專利名稱：定子雙繞組異步電機發電系統寬風速范圍內風力發電的方法
技術領域：
本發明所涉及的是一種能在寬風速范圍內進行風力發電的定子雙繞組異步電機發 電系統的控制與設計方法
背景技術：
世界性的能源短缺極大地促進了風力發電等可再生能源的發展，而且風電場的規模 越來越大。但是在這個發展過程中，陸上風電場建設遇到了占用土地和環境保護等新問 題。而海上風電場遠離陸地，具有風速高，很少有靜風期，比陸上風電場發電量可增加 50%的優點。因此海上風電場近十年來發展迅速。海上風電場遠離大電網，使輸配電成 本提高、維護困難。為了解決這些困難，1998年ABB公司在瑞典某海上風電場示范工 程中采用了具有無刷結構的高壓永磁同步風力發電機，每臺發電機輸出端經過整流裝置 變換為高壓直流電，然后使用直流母線進行集電和輸送。可見，海上風電的發展給風電 場提出了直流集電輸送的新思路。針對直流集電并網的變速風力發電系統，將如圖l所 示的定子雙繞組異步發電機(DWIG)系統應用于風力發電中，為海上風電可選的發電 機提供一種新穎的形式。
從國內外文獻來看，對于定子雙繞組異步發電機系統的研究尚處于起步階段。主要 對DWIG的可行性、等效模型、兩套繞組容量比設計原則、自激起勵時諧波振蕩、勵磁 控制策略、動態特性等問題進行了研究，不過這些都是以發電機轉速基本恒定為前提進 行的研究。之前，發明人在變速運行的情況下，已對功率繞組側帶整流橋負載輸出直流 電壓的DWIG發電系統進行了深入的理論和實驗研究，揭示了變速運行的定子雙繞組異 步發電機系統的基本運行規律，研究表明該系統具有良好的穩態和動態性能，但是這些 都是在較高的轉速下研究的，對較低轉速的DWIG發電系統的研究并沒有涉及。因此， 有必要對DWIG發電系統的控制拓撲和策略進行研究和改進，進一步擴大它的變速運行 的轉速范圍，從而使其能利用低風速的風能來發電，這將拓展該發電系統的風能利用范 圍，帶來較大的經濟和社會效益。
發明內容
本發明的目的是克服圖1所示的定子雙繞組異步發電機在低風速區功率繞組整流 輸出的直流電壓低、風能利用有限的不足，對定子雙繞組異步發電機系統的拓撲結構進行改進，提出一種新的寬風速范圍內運行的定子雙繞組異步電機發電系統拓撲結構，如 圖2所示，使系統具備在低風速下風力發電的能力，拓寬了該發電系統的風能利用范圍。
為實現上述目的，本發明的技術方案是，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電機l、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組成；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、 ll組成；控制 回路由數字信號處理器12和控制變換器的驅動電路13組成。控制繞組側控制變換器3 的直流母線輸出電壓經二極管7與直接整流的功率繞組輸出直流母線相連。
本發明針對這種適合寬風速范圍內運行的定子雙繞組異步電機發電系統所提出的 新拓撲結構是兩套繞組的匝比設計合理，即控制繞組的匝數低于功率繞組的匝數；控 制繞組側控制變換器輸出的直流電壓的正端通過二極管7與功率繞組側整流輸出的直流
電壓正端相連，兩者的負端直接相連。在低風速區域，發電機的轉速較低，這使得功率 繞組輸出端電壓也較低，整流后達不到指令電壓。控制繞組發出的低壓電能經控制變換
器控制，通過電壓泵升原理，控制變換器3的輸出直流電壓因泵升作用可達到指令電壓， 而直接整流的功率繞組輸出直流電壓由于轉速較低達不到指令電壓，整流橋4自然阻斷， 功率繞組不輸出功率，發電機發出功率從控制繞組側經控制繞變換器的直流母線輸出。 隨著風速的增加，發電機的轉速上升，功率繞組整流輸出直流電壓升高，當其達到指令 值時，整流橋4開通，輸出電能。隨著風速的進一步增加，二級管7截止，完全由功率 繞組整流輸出電能。在高風速區域，控制變換器調節發電機控制繞組的勵磁無功功率使 功率繞組整流輸出的直流電壓穩定。該系統可以用在獨立電網系統中，也可以通過輸出 逆變器，將發電機系統輸出的直流電能逆變后并網。
本發明提出的新拓撲結構，與現有拓撲結構相比，最大的不同是將原來分離的控制 繞組側變換器輸出的直流母線與功率繞組整流輸出的直流母線通過二極管相連。原設計 方案圖l，控制繞組僅提供發電機所需的無功功率，而圖2方案的控制繞組不僅要在整 個變速變負載運行過程中提供發電機所需的無功功率，還要在發電機轉速較低時從控制 繞組側經變換器輸出有功功率。如此一來，盡管在低風速區，控制繞組和功率繞組輸出 端電壓都較低，但根據電壓泵升原理，可將控制變換器的輸出直流母線電壓泵升到指令 電壓，由于此時該指令電壓高于功率繞組整流后的直流電壓，整流橋被阻斷，因此，低 風速下，發電機輸出的電能不從功率繞組側整流橋輸出，而通過控制繞組經控制變換器輸出。隨著風速的增加，發電機的轉速上升，功率繞組整流輸出的電壓隨之升高，當其 達到指令值時，整流橋導通，輸出電能。在高風速區域，控制變換器調節電機控制繞組 的勵磁無功功率使輸出直流電壓維持恒定。由于控制繞組側直流母線與功率繞組側直流 母線通過二極管相連，通過合理的控制策，能在低風速區最大限度的利用風能，這拓寬 了本發電系統的風能利用范圍。
圖1現有的定子雙繞組異步電機發電系統結構框圖
圖2適合于寬風速范圍運行的定子雙繞組異步電機發電系統
具體實施方法
根據附圖敘述本發明的具體實施方式
、工作原理和工作過程
由圖2可知本發明的寬風速范圍內運行的定子雙繞組異步電機發電系統包括定子雙
繞組異步發電機l、濾波電感2、控制變換器3、整流橋4、勵磁電容5組成的主回路； 由蓄電池6和阻斷二極管組成的低壓小功率輔助電源；由電流傳感器8和電壓傳感器9、 10與11組成的檢測回路；由數字信號處理器12和連接到控制變換器的驅動電路13組 成的控制回路。控制變換器的開關管可以釆用IGBT或者智能功率模塊(IPM)。在控制繞 組安裝小容量蓄電池的目的是，為系統提供初始直流母線電壓，依靠控制變換器向發電 機提供勵磁無功，使功率繞組和控制繞組的輸出電壓上升，當控制繞組直流母線電壓超 過低壓小功率輔助電源的電平時，依靠二極管使蓄電池自然脫離系統，系統建壓完成后 進入發電運行狀態。
本發明提出改進的定子雙繞組異步電機發電系統，其工作原理描述如下 當風速較高時，通過控制變換器和勵磁電容共同向發電機提供所需的勵磁無功功 率，功率繞組輸出的交流電經整流后得到直流電能。控制變換器調節發電機控制繞組的 勵磁無功功率使功率繞組整流輸出直流電壓保持恒定。
隨著風速的減小，控制繞組和功率繞組輸出端電壓逐漸降低，為維持功率繞組整流 輸出直流電壓恒定，控制變換器必須增加勵磁無功功率，直至整個變換器的容量完全用 來輸出無功，達到其額定最大容量，這時發電機內部磁場也略有飽和，處于強勵狀態。 當風速進一步下降，就不能采用調節發電機勵磁無功的方式去維持功率繞組整流輸出直 流電壓達到指令值，這時要轉換控制策略，減小控制變換器的勵磁無功輸出，使發電機 退出強勵的飽和狀態，這樣功率繞組整流輸出直流電壓就會低于指令值。控制繞側控制
5變換器通過電壓泵升原理，將控制變換器的輸出直流電壓泵升到指令值，這時功率側整 流橋自然阻斷，功率繞組無電能輸出，發電機發出的電能由控制繞組經控制變換器輸出。 盡管弱風下風速低，發電機的兩套繞組的輸出端電壓也低，但經過控制變換器后，它可 以將控制側變換器輸出直流電壓泵升到指令值。由于風速已比較低，因風能與風速成立 方關系，發電機發出電能有限，容量約占發電機容量三分之一左右的控制變換器完全夠 用，這樣可使發電機工作的轉速范圍大大拓寬。因此，如圖2所示的拓撲結構不僅能夠 在高風速區寬轉速范圍穩定運行，而且在低風速區，通過一定的控制策略，能夠充分利 用控制變換器的容量，通過控制繞組發電，拓展了低風速區風能利用能力。
本發明不同于現有的系統拓撲結構(圖l)的一個重要特點在于在低風速區，通過 適當的控制策略，利用控制繞組側變換器的電壓泵升技術使控制繞組輸出側的直流電壓 達到指令值，而功率繞組由于輸出端電壓整流后的直流電壓低于該指令值，整流橋自然 阻斷，功率繞組不輸出電能，發電機發出的電能由控制繞組經控制變換器輸出，這樣可 以拓寬低風速風能利用能力。在高風速區，控制變換器通過調節發電機控制繞組的勵磁 無功功率使功率繞組整流輸出直流電壓穩定于指令值，電能通過功率繞組經整流橋輸出。
綜上所述，定子雙繞組異步電機發電系統寬風速范圍內風力發電的運行過程可以通 過如下具體步驟實現
1) 低風速區，通過調節控制變換器有功和無功功率，使磁通維持在額定磁通之下， 由于電壓泵升原理，控制繞組側控制變換器輸出的直流電壓高于功率繞組側整流輸出的 直流電壓，這時整流橋自然阻斷，相當于功率繞組從直流母線脫開，由控制繞組向直流 母線供電。
2) 低風速到高風速過渡過程。隨著轉速的升高，功率繞組的端電壓升高，直流母線 電壓逐漸達到指令值。經過過渡過程后，功率繞組整流輸出的直流電壓穩定于指令值， 功率繞組開始向直流母線供電，這時，通過控制變換器的控制，控制繞組由既向發電機 提供勵磁無功功率又輸出有功功率轉換為只向發電機提供勵磁無功功率。
3) 進入高風速區域，通過控制變換器的控制，控制變換器調節發電機控制繞組的勵 磁無功功率使功率繞組整流輸出直流電壓穩定于指令值，發電機發出的電能由功率繞組 整流輸出。
權利要求
1.一種定子雙繞組異步發電機寬風速范圍風力發電的方法，其特征在于包括定子雙繞組異步發電機(1)、濾波電感(2)、控制變換器(3)、整流橋(4)、勵磁電容(5)、輸出逆變器(15)、小容量蓄電池(6)、二極管(7)、電流傳感器(8)、電壓傳感器(9)(10)(11)、數字信號處理器(12)和控制變換器的驅動電路(13)，并將控制繞組側控制變換器輸出直流電壓的正端通過二極管(7)與功率繞組側整流橋(4)輸出直流電壓正端相連，兩者的負端直接相連。
2. 根據權利要求1所述的定子雙繞組異步發電機的寬風速范圍風力發電的方 法，在低風速區發電運行控制的特征是在低風速區，發電機轉速較低，控 制繞組端電壓較低，控制變換器(3)調節發電機的控制繞組無功功率，使發電 機內部磁通維持恒定，同時控制發電機發出的有功功率，通過電壓泵升原理， 使發電機發出的電能從控制繞組側經控制變換器輸出至直流母線上，并控制 直流母線的輸出直流電壓達到指令電壓，該電壓高于功率繞組整流橋輸出電 壓，因而整流橋(4)自然阻斷。
3. 根據權利要求1所述的定子雙繞組異步發電機的寬風速范圍風力發電的方 法，在高風速區的發電運行控制的特征是在高風速區，發電機的轉速較高， 功率繞組的輸出電壓也較高，發電機發出的電能由功率繞組經整流橋輸出； 隨著轉速和負載的變化，控制變換器(3)通過調節發電機的控制繞組無功功率 來調節發電機內部磁通，使得功率繞組的整流輸出電壓達到并穩定于指令電 壓，并使二極管(7)反偏截止。
4. 根據權利要求1或2或3所述的定子雙繞組異步發電機的寬風速范圍風力發 電的方法，為了順利實現高風速區功率繞組側整流輸出電壓的調節以及發電 機輸出功率在兩套繞組之間的過渡切換，應用于該方法的定子雙繞組異步發電機的一個特征是設計控制繞組的匝數低于功率繞組的匝數，即控制繞組 端電壓低于功率繞組端電壓。
全文摘要
一種涉及定子雙繞組異步電機發電系統在寬風速范圍內風力發電的方法。該系統包括定子雙繞組異步發電機(1)、濾波電感(2)、控制變換器(3)、整流橋(4)、勵磁電容(5)、輸出逆變器(15)、小容量蓄電池(6)、二極管(7)、電流傳感器(8)、電壓傳感器(9)(10)(11)、數字信號處理器控制板(12)和控制變換器驅動電路(13)組成。控制繞組側控制變換器(3)的直流母線輸出電壓經二極管(7)與直接整流的功率繞組輸出直流母線相連。本發電系統不僅能在高風速區由功率繞組經整流橋輸出電能，而且能在低風速區域，利用電壓泵升原理，從控制繞組經控制變換器輸出電能，從而在低風速區最大限度的利用風能。該方法應用于風力發電中能夠拓寬本發電系統的風能利用范圍，實現寬風速范圍內風能的捕獲。
文檔編號H02P9/46GK101667802SQ20091003543
公開日2010年3月10日 申請日期2009年9月28日 優先權日2009年9月28日
發明者卜飛飛, 凱 施, 胡育文, 黃文新 申請人:南京航空航天大學