持风力发电机转矩为风力发电机组的主控制器转矩给定值，同时提高风力发电机电流给定值，通过增加风力发电机铜耗实现风力发电机加热。

进一步地，所述全功率变流器保持风力发电机转矩为风力发电机组的主控制器转矩给定值，同时提高风力发电机电流给定值，所述风力发电机电流给定值包括风力发电机有功电流给定值I_q ^*及风力发电机无功电流给定值I_d ^*，通过以下公式计算：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_e^{*}=1.5p{I}_q^{*}[{\mathrm{\ψ}}_f+(L_d-L_q)I_d^{*}]\\ I_d^{*}=\±\sqrt{I_s^{*2}-I_q^{*2}}\end{array}\right.$

其中T_e ^*表示风力发电机组主控制器转矩给定值，ψ_f表示风力发电机磁链，L_d表示风力发电机直轴电感，L_q表示风力发电机交轴电感，I_d ^*表示风力发电机无功电流给定值，I_q ^*表示风力发电机有功电流给定值，p表示风力发电机极对数，I_s ^*表示全功率变流器电流限定值。I_s ^*是由变流器变流能力决定的一个变量，在变流器变流能力允许的范围内，此数值越大，电机加热能力越强。

由上式计算得到的I_q ^*是唯一的，但I_d ^*有两种可能的取值，两种取值在电机加热意义下是等效的，可根据电机控制需要任选一种。

进一步地，所述风力发电机组的主控制器检测到风力发电机不需进行加热时，所述全功率变流器控制风力发电机以满足最佳转矩-电流比要求的风力发电机无功电流给定值I_d ^*和风力发电机有功电流给定值I_q ^*运行，所述的最佳转矩-电流比方法通过设定相同转矩下的最小电机定子电流，减小风力发电机组损耗，提高发电效率，该方法的风力发电机无功电流给定值I_d ^*和风力发电机有功电流给定值I_q ^*通过以下公式获得：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_e^{*}=1.5p{I}_q^{*}[{\mathrm{\ψ}}_f+(L_d-L_q)I_d^{*}]\\ \min \left(\sqrt{I_d^{*2}+I_q^{*2}}\right)\end{array}\right.$

其中T_e ^*表示风力发电机组主控制器转矩给定值，ψ_f表示风力发电机磁链，L_d表示风力发电机直轴电感，L_q表示风力发电机交轴电感，I_d ^*表示风力发电机无功电流给定值，I_q ^*表示风力发电机有功电流给定值，p表示风力发电机极对数。

本发明具有的优点在于：

1、本发明提出的一种利用全功率变流器对风力发电机加热的方法，利用现有风力发电机组的全功率变流器实现加热过程，不需要额外设备，因而成本低、通用性强，不受电机结构的限制。

2、本发明提出的一种利用全功率变流器对风力发电机加热的方法，其加热过程中风力发电机组无需采取停机、降低功率运行等影响风力发电机组发电量的措施，因而提高了设备可利用率，增加了经济效益。

附图说明

图1为适用于本发明的全功率变流器拓扑图

图2本发明提出的一种利用全功率变流器对风力发电机加热的方法的流程图。

图中：1-风力发电机；2-电机侧变换器；3-直流母线支撑电容；4-制动单元；5-网侧变换器；6-直流母线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

本发明提出一种利用全功率变流器对风力发电机加热的方法，适用于采用全功率变流器的风力发电机组，如图1所示，所述的风力发电机组包括风力发电机1与全功率变流器。其中风力发电机1可为永磁同步发电机、电励磁同步发电机或安装升速齿轮箱的半直驱同步发电机。全功率变流器为采用全控型功率器件的电力电子装置，包括电机侧变换器2、直流母线支撑电容3、制动单元4与网侧变换器5。机侧变换器2将电机发出的三相交流电整流为直流，采用三相全桥拓扑，三相全桥的三个桥臂中点分别连接风力发电机1的三相定子引出线；三相全桥的端点分别连接到直流母线6。直流母线支撑电容3并联于直流母线6两端，用于减小母线电压波动。制动单元4并联于直流母线6两端，在母线电压超过设计允许值时提供电流旁路，保证系统安全。网侧变换器5并联于直流母线6两端，用于将直流电逆变为三相交流电并馈送到电网。由于本发明所提出的控制方法不涉及网侧变换器，因此对其拓扑结构无具体要求，可为满足全功率变流器所需的多种交直流变换拓扑。

本发明提出的一种利用全功率变流器对风力发电机加热的方法，其基本原理是通过全功率变流器提高风力发电机定子电流，增加风力发电机铜耗，实现风力发电机加热。铜耗是电流流经定子绕组产生的热损耗，其计算公式如下：

$P_{\mathrm{cu}}=R_S{I}_S^2$

其中P_cu为铜耗消耗的功率，以热量形式散发。R_S为定子电阻，I_S为定子电流。风力发电机组的主控制器通过检测环境温度或检测电缆对地绝缘强度等方法判断风力发电机是否需要加热（此方法为现有成熟技术，相关内容不在本发明中赘述），并通过通讯方式通知全功率变流器进行风力发电机加热。全功率变流器具有独立控制风力发电机有功功率及无功功率的能力。进入风力发电机加热状态后，全功率变流器提高风力发电机定子电流以实现对电机加热。当电机温度达到给定值并维持指定加热时间后（电机加热温度及加热时间为保证电机可靠工作的最低温度及保证水汽蒸发的最低持续时间。此数据主要由电机结构及绕组方式决定，可由实验测得），风力发电机组的主控制器通过通讯方式通知变流器退出电机加热控制方法，全功率变流器恢复执行典型电机控制方法。

典型的风力发电机控制方法，如最佳转矩-电流比控制法等，其普遍特征是在保证正常转矩执行的前提下，使风力发电机组的效率最优、损耗最小。本发明提出的加热控制方法，以降低机组效率为代价，增大发电机的电机定子电流，实现发电机加热。两类控制方法控制目标不同，实现方法不同，因而存在明显区别。

本实施例提出一种利用全功率变流器对风力发电机加热的方法，如图2所示，包括以下几个步骤：

步骤一：风力发电机组的主控制器通过检测环境温度或电缆对地绝缘强度判断风力发电机是否需要加热，如风力发电机需要加热，通过通讯方式通知全功率变流器，使风力发电机处于加热状态，并进入步骤二。如不需要加热，则根据公式（1）计算满足最佳转矩-电流比要求的风力发电机无功电流给定值I_d ^*和风力发电机有功电流给定值I_q ^*，然后进入步骤三；

$\left\{\begin{array}{c}{T}_e^{*}=1.5p{I}_q^{*}[{\mathrm{\ψ}}_f+(L_d-L_q)I_d^{*}]\\ \min \left(\sqrt{I_d^{*2}+I_q^{*2}}\right)\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中T_e ^*表示风力发电机组主控制器转矩给定值，ψ_f表示风力发电机磁链，L_d表示风力发电机直轴电感，L_q表示风力发电机交轴电感，I_d ^*表示风力发电机无功电流给定值，I_q ^*表示风力发电机有功电流给定值，p表示风力发电机极对数。

步骤二：全功率变流器进行控制方法切换，将控制方法由最佳转矩-电流比控制法切换为最大电流控制法。在最大电流控制法下通过公式（2）计算满足转矩执行要求及最大电流控制要求的风力发电机无功电流给定值I_d ^*及风力发电机有功电流给定值I_q ^*，然后进入步骤三。

$\left\{\begin{array}{c}{T}_e^{*}=1.5p{I}_q^{*}[{\mathrm{\ψ}}_f+(L_d-L_q)I_d^{*}]\\ I_d^{*}=\±\sqrt{I_s^{*2}-I_q^{*2}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中T_e ^*表示主控转矩给定值，ψ_f表示风力发电机磁链，L_d表示风力发电机直轴电感，L_q表示风力发电机交轴电感，I_d ^*表示风力发电机无功电流给定值，在本实施例中取负值，I_q ^*表示风力发电机有功电流给定值，p表示风力发电机极对数，I_s ^*表示全功率变流器电流限定值，在本实施例中I_s ^*的取值为I_smax ^*，其中I_smax ^*表示全功率变流器最大允许电流值。

步骤三：变流控制器根据风力发电机无功电流给定值I_d ^*和风力发电机有功电流给定值I_q ^*，采用永磁同步电机控制领域广泛采用的矢量控制方法，计算全功率变流器机侧变换器2的控制信号。具体而言，通过PID控制器计算使风力发电机无功电流真实值I_d跟随风力发电机无功电流给定值I_d ^*，且风力发电机有功电流真实值I_q跟随风力发电机有功电流给定值I_q ^*的风力发电机无功电压给定值U_d ^*和风力发电机有功电压给定值U_q ^*；通过空间电压矢量调制（SVPWM）方法获得电机侧变换器2的驱动信号（PWM_A、PWM_B、PWM_C），驱动电机侧变换器2中的功率电子器件实现风力发电机运行中加热。上文中跟随是指使给定量与被控制量之间的误差小于工程允许的范围。

额定发电机功率1.5MW的永磁同步电机采用本发明的最大电流控制法与现有技术中最佳转矩-电流比控制法控制时，风力发电机产生的对比铜耗如下表1所示。

表1：最大电流控制法与最佳转矩-电流比控制法产生的铜耗对比

由表1可见，最大电流控制法较之最佳转矩电流比控制法在小功率段可明显提高风力发电机的铜耗，进而实现风力发电机加热。随着风力发电机功率升高，二者的铜耗逐渐接近。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (3)

1.一种利用全功率变流器对风力发电机加热的方法，其特征在于：所述风力发电机组的主控制器检测风力发电机是否需要加热，当需要加热时，所述全功率变流器保持风力发电机转矩为风力发电机组的主控制器转矩给定值，同时提高风力发电机无功电流，通过增加风力发电机铜耗实现风力发电机加热。

2.根据权利要求1所述的利用全功率变流器对风力发电机加热的方法，其特征在于：所述全功率变流器保持风力发电机转矩为风力发电机组的主控制器转矩给定值，同时提高风力发电机电流给定值，所述风力发电机电流给定值包括风力发电机有功电流给定值I_q ^*及风力发电机无功电流给定值I_d ^*，通过以下公式计算：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_e^{*}=1.5p{I}_q^{*}[{\mathrm{\ψ}}_f+(L_d-L_q)I_d^{*}]\\ I_d^{*}=\±\sqrt{I_s^{*2}-I_q^{*2}}\end{array}\right.$

其中T_e ^*表示风力发电机组主控制器转矩给定值，ψ_f表示风力发电机磁链，L_d表示风力发电机直轴电感，L_q表示风力发电机交轴电感，I_d ^*表示风力发电机无功电流给定值，I_q ^*表示风力发电机有功电流给定值，p表示风力发电机极对数，I_s ^*表示全功率变流器电流限定值。

3.根据权利要求1所述的利用全功率变流器对风力发电机加热的方法，其特征在于：所述风力发电机组的主控制器检测到风力发电机不需进行加热时，所述全功率变流器控制风力发电机以满足最佳转矩-电流比要求的风力发电机无功电流给定值I_d ^*和风力发电机有功电流给定值I_q ^*运行，所述的最佳转矩-电流比方法通过设定相同转矩下的最小电机定子电流，减小风力发电机组损耗，提高发电效率，该方法的风力发电机无功电流给定值I_d ^*和风力发电机有功电流给定值I_q ^*通过以下公式获得：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_e^{*}=1.5p{I}_q^{*}[{\mathrm{\ψ}}_f+(L_d-L_q)I_d^{*}]\\ \min \left(\sqrt{I_d^{*2}+I_q^{*2}}\right)\end{array}\right.$

其中T_e ^*表示风力发电机组主控制器转矩给定值，ψ_f表示风力发电机磁链，L_d表示风力发电机直轴电感，L_q表示风力发电机交轴电感，I_d ^*表示风力发电机无功电流给定值，I_q ^*表示风力发电机有功电流给定值，p表示风力发电机极对数。

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