CN202917993U - 复合转子开绕组无刷双馈风力发电系统及发电机 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供一种复合转子开绕组无刷双馈风力发电系统，其特征在于：该系统主要包括风力机、无刷双馈风力发电机、双向PWM变频器及中央处理器；风力机通过增速箱连接至无刷双馈风力发电机，无刷双馈风力发电机一方面连接至双向PWM变频器，另一方面通过并网开关连接至变压器，再一方面依次通过电压电流信号检测单元及输入量单元连接至中央处理器；双向PWM变频器通过滤波器连接至变压器，变压器接至电网。本实用新型提供了一种结构简单、成本低廉、运行性能和风电转换效率高的复合转子开绕组无刷双馈风力发电机直接功率控制系统。

Description

复合转子开绕组无刷双馈风力发电系统及发电机
技术领域
 本实用新型属于风力发电领域，具体涉及一种复合转子开绕组无刷双馈风力发电机直接功率控制系统及其专用的复合转子开绕组无刷双馈风力发电机。
背景技术
 近年来，无刷双馈发电机以其无刷可靠、便于实现变速恒频和低速直驱、所需变流器容量小、成本低等优势，在大型风电机组和海上风电领域中得到了国内外学者越来越广泛的关注，具有广阔的应用前景。但它尚未得到大量推广应用，其主要技术问题有两方面：（1）目前无刷双馈发电机的转子结构形式（基本类型有特殊笼型转子或齿谐波绕线转子，以及磁阻式转子）对定子两套绕组的耦合能力不强，且调制出的谐波磁场较大，影响发电机的功率密度、出力和性能指标。（2）由于无刷双馈发电机的定子铁心上嵌有两套极数不同的绕组，其内部电磁关系极为复杂，因此如何对其进行有效的励磁控制已成为亟待解决的难点和热点问题，尤其是风电机组的最大功率跟踪问题，以提高发电效率。目前，国内外学者对无刷双馈风力发电机的功率控制主要采用磁场定向的矢量变换控制技术和直接转矩控制方法。但是，基于矢量控制的方法需要进行坐标变换，计算量大，且易受发电机参数变化的影响，使得系统的鲁棒性大大降低。而直接转矩控制方法的计算量也较大，需要采用高速处理器，因而其成本较高；此外，磁链观测器对发电机参数变化或不能准确辨识较为敏感，尤其在控制绕组侧励磁电流频率较低的情况下，这将导致控制系统的实时性变差。因此，迫切需要寻找一种具有新型转子结构的高性能无刷双馈风力发电机及其励磁控制方法。
发明内容
 本实用新型提供一种复合转子开绕组无刷双馈风力发电系统及方法，其目的是解决以往的方式所存在的系统鲁棒性低、成本高和磁链观测器对参数敏感导致控制系统实时性差的问题。
本实用新型采用以下技术方案：
复合转子开绕组无刷双馈风力发电系统，其特征在于：该系统主要包括风力机、无刷双馈风力发电机、双向PWM变频器及中央处理器；风力机通过增速箱连接至无刷双馈风力发电机，无刷双馈风力发电机一方面连接至双向PWM变频器，另一方面通过并网开关连接至变压器，再一方面依次通过电压电流信号检测单元及输入量单元连接至中央处理器；双向PWM变频器通过滤波器连接至变压器，变压器接至电网。
中央处理器上还连接有中央监控系统和人机界面。
双向PWM变频器采用双端供电式级联型多电平拓扑结构，所述双向PWM变频器采用双端供电式级联型多电平拓扑结构时无刷双馈发电机控制绕组开绕组两端分别由两个多电平逆变器直接供电，形成一种级联型拓扑结构。
无刷双馈风力发电机包括定子、转子和转轴，所述定子上嵌放两套极数不同的绕组，即功率绕组和控制绕组，极数分别为2p p和2p c，控制绕组端设计为开绕组结构；所述转子采用(2p p+2p c)极径向叠片磁障和短路笼条复合式新型转子结构，转子叠片沿径向叠压，转子凸极中心线处放置导电笼条，导电笼条的两端用导电圆环压紧以实现短路连接，形成短路笼条；所述转轴与转子之间安装有钢套，钢套通过转轴上的定位销与转轴固定在一起。
功率绕组通过并网开关及变压器接入工频电网用作电能输出，控制绕组连接双向PWM变频器，通过双向PWM变频器、滤波器及变压器与电网连接用作交流励磁。
所述控制绕组为开绕组结构，即控制绕组不作星形或角形连接，其6个端子全部打开引出。
应用于上述的复合转子开绕组无刷双馈风力发电系统中的复合转子开绕组无刷双馈风力发电机，其特征在于：该发电机包括定子、转子和转轴，所述定子上嵌放两套极数不同的绕组，即功率绕组和控制绕组，极数分别为2p p和2p c，控制绕组端设计为开绕组结构；所述转子采用(2p p+2p c)极径向叠片磁障和短路笼条复合式新型转子结构，转子叠片沿径向叠压；所述转轴与转子之间安装有钢套，钢套通过转轴上的定位销与转轴固定在一起。
功率绕组通过并网开关及变压器接入工频电网用作电能输出，控制绕组连接双向PWM变频器，通过双向PWM变频器、滤波器及变压器与电网连接用作交流励磁，所述控制绕组为开绕组结构，即控制绕组不作星形或角形连接，其6个端子全部打开引出。
本实用新型的有益效果是：无刷双馈发电机转子采用径向叠片磁障和短路笼条复合式结构，在进一步改善转子磁耦合能力的同时，还可有效降低气隙磁场谐波和损耗，提高发电机的功率密度和运行性能，该种新型复合转子具有结构新颖、工艺简单、成本低廉、机械强度高、运行可靠、结构模块化、便于产业化等方面的显著优势。无刷双馈发电机控制绕组端设计为开绕组结构，变频器采用双端供电式级联型多电平拓扑结构，可改善风电系统的故障冗余能力，使控制方式更为灵活，与常规三相电压源逆变器相比具有更好的性能，且开关频率较低，所需变频器容量更小。励磁控制方式采用直接功率控制方法来实现最大功率跟踪控制，该种控制方法不依赖于发电机的任何参数，具有很强的鲁棒性；由于是直接对无刷双馈发电机的有功功率和无功功率进行独立控制，因此其控制器的结构简单，计算量较小；该种控制方法只需要获得控制绕组磁链所在扇区的信息，而这一信息可通过检测出的功率绕组无功功率获得，很好地解决了磁链观测器对参数敏感导致控制系统实时性差的问题。
附图说明
图1为本实用新型无刷双馈风力发电系统结构示意图；
图2为本实用新型复合转子开绕组无刷双馈风力发电机一种结构示意图；
图3为本实用新型复合转子开绕组无刷双馈风力发电机另一种结构示意图；
图4为本实用新型新型无刷双馈风力发电机控制绕组开绕组结构示意图；
图5为本实用新型新型开绕组无刷双馈风力发电机直接功率控制系统原理示意图。
图6为本实用新型两相静止dq参考坐标系中的磁链矢量关系图。
图7为本实用新型控制绕组开关电压矢量及扇区示意图。
图8为本实用新型有功功率和无功功率的滞环比较控制原理示意图。
附图标记说明：
1.风力机；2.无刷双馈风力发电机；3.功率绕组；4.控制绕组；5.并网开关；6.变压器；7.电网；8.定子；9.转子；10.钢套；11.转轴；12.机壳；13.导磁层；14.隔磁层；15.导电笼条；16.级联型多电平逆变器；17.三端双向交流开关；18.滞环比较器。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型进行具体说明：
如图1所示，本实用新型提供一种复合转子开绕组无刷双馈风力发电机直接功率控制系统，该系统主要包括风力机1、无刷双馈风力发电机2、双向PWM变频器及中央处理器；风力机1通过增速箱连接至无刷双馈风力发电机2，无刷双馈风力发电机2一方面连接至双向PWM变频器，另一方面通过并网开关5连接至变压器6，再一方面依次通过电压电流信号检测单元及输入量单元连接至中央处理器；双向PWM变频器通过滤波器连接至变压器6，变压器6接至电网7。
中央处理器上还连接有中央监控系统和人机界面。
双向PWM变频器采用双端供电式级联型多电平拓扑结构，所述双向PWM变频器采用双端供电式级联型多电平拓扑结构时无刷双馈发电机控制绕组开绕组两端分别由两个多电平逆变器直接供电，形成一种级联型拓扑结构。
无刷双馈风力发电机2包括定子8、转子9和转轴11，所述定子上嵌放两套极数不同的绕组，即功率绕组3和控制绕组4，极数分别为2p p和2p c，控制绕组端设计为开绕组结构；所述转子采用(2p p+2p c)极径向叠片磁障和短路笼条复合式新型转子结构，转子叠片沿径向叠压；所述转轴与转子之间安装有钢套10，钢套通过转轴上的定位销与转轴固定在一起。
功率绕组通过并网开关5及变压器6接入工频电网用作电能输出，控制绕组连接双向PWM变频器，通过双向PWM变频器、滤波器及变压器与电网连接用作交流励磁。
所述控制绕组为开绕组结构，即控制绕组不作星形或角形连接，其6个端子全部打开引出。
另外，本实用新型还提供一种复合转子开绕组无刷双馈风力发电机，该发电机如上所述，包括定子8、转子9和转轴11，所述定子上嵌放两套极数不同的绕组，即功率绕组3和控制绕组4，极数分别为2p p和2p c，控制绕组端设计为开绕组结构；所述转子采用(2p p+2p c)极径向叠片磁障和短路笼条复合式新型转子结构，转子叠片沿径向叠压；所述转轴与转子之间安装有钢套10，钢套通过转轴上的定位销与转轴固定在一起。功率绕组通过并网开关5及变压器6接入工频电网用作电能输出，控制绕组连接双向PWM变频器，通过双向PWM变频器、滤波器及变压器与电网连接用作交流励磁，所述控制绕组为开绕组结构，即控制绕组不作星形或角形连接，其6个端子全部打开引出。
具体的说：图1为本实用新型无刷双馈风力发电系统的结构示意图。风力机1通过增速箱与无刷双馈风力发电机2连接，带动发电机2旋转。无刷双馈风力发电机2的功率绕组3通过并网开关5和变压器6与电网7连接，用作电能输出；无刷双馈风力发电机2的控制绕组4通过双向PWM变频器、滤波器和变压器6也与电网7连接，用作交流励磁。电压电流信号检测装置为中央处理器提供输入量，中央处理器与中央监控系统和人机界面连接，并为驱动电路提供信号，以驱动双向PWM变频器。
图2和图3为本实用新型复合转子开绕组无刷双馈风力发电机的两种结构示意图。转轴11与转子9之间安装有由非导磁材料制成的钢套10，转子9外侧有定子8，定子8外侧有机壳12。
定子8的铁心上嵌放了两套极数分别为8极和4极的独立对称绕组，即功率绕组3和控制绕组4，且均为双层短距绕组，即一个槽内嵌放四层绕组，功率绕组3在顶部，控制绕组4在底部。
转子9采用(p p+p c)极径向叠片磁障和短路笼条复合式新型转子结构。转子叠片沿径向叠压，可以减少转子铁芯中的涡流损耗，提高发电机效率；转子9上共有(p p+p c)个凸极，相邻两凸极各二分之一部分共同组成一个叠片组，沿转子9一周由(p p+p c)个完全相同的叠片组构成，这样的对称结构实现了仅加工一种叠片就可以组装成整个转子，因而大大减少了工艺成本，便于批量生产；叠片组上设置有导磁层13，相邻两凸极导磁层13上留有至少三层宽度相等的均匀隔磁层14，并保持各隔磁层14与导磁层13之间的宽度比例相同，导磁层13之间通过径向连接筋相连，将各导磁层13连接为一个整体；隔磁层14采用环氧树脂或者由其它耐高温非导磁材料填充，并设计成均匀宽度，且为多个隔磁层，其目的是为了增大交轴磁阻，减少直轴磁阻，便于磁通沿着有利于磁场转换的趋势流通，加入隔磁层14后，其磁场转换能力明显提高，而且隔磁层数越多，效果就越明显，但隔磁层很多时，其成本又加速增大，因此隔磁层应选择为合适层数；凸极中心线处放置导电笼条15，转子一周共放置(p p+p c)根导电笼条15，采用分层设计，其目的是为了克服感应电流的集肤效应；导电笼条15的两端用导电圆环压紧，实现短路连接，这些导电笼条与端部短路圆环一起统称为短路笼条。这样就形成了径向叠片磁障和短路笼条复合式转子结构，该种转子根据隔磁层的形状可分为两类：U形径向叠片磁障和短路笼条复合式转子（图2）和弧形径向叠片磁障和短路笼条复合式转子（图3）。
图4为本实用新型新型无刷双馈风力发电机控制绕组开绕组结构示意图。无刷双馈发电机的控制绕组4全部打开，不做星形或角形连接，即将发电机控制绕组4的6个端子全部引出，形成开绕组结构。
图5为本实用新型新型开绕组无刷双馈风力发电机直接功率控制系统控制方法示意图，其中，v为风速；n r为发电机转速；P为有功功率；Q为无功功率；u为电压；i为电流；sector_ Ψ c表示控制绕组4磁链所在的扇区；Δ表示对应量的误差值；上标*表示对应量的给定值；下标p和c分别表示功率绕组3和控制绕组4对应的量；下标ABC表示对应量在三相静止ABC坐标系中的轴分量；下标dq表示对应量在两相静止dq坐标系中的轴分量。
无刷双馈发电机的控制绕组4为开绕组结构，其6个端子全部打开引出，由两个多电平逆变器分别与绕组两端相连，同时为控制绕组4供电，形成双端供电式级联型多电平逆变器16拓扑结构。
系统励磁控制方式采用直接功率控制方法来实现最大功率跟踪控制，其控制思想是根据无刷双馈发电机功率绕组3的有功功率P和无功功率Q的误差信号ΔP和ΔQ以及控制绕组4的磁链所在扇区信息（sector_ Ψ c）来重新制定开关电压矢量选择表，通过适当选择开关电压矢量来直接独立控制无刷双馈发电机的有功功率P和无功功率Q，进而实现最大功率跟踪控制。
建立无刷双馈发电机的机械功率平衡方程如下
Figure 2012206383988100002DEST_PATH_IMAGE002
                       (1)
式中，P m为总的机械功率；P pm和P cm分别为功率绕组3和控制绕组4的机械功率；T e为电磁转矩；Ω r为转子9的机械角速度，
Figure 2012206383988100002DEST_PATH_IMAGE004
；ω p和ω c分别为功率绕组3和控制绕组4的电流角频率；p r为转子9的极对数。
式(1)给出了功率绕组3和控制绕组4各自的机械功率分量，而直接功率控制策略只考虑功率绕组3的有功功率分量P pm。当忽略铜耗和磁场中的储能变化率时，瞬时电功率近似于机械功率，即P p ≈ P pm。
为了得到无刷双馈发电机的电磁转矩方程，这里引入一个中间量——功率绕组3链过控制绕组4的磁链矢量 Ψ pc。图6给出了在两相静止dq参考坐标系中两套定子绕组磁链矢量 Ψ p和 Ψ c以及磁链矢量 Ψ pc的旋转速度和位置关系。值得注意的是，磁链矢量 Ψ pc是以控制绕组4侧电流角频率ω c的速度旋转，与控制绕组4磁链 Ψ c相对静止，而并非以产生它的功率绕组3侧角频率ω p的速度旋转，这种频率变化就是由转子9对定子磁动势波形的调制作用产生的，这也是无刷双馈发电机中磁场耦合和转矩生成的基本机理。因此，无刷双馈发电机的电磁转矩方程可表示为：
Figure 2012206383988100002DEST_PATH_IMAGE006
                (2)
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为漏磁系数；L p和L c分别为功率绕组3和控制绕组4的自感；M pc为两套定子绕组之间的互感；δ为磁链矢量 Ψ pc与 Ψ c之间的夹角。由此可以看出无刷双馈发电机与普通感应发电机之间的联系，虽然它们的运行原理不同，但从产生电磁转矩的角度来看， Y pc和 Y c分别类似于普通感应发电机的转子和定子磁链；
式(2)中功率绕组3的磁链 Y p可表示为
Figure DEST_PATH_IMAGE010
                    (3)
式中， u p和 i p分别为功率绕组3的电压矢量和电流矢量。
由于功率绕组3的电阻压降R p i p对功率绕组3的电压影响很小，可忽略不计，而功率绕组3作为电能输出端，要求其输出为恒频恒压，即电压 u p的幅值和频率保持不变，由此可以认为功率绕组3磁链 Y p的幅值和旋转速度基本恒定。又由于
Figure DEST_PATH_IMAGE012
，因此磁链 Y pc的幅值也近似为恒值。根据式(1)和式(2)可知，通过控制施加于控制绕组4的开关电压矢量 u ck (k = 0,1,…,7)来快速改变磁链夹角d的大小，即可达到控制有功功率P p的目的。对无功功率Q p的控制原理与P p类似，只是逻辑关系不同，这里就不再赘述了。
根据风速v和风力机运行特性，获得最大吸收功率值，进而得到有功功率给定值P *。检测出无刷双馈发电机功率绕组3在三相静止ABC坐标系中的电压电流值u pABC和i pABC。由于直接功率控制方法是建立在两相静止dq参考坐标系中的，因此需要坐标变换，将三相静止ABC坐标系中的电压电流量变换到两相静止dq坐标系中。利用两相静止dq坐标系中功率绕组3的电压电流值u pdq和i pdq计算出有功功率和无功功率的实际值P和Q，如式(4)所示，再分别与它们的给定值P *和Q *进行比较，将比较后的误差值ΔP和ΔQ分别输入滞环比较器18。利用功率绕组4的无功功率变化率估计出控制绕组4的磁链矢量在哪个扇区。根据两个滞环比较器18的输出和控制绕组4磁链所在扇区信息（sector_ Ψ c）选择适合的开关电压矢量，进而驱动逆变器16。
Figure DEST_PATH_IMAGE014
                             (4)
所述两个控制环，一个是有功功率控制环，一个是无功功率控制环，其作用是将有功功率和无功功率的给定值分别与它们的实际值进行比较，比较后的误差值分别输入两个滞环比较器，这两个滞环比较器的输出作为选择开关电压矢量的依据，进而修正有功功率和无功功率的实际值，使其跟踪给定值，所述控制绕组磁链所在扇区的信息是由功率绕组无功功率的变化率得到的；所述双端供电式级联型多电平逆变器采用这种直接功率控制方法进行控制，以驱动无刷双馈发电机，实现对控制绕组每相电流的独立控制。
图7为本实用新型控制绕组开关电压矢量及扇区示意图，图8为本实用新型有功功率和无功功率的滞环比较控制原理示意图。其中，①~⑥分别表示六个扇区；
Figure DEST_PATH_IMAGE016
和
Figure DEST_PATH_IMAGE018
分别为有功功率和无功功率滞环比较器18总带宽的1/2。
滞环比较器18的输出定义为
                           (5)
Figure DEST_PATH_IMAGE022
                          (6)
表1给出了重新制定的控制绕组开关电压矢量选择表。
表1  控制绕组开关电压矢量选择表
Figure DEST_PATH_IMAGE024
Figure DEST_PATH_IMAGE026
 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥
1 1 u c3 u c4 u c5 u c6 u c1 u c2
1 -1 u c2 u c3 u c4 u c5 u c6 u c1
-1 1 u c5 u c6 u c1 u c2 u c3 u c4
-1 -1 u c6 u c1 u c2 u c3 u c4 u c5
所提出采用的直接功率控制方法不依赖于发电机的任何参数，只需要电网7侧绕组（即功率绕组3）的电压电流值，因此对参数变化或不能准确辨识具有更强的鲁棒性；可直接对无刷双馈发电机的有功功率和无功功率进行独立控制，从实现风力发电系统最大功率跟踪的角度来看，其控制器的结构更加简单，计算量也大大减少；在磁链观测方面，直接功率控制方法只需要获得控制绕组4磁链所在扇区的信息，不需要观测其幅值大小，而控制绕组4的磁链位置可通过检测出的功率绕组无功功率获得，这很好地解决了磁链观测器对参数敏感导致控制系统实时性差的问题。
本实用新型提供了一种结构简单、成本低廉、运行性能和风电转换效率高的复合转子开绕组无刷双馈风力发电机直接功率控制系统。

Claims (8)

1.复合转子开绕组无刷双馈风力发电系统，其特征在于：该系统主要包括风力机（1）、无刷双馈风力发电机（2）、双向PWM变频器及中央处理器；风力机（1）通过增速箱连接至无刷双馈风力发电机（2），无刷双馈风力发电机（2）一方面连接至双向PWM变频器，另一方面通过并网开关（5）连接至变压器（6），再一方面依次通过电压电流信号检测单元及输入量单元连接至中央处理器；双向PWM变频器通过滤波器连接至变压器（6），变压器（6）接至电网（7）。
2.根据权利要求1所述的复合转子开绕组无刷双馈风力发电系统，其特征在于：中央处理器上还连接有中央监控系统和人机界面。
3.根据权利要求1所述的复合转子开绕组无刷双馈风力发电系统，其特征在于：双向PWM变频器采用双端供电式级联型多电平拓扑结构，所述双向PWM变频器采用双端供电式级联型多电平拓扑结构时无刷双馈发电机控制绕组开绕组两端分别由两个多电平逆变器直接供电，形成一种级联型拓扑结构。
4.根据权利要求1所述的复合转子开绕组无刷双馈风力发电系统，其特征在于：无刷双馈风力发电机（2）包括定子(8)、转子(9)和转轴(11)，所述定子上嵌放两套极数不同的绕组，即功率绕组(3)和控制绕组(4)，极数分别为2p p和2p c，控制绕组端设计为开绕组结构；所述转子采用(2p p+2p c)极径向叠片磁障和短路笼条复合式新型转子结构，转子叠片沿径向叠压，转子凸极中心线处放置导电笼条，导电笼条的两端用导电圆环压紧以实现短路连接，形成短路笼条；所述转轴与转子之间安装有钢套（10），钢套通过转轴上的定位销与转轴固定在一起。
5.根据权利要求4所述的复合转子开绕组无刷双馈风力发电系统，其特征在于：功率绕组通过并网开关（5）及变压器（6）接入工频电网用作电能输出，控制绕组连接双向PWM变频器，通过双向PWM变频器、滤波器及变压器与电网连接用作交流励磁。
6.根据权利要求4所述的复合转子开绕组无刷双馈风力发电系统，其特征在于：所述控制绕组为开绕组结构，即控制绕组不作星形或角形连接，其6个端子全部打开引出。
7.应用于权利要求中的复合转子开绕组无刷双馈风力发电系统中的复合转子开绕组无刷双馈风力发电机，其特征在于：该发电机包括定子(8)、转子(9)和转轴(11)，所述定子上嵌放两套极数不同的绕组，即功率绕组(3)和控制绕组(4)，极数分别为2p p和2p c，控制绕组端设计为开绕组结构；所述转子采用(2p p+2p c)极径向叠片磁障和短路笼条复合式新型转子结构，转子叠片沿径向叠压；所述转轴与转子之间安装有钢套（10），钢套通过转轴上的定位销与转轴固定在一起。
8.根据权利要求7所述的无刷双馈风力发电机，其特征在于：功率绕组通过并网开关（5）及变压器（6）接入工频电网用作电能输出，控制绕组连接双向PWM变频器，通过双向PWM变频器、滤波器及变压器与电网连接用作交流励磁，所述控制绕组为开绕组结构，即控制绕组不作星形或角形连接，其6个端子全部打开引出。
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