專利名稱：開繞組無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接功率控制系統(tǒng)及方法
開繞組無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接功率控制系統(tǒng)及方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，具體涉及一種開繞組無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接功率控制系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)以其無(wú)刷可靠、便于實(shí)現(xiàn)變速恒頻和低速直驅(qū)、所需變流器容量小、成本低等優(yōu)勢(shì)，在大型風(fēng)電機(jī)組和海上風(fēng)電領(lǐng)域中得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者越來(lái)越廣泛的關(guān)注，具有廣闊的應(yīng)用前景。但它尚未得到大量推廣應(yīng)用，其主要技術(shù)問(wèn)題有兩方面(1)目前無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式(基本類型有特殊籠型轉(zhuǎn)子或齒諧波繞線轉(zhuǎn)子，以及磁阻式轉(zhuǎn)子)對(duì)定子兩套繞組的耦合能力不強(qiáng)，且調(diào)制出的諧波磁場(chǎng)較大，影響發(fā)電機(jī)的功率密度、出力和性能指標(biāo)。(2)由于無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的定子鐵心上嵌有兩套極數(shù)不同的繞組，其內(nèi)部電磁關(guān)系極為復(fù)雜，因此如何對(duì)其進(jìn)行有效的勵(lì)磁控制已成為亟待解決的難點(diǎn)和熱點(diǎn)問(wèn)題，尤其是風(fēng)電機(jī)組的最大功率跟蹤問(wèn)題，以提高發(fā)電效率。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率控制主要采用磁場(chǎng)定向的矢量變換控制技術(shù)和直接轉(zhuǎn)矩控制方法。但是，基于矢量控制的方法需要進(jìn)行坐標(biāo)變換，計(jì)算量大，且易受發(fā)電機(jī)參數(shù)變化的影響，使得系統(tǒng)的魯棒性大大降低。而直接轉(zhuǎn)矩控制方法的計(jì)算量也較大，需要采用高速處理器，因而其成本較高；此外，磁鏈觀測(cè)器對(duì)發(fā)電機(jī)參數(shù)變化或不能準(zhǔn)確辨識(shí)較為敏感，尤其在控制繞組側(cè)勵(lì)磁電流頻率較低的情況下，這將導(dǎo)致控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性變差。 因此，迫切需要尋找一種具有新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的高性能無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其勵(lì)磁控制方法。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種開繞組無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接功率控制系統(tǒng)及方法，其目的是解決以往的方式所存在的系統(tǒng)魯棒性低、成本高和磁鏈觀測(cè)器對(duì)參數(shù)敏感導(dǎo)致控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性差的問(wèn)題。
本發(fā)明采用以下技術(shù)方案開繞組無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接功率控制系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)主要包括風(fēng)力機(jī)、 無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)、雙向PWM變頻器及中央處理器；風(fēng)力機(jī)通過(guò)增速箱連接至無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)，無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)一方面連接至雙向PWM變頻器，另一方面通過(guò)并網(wǎng)開關(guān)連接至變壓器，再一方面依次通過(guò)電壓電流信號(hào)檢測(cè)單元及輸入量單元連接至中央處理器；雙向PWM變頻器通過(guò)濾波器連接至變壓器，變壓器接至電網(wǎng)。
中央處理器上還連接有中央監(jiān)控系統(tǒng)和人機(jī)界面。
雙向PWM變頻器采用雙端供電式級(jí)聯(lián)型多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所述雙向PWM變頻器采用雙端供電式級(jí)聯(lián)型多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)控制繞組開繞組兩端分別由兩個(gè)多電平逆變器直接供電，形成一種級(jí)聯(lián)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)包括定子、轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)軸，所述定子上嵌放兩套極數(shù)不同的繞組，即功率繞組和控制繞組，極數(shù)分別為2pv和2凡，控制繞組端設(shè)計(jì)為開繞組結(jié)構(gòu)；所述轉(zhuǎn)子采用(2/7p+2/7。)極徑向疊片磁障和短路籠條復(fù)合式新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子疊片沿徑向疊壓， 轉(zhuǎn)子凸極中心線處放置導(dǎo)電籠條，導(dǎo)電籠條的兩端用導(dǎo)電圓環(huán)壓緊以實(shí)現(xiàn)短路連接，形成短路籠條；所述轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)子之間安裝有鋼套，鋼套通過(guò)轉(zhuǎn)軸上的定位銷與轉(zhuǎn)軸固定在一起。
功率繞組通過(guò)并網(wǎng)開關(guān)及變壓器接入工頻電網(wǎng)用作電能輸出，控制繞組連接雙向 PWM變頻器，通過(guò)雙向PWM變頻器、濾波器及變壓器與電網(wǎng)連接用作交流勵(lì)磁。
所述控制繞組為開繞組結(jié)構(gòu)，即控制繞組不作星形或角形連接，其6個(gè)端子全部打開引出。
應(yīng)用于上述的開繞組無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接功率控制系統(tǒng)中的復(fù)合轉(zhuǎn)子開繞組無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其特征在于該發(fā)電機(jī)包括定子、轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)軸，所述定子上嵌放兩套極數(shù)不同的繞組，即功率繞組和控制繞組，極數(shù)分別為2pv和2/7。，控制繞組端設(shè)計(jì)為開繞組結(jié)構(gòu)；所述轉(zhuǎn)子采用(2/7p+2/7。)極徑向疊片磁障和短路籠條復(fù)合式新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子疊片沿徑向疊壓；所述轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)子之間安裝有鋼套，鋼套通過(guò)轉(zhuǎn)軸上的定位銷與轉(zhuǎn)軸固定在一起。
功率繞組通過(guò)并網(wǎng)開關(guān)及變壓器接入工頻電網(wǎng)用作電能輸出，控制繞組連接雙向 PWM變頻器，通過(guò)雙向PWM變頻器、濾波器及變壓器與電網(wǎng)連接用作交流勵(lì)磁，所述控制繞組為開繞組結(jié)構(gòu)，即控制繞組不作星形或角形連接，其6個(gè)端子全部打開引出。
一種如上述的開繞組無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接功率控制系統(tǒng)的直接功率控制方法所述直接功率控制方法是建立在兩相靜止dq參考坐標(biāo)系中的，具有兩個(gè)控制環(huán)，只需將功率繞組的電壓、電流量變換到此坐標(biāo)系中，根據(jù)無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)功率繞組有功功率和無(wú)功功率的誤差信號(hào)以及控制繞組磁鏈所在扇區(qū)的信息來(lái)重新制定開關(guān)電壓矢量選擇表， 通過(guò)適當(dāng)選擇開關(guān)電壓矢量來(lái)直接獨(dú)立控制無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的有功功率和無(wú)功功率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制；具體控制方法如下以下方法中V為風(fēng)速隊(duì)為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速'P為有功功率W為無(wú)功功率·，υ為電壓'i為電流^ectoi^V。表示控制繞組4磁鏈所在的扇區(qū)；Δ表示對(duì)應(yīng)量的誤差值；上標(biāo)*表示對(duì)應(yīng)量的給定值；下標(biāo)P和c分別表示功率繞組3和控制繞組4對(duì)應(yīng)的量；下標(biāo)表示對(duì)應(yīng)量在三相靜止JACr坐標(biāo)系中的軸分量；下標(biāo)而表示對(duì)應(yīng)量在兩相靜止而坐標(biāo)系中的軸分量。
系統(tǒng)勵(lì)磁控制方式采用直接功率控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制，其控制方法是根據(jù)無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)功率繞組(3)的有功功率產(chǎn)和無(wú)功功率^的誤差信號(hào)和八0以及控制繞組(4)的磁鏈所在扇區(qū)信息(sector V。)來(lái)重新制定開關(guān)電壓矢量選擇表，通過(guò)適當(dāng)選擇開關(guān)電壓矢量來(lái)直接獨(dú)立控制無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的有功功率/7和無(wú)功功率A進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制；建立無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率平衡方程如下 T.m Tm
權(quán)利要求
1.開繞組無(wú)刷雙饋風(fēng)カ發(fā)電機(jī)直接功率控制系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)主要包括風(fēng)カ機(jī)(I)、無(wú)刷雙饋風(fēng)カ發(fā)電機(jī)(2)、雙向PWM變頻器及中央處理器；風(fēng)力機(jī)(I)通過(guò)增速箱連接至無(wú)刷雙饋風(fēng)カ發(fā)電機(jī)(2)，無(wú)刷雙饋風(fēng)カ發(fā)電機(jī)(2)—方面連接至雙向PWM變頻器，另一方面通過(guò)并網(wǎng)開關(guān)(5)連接至變壓器(6)，再一方面依次通過(guò)電壓電流信號(hào)檢測(cè)單元及輸入量單元連接至中央處理器；雙向PWM變頻器通過(guò)濾波器連接至變壓器(6)，變壓器(6)接至電網(wǎng)(7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的開繞組無(wú)刷雙饋風(fēng)カ發(fā)電機(jī)直接功率控制系統(tǒng)，其特征在于中央處理器上還連接有中央監(jiān)控系統(tǒng)和人機(jī)界面。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的開繞組無(wú)刷雙饋風(fēng)カ發(fā)電機(jī)直接功率控制系統(tǒng)，其特征在于雙向PWM變頻器采用雙端供電式級(jí)聯(lián)型多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所述雙向PWM變頻器采用雙端供電式級(jí)聯(lián)型多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)控制繞組開繞組兩端分別由兩個(gè)多電平逆變器直接供電，形成ー種級(jí)聯(lián)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的開繞組無(wú)刷雙饋風(fēng)カ發(fā)電機(jī)直接功率控制系統(tǒng)，其特征在干無(wú)刷雙饋風(fēng)カ發(fā)電機(jī)(2)包括定子(8)、轉(zhuǎn)子(9)和轉(zhuǎn)軸(11)，所述定子上嵌放兩套極數(shù)不同的繞組，即功率繞組(3)和控制繞組(4)，極數(shù)分別為かp和2/7。，控制繞組端設(shè)計(jì)為開繞組結(jié)構(gòu)；所述轉(zhuǎn)子采用(2/7p+2/7。)極徑向疊片磁障和短路籠條復(fù)合式新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子疊片沿徑向疊壓，轉(zhuǎn)子凸極中心線處放置導(dǎo)電籠條，導(dǎo)電籠條的兩端用導(dǎo)電圓環(huán)壓緊以實(shí)現(xiàn)短路連接，形成短路籠條；所述轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)子之間安裝有鋼套(10)，鋼套通過(guò)轉(zhuǎn)軸上的定位銷與轉(zhuǎn)軸固定在一起。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的開繞組無(wú)刷雙饋風(fēng)カ發(fā)電機(jī)直接功率控制系統(tǒng)，其特征在于功率繞組通過(guò)并網(wǎng)開關(guān)(5)及變壓器(6)接人工頻電網(wǎng)用作電能輸出，控制繞組連接雙向PWM變頻器，通過(guò)雙向PWM變頻器、濾波器及變壓器與電網(wǎng)連接用作交流勵(lì)磁。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的開繞組無(wú)刷雙饋風(fēng)カ發(fā)電機(jī)直接功率控制系統(tǒng)，其特征在于所述控制繞組為開繞組結(jié)構(gòu)，即控制繞組不作星形或角形連接，其6個(gè)端子全部打開引出。
7.應(yīng)用于權(quán)利要求I中的開繞組無(wú)刷雙饋風(fēng)カ發(fā)電機(jī)直接功率控制系統(tǒng)中的復(fù)合轉(zhuǎn)子開繞組無(wú)刷雙饋風(fēng)カ發(fā)電機(jī)，其特征在于該發(fā)電機(jī)包括定子(8)、轉(zhuǎn)子(9)和轉(zhuǎn)軸(11)，所述定子上嵌放兩套極數(shù)不同的繞組，即功率繞組(3)和控制繞組(4)，極數(shù)分別為2/7p和2/7。，控制繞組端設(shè)計(jì)為開繞組結(jié)構(gòu)；所述轉(zhuǎn)子采用(2/7p+2/7。)極徑向疊片磁障和短路籠條復(fù)合式新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子疊片沿徑向疊壓；所述轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)子之間安裝有鋼套(10)，鋼套通過(guò)轉(zhuǎn)軸上的定位銷與轉(zhuǎn)軸固定在一起。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的無(wú)刷雙饋風(fēng)カ發(fā)電機(jī)，其特征在于功率繞組通過(guò)并網(wǎng)開關(guān)(5)及變壓器(6)接入エ頻電網(wǎng)用作電能輸出，控制繞組連接雙向PWM變頻器，通過(guò)雙向PWM變頻器、濾波器及變壓器與電網(wǎng)連接用作交流勵(lì)磁，所述控制繞組為開繞組結(jié)構(gòu)，即控制繞組不作星形或角形連接，其6個(gè)端子全部打開引出。
9.一種如權(quán)利要求4所述的開繞組無(wú)刷雙饋風(fēng)カ發(fā)電機(jī)直接功率控制系統(tǒng)的直接功率控制方法所述直接功率控制方法是建立在兩相靜止而參考坐標(biāo)系中的，具有兩個(gè)控制環(huán)，只需將功率繞組的電壓、電流量變換到此坐標(biāo)系中，根據(jù)無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)功率繞組有功功率和無(wú)功功率的誤差信號(hào)以及控制繞組磁鏈所在扇區(qū)的信息來(lái)重新制定開關(guān)電壓矢量選擇表，通過(guò)適當(dāng)選擇開關(guān)電壓矢量來(lái)直接獨(dú)立控制無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的有功功率和無(wú)功功率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制；具體控制方法如下 以下方法中為風(fēng)速隊(duì)為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速'P為有功功率W為無(wú)功功率·，υ為電壓'i為電流；sector_W。表示控制繞組4磁鏈所在的扇區(qū)；Δ表示對(duì)應(yīng)量的誤差值；上標(biāo)*表示對(duì)應(yīng)量的給定值；下標(biāo)P和c分別表示功率繞組(3)和控制繞組(4)對(duì)應(yīng)的量；下標(biāo)メガC表示對(duì)應(yīng)量在三相靜止メガCr坐標(biāo)系中的軸分量；下標(biāo)而表示對(duì)應(yīng)量在兩相靜止而坐標(biāo)系中的軸分量； 系統(tǒng)勵(lì)磁控制方式采用直接功率控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制，其控制方法是根據(jù)無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)功率繞組(3)的有功功率/^和無(wú)功功率0的誤差信號(hào)和以及控制繞組(4)的磁鏈所在扇區(qū)信息(SeCt0r_W。)來(lái)重新制定開關(guān)電壓矢量選擇表，通過(guò)適當(dāng)選擇開關(guān)電壓矢量來(lái)直接獨(dú)立控制無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的有功功率/7和無(wú)功功率認(rèn)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制； 建立無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率平衡方程如下
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的開繞組無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接功率控制方法，其特征在于所述兩個(gè)控制環(huán)，一個(gè)是有功功率控制環(huán)，一個(gè)是無(wú)功功率控制環(huán)，其作用是將有功功率和無(wú)功功率的給定值分別與它們的實(shí)際值進(jìn)行比較，比較后的誤差值分別輸入兩個(gè)滯環(huán)比較器，這兩個(gè)滯環(huán)比較器的輸出作為選擇開關(guān)電壓矢量的依據(jù)，進(jìn)而修正有功功率和無(wú)功功率的實(shí)際值，使其跟蹤給定值； 所述控制繞組磁鏈所在扇區(qū)的信息是由功率繞組無(wú)功功率的變化率得到的； 所述雙端供電式級(jí)聯(lián)型多電平逆變器采用這種直接功率控制方法進(jìn)行控制，以驅(qū)動(dòng)無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制繞組每相電流的獨(dú)立控制。
全文摘要
本發(fā)明提供一種開繞組無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接功率控制系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)主要包括風(fēng)力機(jī)、無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)、雙向PWM變頻器及中央處理器；風(fēng)力機(jī)通過(guò)增速箱連接至無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)，無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)一方面連接至雙向PWM變頻器，另一方面通過(guò)并網(wǎng)開關(guān)連接至變壓器，再一方面依次通過(guò)電壓電流信號(hào)檢測(cè)單元及輸入量單元連接至中央處理器；雙向PWM變頻器通過(guò)濾波器連接至變壓器，變壓器接至電網(wǎng)。本發(fā)明提供了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、運(yùn)行性能和風(fēng)電轉(zhuǎn)換效率高的復(fù)合轉(zhuǎn)子開繞組無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接功率控制系統(tǒng)。
文檔編號(hào)H02J3/38GK102983590SQ20121049335
公開日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2012年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月28日
發(fā)明者張鳳閣, 金石, 王秀平, 朱連成, 賈廣隆, 范士博, 王代睿 申請(qǐng)人:沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)