可適應變化力矩的永磁風力發電機穩頻控制系統的制作方法

專利名稱：可適應變化力矩的永磁風力發電機穩頻控制系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種風力發電機的控制系統，特別是涉及一種能 夠穩定輸出電壓頻率的控制系統。
背景技術：
近年來，在節約能源和保護環境的大趨勢下，風力發電事業得到 了迅速發展。眾所周知，風力發電的核心部件，即，風力發電機是 由風能帶動槳葉旋轉，進而帶動轉子旋轉，使線圏切割磁力線產生 電流。當繞組線圈匝數和磁場強度都固定時，風力發電機的電壓頻 率與轉子的轉動速率成正比。因此，只要轉速恒定，風力發電機的
電壓頻率就能維持不變。然而，經常發生的情況是，隨著風能發生 變化，其對槳葉的推動力也將不斷發生改變，進而影響了轉子的轉 動速率，致使發電機的電壓頻率發生變化。因此，如何獲得穩定的 電壓頻率是目前需要解決的技術問題。
目前，常用的穩定發電機輸出電壓頻率的方法是將發電機發出的 頻率變化的交流電首先通過整流器整流成直流電，然后再通過逆變 器將直流電變換為恒定頻率的交流電。這種方法雖然能夠使發電機 的電壓頻率穩定，但是，其設備結構復雜、價格昂貴，在發電機組 成本中占有相當比例。

實用新型內容
為克服上述現有技術中存在的缺陷，本實用新型的目的是提供一 種可適應變化力矩的永磁風力發電機穩頻控制系統，該系統可以根 據風力的實際變化控制繞組開關的開啟與閉合，從而可以控制定子繞組的接通數量，由此使發電機在將機械能轉變為電能的過程中直接得到穩定的電壓頻率。
本實用新型的目的是通過采用如下的技術方案得以實現的一種可適應變化力矩的永磁風力發電機穩頻控制系統，該控制系統包括用于檢測開關陣列狀態、檢測發電機電參數和控制定子繞組通斷的控制箱，以及用于控制所述控制箱運行的工控機。工控機包括用于監控發電機、控制箱及開關陣列模塊的運行狀態的控制模塊、用于采集開關狀態信號并輸出開關控制信號的控制信號采集模塊和用于采集發電機電信號的電信號采集模塊。控制箱包括用于控制繞組接通個數的開關陣列模塊、用于檢測發電機電參數的發電機電信號檢測模塊。
在該控制系統內，發電機的待檢測電參數經過開關陣列模塊輸入到所述發電機電信號檢測模塊，發電機電信號檢測模塊的信號輸出端均與工控機內的電信號采集模塊的信號輸入端相連，電信號采集模塊的輸出端與控制模塊的信號輸入端相連，控制模塊內的控制器對輸入信號進行處理，并將開關控制信號通過控制信號采集模塊傳輸至開關陣列模塊，用于控制開關的開啟與閉合。
本實用新型通過將發電機的每一個定子繞組與單獨的開關相連，可由控制系統控制發電機實現多級負載的要求。另外，本實用新型的控制系統內采用ADRC，由此可以準確控制每一個開關的開啟與閉合，進而控制定子中接通繞組的個數，這樣可以控制轉子的轉速，實現對發電機輸出電壓頻率的調整，并使發電機的輸出電壓頻率維持在一個穩定的數值。同時，由于利用了本實用新型的發電機在將機械能轉變為電能的過程中能夠直接得到穩定的電壓頻率，無變頻器的設計大大降低了風力發電的裝機成本。


圖1是陣列式穩頻永磁風力發電機的整體結構示意圖2是圖1中所示陣列式穩頻永磁風力發電機去掉端蓋時的定子和轉子的結構示意圖3是圖1中所示陣列式穩頻永磁風力發電機的定子和轉子陣列結構示意圖4是圖3中所示陣列結構的一組定子和轉子的結構示意圖5是根據本實用新型的一個優選實施例的可適應變化力矩的永磁風力發電機穩頻控制系統示意圖6是利用開關對定子繞組進行開啟或者閉合控制的電路結構示意圖；以及
圖7是發電機的穩頻控制系統的控制流程圖。
附圖標記
1電才幾軸；2定子；3轉子；21繞組；31 ;^,茲體；4電枳』
殼；
5固定部；6工控才幾；7控制箱；8風力發電才幾；9開關；61控制模塊；62電信號采集模塊；63控制信號采集模塊；71風力發電機電壓頻率檢測模塊；72開關陣列模塊；73開關檢測模塊。
具體實施方式
下面將根據附圖對本實用新型的上述目的、特征和優點以及優選實施方式進4亍詳細i兌明。
圖1示出了陣列式穩頻永磁風力發電機的整體結構示意圖。圖2示出了圖1中所示風力發電機去掉端蓋時的定子和轉子的結構示意圖。從以上兩圖中可見，該陣列式穩頻永磁風力發電機包括定子2和分別安裝在其兩端的兩個端蓋4,該定子2和兩個端蓋4圍成一個腔體，其上共軸線地設置定子2的電機軸1從該腔體內向外突出。在該電機軸1上還安裝有轉子3,而且該轉子3套接于定子2內。
在本實施例中，定子2的外周上設有多個用于將其固定在塔架上的固定部5。并且，電機殼4上開設有多個通孔，該通孔用于將發電機工作時產生的熱量及時散出，有利于發電機的正常工作。圖3示出了陣列式穩壓永磁風力發電機的定子2和轉子3的陣列結構，由于本實用新型的定子2和轉子3采用陣列式結構，根據風力的大小，可以對定子2和轉子3陣列的工作方式進行粗調，即，可以根據實際需要使只有若干組定子2工作，也可以使多組定子2
同時工作。這樣，可以保證發電機8在不同的風力條件下能夠具有差別不大的轉速，進而能夠產生在誤差允許范圍內相同的電壓頻率，為后續的并網創造有利條件。
從圖中可見，定子2、轉子3以及電機軸1具有相同的軸心，轉子2固定于電機軸1上且套接于定子2內，其可由電機軸1帶動而在定子2內旋轉。在本實施方式中，定子2和轉子3的數量均為4個，但亦可實施為其他的數量。
圖4示出了一組定子2和轉子3的結構。具體而言，在轉子3的外圓周上;t姿照預定間隔均勻地i殳置有多個7lof茲體31，而在定子2的內圓周上按照預定間隔均勻地設置有多個繞組21。該永磁體31和繞組21均沿轉子3和定子2的徑向設置，且中心線都通過電機軸l的軸心。本實用新型的繞組21的個數為3的倍數，將所有繞組21按照1, 2， 3......的順序編號，序號被3除后余數相等的所有繞組
21之間均以并聯方式連4妄成一組，在所有的組與組之間以串聯方式連接，并且在每個繞組21上均設置有可由外部電控系統控制實現開啟與閉合的開關。
在本實施方式中，永磁體31為"U"型寬溫釹鐵硼永磁體，繞組21為纏繞在"U"型軛鐵的線圈繞組。所有繞組21的導線纏繞方式和線圈數目均相等，并且，在本是實施方式中，所有的繞組21均為獨立的一個線圏，^f旦亦可實施為由多個子繞組串聯而成。
在本實用新型中，定子2上繞組21的數目為36個，轉子3上永磁體31的數目為24個。當風能帶動槳葉運動進而帶動電機軸2旋轉時，轉子3也將隨電機軸2—起在定子2內旋轉。由于繞組21在定子2上、永磁體31在轉子3上都是均勻分布的，因此，在轉子3的旋轉過程中，同時有12對繞組21和永》茲體31相遇，即，定子2和轉子3的耦合度為12。如果當次耦合瞬間對應的定子繞組21編號 為sl, s4，…，s34,下一次耦合瞬間對應的定子繞組21編號為s2, s5，…，s35,再一次耦合瞬間對應的定子繞組21編號為s3, s6，…，s36， 這樣，當發生三次耦合后，所有的定子繞組21均與永磁體31相遇 過，完成一個循環過程。當轉子3繼續旋轉時，耦合瞬間對應的定 子繞組21的編號又恢復到sl， s4，…，s34,由此開始了下一個循環過 程。
在本實施方式中，轉子永磁體31與定子繞組21相遇時，由于繞 組21的線圈切割磁力線，因此能夠產生周期為T的正弦波電流，并 且轉子3與定子2發生前后兩次耦合的時間間隔為T/3,這樣，編號 為sl， s4，…，s34的繞組產生電流的相位與編號為s2, s5,…，s35的繞 組產生電流的相位就相差120度。因此，可以4巴編號為sl, s4，…，s34 的繞組21并聯作為三相電中的第一相，把編號為s2, s5，…，s35的繞 組21并聯作為三相電中的第二相，4巴編號為s3, s6,…,s36的繞組 21并聯作為三相電中的第三相，由此便產生了三相電。本實用新型 的永磁體31與定子繞組21并不限于數量為(24、 36)的組合，只 要是滿足永磁體31與定子繞組21的數量比值為2/3的其他組合，均 可以在本實用新型中實施。
圖5示出了根據本實用新型的一種優選實施例的可適應變化力 矩的永磁風力發電機穩頻控制系統示意圖。該穩頻控制系統包括用 于檢測開關陣列狀態、檢測發電機電參數和控制定子繞組通斷的控 制箱7,以及用于控制控制箱運行的工控機6。該工控機6包括用于 監控發電機8、控制箱7及開關陣列模塊72的運行狀態的控制模塊 61、用于采集開關狀態信號并輸出開關控制信號的控制信號采集卡 模塊62和用于采集發電機8的電信號的電信號采集模塊63。控制箱 7包括用于控制繞組21接通個數的開關陣列模塊72、用于檢測發電 機8的電參數的發電機電信號檢測模塊。
在本實施方式中，開關陣列模塊72上的開關為雙向開關晶閘管。 發電機的待檢測電參數為發電機的電壓頻率。發電機電信號檢測模發電機8的電壓頻率信號經過開關陣列模塊72輸入到發電機電 壓頻率檢測模塊71,發電機電壓頻率檢測模塊71的信號輸出端均與 工控機6的電信號采集模塊62的信號輸入端相連，而電信號采集模 塊卡62的輸出端與控制模塊61的信號輸入端相連。這樣，通過電 信號釆集模塊62，發電機8的電壓頻率信號得以傳輸至控制模塊61。 在控制模塊61的內部采用ADRC對輸入信號進行處理，得到開關控 制信號，并將該開關控制信號傳輸至開關陣列模塊72，用于控制開 關的開啟與閉合。其中，ADRC技術請參看本申請人曾申請的題為 "磁懸浮抗震控制器及其控制方法"且公開號為CN101077694A的 專利申請，該專利申請中的內容可以作為本申請內容的補充。
除上述的描述以外，控制箱7還進 一 步包括用于檢測開關的狀態 的開關檢測模塊73,該開關檢測模塊73的信號輸入端與開關陣列模 塊72的開關狀態輸出端相連，其信號輸出端通過控制信號采集模塊 63將開關狀態信號輸送至工控機6內的控制模塊61。
此外，在控制箱7內的發電機電壓頻率檢測模塊71上設有交流 電壓互感器，該交流電壓互感器首先將發電才幾電壓4姿比例下降后， 該電壓頻率檢測模塊71再進行檢測并采樣。
當發電機8工作時，如果風力發生變化，則其對發電機槳葉的推 動力也將不斷發生改變。為了保證發電機8的輸出電壓頻率恒定， 就要求轉子時刻保持恒定的轉速。這就要求發電機的阻力矩必須時 刻隨風力的變化進行調整當風力變大時，發電機的阻力矩相應變 大；反之，發電機的阻力矩隨風力的變小而減小。
當風力變大時，風力對槳葉的推動力加大，轉子3的轉速提高， 發電機8的輸出電壓頻率增大。此時，發電機8的電壓信號經過開 關檢測模塊73傳輸至開關陣列模塊72,再傳入發電機電壓頻率檢測 模塊71，經過該發電機電壓頻率檢測模塊71取樣并將取樣信號傳輸 至電信號釆集模塊62,經過該電信號采集模塊62將取樣的發電機電 壓頻率傳輸至控制模塊61的內部。在本實施例中，控制模塊61內采用了 ADRC對輸入的發電機8的電壓頻率信號進行處理。當發現 發電機8上的電壓頻率高于額定值時，發出增大發電機阻力矩的命 令，即，通過控制信號采集模塊63向開關陣列模塊72傳輸信號， 增加閉合開關的數量，進而增多開通的定子繞組21的數量，使發電 機的阻力矩增大，轉子3的轉速降低，由此使得發電機8的輸出電 壓頻率降低。
當發電機8的電壓頻率與額定值在誤差允許的范圍內相等時，控 制模塊61不再發出增大或減小發電機阻力矩的命令，從而使開通的 繞組21的數量恒定，進而使發電機轉動力矩和阻力矩維持平tf,因 此保證了轉子3有恒定的轉速，進而產生恒定的電壓頻率。
圖6示出了利用開關8對定子繞組21進行開啟或者閉合控制的 模塊結構示意圖。在本實施方式中，定子繞組21的開關8為雙向開 關晶閘管，且該雙向開關晶閘管的數量與定子繞組21的數量相等。 每個雙向開關晶閘管與一個繞組21相連，用于控制該繞組21的開 啟與關閉。雙向開關晶閘管的陽極與繞組21連接，其陰極經過負載 電阻接地，由此形成一個閉合回路。控制模塊61經過ADRC輸出的 控制命令傳輸至控制信號采集模塊63的信號輸入端，并經該控制信
號采集模塊63將控制命令傳輸至雙向開關晶閘管，進而控制該雙向 開關晶閘管的開啟與閉合，從而實現了發電機8的定子繞組21的切 斷與開通，調整了發電機8的轉子3的轉動阻力矩，進而調整了轉 子3的轉動速度，也即調整了發電機8輸出電壓的頻率。
圖7為發電機的穩頻控制系統的控制流程圖。其包括如下步驟
第一步接通工控機6和控制箱7的電源；
第二步控制箱7內的開關檢測模塊73檢測開關陣列模塊72 上的開關狀態，并把檢測信號通過控制信號采集模塊63傳輸至工控 機6的控制模塊61內；
第三步控制箱7內的風力發電機電壓頻率檢測模塊71檢測發 電機8的電壓頻率，并把發電機電壓頻率的采樣值通過電信號采集 模塊62傳輸至工控機6的控制模塊61內；第四步控制模塊61根據電信號采集模塊62傳輸來的風力發電 機的電壓頻率采樣值、以及電壓頻率的額定值，通過其內的控制器 對發電機8的電壓頻率進行控制，使之保持與額定值在誤差允許的 范圍內一致。
當進行穩頻控制時，首先開啟工控機6和控制箱7的電源，然后， 控制箱7的開關檢測模塊73檢測開關陣列模塊72上開關9的狀態， 并把檢測信號通過控制信號采集模塊63傳輸至工控機6的控制模塊 61內。
與此同時，在控制箱7內，風力發電機電壓頻率檢測模塊71檢 測發電機8的電壓頻率值并采樣。該采樣值通過電信號采集模塊62 傳輸至控制模塊61內。控制模塊61內的控制器根據發電機8的電 壓頻率和額定值的比較值發出控制命令，從而實現了發電機電壓頻
率的穩定。
在本實施方式中，控制模塊61內的控制器為ADRC,其控制步 驟包括
安排過渡過程步驟將電壓頻率的額定值作為設定值，生成 ADRC的過渡過程中間變量；
擴張狀態觀測步驟將發電機8的電壓頻率作為被控輸出值，將 開關9的導通個數作為控制量，生成ADRC的系統估計中間變量；
控制量生成步驟據過渡過程中間變量和系統估計中間變量最 終生成實際控制量。
當進行穩頻控制時，將電壓頻率的額定值作為設定值輸入ADRC 的安排過渡過程裝置，生成過渡過程中間變量，將接收到的風力發 電機8的電壓頻率和開關檢測模塊檢73測到的開關9的導通個數分 別作為ADRC的被控輸出值和控制量，然后將它們輸入擴張狀態觀 測器，生成系統估計中間變量。最后將過渡過程中間變量和該系統 估計中間變量共同輸入控制量生成器生成發電機的新的控制量，即， 開關陣列模塊72中的開關9的導通個數。具體的控制命令是當發 電機8的電壓頻率低于額定值時，控制模塊61向開關陣列模塊72上的雙向開關晶閘管發出開啟信號，使其開啟，從而關斷定子繞組
21;若發電機8的電壓頻率高于額定值時，控制模塊61向開關陣列 模塊72上的雙向開關晶閘管發出閉合信號，使晶閘管關閉，接通定 子繞組21。
經過上述過程，ADRC完成了一次運算。如果此時發電機8的電 壓頻率和額定值的差距大于誤差允許的范圍，ADRC將進行下一次
循環控制，直至發電機8的電壓頻率和額定值的差距在誤差允許的 范圍內，此時，定子繞組21的接通個數穩定，發電機的電壓頻率穩 定。
以上所4皮露的僅為本實用新型的優選實施例，當然不能以此來限 定本實用新型的權利保護范圍。可以理解，依據本實用新型所附權
利要求中限定的實質和范圍所作的等同變化，仍屬于本實用新型所 涵蓋的范圍。
權利要求1.一種可適應變化力矩的永磁風力發電機穩頻控制系統，該系統包括用于檢測開關陣列狀態、檢測發電機電參數和控制定子繞組通斷的控制箱，以及用于控制所述控制箱運行的工控機，其特征在于，所述工控機包括用于監控發電機、控制箱及開關陣列模塊的運行狀態的控制模塊、用于采集開關狀態信號并輸出開關控制信號的控制信號采集模塊和用于采集發電機電信號的電信號采集模塊，所述控制箱包括用于控制繞組接通個數的開關陣列模塊、用于檢測發電機電參數的發電機電信號檢測模塊，其中，所述發電機的待檢測電參數經過所述開關陣列模塊輸入到所述發電機電信號檢測模塊，所述發電機電信號檢測模塊的信號輸出端均與所述工控機內的電信號采集模塊的信號輸入端相連，所述電信號采集模塊的輸出端與所述控制模塊的信號輸入端相連，所述控制模塊內的控制器對輸入信號進行處理，并將開關控制信號通過所述控制信號采集模塊傳輸至所述開關陣列模塊，用于控制所述開關的開啟與閉合。
2. 如權利要求1所述的穩頻控制系統，其特征在于，所述控制箱進一步包括用于檢測開關的狀態的開關檢測模塊，該開關檢測模塊的信號輸入端與所述開關陣列模塊的開關狀態輸出端相連，其信號輸出端通過控制信號采集模塊將開關狀態信號輸送至所述工控機的控制模塊。
3. 如權利要求1所述的穩頻控制系統，其特征在于，所述發電機的待檢測電參數為發電機電壓頻率，所述發電機電信號檢測模塊包括用于檢測發電機電壓頻率的發電機電壓頻率檢測模塊。
4. 如權利要求3所述的穩頻控制系統，其特征在于，在所述控制箱內的發電機電壓頻率檢測模塊上設有用于使電壓按比例下降以便測量的交流電壓頻率互感器。
5. 如權利要求1所述的穩頻控制系統，其特征在于，所述開關 陣列模塊上的開關個數與發電機定子繞組的個數相等，并且所述的每個開關均與一個對應的發電機定子繞組相連。
6. 如權利要求1所述的穩頻控制系統，其特征在于，所述開關 為雙向開關晶閘管。
7. 如權利要求1所述的穩頻控制系統，其特征在于，所述控制 模塊內的控制器為ADRC。
專利摘要本實用新型公開了一種可適應變化力矩的永磁風力發電機穩頻控制系統，該控制系統包括用于檢測開關陣列狀態、檢測發電機電參數和控制定子繞組通斷的控制箱，以及用于控制所述控制箱運行的工控機。該實用新型通過將發電機的每一個定子繞組與單獨的開關相連，可由控制系統控制其實現多級負載的要求。同時，本實用新型的控制系統內采用ADRC，可以準確控制每一個開關的開啟與閉合，進而控制定子中接通繞組的個數，從而控制了轉子的轉速，實現對發電機輸出電壓頻率的調整，使發電機的輸出電壓頻率維持在一個穩定的數值。
文檔編號H02P9/30GK201388182SQ20092014710
公開日2010年1月20日 申請日期2009年4月13日 優先權日2009年4月13日
發明者畢大川, 陳澤森 申請人:北京前沿科學研究所