CN201167296Y - 直驱式交流励磁风力发电机系统 - Google Patents

直驱式交流励磁风力发电机系统 Download PDF

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Abstract

直驱式交流励磁风力发电机系统主要包括风力发电机叶轮[301]，发电机单元[302]通过传动轴[309]直接与叶轮相连；定子侧变换器[304]的交流侧与发电机单元的定子绕组[303]连接，定子侧变换器将由发电机定子发出的频率变化的交流电转化为直流电，然后该直流电经由定子侧变换器[304]的直流侧通过直流母线[307]向直流母线平波电容器[305]充电；转子侧变换器[308]的直流侧与直流母线相连，从直流母线吸收电能，将直流电转化为频率和幅值都可控的交流电，然后该交流电经由转子侧变换器[308]的交流侧通过发电机单元的转子绕组[310]向发电机提供励磁电流；网侧变换器[306]的直流侧与直流母线相连，从直流母线吸收电能，将直流电转化为工频交流电，然后通过变压器[311]向电网输送电能。

Description

直驱式交流励磁风力发电机系统
技术领域
本实用新型属于现代电力电子和电机技术交叉领域，主要用于风力发电系统。该系统采用直流耦合的三个交一直流变换器和异步发电机将随时变化的风能转化为固定频率的电能。
背景技术
目前，风电产业中并网型大型风力发电机组广泛采用异步风力发电机组、双馈异步风力发电机组和直驱型同步风力发电机组。这三种机型均能够将时刻变化的风能转换为频率衡定的电能，其中双馈异步风力发电机组和直驱型同步发电机组技术先进、能够实现对电磁转矩的控制，使风轮转速达到最佳风能利用值，因而风能利用率高。
双馈风力发电机组定子侧与电网直接连接，定子输出电能频率衡定，但由于风力机的叶轮转速很慢，一般为每分钟十几转，远远低于要求的发电机额定转速，因此必须在叶轮和发电机的转子之间安装齿轮箱等增速装置。双馈风力发电系统采用了齿轮箱进行变速，这样不仅降低了风电转换效率和产生噪音，更是风力发电机械故障的主要原因，而且为减少机械磨损还需要定期对齿轮箱进行润滑清洗等维护工作。
直驱型同步风力发电系统是叶轮直接与多极励磁同步发电机的转子或永磁同步发电机的转子相连，省去了齿轮箱部件，将频率变化的交流电经变换器转化为直流电，然后将直流电经逆变器转化为频率恒定的交流电，从而送入电网，提高了系统的效率和运行可靠性，但由于叶轮转速很低，直驱型同步风力发电机组转子极对数很多，一般为几十对，这样发电机的尺寸和重量大大增加，不利于设备运输和安装。
公开号为JP2002345297A的日本专利“synchronous generatorsystem for wind-turbine power generation and its operation method”介绍了一种直流励磁的风力发电机组，这种机组与永磁风力发电机组有相同的问题，转子极对数多，发电机体积大而笨重。
公开号为US20040119292A1的美国专利“method and configurationfor controlling a wind energy installation without a gearbox byelectronically varying the speed”同样介绍了一种直流励磁的风力发电机组，该专利侧重于风电机组的变速控制方案，励磁方式采用永磁和直流励磁的混合励磁方案或完全采用直流电励磁的方案，但缺点同样是转子极对数多，发电机体积大而笨重。
发明内容
本实用新型的目的是克服双馈风力发电机组齿轮箱带来的问题和直驱型风力发电机组重量和体积过大的缺点，与这两种风力发电机组相比，本实用新型不采用齿轮箱，同时转子励磁系统极对数较少，发电机的体积和重量减小。
为实现本实用新型的目的，本实用新型提供了一种直驱式交流励磁风力发电机系统，所述风力发电机系统主要包括风力发电机叶轮[301]，发电机单元[302]，发电机单元的定子绕组[303]，定子侧变换器[304]，直流母线平波电容器[305]，网侧变换器[306]，直流母线[307]，转子侧变换器[308]，传动轴[309]，发电机单元的转子绕组[310]，以及变压器[311]；并且所述发电机单元[302]通过所述传动轴[309]直接与所述叶轮[301]相连；所述定子侧变换器[304]的交流侧与所述发电机单元[302]的定子绕组[303]连接，所述定子侧变换器[304]将由发电机定子发出的频率变化的交流电转化为直流电，然后该直流电经由定子侧变换器[304]的直流侧通过直流母线[307]向直流母线平波电容器[305]充电；所述转子侧变换器[308]的直流侧与所述直流母线[307]相连，从所述直流母线[307]吸收电能，将直流电转化为频率和幅值都可控的交流电，然后该交流电经由转子侧变换器[308]的交流侧通过所述发电机单元[302]的转子绕组[310]向发电机提供励磁电流，该励磁电流在发电机转子气隙中产生旋转磁场；网侧变换器[306]的直流侧与直流母线相连，从所述直流母线吸收电能，将直流电转化为工频交流电，该交流电通过所述变压器[311]向电网输送电能。
根据本实用新型的一个实施例，风力发电机叶轮轴与发电机转子轴直接相连，中间不需要配置增速装置；发电机转子的极数为多极配置。
根据本实用新型的一个实施例，所述转子侧变换器的交流侧与发电机转子绕组的连接可以通过电滑环连接或采用绕线式等无刷结构连接。
根据本实用新型的一个实施例，所述转子侧变换器的交流侧输出的交流电流的频率可以为零，成为直流励磁系统。
根据本实用新型的一个实施例，所述励磁系统可以采用混合励磁方式：多个永磁极和多个电励磁极构成励磁系统。
根据本实用新型的一个实施例，所述定子侧变换器是由二极管构成的三相全桥不控整流器；所述转子侧变换器和所述网侧变换器采用三相全桥全控逆变器配置；该逆变器拓扑结构可以采用多重化和多电平技术来实现抑制谐波并增加变换器容量。
根据本实用新型的一个实施例，所述逆变器由电力电子开关元件组成，这些开关元件可以是三极管BJT，可关断晶闸管GTO，电力场效应晶体管P-MOSFET，绝缘门极晶体管IGBT，注入增强门极晶体管IEGT，MOS控制晶闸管MCT，集成门极换流晶闸管IGCT，静电感应晶体管SIT，静电感应晶闸管SITH组成。
根据本实用新型的一个实施例，所述定子侧变换器，所述转子侧变换器和所述网侧变换器的直流侧与直流母线相连，所述直流母线可以配置直流平波电容器，也可以不配置直流平波电容器。
根据本实用新型的一个实施例，直流母线可以采用直流——直流变换器来改变直流电压。
根据本实用新型的一个实施例，多个风力发电机系统可以公用一个直流母线；直流母线也可以作为直流线路输送直流电能。
根据本实用新型的一个实施例，多个风力发电机系统可以公用一个直流母线和一个网侧逆变器；直流母线也可以作为直流线路输送直流电能。
根据本实用新型的一个实施例，转子侧变换器和网侧变换器也可以采用电流型变换器结构。
根据本实用新型还提供了一种直驱式交流励磁风力发电机系统转子侧变换器的控制系统，所述控制系统主要由测量模块、控制模块和执行模块构成；所述测量模块测量发电机转速，风速和系统输出功率，当系统输出的功率低于额定功率时，控制系统调节励磁电流和电磁转矩，使风机系统运行在最佳转速跟踪模式下，转子电流频率控制运行在最佳励磁功率损耗模式下；当系统输出的功率达到额定功率时，控制系统调节电磁转矩，使转子转速保持稳定，风机系统运行在定转速模式下，转子电流频率控制运行在最大励磁功率限制模式；
根据本实用新型还提供了一种直驱式交流励磁风力发电机系统网侧变换器的控制系统，所述控制系统主要由测量模块、控制模块和执行模块构成；所述控制系统用于保持直流电压稳定和控制无功功率输出；电网侧变换器交流侧输出电压的幅值和相位可控，可以调整变换器向系统提供的有功和无功功率的大小；无功功率的输出仅与直流母线的电压有关，风力发电机系统可以作为连续调节的无功电源使用。
根据本实用新型的一个实施例，所述直驱式交流励磁风力发电机系统的直流母线可以接入其它直流电源，作为储能装置使用。
风力发电机转子通过滑环与三相全桥全控变换器连接，变换器采用脉宽调制控制方式，将直流侧直流电压转换为频率和幅值可以变化的交流电压，该电压在转子绕组中产生交流电流和旋转磁场，旋转磁场的转速n1与电流频率成正比。转子轴与风力机转轴直接相连，其转速为n2，这样，转子旋转磁场相对于定子的转速为n＝n1+n2，该磁场在定子绕组中感生交流电流，该电流频率随转子转速和转子电流频率变化而变化。通过控制变换器交流侧输出电压的大小和频率，使发电系统运行在最佳转速跟踪模式、最小励磁功率损耗控制模式和最大励磁功率限制模式。这3种控制方式的运行原理如下所述：
1.最佳转速跟踪模式：通过控制转子电压的大小调整转子电流和电磁转矩，从而控制转子转速，使转子转速运行在最大风能捕获效率点，提高风机系统的风能利用率。
2.最佳励磁功率损耗控制模式：由于发电系统采用交流励磁，励磁电流流过变换器将产生损耗，控制励磁电压的频率与转子转速的比值，就可以控制流过变换器功率大小，从而控制励磁功率损耗，在保证发电系统运行在最佳转速跟踪模式前提下，使发电系统的励磁损耗最小。
3.最大励磁功率限制模式：当风力发电机组达到最大功率输出时，为限制流过变换器功率，转子励磁电压频率应低于设定值，限制变换器过负荷运行。
发电机定子端与三相全桥不控交一直流变换器的交流侧相连，变换器将频率变化的交流电流转化为直流电流。变换器直流侧与直流母线相连。
本风力发电系统通过一个交-直流三相全桥全控变换器与电网连接，该变换器的直流侧与直流母线相连，将幅值相对稳定的直流电转化为工频交流电送入电网，从而实现风能向电能的转换。该全桥全控变换器采用脉宽调制(PWM)控制方式，使变换器交流输出侧电压的幅值和相位可控，通过采用矢量控制或其它控制技术实现系统输出有功功率和无功功率的解耦控制，可以为电网输送无功功率。变换器的工作方式有2种：
1.直流电压控制方式：由于发电系统的转子励磁功率需要通过变换器从直流母线汲取有功功率，而发电系统的定子侧将由风能转化的电能加上转子励磁功率馈入到直流母线，从而使母线电压波动，调节电网侧变换器的输出电压的幅值和相位，控制输出到电网的有功功率，使直流母线电压相对稳定。
2.无功功率控制方式：电网侧变换器输出的交流电压的幅值和相位可控，通过采用矢量控制或其它控制技术实现系统输出有功功率和无功功率的解耦控制，能够使发电系统的无功功率满足电网要求，从而提高发电系统的电能质量。
附图说明
图1是公开号为JP2002345297A的日本专利的拓扑结构图
图2是公开号为US20040119292A1的美国专利的拓扑结构图
图3是直驱式交流励磁风力发电机系统的拓扑结构图
图4是直驱式交流励磁风力发电机系统控制的模块原理框图
图5是直驱式交流励磁风力发电机系统的数字仿真波形图
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的直驱式交流励磁风力发电机系统作进一步说明。
图3是直驱式交流励磁风力发电系统的拓扑结构图，系统主要元件有风力发电机叶轮[301]、传动轴[309]、发电机单元[302]、发电机定子绕组[303]、发电机转子绕组[310]、定子侧变换器[304]、网侧变换器[306]、变压器[311]、直流母线[307]、直流母线平波电容器[305]和转子侧变换器[308]。
风力推动叶片旋转，转速为ωw，传动轴带动发电机转子以相同转速旋转；转子中流通频率为fr的励磁电流，将在电机气隙中产生旋转磁场，此磁场相对于转子的转速为 ω r = 60 f r p , 其中p为发电机极对数，旋转磁场在定子绕组中将产生频率 f s = p ω w 60 + f r 的感应电动势和电流。定子侧三相全桥不控整流器将频率变化的交流电转换为直流电，向直流母线和电容充电。网侧三相全桥全控逆变器将直流电逆变为工频频率的交流电通过变压器向电网输送电能。
本风力发电系统主要是通过对转子侧全控型变换器和网侧全控型变换器的控制达到对风能的最大利用率、减小系统损耗、提高系统效率和输出无功功率控制。
对于特定翼型叶片，不同风速对应不同最佳转速，使风机达到最大风能利用效率，根据测量得到的风速数据，经过查表方式或计算方式可以得到最佳转速，将此转速信号作为参考转速信号，与实际测量得到的转子转速比较，将二者的差值输入到转子侧变换器的最佳转速跟踪控制模块，在控制模块中，差值信号通过比例积分控制器输出控制信号，此信号经过执行模块，转化为可控硅阀的脉冲信号，控制电力电子元件的导通与关断。可控硅一般采用脉宽调制技术，使输出电压的幅值可控，从而调节转子交流电压幅值来控制电磁转矩，使电磁转矩与叶轮的机械转矩平衡，调节转子转速达到参考设定值，从而实现转子的最佳转速跟踪控制目的，达到风能的最大利用。
由于转子电路流通交流电流，因此转子侧变换器将通过励磁功率，从而造成变换器发热，产生损耗；另外，变换器电流也不能过大，以免造成变换器过电流损坏。发电机单元定子输出的有功功率为转子励磁功率和原动机机械功率之和，二者的比例与发电机转子电流频率和转子转速有关，在满足最佳转子转速所需的电磁转矩条件下，转子电流频率越低，励磁功率越小，同时转子电流也越大，为减小此变换器有功损耗，限制过电流，又保证足够的电磁转矩，需选择合适的频率值。当原动机机械功率达到额定值时，转子电路中流过的励磁功率也达到最大值，这个最大值也与发电机转子电流频率和转子转速有关，转子电流频率越高，励磁功率最大值越大，为防止变换器过负荷，转子电流频率应有最大值限制。
综上所述，在不同风速和发电机出力情况下，转子电流频率的设置应满足上述多个条件要求，不能过大也不能过小。频率值确定后，将此频率值输入到频率发生器，输出该频率的正弦波，将此正弦波作为脉宽调制的参考波，使变换器输出电压的基波频率与设定值相同，从而控制变换器输出电压的频率。
定子侧三相全桥不控整流器将发电机单元输出的频率变化的交流电转换为直流电，向直流母线和直流平波电容充电。从直流侧看，一方面发电机定子通过整流器向电容充电，输入能量，另一方面，发电机转子通过逆变器向电容器发电，输出能量，由于输入能量大于输出能量，二者的差值就是原动机的机械能，这样造成直流电压不断升高，这就需要网侧变换器向电容放电，输出电能到电网，从而保持直流电压的稳定。控制网侧变换器输出交流电压的幅值和相位，就能够控制向电网输出有功和无功功率的大小，保证直流电压相对稳定，同时也能向电网输出或吸收无功，满足电网对无功的需求，提高电能质量。
电网侧变换器采用三相全桥全控变换器配置，可以做整流器运行也可做逆变器运行。变换器同样采用脉宽调制技术，交流侧输出电压的幅值和相位可控。变换器通过变压器与电网连接，改变变压器两侧电压的幅值和相位，可以调整变换器向系统提供的有功和无功功率的大小。采用矢量控制技术或锁相环技术，可以实现输出有功功率和无功功率的解耦控制。
首先，测量单元将测量得到的直流电压值和网侧交流电压和电流值输入到网侧变换器的控制模块中，产生控制量，由于两对控制量和控制目标之间有较强耦合作用，控制量必须经过的解耦环节以消除或减弱耦合作用，经过解耦环节，产生输出电压的幅值和相位信号，经过执行环节的变换器触发控制模块，输出可控硅脉冲信号到可控硅控制电路，控制可控硅导通和关断。
无功功率的控制有两种方式：定无功功率方式或定交流电压方式。定无功功率方式是调节控制量，使发电系统输出的无功功率保持衡定。定电压控制方式是根据电网系统电压水平的高低，使发电系统输出的无功功率随电压的变化而改变，电压过高时，从系统吸收无功，使系统电网降低到合适水平；当电压过低时，向系统发出无功功率，提高系统的电压水平，使之达到合理水平。在定电压控制模式下，如果发电系统吸收或发出的功率不足以改变系统电压，使之达到合理水平，为保证发电系统自身的正常安全运行，无功控制模式自动由定电压控制模式切换到定功率控制模式。
尽管为了完整和清晰的公开，参照特定实施方式对本实用新型进行了描述，但所附权利要求并不受限于此，并且所附权利要求可被构造为体现所有完全落入本说明书中所阐明的基本教导内的所属技术领域技术人员可想到的修改和替代性结构。

Claims (11)

1、一种直驱式交流励磁风力发电机系统，其特征在于，所述风力发电机系统主要包括风力发电机叶轮[301]，发电机单元[302]，发电机单元的定子绕组[303]，定子侧变换器[304]，直流母线平波电容器[305]，网侧变换器[306]，直流母线[307]，转子侧变换器[308]，传动轴[309]，发电机单元的转子绕组[310]，以及变压器[311]；并且所述发电机单元[302]通过所述传动轴[309]直接与所述叶轮[301]相连；所述定子侧变换器[304]的交流侧与所述发电机单元[302]的定子绕组[303]连接，所述定子侧变换器[304]将由发电机定子发出的频率变化的交流电转化为直流电，然后该直流电经由定子侧变换器[304]的直流侧通过直流母线[307]向直流母线平波电容器[305]充电；所述转子侧变换器[308]的直流侧与所述直流母线[307]相连，从所述直流母线[307]吸收电能，将直流电转化为频率和幅值都可控的交流电，然后该交流电经由转子侧变换器[308]的交流侧通过所述发电机单元[302]的转子绕组[310]向发电机提供励磁电流，该励磁电流在发电机转子气隙中产生旋转磁场；网侧变换器[306]的直流侧与直流母线相连，从所述直流母线吸收电能，将直流电转化为工频交流电，该交流电通过所述变压器[311]向电网输送电能。
2、如权利要求1所述的风力发电机系统，其特征在于：风力发电机叶轮轴与发电机转子轴直接相连，中间不配置增速装置；发电机转子的极数为多极配置。
3、如权利要求1所述的风力发电机系统，其特征在于：所述转子侧变换器的交流侧与发电机转子绕组的连接可以通过电滑环连接或采用绕线式等无刷结构连接。
4、如权利要求1所述的风力发电机系统，其特征在于：所述励磁系统可以采用混合励磁方式：多个永磁极和多个电励磁极构成励磁系统。
5、如权利要求1所述的风力发电机系统，其特征在于：所述定子侧变换器是由二极管构成的三相全桥不控整流器；所述转子侧变换器和所述网侧变换器采用三相全桥全控逆变器配置；该逆变器拓扑结构可以采用多重化和多电平技术来实现抑制谐波并增加变换器容量。
6、如权利要求5所述的风力发电机系统，其特征在于：所述逆变器由电力电子开关元件组成，这些开关元件可以是三极管BJT，可关断晶闸管GTO，电力场效应晶体管P-MOSFET，绝缘门极晶体管IGBT，注入增强门极晶体管IEGT，MOS控制晶闸管MCT，集成门极换流晶闸管IGCT，静电感应晶体管SIT，静电感应晶闸管SITH组成。
7、如权利要求1所述的风力发电机系统，其特征在于：所述定子侧变换器，所述转子侧变换器和所述网侧变换器的直流侧与直流母线相连，所述直流母线可以配置直流平波电容器，也可以不配置直流平波电容器。
8、如权利要求1所述的风力发电机系统，其特征在于：多个风力发电机系统可以公用一个直流母线和一个网侧逆变器；直流母线也可以作为直流线路输送直流电能。
9、如权利要求1所述的风力发电机系统，其特征在于：转子侧变换器和网侧变换器也可以采用电流型变换器结构。
10、一种直驱式交流励磁风力发电机系统转子侧变换器的控制系统，其特征在于，所述控制系统主要由测量模块、控制模块和执行模块构成；
所述测量模块测量发电机转速，风速和系统输出功率；所述控制模块对所述测量模块的输出信号进行分析处理，使风力发电机系统根据风速的不同分别运行在最佳转速跟踪模式和定转速模式，相应的转子电流频率控制运行在最佳励磁功率损耗模式和最大励磁功率限制模式；执行模块将控制信号转换为控制电力电子开关元件导通或关断的脉冲信号，并将脉冲信号发送到电力电子开关元件。
11、一种直驱式交流励磁风力发电机系统网侧变换器的控制系统，其特征在于，所述控制系统主要由测量模块、控制模块和执行模块构成；
所述测量模块测量所述直流母线的电压和风力发电机系统输送到电网的无功功率和电网的电压；所述控制模块对所述测量模块的输出信号进行分析处理，使直流电压运行在定电压模式；使所述网侧变换器交流侧运行在定无功功率模式或定电压模式；执行模块将控制信号转换为控制电力电子开关元件导通或关断的脉冲信号，并将脉冲信号发送到电力电子开关元件。
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