專利名稱：雙凸極永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種雙凸極永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)及其控制方法的 技術(shù)，屬于發(fā)電機(jī)控制的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
風(fēng)能是一種潔凈的可再生能源，大力發(fā)展包括風(fēng)力發(fā)電在內(nèi)的可 再生能源發(fā)電技術(shù)是解決全球能源和資源緊張的最佳選擇。風(fēng)力發(fā)電 機(jī)組可以按照運(yùn)行方式分為定速運(yùn)行和變速運(yùn)行兩大類，由于變速風(fēng) 力發(fā)電機(jī)組可比定速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組捕獲更多的風(fēng)能并減小了傳動(dòng)系 統(tǒng)的沖擊載荷，目前在世界范圍內(nèi)獲得了更加廣泛的應(yīng)用，針對(duì)變速 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可采用多種形式的發(fā)電機(jī)，例如雙饋異步發(fā)電機(jī)、永磁 同步發(fā)電機(jī)，對(duì)可變速雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)來說，由于雙饋異步發(fā) 電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速較高，因此在風(fēng)力機(jī)和雙饋異步發(fā)電機(jī)之間需要采用 增速齒輪箱，從而增加了傳動(dòng)系統(tǒng)的損耗和降低了系統(tǒng)可靠性；永磁 同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的直接驅(qū)動(dòng)，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)軸的結(jié) 構(gòu)，提高了效率，同時(shí)，永磁同步發(fā)電機(jī)采用稀土永磁材料為提供發(fā) 電機(jī)所需的工作磁場(chǎng)，有效地提高了發(fā)電機(jī)的效率，但是，永磁同步 發(fā)電機(jī)的永磁體位于轉(zhuǎn)子上，使得轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜、永磁體散熱條件差， 而永磁同步發(fā)電機(jī)的定子繞組采用了分布繞組，其繞組端部較長(zhǎng)，材 料利用率低、損耗大。將永磁體和開關(guān)磁阻電機(jī)相結(jié)合產(chǎn)生了雙凸極永磁電機(jī)，它一方 面保留了大部分開關(guān)磁阻電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了開關(guān)磁阻電機(jī)功率 密度低、效率低和功率因數(shù)低的缺點(diǎn)，和永磁同步發(fā)電機(jī)相比，雙凸 極永磁發(fā)電機(jī)最明顯的特點(diǎn)是永磁體和電樞繞組均位于定子側(cè)，具有 和開關(guān)磁阻電機(jī)相同的簡(jiǎn)單的凸極轉(zhuǎn)子和集中式的定子繞組，因此雙 凸極永磁發(fā)電機(jī)兼具永磁電機(jī)和磁阻電機(jī)的各自優(yōu)點(diǎn)。電機(jī)的功率密 度高、效率高，定、轉(zhuǎn)子為雙凸極結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子上既無繞組也無永磁、 電刷，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固，高速運(yùn)行性能好；定子齒上安放集中繞組， 繞組的端部短，節(jié)省銅導(dǎo)體，損耗小，效率高。由于雙凸極永磁電機(jī)具有上述優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)引起業(yè)內(nèi)人士的重視， 并逐漸擴(kuò)大其應(yīng)用的場(chǎng)合。風(fēng)能雖然是一種潔凈的可再生能源，但其 變化無常，在利用風(fēng)能作為驅(qū)動(dòng)雙凸極永磁電機(jī)的動(dòng)力時(shí)，尤其是將 其與電網(wǎng)溝通形成完整的系統(tǒng)時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制裝置以及實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控 制的方法，未見報(bào)道。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于針對(duì)風(fēng)能波動(dòng)性大，雙凸極永磁電機(jī)的輸出 難于控制的實(shí)際問題，提供一種含有自動(dòng)控制裝置的雙凸極永磁風(fēng)力 發(fā)電機(jī)系統(tǒng)及其控制方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的 一種采用雙凸極永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的 可變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，包括風(fēng)力機(jī)和雙凸極永磁發(fā)電機(jī)，其特征在于: 還包括兩個(gè)PWM (Pulse Width Modulation)功率變換器和控制器，在系統(tǒng)中風(fēng)力機(jī)與雙凸極永磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸連接，雙凸極永磁發(fā) 電機(jī)的定子電樞繞組端子與發(fā)電機(jī)側(cè)PWM功率變換器連接，網(wǎng)側(cè)
PWM功率變換器的交流側(cè)與電網(wǎng)連接，兩個(gè)PWM功率變換器采用 背靠背連接；發(fā)電機(jī)側(cè)PWM功率變換器的控制器電路包括電流傳 感器、旋轉(zhuǎn)編碼器和含有SVPWM發(fā)生器的控制器，控制器的輸入 端分別與電流傳感器和旋轉(zhuǎn)編碼器相連接，控制器由SVPWM發(fā)生 器輸出信號(hào)與PWM功率變換器相連接。
在本發(fā)明中所述的發(fā)電機(jī)側(cè)PWM功率變換器的控制器電路中 還含有最大風(fēng)能跟蹤模塊MPPT、最大效率控制/最大轉(zhuǎn)矩控制模塊和 電流控制模塊，輸入端由旋轉(zhuǎn)編碼器獲得轉(zhuǎn)速信號(hào)經(jīng)MPPT形成轉(zhuǎn)矩 控制信號(hào)g ，轉(zhuǎn)矩控制信號(hào)輸入最大效率控制/最大轉(zhuǎn)矩控制模塊， 最大效率控制/最大轉(zhuǎn)矩控制模塊輸出的交軸電流給定信號(hào)《和直軸 電流給定信號(hào)f〗輸入電流控制模塊；由電流傳感器獲得的電流測(cè)量信 號(hào)/。和4經(jīng)矢量變換轉(zhuǎn)換為交、直軸電流測(cè)量信號(hào)^和^輸入電流控 制模塊；由電流控制器模塊產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)"〗和^輸入SVPWM發(fā)生 器，SVPWM發(fā)生器輸出信號(hào)與PWM功率變換器相連接。
在本發(fā)明中電流控制模塊采用了前饋解耦結(jié)構(gòu)，電流控制模塊 中具有兩個(gè)傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器。
一種上述雙凸極永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的控制方法，其特征在于 當(dāng)輸入風(fēng)速較低時(shí)，發(fā)電機(jī)側(cè)PWM功率變換器控制的輸出電流處在 電流限制圓之內(nèi)，輸出的交直軸電流的軌跡與最大效率曲線重合，此時(shí)，控制器工作于最大效率控制模式下；當(dāng)風(fēng)速不斷增加，輸出電流 達(dá)到最大效率曲線與電流限制圓的交匯點(diǎn)，此時(shí)控制電流不再繼續(xù)增 加；當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增加，控制器將切換到最大轉(zhuǎn)矩控制模式，輸出的交 直軸電流的軌跡將沿電流限制圓周向最大轉(zhuǎn)矩曲線交匯點(diǎn)延伸，最終 將在該交匯點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行；反之，輸出的交直軸電流的軌跡將逆向位移。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于由于利用風(fēng)能作為驅(qū)動(dòng)雙凸極永磁電機(jī)的動(dòng) 力，既保留了風(fēng)力發(fā)電對(duì)環(huán)境沒有污染的優(yōu)勢(shì)，又發(fā)揮了雙凸極永磁 電機(jī)傳動(dòng)軸和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高、功率密度高的優(yōu)點(diǎn)；由于雙凸 極永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中采用了雙PWM功率變換器和控制器，消除 或減小了風(fēng)力對(duì)雙凸極永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率的影響，確保采用雙 凸極永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)后，整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行；由于控制器中采 用發(fā)電機(jī)側(cè)PWM功率變換器的控制器電路包括電流傳感器、旋轉(zhuǎn) 編碼器和含有SVPWM發(fā)生器的控制器實(shí)現(xiàn)變速調(diào)節(jié)，電路簡(jiǎn)單， 控制靈活。


圖1是雙凸極永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)框圖2是發(fā)電機(jī)側(cè)的控制系統(tǒng)框圖3是電流控制模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖4是雙凸極永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的縱截面圖5是雙凸極永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電流矢量軌跡。
圖中1、風(fēng)力機(jī)，2、雙凸極永磁發(fā)電機(jī)，3、 PWM功率變換器，4、控制器，5、電流傳感器，6、旋轉(zhuǎn)編碼器，7、外轉(zhuǎn)子，8、內(nèi)定 子，9、永磁體，10、電樞繞組，11、電流限制圓，12、最大效率曲 線，13、最大轉(zhuǎn)矩曲線。
具體實(shí)施例方式
附圖非限制性地公開了本發(fā)明實(shí)施例的具體結(jié)構(gòu)，下面結(jié)合附圖 對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
由圖1可見，雙凸極永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)包括風(fēng)力機(jī)l，雙凸 極永磁發(fā)電機(jī)2， PWM功率變換器3。其具體的連接方式是風(fēng)力機(jī) 1與雙凸極永磁發(fā)電機(jī)2的轉(zhuǎn)動(dòng)軸連接，雙凸極永磁發(fā)電機(jī)的定子電 樞繞組端子與發(fā)電機(jī)側(cè)PWM功率變換器連接，網(wǎng)側(cè)PWM功率變換 器的交流側(cè)與電網(wǎng)連接，兩個(gè)PWM功率變換器采用背靠背連接。
由圖2可見發(fā)電機(jī)側(cè)PWM功率變換器的控制器電路包括電 流傳感器5、旋轉(zhuǎn)編碼器6以及含有最大風(fēng)能跟蹤模塊MPPT、最大 效率控制/最大轉(zhuǎn)矩控制模塊、電流控制模塊和SVPWM發(fā)生器的控 制器?？刂破鞯妮斎攵朔謩e與電流傳感器和旋轉(zhuǎn)編碼器相連接，控制 器由SVPWM發(fā)生器輸出信號(hào)與PWM功率變換器相連接。
工作時(shí)，控制器的輸入端由旋轉(zhuǎn)編碼器獲得轉(zhuǎn)速信號(hào)經(jīng)MPPT形 成轉(zhuǎn)矩控制信號(hào)g ，轉(zhuǎn)矩控制信號(hào)輸入最大效率控制/最大轉(zhuǎn)矩控制
模塊，最大效率控制/最大轉(zhuǎn)矩控制模塊輸出的交軸電流給定信號(hào)《
和直軸電流給定信號(hào)/〗輸入電流控制模塊；由電流傳感器獲得的電流
測(cè)量信號(hào)z。和4經(jīng)矢量變換轉(zhuǎn)換為交、直軸電流測(cè)量信號(hào)^和/,輸入電流控制模塊；由電流控制器模塊產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)"和《輸入SVPWM
發(fā)生器，SVPWM發(fā)生器輸出信號(hào)與PWM功率變換器相連接。
由圖3可見控制器中的電流控制模塊采用了前饋解耦結(jié)構(gòu)，電
流控制模塊中具有兩個(gè)傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器。
由圖4可見，雙凸極永磁發(fā)電機(jī)主要包括外轉(zhuǎn)子7，內(nèi)定子8，
永磁體9，電樞繞組IO。具體實(shí)施時(shí)，雙凸極永磁發(fā)電機(jī)也可以采用
內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，相比較而言，外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的雙凸極永磁發(fā)電機(jī)的材料利
用率更高。
由圖5可見，雙凸極永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電流矢量軌跡在交軸電 流&和直軸電流/g坐標(biāo)系中，包括電流限制圓11、最大效率曲線12 和最大轉(zhuǎn)矩曲線13，它們表示了上述控制系統(tǒng)在不同控制模式下的 電流工作點(diǎn)變化情況，工作中，雙凸極永磁發(fā)電機(jī)的電流通過矢量分 解為交軸電流^和直軸電流z,兩部分其中
在低風(fēng)速時(shí)，雙凸極永磁發(fā)電機(jī)的電流在電流限制圓內(nèi)部，控制 器工作在最大效率模式下，此時(shí)交、直軸電流的軌跡與最大效率曲線 12重合。雙凸極永磁發(fā)電機(jī)的損耗主要包括銅耗和鐵耗，要使雙凸 極永磁發(fā)電機(jī)的效率最大，就需要使銅耗和鐵耗之和最小。雙凸極永 磁發(fā)電機(jī)的銅耗表達(dá)式為
其中^為電樞繞組電阻；若保持發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩分量交軸電流"不變， 則直軸電流&等于零時(shí)的銅耗最小，但是我們可以通過調(diào)節(jié)交、直軸電流使得雙凸極永磁發(fā)電機(jī)的定子磁鏈^最小，從而得到最小的鐵 耗，定子磁鏈的表達(dá)式為
其中^和^分別為雙凸極永磁發(fā)電機(jī)的直軸和交軸電感分量，W
為雙凸極永磁發(fā)電機(jī)永磁磁鏈；因此，根據(jù)雙凸極永磁發(fā)電機(jī)銅耗和 鐵耗之和為最小的最大效率工作模式，可以得到最大效率工作模式的 交軸和直軸電流控制信號(hào)分別為
<formula>formula see original document page 10</formula>
上式即為最大效率控制的核心算法。
當(dāng)風(fēng)速增加時(shí)發(fā)電機(jī)的負(fù)載和輸出電流也將隨之增加，那么在某 個(gè)風(fēng)速條件下，雙凸極永磁發(fā)電機(jī)的電流將達(dá)到電流限制圓的極限而 不能再繼續(xù)增加，控制器將切換系統(tǒng)工作模式從最大效率曲線至最大
轉(zhuǎn)矩模式，電流軌跡沿著電流限制圓從A點(diǎn)向B點(diǎn)運(yùn)行，最后在最 大轉(zhuǎn)矩曲線和電流限制圓的交點(diǎn)B點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行。最大轉(zhuǎn)矩控制的輸 出量控制算法為<formula>formula see original document page 10</formula>
控制器4中MPPT控制模塊的輸出量r/由雙凸極永磁發(fā)電機(jī)的
轉(zhuǎn)速確定，具有如下關(guān)系式
式中《一為和風(fēng)力機(jī)有關(guān)的特性參數(shù)。
權(quán)利要求
1、一種雙凸極永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的可變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，包括風(fēng)力機(jī)和雙凸極永磁發(fā)電機(jī)，其特征在于還包括兩個(gè)PWM(PulseWidth Modulation)功率變換器和控制器，在系統(tǒng)中風(fēng)力機(jī)與雙凸極永磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸連接，雙凸極永磁發(fā)電機(jī)的定子電樞繞組端子與發(fā)電機(jī)側(cè)PWM功率變換器連接，網(wǎng)側(cè)PWM功率變換器的交流側(cè)與電網(wǎng)連接，兩個(gè)PWM功率變換器采用背靠背連接；發(fā)電機(jī)側(cè)PWM功率變換器的控制器電路包括電流傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器和含有SVPWM發(fā)生器的控制器，控制器的輸入端分別與電流傳感器和旋轉(zhuǎn)編碼器相連接，控制器由SVPWM發(fā)生器輸出信號(hào)與PWM功率變換器相連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙凸極永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的可變速風(fēng)力 發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述的發(fā)電機(jī)側(cè)PWM功率變換器的控制器 電路中還含有最大風(fēng)能跟蹤模塊MPPT、最大效率控制/最大轉(zhuǎn)矩控制模塊和電流控制模塊，輸入端由旋轉(zhuǎn)編碼器獲得轉(zhuǎn)速信號(hào)經(jīng)MPPT 形成轉(zhuǎn)矩控制信號(hào)g輸入轉(zhuǎn)矩控制信號(hào)輸入最大效率控制/最大轉(zhuǎn)矩控制模塊，最大效率控制/最大轉(zhuǎn)矩控制模塊輸出的交軸電流給定信 號(hào)《和直軸電流給定信號(hào)/〗輸入電流控制模塊；由電流傳感器獲得的 電流測(cè)量信號(hào)/。和4經(jīng)矢量變換轉(zhuǎn)換為交、直軸電流測(cè)量信號(hào)^和/《 輸入電流控制模塊；由電流控制器模塊產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)《和《輸入 SVPWM發(fā)生器，SVPWM發(fā)生器輸出信號(hào)與PWM功率變換器相連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙凸極永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的可變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于電流控制模塊采用了前饋解耦結(jié)構(gòu)，電流控 制模塊中具有兩個(gè)傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器。
4、 一種如權(quán)利要求1或2或3所述的雙凸極永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)系 統(tǒng)的控制方法，其特征在于當(dāng)輸入風(fēng)速較低時(shí)，發(fā)電機(jī)側(cè)PWM功率變換器控制的輸出電流處在電流限制圓之內(nèi)，輸出的交直軸電流的軌跡與最大效率曲線重合，此時(shí)，控制器工作于最大效率控制模式下; 當(dāng)風(fēng)速不斷增加，輸出電流達(dá)到最大效率曲線與電流限制圓的交匯 點(diǎn)，此時(shí)控制電流不再繼續(xù)增加；當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增加，控制器將切換到 最大轉(zhuǎn)矩控制模式，輸出的交直軸電流的軌跡將沿電流限制圓周向最 大轉(zhuǎn)矩曲線交匯點(diǎn)延伸，最終將在該交匯點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行；反之，輸出的 交直軸電流的軌跡將逆向位移。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種雙凸極永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的可變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其控制方法，包括風(fēng)力機(jī)和雙凸極永磁發(fā)電機(jī)，以及兩個(gè)PWM功率變換器和控制器，在系統(tǒng)中風(fēng)力機(jī)與雙凸極永磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸連接，雙凸極永磁發(fā)電機(jī)的定子電樞繞組端子與發(fā)電機(jī)側(cè)PWM功率變換器連接，網(wǎng)側(cè)PWM功率變換器的交流側(cè)與電網(wǎng)連接，兩個(gè)PWM功率變換器采用背靠背連接；發(fā)電機(jī)側(cè)PWM功率變換器的控制器電路包括電流傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器和含有SVPWM發(fā)生器的控制器，控制器的輸入端與電流傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器相連接，并由SVPWM發(fā)生器輸出信號(hào)控制PWM功率變換器。
文檔編號(hào)H02P9/00GK101299588SQ200810122749
公開日2008年11月5日 申請(qǐng)日期2008年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月27日
發(fā)明者張建忠, 明 程, 郝鴻彬 申請(qǐng)人:江蘇火電電力設(shè)備制造有限公司;東南大學(xué)