CN114977931A - 用于转子集成变流器的双馈发电系统及控制方法 - Google Patents

用于转子集成变流器的双馈发电系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种转子集成变流器的双馈发电系统及控制方法，包括双馈发电机，所述双馈发电机为无刷绕线型双馈发电机，所述双馈发电机设有定子绕组和转子绕组；旋转电枢式励磁机，所述旋转电枢式励磁机的转子与双馈发电机的转子同轴，所述旋转电枢式励磁机的转子绕组可输出交流电；旋转变流器，所述旋转变流器包括整流单元、控制器和逆变单元，所述整流单元用于将旋转电枢式励磁机转子绕组输出的交流电转换成直流电；所述逆变单元用于将所述直流电转换成交流电，并输入至双馈发电机转子绕组；所述控制器用于对所述逆变单元进行控制。本发明实现双馈发电机的无刷化，减少维护成本，提高系统运行的可靠性。

Description

用于转子集成变流器的双馈发电系统及控制方法
技术领域
本发明涉及一种用于转子集成变流器的双馈发电系统及控制方法。
背景技术
随着双碳目标的提出，发展新能源发电是实现双碳目标的重要方式，未来新能源发电将迎来快速发展时期。双馈发电机以其运行方式灵活、结构可靠等优点，在风力、水力、船舶轴带等变速领域具有良好的发展前景，近年来的关注度较高。
传统的双馈发电机采用的是通过电刷、滑环将交流电引入到转子绕组，增加了系统的维护成本，并且在运行时会产生粉尘和换向火花，具有易燃易爆的危险，同时降低了装置的可靠性。因此有必要研发出一种新型双馈发电系统，省去双馈发电机的滑环电刷，实现双馈发电机的无刷化，并减少维护成本，同时提高机组的可靠性。
发明内容
本发明的发明目的在于提供一种转子集成变流器的双馈发电系统及控制方法，实现双馈发电机的无刷化，减少维护成本，提高系统运行的可靠性。
基于同一发明构思，本发明具有两个独立的技术方案：
1、一种用于转子集成变流器的双馈发电系统，其特征在于，包括：
双馈发电机，所述双馈发电机为无刷绕线型双馈发电机，包括定子绕组和转子绕组；
旋转电枢式励磁机，所述旋转电枢式励磁机的转子与双馈发电机的转子同轴，所述旋转电枢式励磁机的转子绕组输出交流电；
旋转变流器，所述旋转变流器包括整流单元、控制器和逆变单元，所述整流单元用于将所述旋转电枢式励磁机的转子绕组输出的交流电转换成直流电；所述逆变单元用于将所述直流电转换成交流电，并输入至所述双馈发电机的转子绕组。
进一步地，所述控制器包括控制单元、PI调节单元，所述PI调节单元用于对所述双馈发电机的转速和定子侧输出的无功功率进行PI调节，输出双馈发电机的转子电压参考值；所述控制单元根据所述转子电压参考值控制所述逆变单元，以实现对所述双馈发电机的转速和定子侧无功功率进行控制。
进一步地，所述控制器还包括脉冲信号发生单元，所述控制单元根据所述转子电压参考值，控制所述脉冲信号发生单元产生PWM信号以控制所述逆变单元。
进一步地，所述控制单元根据当前风力参数，确定所述双馈发电机的转子转速和定子无功功率参考值，并将所述转子转速和定子无功功率参考值输入至所述PI调节单元。
进一步地，还包括电流传感器、电压传感器，分别用于检测所述双馈发电机的定子侧电流、转子侧电流和定子侧电压，所述电流传感器、电压传感器的信号输出端接控制器。
进一步地，还包括转速传感器，所述转速传感器采用光电码盘或光电编码器，用于检测所述双馈发电机的转子转速，所述转速传感器的信号输出端接控制器。
进一步地，所述旋转变流器设置于所述双馈发电机的转轴上，位于所述双馈发电机的转子和所述旋转电枢式励磁机的转子之间。
进一步地，所述旋转变流器的容量小于所述双馈发电机的容量。
进一步地，当双馈发电机转子转速变化时，所述控制单元通过控制所述逆变单元来调节所述双馈发电机的转子绕组的电压与频率，以维持所述双馈发电机的定子绕组的电压与频率恒定，实现所述双馈发电机的变速恒频发电。
2、一种利用上述转子集成变流器的双馈发电系统的控制方法，包括如下步骤：
步骤1：获得所述双馈发电机的转子转速、定子侧电压和定、转子侧电流；
步骤2：根据当前风力参数，确定所述双馈发电机的转子转速和定子无功功率参考值；
步骤3：根据所述双馈发电机的转子转速和定子无功功率参考值，通过PI调节单元调节获得所述双馈发电机的转子电压参考值；
步骤4：根据所述转子电压参考值，输出PWM信号以实现对所述双馈发电机的转子转速和定子无功功率的控制。
本发明具有的有益效果：
本发明包括双馈发电机，所述双馈发电机为无刷绕线型双馈发电机，所述双馈发电机设有定子绕组和转子绕组；旋转电枢式励磁机，所述旋转电枢式励磁机的转子与双馈发电机的转子同轴，所述旋转电枢式励磁机的转子绕组可输出交流电；旋转变流器，所述旋转变流器包括整流单元、控制器和逆变单元，所述整流单元用于将旋转电枢式励磁机转子绕组输出的交流电转换成直流电；所述逆变单元用于将所述直流电转换成交流电，并输入至双馈发电机转子绕组；所述控制器用于对所述逆变单元进行控制。本发明通过旋转变流器的整流单元、逆变单元、控制单元，实现将旋转电枢式励磁机的转子输出的交流电经整流、逆变后，输入至双馈发电机转子绕组，实现双馈发电机的无刷化，减少维护成本，提高系统运行的可靠性。
本发明旋转变流器包括PI调节单元，所述PI调节单元用于对双馈发电机的转速和定子侧输出无功功率进行PI调节，输出双馈发电机的转子电压参考值；控制器的控制单元根据所述转子电压参考值控制逆变单元，实现对双馈发电机转速和定子侧无功功率控制；所述控制器包括脉冲信号发生单元，控制器的控制单元根据所述转子电压参考值，控制所述脉冲信号发生单元产生PWM信号，以控制逆变单元，实现对双馈发电机转速和定子侧无功功率控制；控制器的控制单元根据当前风力参数，确定双馈发电机的转子转速和定子无功功率参考值，并将所述转子转速和定子无功功率参考值输入至所述PI调节单元。本发明通过旋转变流器的PI调节单元进行双馈发电机的转子转速和定子无功功率的PI调节，旋转变流器的控制单元根据PI调节获得的转子电压参考值控制逆变单元，实现对双馈发电机转速和定子侧无功功率控制，进一步保证系统运行可靠性。
本发明所述旋转变流器设置于所述双馈发电机的转轴上，位于所述双馈发电机转子和所述旋转电枢式励磁机转子之间。本发明结构设计紧凑合理，进一步保证降低维护成本，系统运行可靠性。
本发明当双馈发电机转子转速变化时，所述控制器的控制单元通过控制逆变单元，调节双馈发电机转子绕组的电压与频率，用于维持双馈发电机定子绕组的电压与频率恒定。本发明能够双馈发电机变速恒频发电，进一步保证系统运行的可靠性。
附图说明
图1是本发明转子集成变流器的双馈发电系统的连接示意图；
图2是本发明转子集成变流器的双馈发电系统的电路原理图；
图3是本发明转子集成变流器的双馈发电系统中旋转变流器的控制原理图。
具体实施方式
下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
实施例一：
转子集成变流器的双馈发电系统
如图1、图2所示，本发明转子集成变流器的双馈发电系统，包括：
双馈发电机1，所述双馈发电机1为无刷绕线型双馈发电机，所述双馈发电机设有定子绕组和转子绕组；
旋转电枢式励磁机3，所述旋转电枢式励磁机3的转子与双馈发电机的转子同轴，所述旋转电枢式励磁机的转子绕组可输出交流电；
旋转变流器2，旋转变流器2设置于所述双馈发电机1的转轴上，位于所述双馈发电机1转子和所述旋转电枢式励磁机3转子之间。所述旋转变流器2包括整流单元21、控制器22和逆变单元23，所述整流单21用于将旋转电枢式励磁机3转子绕组输出的交流电转换成直流电；所述逆变单元23用于将所述直流电转换成交流电，并输入至双馈发电机1转子绕组；所述控制器22用于对所述逆变单元23进行控制。
控制器22包括控制单元、转速/无功控制器、电流控制器，转速/无功控制器、电流控制器包括PI调节单元，所述PI调节单元用于对双馈发电机的转速和定子侧输出无功功率进行PI调节，输出双馈发电机的转子电压参考值；控制器的控制单元根据所述转子电压参考值控制逆变单元，实现对双馈发电机转速和定子侧无功功率控制。
实现PI调节时，如图3所示，在同步旋转的dq坐标系下，旋转变流器的矢量控制中将双馈发电机DFIG的定子无功功率参考值Q* S和转速参考值ω* r作为外环PI调节，双馈发电机DFIG的转子电流ird和irq作为内环PI调节。根据定子侧无功功率参考值Q* S，再将实测的定子侧无功功率QS与参考值Q* S相比较，其误差通过外环PI调节单元输出得到d轴转子电流参考值i* rd，转速控制的实现则是由转子电流q轴分量控制，转速参考值ω* r和实测得转速值ωr相比较，其误差通过外环PI调节单元输出得到q轴转子电流参考值i* rq。将d轴转子电流参考值i* rd、q轴转子电流参考值i* rq通过内环PI调节单元(电流控制器)调节，产生转子d q电压参考值u* rd、u* rq，经过坐标变换(2r/2s2s/3s)得到转子三相电压参考值u* ra、u* rb、u* rc。图3中，各符号代表的含义，usabc,isabc双馈发电机的定子侧三相电压电流；usαβ,isαβ:双馈发电机的定子侧电压电流αβ分量；irabc:转子三相电流；ωr:转子角速度；θr:转子位置角；θs:定子磁链角；θs1:滑差角。
控制器22包括脉冲信号发生单元(脉冲发生电路)，控制器的控制单元根据所述转子电压参考值，控制所述脉冲信号发生单元产生PWM信号通过输出端VT1-VT6输出，以控制逆变单元，实现对双馈发电机转速和定子侧无功功率控制。
控制器的控制单元根据当前风力参数，确定双馈发电机的转子转速和定子无功功率参考值，并将所述转子转速和定子无功功率参考值输入至所述PI调节单元。
包括电流传感器、电压传感器，所述电流传感器、电压传感器分别用于检测所述双馈发电机的定子侧电流isabc、转子侧电流irabc和定子侧电压usabc，所述电流传感器、电压传感器信号输出端接控制器。
包括转速传感器，所述转速传感器采用光电码盘/光电编码器，所述转速传感器用于检测所述双馈发电机的转子转速ωr，所述转速传感器信号输出端接控制器。
所述旋转变流器的容量小于所述双馈发电机的容量。
当双馈发电机转子转速变化时，所述控制器的控制单元通过控制逆变单元，调节双馈发电机转子绕组的电压与频率，用于维持双馈发电机定子绕组的电压与频率恒定，实现双馈发电机变速恒频发电。
实施例二：
一种利用上述转子集成变流器的双馈发电系统的控制方法
包括如下步骤：
步骤1：控制器通过电流传感器、电压传感器获得所述双馈发电机定、转子侧电流和定子侧电压；通过转速传感器获得所述双馈发电机转子转速；
步骤2：控制器根据当前风力参数，确定所述双馈发电机转子转速和定子无功功率参考值；
步骤3：根据双馈发电机转子转速和定子无功功率参考值，经过控制器的PI调节单元调节获得所述双馈发电机的转子电压参考值；
步骤4：控制器根据转子电压参考值，输出PWM信号控制逆变单元，实现对双馈发电机转子转速和定子无功功率的控制。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (10)

1.一种用于转子集成变流器的双馈发电系统，其特征在于，包括：
双馈发电机，所述双馈发电机为无刷绕线型双馈发电机，包括定子绕组和转子绕组；
旋转电枢式励磁机，所述旋转电枢式励磁机的转子与双馈发电机的转子同轴，所述旋转电枢式励磁机的转子绕组输出交流电；
旋转变流器，所述旋转变流器包括整流单元、控制器和逆变单元，所述整流单元用于将所述旋转电枢式励磁机的转子绕组输出的交流电转换成直流电；所述逆变单元用于将所述直流电转换成交流电，并输入至所述双馈发电机的转子绕组。
2.根据权利要求1所述的双馈发电系统，其特征在于：所述控制器包括控制单元、PI调节单元，所述PI调节单元用于对所述双馈发电机的转速和定子侧输出的无功功率进行PI调节，输出双馈发电机的转子电压参考值；所述控制单元根据所述转子电压参考值控制所述逆变单元，以实现对所述双馈发电机的转速和定子侧无功功率进行控制。
3.根据权利要求2所述的双馈发电系统，其特征在于：所述控制器还包括脉冲信号发生单元，所述控制单元根据所述转子电压参考值，控制所述脉冲信号发生单元产生PWM信号以控制所述逆变单元。
4.根据权利要求2所述的双馈发电系统，其特征在于：所述控制单元根据当前风力参数，确定所述双馈发电机的转子转速和定子无功功率参考值，并将所述转子转速和定子无功功率参考值输入至所述PI调节单元。
5.根据权利要求1所述的双馈发电系统，其特征在于：还包括电流传感器、电压传感器，分别用于检测所述双馈发电机的定子侧电流、转子侧电流和定子侧电压，所述电流传感器、电压传感器的信号输出端接控制器。
6.根据权利要求1所述的双馈发电系统，其特征在于：还包括转速传感器，所述转速传感器采用光电码盘或光电编码器，用于检测所述双馈发电机的转子转速，所述转速传感器的信号输出端接控制器。
7.根据权利要求1所述的双馈发电系统，其特征在于：所述旋转变流器设置于所述双馈发电机的转轴上，位于所述双馈发电机的转子和所述旋转电枢式励磁机的转子之间。
8.根据权利要求1所述的双馈发电系统，其特征在于：所述旋转变流器的容量小于所述双馈发电机的容量。
9.根据权利要求1所述的双馈发电系统，其特征在于：当双馈发电机转子转速变化时，所述控制单元通过控制所述逆变单元来调节所述双馈发电机的转子绕组的电压与频率，以维持所述双馈发电机的定子绕组的电压与频率恒定，实现所述双馈发电机的变速恒频发电。
10.一种基于权利要求1至9任何一项所述用于转子集成变流器的双馈发电系统的控制方法，其特征在于,包括如下步骤：
步骤1：获得所述双馈发电机的转子转速、定子侧电压和定、转子侧电流；
步骤2：根据当前风力参数，确定所述双馈发电机的转子转速和定子无功功率参考值；
步骤3：根据所述双馈发电机的转子转速和定子无功功率参考值，通过PI调节单元调节获得所述双馈发电机的转子电压参考值；
步骤4：根据所述转子电压参考值，输出PWM信号以实现对所述双馈发电机的转子转速和定子无功功率的控制。
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