CN104377700B - 微网用dwig交直流发电系统及宽风速范围内并网发电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了微网用DWIG交直流发电系统及宽风速范围内并网发电方法，属于交直流混合微网的技术领域。DWIG交直流发电系统包括：定子双绕组异步电机、滤波电感、功率变换器、第一断路器、第二断路器、第三断路器、第一交流电流传感器、直流电流传感器、第二交流电流传感器、第一直流电压传感器、第二直流电压传感器、第一交流电压传感器、第二交流电压传感器、第三交流电压传感器、风速传感器、数字信号处理器、驱动电路。控制方法在不同风速区采用不同控制策略，一台电机就实现了交直流同时发电、交直流并网，在必要的时候利用DWIG两套定子绕组磁场耦合特性实现交直流电网能量双向流动。
Description
技术领域
本发明公开了微网用DWIG(DualStator-WindingInductionGenerator，定子双绕组异步发电机)交直流发电系统及宽风速范围内并网发电方法，尤其是用于微网交直流混合发电的定子双绕组异步电机发电系统及宽风速范围内并网发电的方法，属于交直流混合微网的技术领域。
背景技术
当前能源的短缺和传统能源带来的环境问题促进了清洁能源的大规模接入与利用，提高能源利用效率，实施智能电网重大科技产业化工程，对于调整我国能源结构、节能减排、应对气候变化具有重大意义。综合世界各地区建设智能电网的进程来看，智能电网的关注热点包含有微网，微网是利用大规模清洁能源的接入。当前可再生能源的种类有很多例如风能、潮汐能、水能等。由于清洁能源的不稳定性，需要多种能源综合利用，并配备能量型储能和功率型储能装置以实现互补优化的目的。在构建微网中，目前大部分的发电系统输出电能方式只有单一的交流电或者直流电。那么如何采用简单的方式实现宽速范围最大效率的发电是需要考虑的问题。交直流混合微网中，往往需要一个交流电机、一个直流电机构成相互独立的交流发电系统和直流发电系统，当交流电网与直流电网之间需要能量双向流动时，交流电网与直流电网之间需要一个双向整流逆变装置，存在需要额外的整流逆变装置的缺陷，这增加系统的构建成本和运行维护成本同时也降低了系统的可靠性。
定子双绕组异步发电机(DWIG)是二十一世纪初由美国田纳西理工大学Ojo教授提出的一种新型笼型异步电机，该电机的转子仍为笼型结构，继承了传统笼型异步电机的固有优点，其定子上有两套绕组，一套为控制绕组，接有功率变换器；另一套为功率绕组，向负载供电，两套定子绕组具有相同的极对数，共享同一气隙磁场，且它们在电气上没有直流连接，仅通过磁耦合，功能分开，易实现高性能控制。由于DWIG结构独特且具有诸多优点，它吸引了国内外研究人员的广泛关注。Ojo教授对DWIG恒速恒频交流发电系统的拓扑结构及控制策略作了许多开创性研究。国内海军工程大学的马伟明教授以舰船独立电源系统为应用背景，对恒速运行条件下的DWIG高压直流发电系统进行了深入研究，主要包括拓扑结构，控制策略，稳定性等。为拓宽DWIG的应用场合，南京航空航天大学的研究人员从2004年开始研究变速运行条件下的DWIG高压直流发电系统，如图1所示，并重点对电机设计、系统优化、控制策略等开展了研究工作。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了微网用DWIG交直流发电系统及宽风速范围内并网发电方法，以解决微网中发交流电和直流电需要构建独立的交流发电系统和直流发电系统、交直流并网发电控制复杂、传统交直流混合微网并网需要额外整流逆变装置这些技术问题。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
微网用DWIG交直流发电系统，包括主回路、检测回路和控制回路，所述主回路包括：定子双绕组异步电机、滤波电感、功率变换器、第一断路器、第二断路器、第三断路器，检测回路包括：检测第一断路器输出电流的第一交流电流传感器、检测功率变换器直流侧输出电流的直流电流传感器、检测定子双绕组异步电机控制绕组输出电流的第二交流电流传感器、检测功率变换器直流侧输出电压的第一直流电压传感器、检测直流电网电压的第二直流电压传感器、检测定子双绕组异步电机功率绕组输出电压的第一交流电压传感器、检测定子双绕组异步电机控制绕组输出电压的第二交流电压传感器、检测交流电网电压的第三交流电压传感器、风速传感器，控制回路包括：数字信号处理器、驱动电路；
定子双绕组异步电机功率绕组出线经过第一断路器与交流电网连接，定子双绕组异步电机控制绕组出线经过第二断路器与滤波电感一端连接，滤波电感另一端与功率变换器交流侧连接，功率变换器直流侧经过第三断路器与直流电网连接，第一交流电压传感器接在定子双绕组异步电机功率绕组出线上，第三交流电压传感器接交流电网侧，第一交流电流传感器接在第一断路器出线上，第二交流电压传感器、第二交流电流传感器均接在第二断路器出线上，第一直流电压传感器、直流电流传感器均接在功率变换器的直流侧，第二直流电压传感器接在直流电网侧，驱动电路输入端、第一直流电压传感器输出端、第二直流电压传感器输出端、第一交流电压传感器输出端、第二交流电压传感器输出端、第三交流电压传感器输出端、第一交流电流传感器输出端、直流电流传感器输出端、第二交流电流传感器输出端分别与数字信号处理器连接，驱动电路输出端接功率变换器中功率器件控制端，第一断路器、第二断路器、第三断断路器的控制端分别与数字信号处理器连接；
所述数字信号处理器，在功率变换器直流侧输出电压与直流电网电压同步时控制第三断路器合闸，在定子双绕组异步电机功率绕组输出电压与交流电网电压同步时控制第一断路器合闸，在系统没有故障时维持第二断路器处于合闸状态，数字信号处理器根据风速、定子双绕组异步电机功率绕组输出电压、定子双绕组异步电机控制绕组输出电压以及电流、交流电网电压、直流电网电压、第一断路器输出电流、功率变换器直流侧输出电压以及电流得到驱动电路的输入信号，驱动电路输出驱动信号给功率变换器，功率变换器在驱动信号作用下输出交流电或者直流电。
作为所述微网用DWIG交直流发电系统的进一步优化方案，功率变换器为将直流逆变为交流或者将交流整流为直流的能量双向流动装置。
微网用DWIG交直流发电系统的宽风速范围内并网发电方法，数字信号处理器根据风速传感器采集的风速以及各电压传感器、电流传感器采集的电信号生成各风速区的控制策略：
低风速区控制策略，数字信号处理器控制第一断路器分闸，将定子双绕组异步电机功率绕组与交流电网断开，通过功率变换器控制定子双绕组异步电机控制绕组无功功率的同时并输出有功功率至直流电网，数字信号处理器控制第三断路器在功率变换器直流侧输出电压与直流电网电压同步时合闸，微网用DWIG交直流发电系统并入直流电网；
高风速区控制策略，数字信号处理器控制功率变换器交流侧输出励磁无功功率给定子双绕组异步电机，定子双绕组异步电机功率绕组输出有功功率至交流电网的同时将部分能量通过控制绕组以及功率变换器转换为有功功率后输出至直流电网，数字信号处理器控制第一断路器在定子双绕组异步电机功率绕组输出电压与交流电网电压同步时合闸，微网用DWIG交直流发电系统并入交流电网，数字信号处理器控制第三断路器在功率变换器直流侧输出电压与直流电网电压同步时合闸，微网用DWIG交直流发电系统并入直流电网。
作为所述宽风速范围内并网发电方法的进一步优化方案，高风速区控制策略中，利用定子双绕组异步电机两套绕组之间的磁场耦合原理，通过功率变换器调节定子双绕组异步电机的控制绕组中的有功功率和无功功率以控制交流电网和直流电网之间能量的双向流动。
作为所述宽风速范围内并网发电方法的进一步优化方案，低风速区控制策略中，采用电压泵升技术控制功率变换器输出有功功率至直流电网。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
1、将DWIG交直流发电系统应用到微网中，实现了一台发电机同时发交流电和直流电，改善了微网中发交流电和直流电需要构建独立的交流发电系统和直流发电系统的缺陷；
2、发电控制方法结合系统中设置的断路器以及各传感器采集的电信号生成不同风速区的控制策略，在电机的低转速区通过切断DWIG功率绕组与交流电网的连接，控制功率变换器输出有功功率实现了系统在低转速区的直流并网发电，在高转速区控制定子双绕组异步电机功率绕组输出有功功率至交流电网的同时将部分能量通过控制绕组以及功率变换器转换为有功功率后输出至直流电网实现了系统在高风速区内的交直流并网发电，整个发电方法实现了电机在微网交直流混合场合下的宽转速范围内发电。
3、利用定子双绕组异步电机两套绕组之间的磁场耦合原理在高风速区实现交直流电网之间的能量流动，改善了传统交直流混合微网能量双向流动需要额外整流逆变装置的缺陷。
附图说明
图1为现有的DWIG发电系统结构框图。
图2为DWIG交直流发电系统的示意图。
图中标号说明：1、定子双绕组异步电机，2、滤波电感，3、功率变换器，4、第一交流电流传感器，5、直流电流传感器，6、第二交流电流传感器，7、第一直流电压传感器，8、第二直流电压传感器，9、第一交流电压传感器，10、第二交流电压传感器，11、第三交流电压传感器，12、数字信号处理器，13、驱动电路，14、第一断路器，15、第二断路器，16、第三断路器，17、直流电网，18、交流电网，20、风速传感器。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
本发明涉及的用于微网混合发电的DWIG交直流发电系统如图2所示，包括主回路、检测回路和控制回路。主回路包括：定子双绕组异步电机1、滤波电感2、功率变换器3、第一断路器14、第二断路器15、第三断路器16。检测回路包括：检测第一断路器14输出电流的第一交流电流传感器4、检测功率变换器3直流侧输出电流的直流电流传感器5、检测定子双绕组异步电机1控制绕组输出电流的第二交流电流传感器6、检测功率变换器3直流侧输出电压的第一直流电压传感器7、检测直流电网17电压的第二直流电压传感器8、检测定子双绕组异步电机1功率绕组输出电压的第一交流电压传感器9、检测定子双绕组异步电机1控制绕组输出电压的第二交流电压传感器10、检测交流电网18电压的第三交流电压传感器11、风速传感器20。控制回路包括：数字信号处理器12、驱动电路13。功率变换器3为将交流电整流为直流电或者将直流电逆变为交流电的能量双向流动装置。
采用图2所示DWIG交直流发电系统实现宽风速范围内并网发电。利用DWIG功率绕组发出三相交流电，通过控制绕组以及功率变换器的整流输出直流电，实现一台电机的发电系统同时发出交流电和直流电。交直流并网是利用设置在交直流电网端口的断路器，在功率绕组输出电压与交流电网电压同步时实现交流并网，而在功率变换器直流侧输出电压与直流电网电压同步时实现直流并网。
数字信号处理器12根据风速传感器20测得的数据生成不同风速区的控制策略，具体有低风速区控制策略和高风速区控制策略。
低风速区控制策略，发电机的转速较低，输出功率较小，由于电网频率是基本恒定的，数字信号处理器12控制第一断路器14分闸，将定子双绕组异步电机1功率绕组与交流电网18断开，利用控制绕组侧功率变换器3的电压泵升技术使控制绕组输出有功功率至直流电网17，数字信号处理器12控制第三断路器16在功率变换器3直流侧输出电压与直流电网电压同步时合闸，DWIG交直流发电系统并入直流电网，而功率绕组由于第一断路器14开闸使功率绕组不输出电能，发电机发出的电能由控制绕组经控制功率变换器3输出，这样可以在低速进行直流发电。
高风速区控制策略，电机的转速较高，由于电网频率是基本恒定，数字信号处理器12控制功率变换器3交流侧输出励磁无功功率给定子双绕组异步电机1，定子双绕组异步电机1功率绕组输出有功功率至交流电网的同时将部分能量通过控制绕组以及功率变换器3转换为有功功率后输出至直流电网17，数字信号处理器12控制第一断路器14在定子双绕组异步电机1功率绕组输出电压与交流电网电压同步时合闸，DWIG交直流发电系统并入交流电网18，数字信号处理器12控制第三断路器16在功率变换器3直流侧输出电压与直流电网电压同步时合闸，DWIG交直流发电系统并入直流电网17。当交直流电网之间需要交换能量时，利用定子双绕组异步电机两套绕组之间的磁场耦合原理，即可控制交流电网和直流电网之间能量的双向流动。
Claims (5)
1.微网用DWIG交直流发电系统，包括主回路、检测回路和控制回路，其特征在于，所述主回路包括：定子双绕组异步电机(1)、滤波电感(2)、功率变换器(3)、第一断路器(14)、第二断路器(15)、第三断路器(16)，检测回路包括：检测第一断路器(14)输出电流的第一交流电流传感器(4)、检测功率变换器(3)直流侧输出电流的直流电流传感器(5)、检测定子双绕组异步电机(1)控制绕组输出电流的第二交流电流传感器(6)、检测功率变换器(3)直流侧输出电压的第一直流电压传感器(7)、检测直流电网电压的第二直流电压传感器(8)、检测定子双绕组异步电机(1)功率绕组输出电压的第一交流电压传感器(9)、检测定子双绕组异步电机(1)控制绕组输出电压的第二交流电压传感器(10)、检测交流电网电压的第三交流电压传感器(11)、风速传感器(20)，控制回路包括：数字信号处理器(12)、驱动电路(13)；
定子双绕组异步电机(1)功率绕组出线经过第一断路器(14)与交流电网连接，定子双绕组异步电机(1)控制绕组出线经过第二断路器(15)与滤波电感(2)一端连接，滤波电感(2)另一端与功率变换器(3)交流侧连接，功率变换器(3)直流侧经过第三断路器(16)与直流电网连接，第一交流电压传感器(9)接在定子双绕组异步电机(1)功率绕组出线上，第三交流电压传感器(11)接交流电网侧，第一交流电流传感器(4)接在第一断路器(14)出线上，第二交流电压传感器(10)、第二交流电流传感器(6)均接在第二断路器(15)出线上，第一直流电压传感器(7)、直流电流传感器(5)均接在功率变换器(3)的直流侧，第二直流电压传感器(8)接在直流电网侧，驱动电路(13)输入端、第一直流电压传感器(7)输出端、第二直流电压传感器(8)输出端、第一交流电压传感器(9)输出端、第二交流电压传感器(10)输出端、第三交流电压传感器(11)输出端、第一交流电流传感器(4)输出端、直流电流传感器(5)输出端、第二交流电流传感器(6)输出端分别与数字信号处理器(12)连接，驱动电路(13)输出端接功率变换器(3)中功率器件控制端，第一断路器(14)、第二断路器(15)、第三断路器(16)的控制端分别与数字信号处理器(12)连接；
所述数字信号处理器(12)，在功率变换器(3)直流侧输出电压与直流电网电压同步时控制第三断路器(16)合闸，在定子双绕组异步电机(1)功率绕组输出电压与交流电网电压同步时控制第一断路器(14)合闸，在系统没有故障时维持第二断路器(15)处于合闸状态，数字信号处理器(12)根据风速、定子双绕组异步电机(1)功率绕组输出电压、定子双绕组异步电机(1)控制绕组输出电压以及电流、交流电网电压、直流电网电压、第一断路器(14)输出电流、功率变换器(3)直流侧输出电压以及电流得到驱动电路(13)的输入信号，驱动电路(13)输出驱动信号给功率变换器(3)，功率变换器(3)在驱动信号作用下输出交流电或者直流电。
2.根据权利要求1所述微网用DWIG交直流发电系统，其特征在于所述功率变换器(3)为将直流逆变为交流或者将交流整流为直流的能量双向流动装置。
3.根据权利要求1所述微网用DWIG交直流发电系统的宽风速范围内并网发电方法，其特征在于，数字信号处理器(12)根据风速传感器采集的风速以及各电压传感器、电流传感器采集的电信号生成各风速区的控制策略：
低风速区控制策略，数字信号处理器(12)控制第一断路器(14)分闸，将定子双绕组异步电机(1)功率绕组与交流电网断开，通过功率变换器(3)控制定子双绕组异步电机(1)控制绕组无功功率的同时并输出有功功率至直流电网，数字信号处理器(12)控制第三断路器(16)在功率变换器(3)直流侧输出电压与直流电网电压同步时合闸，微网用DWIG交直流发电系统并入直流电网；
高风速区控制策略，数字信号处理器(12)控制功率变换器(3)交流侧输出励磁无功功率给定子双绕组异步电机(1)，定子双绕组异步电机(1)功率绕组输出有功功率至交流电网的同时将部分能量通过控制绕组以及功率变换器(3)转换为有功功率后输出至直流电网，数字信号处理器(12)控制第一断路器(14)在定子双绕组异步电机(1)功率绕组输出电压与交流电网电压同步时合闸，微网用DWIG交直流发电系统并入交流电网，数字信号处理器(12)控制第三断路器(16)在功率变换器(3)直流侧输出电压与直流电网电压同步时合闸，微网用DWIG交直流发电系统并入直流电网。
4.根据权利要求3所述的宽风速范围内并网发电方法，其特征在于所述高风速区控制策略中，利用定子双绕组异步电机两套绕组之间的磁场耦合原理，通过功率变换器(3)调节定子双绕组异步电机(1)的控制绕组中的有功功率和无功功率以控制交流电网和直流电网之间能量的双向流动。
5.根据权利要求4所述的宽风速范围内并网发电方法，其特征在于所述低风速区控制策略中，采用电压泵升技术控制功率变换器(3)输出有功功率至直流电网。
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Legal Events
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |