CN103795313A - 可容错运行的风力发电机组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可容错运行的风力发电机组，包括风轮机、容错风力发电机、模块化功率变换器、多传感器信号检测器、设备电气故障判别与指示器、全风速最优转矩外环控制器、容错决策内环控制器、逻辑切换与脉宽调制驱动器。本发明具有容错运行能力和低转矩脉动的风力发电机组结构及其驱动控制技术，能够在出现一定的机组电气故障情况下，继续安全可靠和近额定容量地发电运行，并具有机械结构简单，电气可靠性强、模块化装配程度高和方便巡检维修等特点。

Description

可容错运行的风力发电机组

技术领域

本发明涉及风力发电机和容错控制技术领域，具体涉及一种可容错运行的风力发电机组。

背景技术

风力发电是当前最具大规模发展潜力的可再生能源，各个国家均已投入了巨额资金竞相研究开发，并积极推进产业化进程，大力开拓市场应用。

由于风力资源分布的特点，风力发电设备多安装于地理和气象条件较恶劣的郊区或市区中的地势高处。一旦设备安装完毕，机组的运行管理和检修维护极不方便，为此，提高风力发电机组的连续可靠运行能力是风力发电设备研发制造领域的一项重要技术。由于风力发电机是风力发电设备中的核心部件之一，因此，其可靠运行和容错运行能力尤为重要。

目前，用于风力发电系统的发电机主要有三相交流发电机、永磁无刷直流发电机和开关磁阻发电机。三相交流发电机（如永磁同步、电励磁同步、双馈异步、鼠笼异步、绕线异步等）和直流永磁发电机，采用分布式对称绕组结构，当某一相绕组发生断路或短路故障，或某一相功率变换器发生故障时，气隙磁场畸变，从运行机理上导致发电机失控，无法达到如最大风功率跟踪控制等风力发电的基本控制目标，如果不及时停机，其严重的转矩颠簸必然会损坏机械设备。开关磁阻发电机采用对称集中绕组，当某一相绕组发生断路或短路故障，或某一相功率变换器发生故障时，虽然可以缺相容错运行，但其固有的齿槽脉动和不平衡径向磁拉力特性会被放大，发电转矩产生周期性的严重脉动，极易导致风轮机及其辅助机械设备的损坏和机组的不安全。

因此，从提高可靠性指标角度来讲，避免传统分布式对称绕组结构的发电机无法缺相运行，以及开关磁阻发电机大转矩脉动的不足，研究设计一套具有容错运行能力和低转矩脉动的风力发电机及其驱动控制系统具有良好的工程和经济意义。

发明内容

本发明的目的在于：为了解决传统风力发电机组，当发电机发电相绕组发生短路或断路故障，或是功率变换器某些电力电子元件损坏的情况下，机组无法继续安全可靠发电运行的问题，发明设计一套具有容错运行能力和低转矩脉动的风力发电机组结构及其驱动控制技术，使之能够在出现一定的机组电气故障情况下，继续安全可靠和近额定容量地发电运行，并具有机械结构简单，电气可靠性强、模块化装配程度高和方便巡检维修等特点。

本发明的技术解决方案是：

一种可容错运行的风力发电机组，其特征是：包括风轮机、容错风力发电机、模块化功率变换器、多传感器信号检测器、设备电气故障判别与指示器、全风速最优转矩外环控制器、容错决策内环控制器、逻辑切换与脉宽调制驱动器；

所述容错风力发电机，包括在定子圆周空间内，均匀等间隔交错排列的m个定子电磁隔离齿和m个定子电枢发电齿、m个绕在定子电枢发电齿上的集中发电绕组相、表贴在转子外径上的正弦永磁体阵列；其转子与风轮机旋转主轴相连；

所述模块化功率变换器，包括有m个H桥单相正弦逆变电路；每个H桥单相正弦逆变电路均通过2个电气可控开关分别与直流母线正极和负极相连接；每个H桥单相正弦逆变电路均通过1个电气可控开关与容错风力发电机的1个发电绕组相相连接；

所述多传感器信号检测器，包括风速传感器、转速传感器、电压传感器、电流传感器；实现对风速、风轮机转速、容错风力发电机转速以及其m个绕组相的电压和电流的检测；

所述设备电气故障判别与指示器，根据对多传感器信号检测器提供的容错风力发电机m个绕组的电压和电流信号的分析，向容错决策内环控制器提供出容错风力发电机k个故障绕组相的编号，以及k个故障绕组相的故障类型，其中k≤m；并利用显示设备指示出k个故障绕组相的编号及其对应的故障类型；

所述全风速最优转矩外环控制器，根据风轮机的风能吸收最佳转矩曲线关系，以及多传感器信号检测器提供的风速、风轮机转速、容错风力发电机转速以及其m个发电绕组相的电流和电压信号，向容错决策内环控制器提供最优发电总电流控制指令信号；

所述容错决策内环控制器，根据最优发电总电流控制指令信号和k个故障绕组相编号，按照协调等容分配算法，计算出容错风力发电机（m-k）个非故障绕组相各自的最优发电相电流指令信号；

所述逻辑切换与脉宽调制驱动器，根据容错决策内环控制器提供的容错风力发电机（m-k）个非故障绕组相各自的最优发电相电流指令信号，形成对应（m-k）个非故障相H桥单相正弦逆变电路的PWM控制信号；以及k个故障相对应的H桥单相正弦逆变电路中3k个电气可控开关的断开控制信号。

所述容错风力发电机m个发电绕组相输出的发电电压波形为正弦波形。

所述设备电气故障判别与指示器，能够在线判别出电力电子元件失效故障、绕组端部断路故障、绕组端部短路故障；并对故障判别结果进行实时显示。

所述容错决策内环控制器的协调等容分配算法，以容错风力发电机（m-k）个非故障相各自的最优发电相电流指令信号矢量形成圆形磁场为目标，以铜耗最小和总发电电流值等于或接近最优发电总电流控制指令信号值为约束条件。

所述容错决策内环控制器计算出的容错风力发电机（m-k）个非故障绕组各自的最优发电相电流指令信号的数值可以不相同。

所述模块化功率变换器，可以根据设备电气故障判别与指示器指示出的故障绕组相的编号及其对应的故障类型，进行在线不停机检修。

容错风力发电机m个定子电磁隔离齿和m个定子电枢发电齿在定子圆周空间里，均匀等间隔交错排列，其末端均具有极靴结构，以获得较好的磁场正弦化分布特性；m个定子电磁隔离齿上均不绕装绕组。

设备电气故障判别与指示器进行故障判别的规则包括：（1）若容错风力发电机某个发电绕组相的电流，在一个周期内的平均值不等于零，并且和零相差的比较大，明显不等于其他相的平均电流值，则表明，与该发电绕组相连接的H桥单相正弦逆变电路发生了“电力电子元件失效”故障；（2）若容错风力发电机某个发电绕组相的电流瞬时值，在多个检测采样周期里均等于零，明显不等于其他相的电流值，则表明，该发电绕组相发生了“绕组端部断路”故障；（3）若容错风力发电机某个发电绕组相的电流有效值突然变大，同时，空载电压有效值突然变小，明显不等于其他相的电压和电流值，则表明，该发电绕组相发生了“绕组端部短路”故障。

与现有技术相比本发明的优点在于：

（1）容错风力发电机能够在部分相绕组发生短路或是断路故障的情况下，在线快速地电气隔离故障相绕组，并可继续缺相发电运行；

（2）容错风力发电机能够在模块化功率变换器部分H桥单相正弦逆变电路的电力电子元件失效情况下，在线快速地切除故障H桥单相正弦逆变电路，并可继续缺相发电运行；

（3）容错风力发电机各相发电绕组独立工作，各相的发电电流可独立控制；

（4）容错风力发电机通过对最优发电转矩控制指令信号的协调等容算法分配，保证发电机总发电电磁转矩在缺相运行情况下，也不发生大的转矩跌落或脉动。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明的总体结构图。

图2为容错风力发电机的剖面结构图。

图3为模块化功率变换器结构图。

图4为全风速最优转矩外环控制器的控制原理图。

具体实施方式

以一种可容错运行的风力发电机组为例，结合附图对本发明作进一步说明。

参见附图1，所述的一种容错运行的风力发电机组主要由风轮机、容错风力发电机、模块化功率变器、多传感器信号检测器、设备电气故障判别与指示器、全风速最优转矩外环控制器、容错决策内环控制器、逻辑切换与脉宽调制驱动器等部分组成。

参见附图2，容错风力发电机主要由定子1、在定子圆周内径上的m个定子电磁隔离齿2、在定子圆周内径上的m个定子电枢发电齿3、m个绕在定子电枢发电齿3上的集中发电绕组相4、转子5、表贴在转子外径上的正弦永磁体阵列6组成。m个定子电磁隔离齿2和m个定子电枢发电齿3在定子圆周空间里，均匀等间隔交错排列，其末端均具有极靴7结构，以获得较好的磁场正弦化分布特性；m个定子电磁隔离齿2上均不绕装绕组；图2中，m=8。根据电机学原理，在定子电磁隔离齿2的作用下，各发电绕组相4之间的电磁耦合干扰很小，可以实现各发电绕组相4的独立控制。

容错风力发电机的转子6接风轮机的旋转主轴，容错风力发电机的定子1相对静止。当容错风力发电机转子6在风轮机的带动下旋转时，其m个集中发电绕组相4会在永磁正弦磁力气隙磁场的切割下，产生正弦发电电压。

参见附图3，容错风力发电机的集中发电绕组相4，通过电气可控开关13，与模块化功率变换器的H桥单相正弦逆变电路8相连接。模块化功率变换器的H桥单相正弦逆变电路8通过电气可控开关11与母线正极9相连，通过电气可控开关12与母线负极10相连。模块化功率变换器的H桥单相正弦逆变电路8的个数与容错风力发电机的集中发电绕组相的个数相同。模块化功率变换器，可以根据设备电气故障判别与指示器指示出的故障绕组相的编号及其对应的故障类型，进行在线不停机检修。

多传感器信号检测器，包括风速传感器、转速传感器、电压传感器、电流传感器；实现对风速、风轮机转速、容错风力发电机转速以及m个发电绕组相的电压和电流的检测。

设备电气故障判别与指示器，根据多传感器信号检测器提供的容错风力发电机m个发电绕组相4的电压和电流信号，进行故障判别。其规则包括：（1）若容错风力发电机某个发电绕组相的电流，在一个周期内的平均值不等于零，并且和零相差的比较大，明显不等于其他相的平均电流值，则表明，与该发电绕组相连接的H桥单相正弦逆变电路发生了“电力电子元件失效”故障。（2）若容错风力发电机某个发电绕组相的电流瞬时值，在多个检测采样周期里均等于零，明显不等于其他相的电流值，则表明，该发电绕组相发生了“绕组端部断路”故障。（3）若容错风力发电机某个发电绕组相的电流有效值突然变大，同时，空载电压有效值突然变小，明显不等于其他相的电压和电流值，则表明，该发电绕组相发生了“绕组端部短路”故障。

设备电气故障判别与指示器，依据上述规则，进行故障判别，得到容错风力发电机k个故障绕组相的编号，其中k≤m；以及k个故障绕组相相对应的故障类型；这些故障类型包括：电力电子元件失效故障、绕组端部断路故障、绕组端部短路故障。

设备电气故障判别与指示器，将检测到的k个故障绕组相的编号，以及k个故障绕组相相对应的故障类型提供给显示设备指示出来，以供发电机组的维护人员快速巡检与维修。

参见附图4，全风速最优转矩外环控制器，首先根据多传感器信号检测器提供的容错风力发电机转速ω及其m个发电绕组相的电流i_x和电压u_x信号（x=1,2,…,m），换算出当前的总发电电磁转矩值T_ef；再根据多传感器信号检测器提供的风速v信号和风轮机转速ω_wt信号，依据风轮机的风能吸收最佳转矩曲线关系，获得当前最优气动转矩信号T_opm ^*；将最优气动转矩信号与当前的总发电电磁转矩值相减，T_opm ^*-T_ef，其差值进行PID控制算法运算，得出当前的最优发电总电流控制指令信号i_q ^*，并提供给容错决策内环控制器。

所述逻辑切换与脉宽调制驱动器，根据容错决策内环控制器提供的容错风力发电机（m-k）个非故障绕组相各自的最优发电相电流指令信号，形成对应（m-k）个非故障相H桥单相正弦逆变电路的PWM控制信号；以及k个故障相对应的H桥单相正弦逆变电路中3k个电气可控开关的断开控制信号。具体而言，容错决策内环控制器，首先根据设备电气故障判别与指示器给出的k个故障绕组相的编号，输出逻辑控制信号给逻辑切换与脉宽调制驱动器，使得相应故障绕组相编号所对应的H桥单相正弦逆变电路8内的电力电子元件的PWM控制信号封锁，并将其3个相连电气可控开关11、12、13断开，以达到对k个故障绕组相实现电气隔离的目的。

由于该k个故障绕组相实现了电气隔离，因此，发电机组的维护人员可以依据设备电气故障判别与指示器指示出来的故障绕组相的编号及其故障类型，进行在线不停机检修。其中包括：对于“电力电子元件失效故障”，可以直接更换该故障绕组相所连接的H桥单相正弦逆变电路，以排除该故障；对于“绕组端部断路故障”和“绕组端部短路故障”，可以通过人工观察和进一步的测量以确定具体的故障点，以排除该故障，或是作保守处理，留待日后的整体检修。

所述容错决策内环控制器计算出的容错风力发电机（m-k）个非故障绕组各自的最优发电相电流指令信号的数值可以不相同。

容错决策内环控制器，再根据全风速最优转矩外环控制器提供的当前的最优发电总电流控制指令信号i_q ^*，按照协调等容分配算法，向容错风力发电机剩余（m-k）个非故障发电绕组相分配各相的最优发电相电流指令信号i_qp ^*，其中，p=1,2,…,m-k。其协调等容分配算法以该（m-k）个非故障相各自的最优发电相电流指令信号i_qp ^*矢量形成圆形磁场为目标，以铜耗最小和总发电电流值等于或接近最优发电总电流控制指令信号i_q ^*为约束条件，具体求解方程可表述为

$\underset{x=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\→}{F}}_x=\underset{y=1}{\overset{m-k}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\→}{F}}_y---\left(1\right)$

$P_{\mathrm{Cu}}=\underset{y=1}{\overset{m-k}{\mathrm{\Σ}}}{i}_{y}R---\left(2\right)$

式（1）等号左边代表容错风力发电机全部m个发电绕组相均正常工作时，应该产生的圆形旋转磁势，等号右边代表容错风力发电机在仅有（m-k）个非故障发电绕组相正常工作时，各非故障相所需要产生的圆形旋转磁势。式（1）保证了容错风力发电机在k个发电绕组相因故障而被电气隔离切除前后，产生的磁势相等，即圆形磁场和总电流值不变的协调等容分配原则。式（2）为（m-k）个非故障发电绕组相电流i_y产生的铜耗，其中，y=1,2,…,m-k。因为，式（1）存在多解情况，因此，加入式（2）取最小值这一约束条件，可以使得式（1）的解唯一。显然，i_y的最终解即为i_qp ^*。

容错决策内环控制器将解算得到的（m-k）个非故障绕组相的最优发电相电流指令信号i_qp ^*提供给逻辑切换与脉宽调制驱动器。逻辑切换与脉宽调制驱动器采用含电流闭环的滞环调制控制方法，形成相应（m-k）个非故障绕组相所对应的H桥单相正弦逆变电路8内的电力电子元件的PWM控制信号，以最终完成该风力发电机组在全风速工况下的最优风电能量转换控制的目的。

Claims (4)

1.一种可容错运行的风力发电机组，其特征是：包括风轮机、容错风力发电机、模块化功率变换器、多传感器信号检测器、设备电气故障判别与指示器、全风速最优转矩外环控制器、容错决策内环控制器、逻辑切换与脉宽调制驱动器；

所述容错风力发电机，包括在定子圆周空间内，均匀等间隔交错排列的m个定子电磁隔离齿和m个定子电枢发电齿、m个绕在定子电枢发电齿上的集中发电绕组相、表贴在转子外径上的正弦永磁体阵列；其转子与风轮机旋转主轴相连；

所述模块化功率变换器，包括有m个H桥单相正弦逆变电路；每个H桥单相正弦逆变电路均通过2个电气可控开关分别与直流母线正极和负极相连接；每个H桥单相正弦逆变电路均通过1个电气可控开关与容错风力发电机的1个发电绕组相相连接；

所述多传感器信号检测器，包括风速传感器、转速传感器、电压传感器、电流传感器；实现对风速、风轮机转速、容错风力发电机转速以及其m个绕组相的电压和电流的检测；

所述设备电气故障判别与指示器，根据对多传感器信号检测器提供的容错风力发电机m个绕组的电压和电流信号的分析，向容错决策内环控制器提供出容错风力发电机k个故障绕组相的编号，以及k个故障绕组相的故障类型，其中k ≤ m；并利用显示设备指示出k个故障绕组相的编号及其对应的故障类型；

所述全风速最优转矩外环控制器，根据风轮机的风能吸收最佳转矩曲线关系以及多传感器信号检测器提供的风速、风轮机转速、容错风力发电机转速以及其m个发电绕组相的电流和电压信号，向容错决策内环控制器提供最优发电总电流控制指令信号；

所述容错决策内环控制器，根据最优发电总电流控制指令信号和k个故障绕组相编号，按照协调等容分配算法，计算出容错风力发电机（m-k）个非故障绕组相各自的最优发电相电流指令信号；所述容错决策内环控制器计算出的容错风力发电机（m-k）个非故障绕组各自的最优发电相电流指令信号的数值可以不相同； 

所述逻辑切换与脉宽调制驱动器，根据容错决策内环控制器提供的容错风力发电机（m-k）个非故障绕组相各自的最优发电相电流指令信号，形成对应（m-k）个非故障相H桥单相正弦逆变电路的PWM控制信号；以及k个故障相对应的H桥单相正弦逆变电路中3k个电气可控开关的断开控制信号；

所述容错风力发电机m个发电绕组相输出的发电电压波形为正弦波形。

2.根据权利要求1所述的可容错运行的风力发电机组，其特征是： 所述设备电气故障判别与指示器，能够在线判别出电力电子元件失效故障、绕组端部断路故障、绕组端部短路故障；并对故障判别结果进行实时显示。

3. 根据权利要求1所述的可容错运行的风力发电机组，其特征是：所述容错决策内环控制器的协调等容分配算法，以容错风力发电机（m-k）个非故障相各自的最优发电相电流指令信号矢量形成圆形磁场为目标，以铜耗最小和总发电电流值等于或接近最优发电总电流控制指令信号值为约束条件。

4. 根据权利要求1所述的可容错运行的风力发电机组，其特征是：所述模块化功率变换器，可以根据设备电气故障判别与指示器指示出的故障绕组相的编号及其对应的故障类型，进行在线不停机检修。

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