專利名稱：無刷級聯(lián)雙饋風力發(fā)電機組的低電壓故障穿越方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種特殊電機應用在風力發(fā)電系統(tǒng)中的低電壓故障穿越的方法，可以 實現(xiàn)無刷級聯(lián)雙饋風力發(fā)電機在低電壓時繼續(xù)保持工作，將多余的有功功率釋放使之不流 入電網(wǎng)，限制控制繞組端的電壓和電流，保持變流器直流端的穩(wěn)定，并且向電網(wǎng)發(fā)送無功功 率以滿足低電壓時故障穿越的標準。
背景技術(shù)：
雙饋電機被廣泛應用在風力發(fā)電領域，并且曾經(jīng)因為成本和體積上的優(yōu)勢，占據(jù) 了超過50%的市場份額，然而近幾年因為其維護和低電壓穿越上的劣勢，市場份額有所降 低。無刷級聯(lián)雙饋電機作為雙饋電機的一個改進版本，它保留了雙饋電機的所有優(yōu) 點，并且除去了維護要求很高的電刷，大大降低了維護成本，增強了系統(tǒng)的可靠性。無刷級聯(lián)雙饋電機的原理在20世紀初就被提出，采用兩個感應電機級聯(lián)的方法 實現(xiàn)低速運轉(zhuǎn)。90年代初，現(xiàn)代化無刷級聯(lián)雙饋電機的設計基本定型。此電機采用兩組獨 立的定子繞組，使用不同的級對數(shù)來防止相互之間的耦合。轉(zhuǎn)子采用特殊的類似鼠籠式設 計，可以同時耦合兩個定子繞組。電機的速度由兩個定子繞組的驅(qū)動頻率共同決定。一般而言，一組定子繞組連接固定頻率和電壓的電網(wǎng)，稱為功率繞組；另一組定子 繞組連接變頻變壓的變流器，稱為控制繞組；或者說，考慮到功率繞組是固定頻率，轉(zhuǎn)子速 度最終由控制繞組的頻率決定。如果將無刷級聯(lián)雙饋電機應用于風力發(fā)電系統(tǒng)中，必須考慮低電壓時的故障穿 越?，F(xiàn)有的故障穿越技術(shù)主要是考慮傳統(tǒng)的電機拓撲，但是針對無刷級聯(lián)雙饋風力電機的 低電壓故障穿越的方案一直沒有出現(xiàn)，因此限制了無刷級聯(lián)雙饋電機在實際的風力發(fā)電中 的應用。本專利描述了一套全新的基于無刷雙饋風力發(fā)電機的低電壓故障穿越控制系統(tǒng)， 該控制系統(tǒng)采用了 crowbar電路(控制繞組短路保護)和泄荷電路，解決了低電壓時無刷 雙饋感應發(fā)電機產(chǎn)生的有功功率的釋放以及變流器的安全操作，保證了發(fā)生低電壓故障時 無刷級聯(lián)雙饋風力發(fā)電機組仍然保持運行。在系統(tǒng)運行的同時向電網(wǎng)注入無功功率以滿足 低電壓故障穿越的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種針對無刷級聯(lián)雙饋風力發(fā)電機組的低電壓故障穿越系 統(tǒng)，即當電網(wǎng)電壓降低的時候，仍然保證發(fā)電機正常運行。本發(fā)明的構(gòu)思是發(fā)電機產(chǎn)生的多余的有功功率釋放在交流以及直流的泄荷電阻 上，保證變流器和電機的安全操作。電網(wǎng)端變流器采用基于電網(wǎng)電壓同步坐標系的矢量控 制算法，向電網(wǎng)輸送無功功率，保證系統(tǒng)滿足低電壓故障穿越的技術(shù)指標。根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明的技術(shù)方案由以下環(huán)節(jié)組成第一個環(huán)節(jié)是本發(fā)明在無刷級聯(lián)雙饋發(fā)電機的控制繞組端采用一個crowbar電路，在低電壓故障發(fā)生時同時限制控制繞組的電壓和電流。crowbar電路采用滯回的控制方 式。第二個環(huán)節(jié)是本發(fā)明在變流器的直流側(cè)采用一個泄荷電路，在正常工作時以及 低電壓故障發(fā)生時維持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，實現(xiàn)變流器的安全工作。泄荷電路采用滯回或 者P麗的控制方式。第三個環(huán)節(jié)是本發(fā)明在電網(wǎng)端變流器采用基于電網(wǎng)電壓同步坐標系的矢量控制 算法，在低電壓故障發(fā)生時向電網(wǎng)注入無功功率，滿足低電壓穿越的標準。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)比較，具有如下顯而易見的突出的實質(zhì)性特點和顯著優(yōu)點1.目前基于無刷級聯(lián)雙饋電機的低電壓穿越的方法并不存在，不能簡單地將傳統(tǒng) 雙饋電機的低電壓穿越方法直接用于無刷級聯(lián)雙饋風力發(fā)電機上。本發(fā)明在基于饋電機的 低電壓穿越方法的基礎上，在硬件連接、軟件計算和參數(shù)選擇上做出了變化，提出了一個適 于無刷級聯(lián)雙饋電機的低電壓穿越方法。2.本發(fā)明的crowbar電路根據(jù)測量得到的控制繞組的電流來決定是否導通 crowbar電路，因此在電網(wǎng)低電壓故障發(fā)生時，crowbar電路處于交替開關狀態(tài)，提高了故 障發(fā)生時整個系統(tǒng)的可控性和動態(tài)性能。同時在硬件連接上crowbar電路無須通過電刷連 接，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。


圖1是BDFM原理圖。圖2是無刷級聯(lián)雙饋電機包含電壓故障穿越方法的變流器配置圖。圖3是crowbar電路控制原理圖。圖4是直流側(cè)泄荷電路采用滯回控制方式原理圖。圖5是直流側(cè)泄荷電路采用PWM控制方式原理圖。
圖6是電機側(cè)變流器結(jié)構(gòu)。
具體實施例方式本無刷級聯(lián)雙饋電機的矢量控制方法和原理簡述如下圖1為無刷級聯(lián)雙饋電機的原理圖。無刷級聯(lián)雙饋電機有兩組定子繞組，分別是 功率繞組和控制繞組。功率繞組直接連接50Hz固定頻率的電網(wǎng)，而控制繞組通過雙向變流 器連接電網(wǎng)。通過調(diào)節(jié)控制繞組的頻率可以控制電機的轉(zhuǎn)速。如果能夠限定電機的工作范 圍，大部分的能量通過功率繞組流入或者流出電機，而小部分的能量通過變流器流入或者 流出電機，因此可以減小變流器的容量，一般為電機容量的1/3左右，同時可以大大降低變 流器的損耗。傳統(tǒng)的的雙饋電機只有一組定子繞組直接連接50Hz的電網(wǎng)，而轉(zhuǎn)子繞組過碳 刷和變流器進行電氣連接。相對于傳統(tǒng)的雙饋電機，無刷級聯(lián)雙饋電機不需要采用易壞的 炭刷結(jié)構(gòu)，因此提高了系統(tǒng)的可靠性。圖2為無刷級聯(lián)雙饋電機包含電壓故障穿越方法的變流器配置圖。無刷級聯(lián)雙饋 電機1通過變速箱2和風漿3進行機械連接，定子繞組分為功率繞組4和控制繞組5，分別 連接電網(wǎng)6和電機端變流器7。變流器分為電網(wǎng)端變流器8和電機端變流器7。電網(wǎng)端變 流器8通過電抗器9和電網(wǎng)6連接，軟件配置基為電網(wǎng)電壓同步坐標系的矢量控制算法控制流入電網(wǎng)的有功功率和無功功率。電機端變流器7和控制繞組5連接，軟件配置為基于 功率繞組定子磁鏈同步坐標系的矢量控制算法，控制無刷級聯(lián)雙饋電機的速度和功率繞組 的無功功率。電網(wǎng)端變流器8和電機端變流器7通過一個直流側(cè)相連接。直流側(cè)包括直流電容10和泄荷電路11。泄荷電路11由一個泄荷電阻12，一個全 控電子開關13和一個續(xù)流二極管14組成。開關13可以是任何形式的電子開關，通常采用 IGBT(絕緣門極雙極性晶體管)。當開關13關斷時，泄荷電路11關閉，系統(tǒng)工作在正常狀 態(tài)，所有能量從電機端變流器7流入電網(wǎng)端變流器8并流入電網(wǎng)6。當開關13導通時，泄荷 電路工作，部分或所有能量消耗在泄荷電阻12上。開關13具體的開關算法可以采用滯回 控制和PWM控制兩種方法，分別見圖3和圖4。在開關13關斷的瞬間，泄荷電阻12的瞬間 電流通過續(xù)流二極管14實現(xiàn)回路。在無刷級聯(lián)雙饋電機1的控制繞組5和電機側(cè)變流器7之間連接了一個crowbar 電路15，保證在電網(wǎng)低電壓故障時，對控制繞組5限流以及對電機側(cè)變流器7限壓。crowbar 電路15由雙向晶閘管16和泄荷電阻17組成。當電網(wǎng)發(fā)生低電壓故障時，電機端變流器7 的所有IGBT關斷，同時雙向晶閘管16導通，控制繞組產(chǎn)生的所有的能量釋放在泄荷電阻17 上面。泄荷電阻17的選擇很重要，必須保證控制繞組5的電壓低于直流側(cè)電壓，從而杜絕 直流側(cè)電容10通過電機端變流器7的續(xù)流二極管快速充電，維護直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。泄荷 電阻17同時必須保證控制繞組5的電流足夠小，限制控制繞組5的升溫。一般泄荷電阻值 選擇為無刷級聯(lián)雙饋電機1的整體漏抗的2到5倍。圖3為crowbar電路15的控制原理圖，采用滯回控制18，檢測控制繞組5的電流 i2作為輸入，如果電流i2大于安全上限電流iH，則說明電流過大，需要導通crowbar電路15 的晶閘管16，此時無刷級聯(lián)雙饋電機1工作在不可控級聯(lián)狀態(tài)；如果電流i2小于安全下限 電流I則說明系統(tǒng)工作在安全狀態(tài)，可以關斷crowbar電路15的晶閘管16，此時無刷級 聯(lián)雙饋電機工作在可控同步狀態(tài)；如果電流i2處于安全上限電流iH和安全下限電流k之 間時，開關狀態(tài)不變。圖4為直流端泄荷電路11采用滯回控制器19的工作原理圖。當直流側(cè)電壓 超過了安全上限電壓νΗ時，開關13完全導通，泄荷電路處于工作狀態(tài)；當直流側(cè)電壓Vdc低 于安全下限電壓A時，開關13關斷，泄荷電路處于關閉狀態(tài)；如果直流側(cè)電壓Vdc處于安全 上限電壓νΗ和安全下限電壓A之間時，開關狀態(tài)不變。圖5為直流端泄荷電路11采用PWM控制器20的工作原理圖。當直流側(cè)電壓vDC 安全下限電壓A和安全上限電壓vH之間時，PWM控制器20輸出一個和直流側(cè)電壓電壓vDC 有線性關系的輸出量21 (范圍從0到1)，同時一個鋸齒波發(fā)生器22輸出一個固定頻率的 鋸齒波23 (范圍從0到1)。PWM輸出21和鋸齒波輸出23分別輸入比較器24的正負輸入 端，比較器24的輸出25對開關13進行控制。當直流側(cè)電壓vDC處于或者低于低限工作電 壓A時，開關13斷開，泄荷電路不工作；當直流側(cè)電壓超過了高限工作電壓vH時，開關 13完全導通，泄荷電路處于最大泄荷能力狀態(tài)。圖6為電網(wǎng)端變流器8的基于電網(wǎng)電壓同步坐標軸的矢量控制原理圖。電網(wǎng)端變 流器8的主要任務是保證系統(tǒng)向電網(wǎng)6持續(xù)輸出有功和無功功率。首先需要從電網(wǎng)6采集三相電壓vlu，Vlv和Vlw和三相電流ilu，ilv和ilw，并通過分 別進行3 — 2’變換矩陣26，將三相電壓和電流分別變換為處于靜止坐標系的兩相電壓ν1α和V10和兩相電流ila和iie。變換矩陣26的表達公式為
權(quán)利要求
一種針對無刷級聯(lián)雙饋電機的低電壓穿越保護電路，用以滿足低電壓故障穿越的系統(tǒng)要求。此保護電路包括一個在無刷級聯(lián)雙饋電機的控制繞組端的crowbar電路(控制繞組短路保護電路)，用以分流有功功率，保護電機端變流器以及電機本身的安全；一個變流器直流端的泄荷電路，用以保護直流端電容以及分流有功功率；一個采用基于電網(wǎng)電壓同步坐標系的矢量控制算法的電網(wǎng)端變流器，以在低電壓故障時向電網(wǎng)提供無功功率，滿足低電壓故障穿越的標準。
2.按照權(quán)利要求1所述，變流器的crowbar電路由三相雙向晶閘管和三相保護電阻組 成。crowbar電路的控制器以無刷級聯(lián)雙饋電機的控制繞組電流作為輸入，如果控制繞組 電流低于安全下限電流，則泄荷電路關閉；如果控制繞組電流高于或者等于安全上限電流， 則泄荷電路導通。控制器通采用滯回的方式?jīng)Q定crowbar電路中雙向晶閘管的導通或者關 斷。
3.按照權(quán)利要求1所述，變流器的直流端泄荷電路由一個IGBT(絕緣門極雙極性晶體 管)、一個泄荷電阻和一個續(xù)流二極管組成。泄荷電路的以直流側(cè)電壓為控制輸入。如果直 流電壓低于安全下限電壓，則泄荷電路關閉；如果支流電壓高于或者等于安全上限電壓，則 泄荷電路導通?？刂破鞑捎脺鼗蛘逷WM(脈沖寬度調(diào)制)的方式。
4.按照權(quán)利要求1所述，電網(wǎng)端變流器在電網(wǎng)正常時向電網(wǎng)提供或者吸收無功功率以 保證電網(wǎng)質(zhì)量的要求，在電網(wǎng)發(fā)生低電壓故障時向電網(wǎng)提供無功功率以滿足低電壓故障穿 越的標準。
全文摘要
一種基于無刷級聯(lián)雙饋電機的風力發(fā)電系統(tǒng)的低電壓故障穿越方法，包括控制繞組交流側(cè)的crowbar電路(控制繞組短路保護電路)和背靠背變流器直流側(cè)的泄荷電路。crowbar電路保證電網(wǎng)發(fā)生低電壓故障發(fā)生時釋放無法輸入電網(wǎng)的多余的能量，并且對控制繞組端進行限壓和限流。泄荷電路保證任何情況下直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，以及確保多余的有功功率在直流端得到釋放，實現(xiàn)硬件保護的目的。發(fā)生低電壓故障時，電網(wǎng)端的變流器同時向電網(wǎng)輸入無功功率，以滿足低電壓穿越的標準，幫助電網(wǎng)恢復正常。
文檔編號H02J3/18GK101944747SQ20101028245
公開日2011年1月12日 申請日期2010年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月15日
發(fā)明者烏云翔, 邵詩逸 申請人:邵詩逸