CN103546080A - 风力发电系统及其励磁式同步发电机的控制方法 - Google Patents

风力发电系统及其励磁式同步发电机的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种独立供电型风力发电系统及其励磁式同步发电机的控制方法。在此方法中，利用同轴配置，将风机输入、增速机、励磁式同步发电机与电动机整合于同一传动轴，将输入风能转换为电能输出至负载。同时通過励磁场控制，以达到稳定电压输出的目标。通过电动机伺服控制，于风力改变的情况下，可稳定控制励磁式同步发电机的转速，进而使输出电源的频率稳定。通过量测电动机的输入能量、电力转换器及蓄电池组等所构成的能量流管理单元，进行能量储存与释放，以完成独立供电型风力发电的励磁式同步发电机的控制。

Description

风力发电系统及其励磁式同步发电机的控制方法
技术领域
本发明涉及一种发电机及其控制方法，且特别是有关于一种应用于独立供电型风力发电系统及其励磁式同步发电机的控制方法。风力发电系统可通过同轴配置与励磁场控制，使励磁式同步发电机将输入风能转换成电能输出，并利用电动机进行励磁式同步发电机的转速伺服控制。通过蓄电池及电力转换器的相互结合，且量测电动机的输入能量所构成的能量流管理控制方法，进行储存能量与释放能量，使励磁式同步发电机可应用于独立供电型风力发电系统。
背景技术
目前一般发电系统架构是以永磁式发电机为主要发电设备，其需要通过交-直流、蓄电池与直-交流转换器设备，将输入电源经由转换后输出，如此转换方式，会造成电力转换的功率损耗，使整体发电系统转换率降低，并增加发电设备的成本。当输入风能变动与输出负载增加时，由于永磁式发电机无法控制其励磁场大小，因此当负载端所需要的能量增加时，其可能造成负载端的电压无法维持恒定，而降低输出电源的质量。
发明内容
本发明的独立供电型风力发电系统包含风机、传动轴、增速机、励磁式同步发电机、电动机、驱动器、编码器、电流侦测器、升压型转换器、蓄电池组、励磁场控制、整流及降压型转换器、发电机电压及电流、负载及数码信号处理器。
本发明的主要目的在于提供一种独立供电型风力发电系统的励磁式同步发电机的控制方法，其利用同轴配置，将风机输入、增速机、励磁式同步发电机与电动机整合于同一传动轴，将输入风能转换为电能输出至负载。于输入风能充足时，励磁式同步发电机输出电能并直接提供至负载端，同时，通过能量流管理单元与数码信号处理器控制，通过整流及降压型转换器，对蓄电池组充电储存电能。于风力变化过程中所造成的输入风能不足时，通过能量流管理单元，通过蓄电池组、升压型转换器及电动机来进行伺服控制，通过蓄电池的能量提供至电动机，使励磁式同步发电机得以稳定转速，如此，可以稳定输出电源的频率。此外，通过励磁场控制将励磁式同步发电机的电压信息回授，控制励磁式同步发电机的励磁场大小，来达到稳定输出电压的目的。
本发明是利用励磁式同步发电机将输入风能转换为电能输出，提供负载电源。同时通过励磁场控制，以达到稳定电压输出的目标。通过电动机的伺服控制，于风力改变的情况下，可稳定控制励磁式同步发电机的转速，进而使输出电源的频率稳定。通过量测电动机的输入能量、电力转换器及蓄电池组等所构成的能量流管理单元，进行能量储存与释放，以完成独立供电型风力发电的励磁式同步发电机的控制。
为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：
附图说明
图1显示本发明的一实施例的独立供电型风力发电系统的励磁式同步发电机的控制架构图。
图2显示本发明的一实施例的风力发电系统励磁式同步发电机的转速伺服控制的架构图。
图3显示本发明的一实施例的蓄电池的充电控制的方块图。
图4显示本发明的一实施例的电压调整控制的方块图。
图5显示本发明的一实施例的能量流管理的模拟图。
具体实施方式
请参阅图1，其显示本发明的一实施例的独立供电型风力发电系统的励磁式同步发电机的控制架构图。本发明的方法可应用于风力发电系统(如下述的实施例)，然不限于此，其亦可应用于其它发电系统，例如水力、火力、洋流与潮汐发电，本发明的应用领域范围可为各种动力发电系统相关的再生能源控制技术。
请再参阅图1，此发电系统包含风机10、传动轴11、增速机20、励磁式同步发电机30、电动机40、驱动器41、编码器42、电流侦测器43、升压型转换器50、蓄电池组51、整流及降压型转换器53、负载60、数码信号处理器70。
请再参阅第图1，当风机10输入风能时，利用同轴配置，将风机10输入、增速机20、励磁式同步发电机30与电动机40整合于同一传动轴11，将输入风能通过增速机20传递至励磁式同步发电机30，并转换为电能来输出至负载60上。通过数码信号处理器70来进行励磁场控制，以控制励磁式同步发电机30的励磁场大小，进行自动电压调控，稳定励磁式同步发电机30输出的电压值。
请再参阅图1，当输入风能充足时，励磁式同步发电机30输出的电能除了提供给负载60外，也可将多余的能量通过第一能量流管理单元1的整流及降压型转换器53，对蓄电池组51来进行充电储存能量，使励磁式同步发电机30的输出电能可以完全被利用。
请再参阅图1，当输入风能不足时，其会导致励磁式同步发电机30的转速受到影响，使输出电源的频率改变。因此，本发明的控制方法可通过电动机伺服控制来稳定励磁式同步发电机30的转速及输出电源频率。励磁式同步发电机30与电动机40的转速与频率，皆可通过编码器42输出至数码信号处理器70运算后获得，当励磁式同步发电机30的转速与额定的转速相互比较并有转速误差时，数码信号处理器70输出一速度命令至驱动器41，使电动机40根据此速度命令来进行速度伺服控制，藉此来稳定励磁式同步发电机30的转速与输出电源的频率。
请再参阅图1，通过第二能量流管理单元2的蓄电池组51及电动机40，可提供进行电动机速度伺服控制所需的电能。在第二能量流管理单元2中，通过储存于蓄电池组51中的电能，将电能经过升压型转换器50进行升压，以提供驱动器41进行电动机伺服控制，使电动机40提供励磁式同步发电机30一能量，稳定励磁式同步发电机30的转速与输出电压的频率。当蓄电池组51的电力不足时，也可通过市电的电源，提供电动机40驱动的能量。
请再参阅图2，通过编码器42所获得的电动机角度θM，可进而获得电动机转速ωM。根据速度命令ωM-cmd与电动机转速ωM相比较所得到的转速误差，转速伺服控制器及驱动器41可藉此控制电动机40的转速。利用同轴配置的方式，将风机10的转速ωW及转矩TW，以及电动机40的转速ωM与转矩TM整合，以产生提供给励磁式同步发电机30的转速ωG及转矩TG。同时，根据自动电压调控来产生调整励磁式同步发电机的励磁场大小的控制信号If，以稳定励磁式同步发电机30的输出电压，并将电能输出至负载60。
如图2所示，上述的第一能量流管理单元1及第二能量流管理单元2可整合于一能量流管理单元中，此整合的能量流管理单元可包括升压型转换器50、蓄电池组51、降压型转换器53及AC-DC转换器55。
请再参阅图2，当输入风能充足时，能量流管理单元会将励磁式同步发电机30的输出电压经过AC-DC转换器55，与降压型转换器53输出充电电流IB，对蓄电池组51进行充电储存电能，并且将电动机的输入电压Va，Vb，Vc、电流Ia，Ib，Ic、转速ωM及角度θM等信息汇整，来获得电动机40的输入能量并进行蓄电池组51的充电控制。当输入风能变动时，通过蓄电池组51释放所储存的能量，通过升压型转换器50，进行升压以提供驱动器所需要的DC Bus电压，来完成电动机的转速伺服控制。
请参阅图3，当进行蓄电池组充电时，其能量控制方式为通过电流侦测器43将电动机40的输入电流Ia，Ib，Ic回授至数码信号处理器70，并根据电动机40的输入电压Va，Vb，Vc来获得电动机输入的能量PM，将输入电动机的能量PM与电动机能量命令PM cmd进行比较，于系统稳态时，电动机能量命令PM cmd的值会设定为零，其比较结果再经过一比例积分控制器57获得ΔP信号。其中，KP与KI分别为比例参数与积分参数。此时，将蓄电池组的电压VB及充电电流IB相乘所获得的蓄电池充电能量PB回授，并与信号ΔP进行比较，接着将此比较结果经过比例积分控制器57产生控制信号，并通过降压型转换器的降压增益KB，以进行蓄电池组充电的控制。
请参阅第4图，当进行励磁式同步发电机输出电压控制时，通过将励磁式同步发电机30的输出电压均方根值Vrms回授，并与电压命令Vcmd进行比较以获得电压误差，将此电压误差经过比例积分控制器57与励磁增益KF，来产生励磁式同步发电机的励磁场控制信号，以调整励磁式同步发电机的输出电压，达到稳压输出的目的。
请参阅第5图，线L1表示风机所输入的能量，线L2表示蓄电池组51所充电储存的能量，线L3表示电动机40所提供的能量，线L4表示发电机30输出至负载60的能量。如图5所示，于时间10秒之前，风力发电系统的输入风能充足且稳定，因而蓄电池组51可进行充电储存能量，电动机40则无需提供能量。当于区间A1、区间A3、区间A5时，输入风能开始变动，于上述区间A1、A3、A5中，输入风能小于发电机30输出至负载60的能量，因而蓄电池组51利用所储存的电能来提供驱动电动机所需的能量，以维持负载60的能量稳定。当于区间A2、区间A4时，输入风能大于发电机30输出至负载的能量，因而发电机30输出电能至负载60外，也将多余的能量充电至蓄电池组51中进行储能，此时，电动机30无需提供能量。
综上所述，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本发明，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围以权利要求界定的范围为准。

Claims (5)

1.一种风力发电系统的励磁式同步发电机的控制方法，其特征在于：所述控制方法包括如下步骤：
利用同轴配置，将风机的输入、所述励磁式同步发电机与电动机整合于同一传动轴，将所述风机的输入风能转换为电能输出至负载；以及
当所述风力发电系统为一稳态时，利用一能量流管理单元来量测所述电动机的输入能量，并将所述电能经过整流及电力转换器，以进行一蓄电池组的电能储存过程。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：还包括如下步骤：
当所述输入风能变动时，进行一电动机伺服控制，使所述励磁式同步发电机的转速稳定，并稳定所输出的所述电能的频率，其中在所述电动机伺服控制的过程中，用于驱动所述电动机的驱动器所需的电能是由储存于所述蓄电池组中的电能，并通过所述电力转换器来将电源提供至所述驱动器。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于：当所述蓄电池组的能量不足时，所述电动机是利用市电的输入电能来进行驱动。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：还包括如下步骤：
通过一电压调整控制将所述励磁式同步发电机的输出电压回授，而与一电压命令比较，并进行所述励磁式同步发电机的一励磁场控制，以调整所述励磁式同步发电机的所述输出电压。
5.一种风力发电系统，其特征在于：所述风力发电系统包括：
传动轴；
风机，设置于所述传动轴上；
励磁式同步发电机，设置于所述传动轴上，用于将所述风机的输入风能转换为电能来输出至负载；
电动机，设置于所述传动轴上；以及
能量流管理单元，连接于所述电动机，其中当所述风力发电系统为一稳态时，所述能量流管理单元量测所述电动机的输入能量，并将所述电能经过整流及电力转换器，以进行一蓄电池组的电能储存过程。
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