專利名稱：定子雙繞組異步電機風力發(fā)電系統(tǒng)的勵磁電容優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于異步電機發(fā)電領(lǐng)域，特別涉及一種能在寬風速范圍內(nèi)運行的定子雙繞組異步電機風力發(fā)電系統(tǒng)的勵磁電容優(yōu)化方法。
背景技術(shù)：
近年來，常規(guī)能源日益緊缺，環(huán)境污染不斷惡化，風能等可再生能源越來越受到世界各國重視，風力發(fā)電已成為近年來發(fā)展最快的可再生能源之一。籠型異步電機因其具有無刷結(jié)構(gòu)、簡單可靠、成本低等優(yōu)點越來越成為風力發(fā)電的重要選擇。傳統(tǒng)的自勵式籠型異步電機發(fā)電系統(tǒng)通常在電機輸出端并聯(lián)勵磁電容以為電機提供勵磁，當負載和轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，輸出電壓也隨之出現(xiàn)較大變化，甚至系統(tǒng)會崩潰，因此，該類發(fā)電系統(tǒng)不適合應(yīng)用于風力發(fā)電等變速變負載的場合。隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展和電機控制理論的不斷成熟，由電力電子變換器控制的籠型異步電機發(fā)電系統(tǒng)，可為發(fā)電機提供連續(xù)可調(diào)的勵磁無功，從而使輸出電壓保持穩(wěn)定，同時電源輸出品質(zhì)大幅提升，但上述電力電子裝置存在體積重量較大，會引起諧波成分等問題，使籠型異步電機發(fā)電系統(tǒng)在風力發(fā)電中的應(yīng)用和發(fā)展受到了一定限制。本世紀初提出的定子雙繞組異步電機(DWIG)發(fā)電系統(tǒng)，克服了現(xiàn)有的籠型異步電機發(fā)電系統(tǒng)的缺點和不足，以其獨特結(jié)構(gòu)和優(yōu)勢受到了國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注，并針對獨立電源系統(tǒng)和風力發(fā)電系統(tǒng)開展了大量研究，主要包括系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)、電機優(yōu)化設(shè)計、電壓控制策略、變速運行規(guī)律和系統(tǒng)穩(wěn)定性等。在風力發(fā)電中，如何獲取更多的風能，拓寬風能利用范圍，尤其是低風速區(qū)的風能，一直是風力發(fā)電系統(tǒng)的研究熱點和難點。為有效解決此問題，專利[ZL200910035437. 8]提出了一種能在寬風速范圍內(nèi)運行的DWIG發(fā)電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)，配合圖I所示，其包括主回路、低壓小功率輔助電源、檢測回路和控制回路，主回路由定子雙繞組異步發(fā)電機I、濾波電感2、控制變換器3、整流橋4、勵磁電容5、二極管7和輸出逆變器15構(gòu)成，低壓小功率輔助電源由小容量蓄電池6和阻斷二極管組成，檢測回路由電流傳感器8和電壓傳感器9、10、11組成，控制回路由數(shù)字信號處理器12和控制變換器的驅(qū)動電路13組成；控制繞組側(cè)控制變換器3輸出直流電壓的正端通過二極管7與功率繞組側(cè)整流橋4輸出直流電壓的正端相連，兩者的負端直接相連；小容量蓄電池6的正極接阻斷二極管的陽極，小容量蓄電池6的負極接控制變換器3輸出直流電壓的負端，阻斷二極管的陰極接控制變換器3輸出直流電壓的正端；該拓撲結(jié)構(gòu)進一步擴大了該發(fā)電系統(tǒng)變速變負載運行的轉(zhuǎn)速范圍，使其能利用低風速區(qū)的風能發(fā)電，大大拓寬了該發(fā)電系統(tǒng)的風能利用范圍。在該發(fā)電系統(tǒng)中，減小變換器容量對減小系統(tǒng)的體積、重量，降低其成本具有重要作用，而在風力機功率特性、發(fā)電機參數(shù)及轉(zhuǎn)速范圍確定的情況下，對變換器容量影響最大的參數(shù)為勵磁電容。因此，有必要對上述寬風速運行的DWIG風力發(fā)電系統(tǒng)的勵磁電容進行優(yōu)化設(shè)計，以實現(xiàn)變換器容量的最小化，從而最大限度地減小該發(fā)電系統(tǒng)的體積、重量，降低其成本。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，在于提供一種定子雙繞組異步電機風力發(fā)電系統(tǒng)的勵磁電容優(yōu)化方法，其可實現(xiàn)變換器容量的最小化，減小發(fā)電系統(tǒng)的體積和重量，降低其成本。為了達成上述目的，本發(fā)明的解決方案是 一種定子雙繞組異步電機風力發(fā)電系統(tǒng)的勵磁電容優(yōu)化方法，包括如下步驟(I)根據(jù)風力機功率特性、定子雙繞組異步電機參數(shù)及轉(zhuǎn)速變化范圍，計算功率繞組整流輸出電壓能達到給定值的最小轉(zhuǎn)速，從而確定該發(fā)電系統(tǒng)高風速運行與低風速運行的切換點；(2)根據(jù)定子雙繞組異步電機的等效電路和相量圖，寫出高風速區(qū)控制繞組電流有效值的解析表達式，并建立該發(fā)電系統(tǒng)的計算機仿真模型；(3)利用控制繞組電流有效值的解析表達式對勵磁電容進行優(yōu)化迭代，使該發(fā)電系統(tǒng)高低風速運行切換點的控制繞組電流有效值與最高速滿載運行點的控制繞組電流有效值相等，從而初步確定勵磁電容的大小；(4)利用該發(fā)電系統(tǒng)的計算機仿真模型對優(yōu)化迭代獲得的勵磁電容進行仿真驗證和微調(diào)，從而求得該發(fā)電系統(tǒng)在寬風速范圍內(nèi)運行的最佳勵磁電容，實現(xiàn)變換器容量的最小化。采用上述方案后，應(yīng)用本發(fā)明的定子雙繞組異步電機風力發(fā)電系統(tǒng)不僅能在寬風速范圍內(nèi)輸出穩(wěn)定的電能，而且其變換器容量只有系統(tǒng)輸出額定容量的三分之一左右，減小了系統(tǒng)的體積和重量，降低了成本。
圖I是現(xiàn)有寬風速運行的定子雙繞組異步電機風力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；圖I中標號分別表示1.定子雙繞組異步電機，2.濾波電感，3.控制變換器，4.整流橋，5.勵磁電容，6.蓄電池，7. 二極管，8.電流傳感器，9、10、11.電壓傳感器，12.數(shù)字信號處理器，13.驅(qū)動電路，14.直流負載，15.并網(wǎng)逆變器，16.交流電網(wǎng)，17.風力機圖2是折算到發(fā)電機側(cè)的風力機功率特性及最佳功率曲線；圖3是將定子控制繞組和轉(zhuǎn)子的參數(shù)都折算到定子功率繞組側(cè)的定子雙繞組異步電機的等效電路圖；圖4是與圖3對應(yīng)的定子雙繞組異步電機的相量圖；圖3和圖4中的變量含義為&、1 。、艮分別表示功率繞組、控制繞組、轉(zhuǎn)子的等效電阻；Llp、Llc;、Lk分別表示功率繞組、控制繞組、轉(zhuǎn)子的漏感；Lm表示激磁電感；&為負載電阻；與、存、序分別表示功率繞組、控制繞組、轉(zhuǎn)子的電流;存表示激磁電流;序表示功率繞組側(cè)負載的電流表不勵磁電容的電流；^表不功率繞組輸出電壓；&表不感應(yīng)電動勢；s表示轉(zhuǎn)差頻率； 表示同步轉(zhuǎn)速；杰表示主磁通；C表示勵磁電容；圖5是寬風速運行的定子雙繞組異步電機的控制繞組電流有效值變化規(guī)律示意圖；圖5中的曲線AB和曲線BCE分別表示低風速區(qū)和高風速區(qū)的控制繞組電流有效值變化規(guī)律；IA表示最低轉(zhuǎn)速輕載(負載大小按照最佳功率曲線)運行點的控制繞組電流有效值，Ib表示高低風速區(qū)運行切換點的控制繞組電流有效值，Ic表示變換器由提供容性勵磁無功轉(zhuǎn)為提供感性勵磁無功(即吸收容性勵磁無功)時的控制繞組電流有效值(等于零)，Id表示最高轉(zhuǎn)速滿載運行點的控制繞組電流有效值。
具體實施例方式
以下將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的實現(xiàn)過程進行詳細說明。由圖I所示的寬風速運行的定子雙繞組異步電機風力發(fā)電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)可知，該發(fā)電機控制繞組側(cè)變換器的直流母線通過一個二極管與功率繞組側(cè)整流橋的直流母線相連，從而使其能在低風速區(qū)利用電壓泵升原理通過控制繞組經(jīng)變換器輸出高壓直流電能，大大拓寬了該發(fā)電系統(tǒng)的風能利用范圍。在風力發(fā)電中，為了最大限度地獲取風能，根據(jù)圖2所示的折算到發(fā)電機側(cè)的風力機功率特性，采用最大風能追蹤控制策略，使發(fā)電系統(tǒng)在最佳功率曲線上運行，以輸出盡可能多的電能。在圖I所示的風力發(fā)電系統(tǒng)中，控制繞組側(cè)變換器容量的最小化對減小系統(tǒng)的體 積、重量，降低成本具有重要作用，它與風力機功率特性、定子雙繞組異步電機參數(shù)、轉(zhuǎn)速變化范圍及勵磁電容有很大關(guān)系。而對于一個實際的風力發(fā)電系統(tǒng)而言，風力機功率特性、發(fā)電機參數(shù)及轉(zhuǎn)速變化范圍通常都是確定的，因此，如何選取功率繞組側(cè)所接的勵磁電容對變換器容量的最小化就非常關(guān)鍵。若按滿足該發(fā)電系統(tǒng)自勵建壓的要求來選取所需的最小自勵勵磁電容，系統(tǒng)在高速重載運行時會產(chǎn)生大量多余的容性勵磁無功，則需要變換器來吸收。若不設(shè)置勵磁電容，在低速輕載運行時變換器需提供較大的容性勵磁無功。因此，在零至最小自勵勵磁電容之間必然存在一個最佳的勵磁電容使變換器容量達到最小。在該風力發(fā)電系統(tǒng)中，變換器通常由絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)或智能功率模塊(IPM)構(gòu)成，在發(fā)電系統(tǒng)輸出電壓確定情況下，變換器容量主要由控制繞組電流的最大有效值決定，因此，若能選擇一個最佳勵磁電容使得控制繞組電流的最大有效值在寬轉(zhuǎn)速運行范圍內(nèi)達到最小，即可實現(xiàn)變換器容量的最小化。寬風速運行的定子雙繞組異步電機的控制繞組電流有效值變化規(guī)律如圖5所示。在低風速區(qū)，控制繞組側(cè)所接的變換器一方面為發(fā)電機提供所需的容性勵磁無功，一方面利用電壓泵升原理向外輸出高壓直流電能?；谧畲箫L能追蹤控制策略，該發(fā)電系統(tǒng)按照圖2中的最佳功率曲線運行,風速越大,轉(zhuǎn)速和輸出功率也越大,故控制繞組電流有效值也相應(yīng)增大。隨著風速增加，當功率繞組側(cè)整流后的直流電壓能達到給定值時，發(fā)電機發(fā)出的電能由從控制繞組側(cè)經(jīng)變換器輸出轉(zhuǎn)為從功率繞組側(cè)經(jīng)整流橋輸出，這時控制繞組電流由既含有有功電流又含有無功電流轉(zhuǎn)為只含無功電流。為保證發(fā)電系統(tǒng)運行狀態(tài)在高低風速間平滑過渡，通過調(diào)整低風速區(qū)變換器向發(fā)電機提供的容性勵磁無功大小，使控制繞組電流有效值在高低風速間切換時近似相等。在高風速區(qū)，發(fā)電系統(tǒng)仍按照最佳功率曲線運行，輸出的電能均從功率繞組輸出，變換器只向發(fā)電機提供勵磁無功，不向外輸出有功。剛進入高風速區(qū)時，由于勵磁電容提供的容性勵磁無功不夠，不足部分則由變換器提供，以使功率繞組側(cè)整流后的直流電壓達到給定值。隨著風速不斷增大，轉(zhuǎn)速也相應(yīng)上升，勵磁電容提供的容性勵磁無功也隨之增加，因而變換器提供的容性勵磁無功逐漸減小，控制繞組電流有效值也隨之減小。風速的進一步增大，變換器由向發(fā)電機提供容性勵磁無功過渡到提供感性勵磁無功(即吸收多余的容性勵磁無功)，控制繞組電流有效值的對應(yīng)變化過程為先遞減到零再逐漸增大。一旦風速超過額定風速，一方面要采用措施來限定風力機的輸出功率；另一方面系統(tǒng)需保持額定功率輸出，以保證發(fā)電系統(tǒng)在安全的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運行。 由上述分析可知，在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，變換器提供容性勵磁無功時的控制繞組電流最大有效值出現(xiàn)在高低風速運行切換點(見圖5中的Ib)，變換器提供感性勵磁無功時的控制繞組電流最大有效值出現(xiàn)在最高轉(zhuǎn)速滿載運行點(見圖5中的Id)，若能保證二者相等(Ib = Id),即可保證控制繞組電流最大有效值達到最小。因此,在該風力發(fā)電系統(tǒng)中，為實現(xiàn)變換器容量最小化目標，本發(fā)明提出的勵磁電容優(yōu)化原則是變換器提供容性勵磁無功時的控制繞組電流最大有效值與提供感性勵磁無功時的控制繞組電流最大有效值相等?；诖藘?yōu)化原則，以最小自勵勵磁電容為初試迭代值，按照一定步長逐步減小勵磁電容，并比較高低風速運行切換點控制繞組電流有效值Ib和最高轉(zhuǎn)速滿載運行點控制繞組電流有效值Id的大小，直至二者相等，從而獲得最佳的勵磁電容。綜上所述，寬風速運行的定子雙繞組異步電機風力發(fā)電系統(tǒng)的勵磁電容優(yōu)化方法可通過如下具體步驟實現(xiàn)(I)根據(jù)風力機功率特性、定子雙繞組異步電機參數(shù)及轉(zhuǎn)速變化范圍，確定功率繞組側(cè)整流輸出電壓能達到給定值的最低轉(zhuǎn)速，也即該發(fā)電系統(tǒng)高風速運行與低風速運行的切換點。(2)根據(jù)定子雙繞組異步電機的等效電路(圖3)和空間相量圖(圖4)，寫出高風速區(qū)控制繞組電流有效值的解析表達式(式(I))，并結(jié)合該發(fā)電機的數(shù)學模型在Matlab/Simulink仿真軟件中建立整個該發(fā)電系統(tǒng)的計算機仿真模型。
權(quán)利要求
1. 一種定子雙繞組異步電機風力發(fā)電系統(tǒng)的勵磁電容優(yōu)化方法，其特征在于包括如下步驟 (1)根據(jù)風力機功率特性、定子雙繞組異步電機參數(shù)及轉(zhuǎn)速變化范圍，計算功率繞組整流輸出電壓能達到給定值的最小轉(zhuǎn)速，從而確定該發(fā)電系統(tǒng)高風速運行與低風速運行的切換點； (2)根據(jù)定子雙繞組異步電機的等效電路和相量圖，寫出高風速區(qū)控制繞組電流有效值的解析表達式，并建立該發(fā)電系統(tǒng)的計算機仿真模型； (3)利用控制繞組電流有效值的解析表達式對勵磁電容進行優(yōu)化迭代，使該發(fā)電系統(tǒng)高低風速運行切換點的控制繞組電流有效值與最高速滿載運行點的控制繞組電流有效值相等，從而初步確定勵磁電容的大??； (4)利用該發(fā)電系統(tǒng)的計算機仿真模型對優(yōu)化迭代獲得的勵磁電容進行仿真驗證和微調(diào)，從而求得該發(fā)電系統(tǒng)在寬風速范圍內(nèi)運行的最佳勵磁電容，實現(xiàn)變換器容量的最小化。
全文摘要
本發(fā)明公開一種定子雙繞組異步電機風力發(fā)電系統(tǒng)的勵磁電容優(yōu)化方法，步驟是計算功率繞組整流輸出電壓能達到給定值的最小轉(zhuǎn)速，從而確定該發(fā)電系統(tǒng)高風速運行與低風速運行的切換點；寫出高風速區(qū)控制繞組電流有效值的解析表達式，并建立該發(fā)電系統(tǒng)的計算機仿真模型；利用控制繞組電流有效值的解析表達式對勵磁電容進行優(yōu)化迭代，使高低風速運行切換點的控制繞組電流有效值與最高速滿載運行點的控制繞組電流有效值相等，從而初步確定勵磁電容的大小；利用仿真模型對優(yōu)化迭代獲得的勵磁電容進行仿真驗證和微調(diào)，從而求得該發(fā)電系統(tǒng)在寬風速范圍內(nèi)運行的最佳勵磁電容。此方法可實現(xiàn)變換器容量的最小化，減小發(fā)電系統(tǒng)的體積和重量，降低其成本。
文檔編號H02P9/14GK102624313SQ201210080900
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月23日
發(fā)明者卜飛飛, 施凱, 胡育文, 黃文新 申請人:南京航空航天大學