CN201747529U - 永磁直驱式风力发电系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型的永磁直驱式风力发电系统，包括：包含叶片且用于将吹向叶片的风能转换为电能的永磁直趋同步发电机；与所述永磁直趋同步发电机电连接且用于对所述电能进行整流的整流模块；与所述整流模块电连接且采用三相三开关三电平升压电路对整流后的电能进行升压的升压斩波模块；与所述升压斩波模块电连接且用于将升压后的电能提供至电网或负载的逆变模块等，如此可使发电机输出电流正弦化，降低发电机的温升、提高发电机的寿命，降低了谐波和主开关管的耐压等级，有效地提高了风力发电系统的高效性和稳定性。

Description

永磁直驱式风力发电系统
技术领域
本实用新型技术涉及一种风力发电系统，特别涉及一种永磁直驱式风力发电系统。
背景技术
风力发电对于解决能源危机、缓解环境污染状况都有十分重要的意义。目前在全世界范围内，风力发电的发展势头十分迅猛，风力发电量不断增大，单机容量也不断增大，但对于现有的大容量的风力发电系统，系统内的齿轮箱易损坏、难维护和低效率，因此其高效性和稳定性欠佳，另外，整流、三相单管整流等传统整流升压电路（BOOST PFC）在风力发电系统中的应用，易使发电机的输出电流为畸形电流，发电机温升高，输出电流谐波大。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种成本低、高效且稳定的永磁直驱式风力发电系统。
为达上述目的及其他目的，本实用新型的永磁直驱式风力发电系统，包括：包含叶片的永磁直趋同步发电机，用于将吹向叶片的风能转换为电能；整流模块，与所述永磁直趋同步发电机电连接，用于对所述电能进行整流；与所述整流模块电连接的升压斩波模块，采用三相三开关三电平升压电路对整流后的电能进行升压；与所述升压斩波模块电连接的逆变模块，用于将升压后的电能提供至电网或负载。
此外，还可包括一远程监控模块，用于对系统进行包括系统开启、系统切断、永磁直趋同步发电机的桨距、永磁直趋同步发电机的偏航在内的控制。
综上所述，本实用新型的永磁直驱式风力发电系统相对于现有的风力发电系统，省去了齿轮箱，而是采用三相三开关三电平升压斩波电路，使发电机输出电流正弦化，降低了发电机的温升、提高了发电机的寿命，降低了谐波和主开关管的耐压等级，有效地提高了风力发电系统的高效性和稳定性。
附图说明
　　图1是本实用新型的永磁直驱式风力发电系统基本架构示意图。
图2是本实用新型的永磁直驱式风力发电系统的主电路拓扑结构示意图。
图3是本实用新型的永磁直驱式风力发电系统的三相三开关三电平升压电路中所采用的开关结构示意图。
图4是本实用新型的永磁直驱式风力发电系统的三相三开关三电平BOOST PFC电路示意图。
具体实施方式
请参阅图1和图2，本实用新型的永磁直驱式风力发电系统至少包括：永磁直趋同步发电机、整流模块、升压斩波模块、逆变模块及远程监控模块等。
所述永磁直趋同步发电机包含叶片，用于将吹向叶片的风能转换为电能。
所述整流模块与所述永磁直趋同步发电机电连接，用于对所述电能进行整流，在本实施例中，采用二极管电路进行整流。
所述升压斩波模块与所述整流模块电连接，其采用三相三开关三电平升压电路对整流后的电能进行升压。其中，所述三相三开关三电平升压电路可采用三相升压变流器，其开关可采用金属场效应管。如图3所示，其为本实施例单相所采用的双向可控硅开关管的结构示意图（即图1中的Q1、Q2、或Q3），本实施例的升压斩波模块和整流模块共同构成的整流升压电路（BOOST PFC）如图4所示，将BOOST电感（即L1、L2、L3）放在三相输入端，通过3个独立的电流内环和1个电压外环，分别独立控制每一相的开关管，实现三相BOOST PFC功能。其工作原理是：以U相为例，当U为正时，由L1、Q1、D1、C1组成一单相Boost PFC电路；当U为负时，由L1、Q1、D2、C2组成一单相Boost PFC电路；其他两相，即V相和W相，其工作原理和U相类似，即，当V相为正时，由L2、Q2、D3、C1组成一单相Boost PFC电路；当V为负时，由L2、Q2、D4、C2组成一单相Boost PFC电路；当W相为正时，由L3、Q3、D5、C1组成一单相Boost PFC电路；当V为负时，由L3、Q3、D6、C2组成一单相Boost PFC电路。由此可见，每个开关管（即Q1、Q2、Q3）只承受输出电压的一半，因此可以用开关频率更高、耐压等级更低、成本更低的开关器件，如金属-氧化层-半导体场效应晶体管（即MOSFET）来代替绝缘栅极型功率管（即IGBT）。
所述逆变模块与所述升压斩波模块电连接，用于将升压后的电能提供至电网或负载，其可采用电压源型三相六管的PWM逆变器结构，如图2所示，分别与U、V、及W相连接的六管，构成三相逆变器。
所述远程监控模块用于对系统进行包括系统开启、系统切断、永磁直趋同步发电机的桨距、永磁直趋同步发电机的偏航在内的控制。其可包括：设置于所述叶片上且用于感测风速或转速的风速或转速传感器；设置于所述永磁直趋同步发电机内且用于感测同步发电机温度的温度传感器；连接在所述升压斩波模块的输出端且用于感测所述升压斩波模块输出电压或电流的电压或电流传感器；用于对所感测出的输出电压或电流进行处理以便控制所述逆变模块的空间矢量脉宽调制（即SVPWM）的数字信号处理器；与所述风速或转速传感器、温度传感器、永磁直趋同步发电机输出端、电压或电流传感器、数字信号处理器、和逆变模块的输出端相连接，用于输出数据、以及将接收的相应数据送至永磁直趋同步发电机以控制桨距和偏航的远程分布式输入输出单元（即远程分布式I/O）；具有现场总线通信模块且通过总线与所述远程分布式输入输出单元相连接，用于对接收的数据进行处理以回送相应的控制数据以对系统的部件进行相应控制的可编程逻辑控制器（PLC）；和远程服务器（即SCADA服务器），用于通过TCP/IP协议与所述可编程逻辑控制器进行通讯，以便向控制人员显示各感测的数据，并对数据进行分析与记录。其中，所述电压或电流传感器可为传感电容；所述总线可为CANopen总线。
由此可见，在任意时刻，电路都是三个Boost PFC电路同时在工作，每相电路分别采用各自的电流反馈回路，采用同一个电压反馈回路，形成由三个电流反馈内环、一个电压反馈外环的多闭环系统。即系统的输出电压先经电压传感器反馈至DSP中的电压调节器，与参考电压比较形成误差信号，调节器根据误差进行调节，生成控制信号，再使BOOST电感电流能够跟踪整流输入电压（即控制信号），在控制信号和电流反馈作用下，SVPWM环节生成占空比一定的脉冲信号，控制开关管通断，得到稳定的电压输出。该电路在三相平衡的情况下，可以去掉中性线，因为在任意时刻，流过Q1、Q2、Q3的电流的矢量和为零。
此外，可在系统现场设置以与所述远程分布式输入输出单元进行数据通信以便对现场的永磁直驱式风力发电系统的进行控制的现场控制器，其接收来自远程分布式输入输出单元的控制指令，以控制系统开启或切断、桨距控制、偏航等，也可根据实际对系统的其它方面进行控制。
上述系统的工作原理为：风吹向永磁直趋同步发电机的叶片，带动永磁直驱发电机转动，从而将风能转换为电能，电能经过整流、升压斩波和逆变等电力电子变换后，将变换后的电能供给负载或者并网，远程监控模块一方面可以进行系统开启或切断、桨距控制、偏航控制等控制操作，一方面可以在SCADA服务器上监视各部分的传感器信号，如电压、电流（包括、温度和转速等等，并进行分析和记录。
综上所述，本实用新型的永磁直驱式风力发电系统由于升压斩波模块采用三相三开关三电平升压电路，其优点是每个开关管只承受输出电压的一半，因此可以用开关频率更高、耐压等级更低、成本更低的开关器件，如MOSFET来代替IGBT。这种结构的三相BOOST PFC变流器，其优点是在输人电流纹波相同的情况下，能够减小Boost电感的电感量，缩小电感体积，降低成本；与现有三相单管BOOST PFC电路比较，发电机侧输出的每相电流都可以实现正弦化，与三相两电平PFC转换器相比较，有更高的性能价格比，更适合于在大功率场合应用，因而这种结构的BOOST PFC电路具有一定的优势。
上述实施例仅列示性说明本实用新型的原理及功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本实用新型的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本实用新型的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (8)

1.一种永磁直驱式风力发电系统，其特征在于包括：
包含叶片的永磁直趋同步发电机，用于将吹向叶片的风能转换为电能；
整流模块，与所述永磁直趋同步发电机电连接，用于对所述电能进行整流；
与所述整流模块电连接的升压斩波模块，采用三相三开关三电平升压电路对整流后的电能进行升压；
与所述升压斩波模块电连接的逆变模块，用于将升压后的电能提供至电网或负载。
2.如权利要求1所述的永磁直驱式风力发电系统，其特征在于还包括一远程监控模块，用于对系统进行包括系统开启、系统切断、永磁直趋同步发电机的桨距、永磁直趋同步发电机的偏航在内的控制，其包括：
设置于所述叶片上的风速或转速传感器，用于感测风速；
设置于所述永磁直趋同步发电机内的温度传感器，用于感测温度；
电压或电流传感器，连接在所述升压斩波模块的输出端，用于感测所述升压斩波模块输出电压或电流；
数字信号处理器，用于对所感测出的输出电压或电流进行处理以便控制所述逆变模块的空间矢量脉宽调制；
远程分布式输入输出单元，与所述风速或转速传感器、温度传感器、永磁直趋同步发电机输出端、电压或电流传感器、数字信号处理器、和逆变模块的输出端相连接，用于输出数据、以及将接收的相应数据送至永磁直趋同步发电机以控制桨距和偏航；
具有现场总线通信模块的可编程逻辑控制器，通过总线与所述远程分布式输入输出单元相连接，用于对接收的数据进行处理以回送响应的控制数据以对系统的部件进行相应控制；
远程服务器，用于通过TCP/IP协议与所述可编程逻辑控制器进行通讯，以便向控制人员显示各感测的数据，并对数据进行分析与记录。
3.如权利要求2所述的永磁直驱式风力发电系统，其特征在于：所述电压或电流传感器为传感电容。
4.如权利要求2所述的永磁直驱式风力发电系统，其特征在于：所述总线为CANopen总线。
5.如权利要求2所述的永磁直驱式风力发电系统，其特征在于还包括一与所述远程分布式输入输出单元进行数据通信以便对现场的永磁直驱式风力发电系统的进行控制的现场控制器。
6.如权利要求1所述的永磁直驱式风力发电系统，其特征在于：所述三相三开关三电平升压电路中的开关采用金属场效应管。
7.如权利要求1所述的永磁直驱式风力发电系统，其特征在于：所述三相三开关三电平升压电路采用三相升压变流器。
8.如权利要求1所述的永磁直驱式风力发电系统，其特征在于：所述逆变模块采用电压源型三相六管的PWM逆变器结构。
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