微網用dwig交直流發電系統的拓撲結構及控制方法
【專利摘要】本發明公開了微網用DWIG交直流發電系統的拓撲結構及控制方法，屬于交直流混合微網的【技術領域】。系統的拓撲結構包括主回路、檢測回路和控制回路。主回路包括：定子雙繞組異步電機、濾波電感、交交變換器、三相整流橋、第一斷路器、第二斷路器、第三斷路器、第四斷路器、第五斷路器。檢測回路包括：第一交流電壓傳感器、第一直流電壓傳感器、第二直流電壓傳感器、第二交流電壓傳感器、第三交流電壓傳感器，第一交流電流傳感器、直流電流傳感器、第二交流電流傳感器，風速傳感器。控制回路包括：數字信號處理器、驅動電路。并網方法實現了一臺發電機同時發交流電和直流電，在無風區實現交流電能向直流側的傳遞以及寬風速范圍內的交直流并網。
【專利說明】微網用DWIG交直流發電系統的拓撲結構及控制方法
【技術領域】
[0001]本發明公開了微網用DWIG(Dual Stator-ffinding Induct1n Generator,定子雙繞組異步發電機)交直流發電系統的拓撲結構及控制方法，尤其是用于微網交直流混合發電的定子雙繞組異步電機發電系統及寬風速范圍內直流并網發電方法，屬于交直流混合微網的【技術領域】。
【背景技術】
[0002]當前能源的短缺和傳統能源帶來的環境問題促進了清潔能源的大規模接入與利用，提高能源利用效率，實施智能電網重大科技產業化工程，對于調整我國能源結構、節能減排、應對氣候變化具有重大意義。綜合世界各地區建設智能電網的進程來看，智能電網的關注熱點包含有微網，微網是利用大規模清潔能源的接入。當前可再生能源的種類有很多例如風能、潮汐能、水能等。由于清潔能源的不穩定性，需要多種能源綜合利用，并配備能量型儲能和功率型儲能裝置以實現互補優化的目的。在構建微網中，目前大部分的發電系統輸出電能方式只有單一的交流電或者直流電。那么如何采用簡單的方式實現寬速范圍最大效率的發電是需要考慮的問題。交直流混合微網中，往往需要一個交流電機、一個直流電機構成相互獨立的交流發電系統和直流發電系統，當交流電網與直流電網之間需要能量雙向流動時，交流電網與直流電網之間需要一個雙向整流逆變裝置，存在需要額外的整流逆變裝置的缺陷，這增加系統的構建成本和運行維護成本同時也降低了系統的可靠性。
[0003]定子雙繞組異步發電機(DWIG)是二i^一世紀初由美國田納西理工大學Ojo教授提出的一種新型籠型異步電機，該電機的轉子仍為籠型結構，繼承了傳統籠型異步電機的固有優點，其定子上有兩套繞組，一套為控制繞組，接有功率變換器；另一套為功率繞組，向負載供電，兩套定子繞組具有相同的極對數，共享同一氣隙磁場，且它們在電氣上沒有直流連接，僅通過磁耦合，功能分開，易實現高性能控制。由于DWIG結構獨特且具有諸多優點，它吸引了國內外研究人員的廣泛關注。Ojo教授對DWIG恒速恒頻交流發電系統的拓撲結構及控制策略作了許多開創性研究。國內海軍工程大學的馬偉明教授以艦船獨立電源系統為應用背景，對恒速運行條件下的DWIG高壓直流發電系統進行了深入研究，主要包括拓撲結構，控制策略，穩定性等。為拓寬DWIG的應用場合，南京航空航天大學的研究人員從2004年開始研究變速運行條件下的DWIG高壓直流發電系統，如圖1所示，并重點對電機設計、系統優化、控制策略等開展了研究工作。
【發明內容】
[0004]本發明所要解決的技術問題是針對上述【背景技術】的不足，提供了微網用DWIG交直流發電系統的拓撲結構及控制方法，以解決微網中發交流電和直流電需要構建獨立的交流發電系統和直流發電系統、交直流并網發電控制復雜且輸入能量遇與電網側能量協調性不佳、傳統交直流混合微網并網需要額外整流逆變裝置這些技術問題。
[0005]本發明為實現上述發明目的采用如下技術方案。
[0006]微網用DWIG交直流發電系統的拓撲結構，包括主回路、檢測回路和控制回路，所述主回路包括:定子雙繞組異步電機、濾波電感、交交變換器、三相整流橋、第一斷路器、第二斷路器、第三斷路器、第四斷路器、第五斷路器，檢測回路包括:檢測交流電網電壓的第一交流電壓傳感器、檢測直流電網電壓的第一直流電壓傳感器、檢測三相整流橋直流側輸出電壓的第二直流電壓傳感器、檢測定子雙繞組異步電機控制繞組輸出電壓的第二交流電壓傳感器、檢測交交變換器傳遞給交流電網側電壓的第三交流電壓傳感器、檢測交交變換器與濾波電感連接處電流的第一交流電流傳感器、檢測三相整流橋直流側輸出電流的直流電流傳感器、檢測定子雙繞組異步電機控制繞組輸出電流的第二交流電流傳感器，以及風速傳感器，控制回路包括:數字信號處理器、驅動電路；
定子雙繞組異步電機功率繞組出線經過第四斷路器與三相整流橋的交流側連接，三相整流橋直流側經過第二斷路器與直流電網連接，定子雙繞組異步電機控制繞組出線經過第一斷路器與交交變換器一側連接，交交變換器另一側與濾波電感一端連接，濾波電感另一端與經過第三斷路器與交流電網連接，定子雙繞組異步電機控制繞組出線、功率繞組出線之間接有第五斷路器，第一交流電壓傳感器接在交流電網側，第一直流電壓傳感器接在直流電網側，第二直流電壓傳感器接在三相整流橋直流側，第二交流電壓傳感器、第二交流電流傳感器均接在第一斷路器出線上，第三交流電壓傳感器接在第三斷路器進線上，第一交流電流傳感器接在交交變換器與濾波電感的連接處，直流電流傳感器接在三相整流橋直流偵牝驅動電路輸入端、第一交流電壓傳感器輸出端、第一直流電壓傳感器輸出端、第二直流電壓傳感器輸出端、第二交流電壓傳感器輸出端、第三交流電壓傳感器輸出端、第一交流電流傳感器輸出端、直流電流傳感器輸出端、第二交流電流傳感器輸出端分別與數字信號處理器連接，驅動電路輸出端接交交變換器中功率器件控制端，各斷路器的控制器分別與數字信號處理器連接；
數字信號處理器根據風速、交流電網電壓、直流電網電壓、三相整流橋直流側輸出電壓以及電流、定子雙繞組異步電機控制繞組輸出電壓以及電流、第三斷路器進線電壓、交交變換器與濾波電感連接處電流得到驅動電路的輸入信號，交交變換器在驅動信號作用下將交流電網的能量傳遞給直流電網或者同時將能量傳遞給交流電網、直流電網，數字信號處理器在三相整流橋直流側輸出電壓與直流電網電壓同步時控制第二斷路器合閘，數字信號處理器在交交變換器傳遞給交流電網側的電壓與交流電網電壓同步時控制第三斷路器合閘。
[0007]作為所述微網用DWIG交直流發電系統的拓撲結構的進一步優化方案，交交變換器包括第一電容、第二電容、第三電容、第一開關、第二開關、第三開關、第四開關、第五開關、第六開關，所述第一電容一極、第一開關一端、第四開關一端相連，第二電容一極與第一電容另一極連接，第二開關一端與第一開關另一端連接，第五開關一端與第四開關另一端連接，第三電容一極與第二電容另一極連接，第三開關一端與第二開關另一端連接，第六開關一端與第五開關另一端連接，第三電容另一極、第三開關另一端、第六開關另一端相連，第一電容與第二電容的連接點、第一開關與第二開關的連接點、第四開關與第五開關的連接點構成交交變換器的一側端子，第二電容與第三電容的連接點、第二開關與第三開關的連接點、第五開關與第六開關的連接點構成交交變換器的另一側端子。
[0008]所述微網用DWIG交直流發電系統的控制方法，數字信號處理器根據風速傳感器采集的風速以及各傳感器采集的電信號生成各風速區的控制策略: 無風速區控制策略，數字信號處理器控制第一斷路器分閘、第四斷路器分閘、第五斷路器合閘、第三斷路器合閘，交交變換器將交流電網能量傳遞給直流電網；
低風速區控制策略，交交變換器調節定子雙繞組異步電機控制繞組的有功功率和無功功率，并通過交交變換器將交流電能傳遞給交流電網，數字信號處理器在交交變換器傳遞給交流電網側的電壓與交流電網電壓同步時控制第三斷路器合閘，DWIG發電系統并入交流電網；
高風速區控制策略，交交變換器調節定子雙繞組異步電機控制繞組的有功功率和無功功率，既從控制繞組、交交變換器將變壓變頻的交流電能變換成恒壓恒頻的交流電能傳遞給交流電網，又從功率繞組、三相整流橋將交流電能整流成直流電能傳遞給直流電網，數字信號處理器在三相整流橋直流側輸出電壓與直流電網電壓同步時控制第二斷路器合閘，DWIG發電系統并入直流電網，在交交變換器傳遞給交流電網側的電壓與交流電網電壓同步時控制第三斷路器合閘，DWIG發電系統并入交流電網，實現了交直流同時并網。
[0009]作為所述控制方法的進一步優化方案，低風速區控制策略以及高風速區控制策略中，還可以利用定子雙繞組異步電機兩套繞組的耦合關系，通過交交變換器調節控制繞組側的有功功率和無功功率。
[0010]作為所述控制方法的進一步優化方案，其特征在于所述低風速區域控制策略中，利用電壓泵升原理通過交交變換器將交流電能傳遞給交流電網。
[0011]本發明采用上述技術方案，具有以下有益效果:
1、將DWIG交直流發電系統應用到微網中，實現了一臺發電機同時發交流電和直流電，改善了微網中發交流電和直流電需要構建獨立的交流發電系統和直流發電系統的缺陷；
2、DWIG交直流發電系統中設置的斷路器在數字信號處理器的控制下控制交直流并網，改善了傳統交直流混合微網并網需要額外整流逆變裝置的缺陷；
3、寬風速范圍內并網發電方法中，無風速區通過閉合功率繞組、控制繞組之間接有的斷路器，實現電能從交流側傳遞至直流側；低風速區，通過交交變換器調節定子雙繞組異步電機控制繞組的有功功率和無功功率實現交流并網；高風速區，既從控制繞組、交交變換器將變壓變頻的交流電能變換成恒壓恒頻的交流電能傳遞給交流電網，又從功率繞組、三相整流橋將交流電能整流成直流電能傳遞給直流電網，實現交直流同時并網。整個方法實現了寬風速范圍內的交直流并網。在直流電網所需電能大于輸入電能時，不足部分由交流電網傳遞至直流電網，能夠在不同的工況下按照輸入功率、交流電網、直流電網三者之間的關系，合理分配能量；
4、提出了一種開關器件數目少、開關損耗小的交交變換器。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1為現有的DWIG發電系統結構框圖。
[0013]圖2為DWIG交直流發電系統的示意圖。
[0014]圖3為交交變換器的電路圖。
[0015]圖中標號說明:1、定子雙繞組異步電機，2、濾波電感，3、交交變換器，4、第一交流電流傳感器，5、直流電流傳感器，6、第二交流電流傳感器，7、第一交流電壓傳感器，8、第一直流電壓傳感器，9、第二直流電壓傳感器，10、第二交流電壓傳感器，11、第三交流電壓傳感器，12、數字信號處理器，13、驅動電路，14、三相整流橋，15、第一斷路器，16第二斷路器，17、第三斷路器，18、交流電網，19、直流電網，20、第四斷路器，21、第五斷路器，22、風速傳感器，Cl、第一電容，C2、第二電容，C3、第三電容，S1、第一開關，S2、第二開關，S3、第三開關，S4、第四開關，S5、第五開關，S6、第六開關。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖對發明的技術方案進行詳細說明。
[0017]微網用DWIG交直流發電系統如圖2所示，包括主回路、檢測回路和控制回路。主回路包括:定子雙繞組異步電機1、濾波電感2、交交變換器3、三相整流橋14、第一斷路器15、第二斷路器16、第三斷路器17、第四斷路器20、第五斷路器21。檢測回路包括:檢測交流電網18電壓的第一交流電壓傳感器7、檢測直流電網19電壓的第一直流電壓傳感器8、檢測三相整流橋14直流側輸出電壓的第二直流電壓傳感器9、檢測定子雙繞組異步電機I控制繞組輸出電壓的第二交流電壓傳感器10、檢測交交變換器3傳遞給交流電網側電壓的第三交流電壓傳感器11，檢測交交變換器3與濾波電感2連接處電流的第一交流電流傳感器4，檢測三相整流橋3直流側輸出電流的直流電流傳感器5，檢測定子雙繞組異步電機I控制繞組輸出電流的第二交流電流傳感器6，以及風速傳感器22。控制回路包括:數字信號處理器
12、驅動電路13。
[0018]交交變換器如圖3所不,包括第一電容Cl、第二電容C2、第三電容C3、第一開關S1、第二開關S2、第三開關S3、第四開關S4、第五開關S5、第六開關S6。開關均為全控型器件，能夠實現能量的雙向流動。串接的第一電容Cl、第二電容C2、第三電容C3組成一個橋臂，串接的第一開關S1、第二開關S2、第三開關S3組成一個橋臂，串接的第四開關S4、第五開關S5、第六開關S6組成一個橋臂，三個橋臂并聯連接組成一個對稱結構的交交變換器。A、B、C三個連接點引出交交變換器的一個交流側端子，D、E、F三個連接點引出交交變換器另一個交流側端子。該交交變換器相比于傳統的交交變換器，具有開關器件數少，開關損耗小的優點。
[0019]采用圖2所示的DWIG發電系統實現寬風速范圍內交直流并網。在無風區，通過閉合接在電機兩套繞組之間的斷路器實現交流側電能流向直流側，這決定了在不同的工況下按照輸入功率、交流電網、直流電網三者之間的關系，合理分配能量；在低風速區，通過交交變換器調節定子雙繞組異步電機控制繞組的有功功率和無功功率實現交流并網；高風速區，既從控制繞組、交交變換器將變壓變頻的交流電能變換成恒壓恒頻的交流電能傳遞給交流電網，又從功率繞組、三相整流橋將交流電能整流成直流電能傳遞給直流電網，實現交直流同時并網:
無風速區控制策略，數字信號處理器12控制第一斷路器15分閘、第四斷路器20分閘、第五斷路器21合閘、第三斷路器17合閘，交交變換器3將交流電網能量傳遞給直流電網；低風速區控制策略，交交變換器3調節定子雙繞組異步電機控制繞組的有功功率和無功功率，利用電壓泵升原理通過交交變換器3將交流電能傳遞給交流電網，數字信號處理器12在交交變換器3傳遞給交流電網側的電壓與交流電網電壓同步時控制第三斷路器17合閘，DffIG發電系統并入交流電網。
[0020]高風速區控制策略，交交變換器3調節定子雙繞組異步電機控制繞組的有功功率和無功功率，既從控制繞組、交交變換器3將變壓變頻的交流電能變換成恒壓恒頻的交流電能傳遞給交流電網，又從功率繞組、三相整流橋15將交流電能整流成直流電能傳遞給直流電網，數字信號處理器12在三相整流橋14直流側輸出電壓與直流電網電壓同步時控制第二斷路器16合閘，DWIG發電系統并入直流電網，在交交變換器3傳遞給交流電網側的電壓與交流電網電壓同步時控制第三斷路器17合閘，DWIG發電系統并入交流電網，實現了交直流同時并網。
[0021]低風速區控制策略以及高風速區控制策略中，還可以利用定子雙繞組異步電機兩套繞組的耦合關系，通過交交變換器3調節調節功率繞組側和控制繞組側的能量分配以及實現交流側能量向直流側能量傳遞。
【權利要求】
1.微網用DWIG交直流發電系統的拓撲結構，包括主回路、檢測回路和控制回路，其特征在于，所述主回路包括:定子雙繞組異步電機(I)、濾波電感(2)、交交變換器(3)、三相整流橋(14)、第一斷路器(15)、第二斷路器(16)、第三斷路器(17)、第四斷路器(20)、第五斷路器(21)，檢測回路包括:檢測交流電網電壓的第一交流電壓傳感器(7)、檢測直流電網電壓的第一直流電壓傳感器(8)、檢測三相整流橋(14)直流側輸出電壓的第二直流電壓傳感器(9)、檢測定子雙繞組異步電機(I)控制繞組輸出電壓的第二交流電壓傳感器(10)、檢測交交變換器(3)傳遞給交流電網側電壓的第三交流電壓傳感器(11)、檢測交交變換器(3)與濾波電感(2)連接處電流的第一交流電流傳感器(4)、檢測三相整流橋(3)直流側輸出電流的直流電流傳感器(5 )、檢測定子雙繞組異步電機(I)控制繞組輸出電流的第二交流電流傳感器(6)，以及風速傳感器(22)，控制回路包括:數字信號處理器(12)、驅動電路(13)； 定子雙繞組異步電機(I)功率繞組出線經過第四斷路器(20)與三相整流橋(14)的交流側連接，三相整流橋(14)直流側經過第二斷路器(16)與直流電網連接，定子雙繞組異步電機(I)控制繞組出線經過第一斷路器(15)與交交變換器(3) —側連接，交交變換器(3)另一側與濾波電感(2) —端連接，濾波電感(2)另一端與經過第三斷路器(17)與交流電網連接，定子雙繞組異步電機(I)控制繞組出線、功率繞組出線之間接有第五斷路器(21)，第一交流電壓傳感器(7 )接在交流電網側，第一直流電壓傳感器(8 )接在直流電網側，第二直流電壓傳感器(9)接在三相整流橋(14)直流側，第二交流電壓傳感器(10)、第二交流電流傳感器(6)均接在第一斷路器(15)出線上，第三交流電壓傳感器(11)接在第三斷路器(17)進線上，第一交流電流傳感器(4)接在交交變換器(3)與濾波電感(2)的連接處，直流電流傳感器(5)接在三相整流橋(14)直流側，驅動電路(13)輸入端、第一交流電壓傳感器(7)輸出端、第一直流電壓傳感器(8)輸出端、第二直流電壓傳感器(9)輸出端、第二交流電壓傳感器(10)輸出端、第三交流電壓傳感器(11)輸出端、第一交流電流傳感器(4)輸出端、直流電流傳感器(5)輸出端、第二交流電流傳感器(6)輸出端分別與數字信號處理器(12)連接，驅動電路(13)輸出端接交交變換器(3)中功率器件控制端，各斷路器的控制器分別與數字信號處理器(12)連接； 數字信號處理器(12)根據風速、交流電網電壓、直流電網電壓、三相整流橋(14)直流側輸出電壓以及電流、定子雙繞組異步電機(I)控制繞組輸出電壓以及電流、第三斷路器(17)進線電壓、交交變換器(3)與濾波電感(2)連接處電流得到驅動電路(13)的輸入信號，交交變換器(3 )在驅動信號作用下將交流電網的能量傳遞給直流電網或者同時將能量傳遞給交流電網、直流電網，數字信號處理器(12 )在三相整流橋(14 )直流側輸出電壓與直流電網電壓同步時控制第二斷路器(16)合閘，數字信號處理器(12)在交交變換器(3)傳遞給交流電網側的電壓與交流電網電壓同步時控制第三斷路器(17)合閘。
2.根據權利要求1所述的微網用DWIG交直流發電系統的拓撲結構，其特征在于所述交交變換器(3)包括第一電容(Cl)、第二電容(C2)、第三電容(C3)、第一開關(SI)、第二開關(S2)、第三開關(S3)、第四開關(S4)、第五開關(S5)、第六開關(S6)，所述第一電容(Cl)一極、第一開關(SI) —端、第四開關(S4) —端相連,第二電容(C2) —極與第一電容(Cl)另一極連接，第二開關(S2) —端與第一開關(SI)另一端連接，第五開關(S5) —端與第四開關(S4)另一端連接，第三電容(C3) —極與第二電容(C2)另一極連接，第三開關(S3) —端與第二開關(S2)另一端連接，第六開關(S6) —端與第五開關(S5)另一端連接，第三電容(C3)另一極、第三開關(S3)另一端、第六開關(S6)另一端相連,第一電容(Cl)與第二電容(C2)的連接點、第一開關(SI)與第二開關(S2)的連接點、第四開關(S4)與第五開關(S5)的連接點構成交交變換器的一側端子，第二電容(C2)與第三電容(C3)的連接點、第二開關(S2)與第三開關(S3)的連接點、第五開關(S5)與第六開關(S6)的連接點構成交交變換器的另一側端子。
3.權利要求1或2所述微網用DWIG交直流發電系統的控制方法，其特征在于，數字信號處理器(12)根據風速傳感器采集的風速以及各傳感器采集的電信號生成各風速區的控制策略: 無風速區控制策略，數字信號處理器(12)控制第一斷路器(15)分閘、第四斷路器(20)分閘、第五斷路器(21)合閘、第三斷路器(17)合閘，交交變換器(3)將交流電網能量傳遞給直流電網； 低風速區控制策略，交交變換器(3)調節定子雙繞組異步電機控制繞組的有功功率和無功功率，并通過交交變換器(3)將交流電能傳遞給交流電網，數字信號處理器(12)在交交變換器(3)傳遞給交流電網側的電壓與交流電網電壓同步時控制第三斷路器(17)合閘，DWIG發電系統并入交流電網； 高風速區控制策略，交交變換器(3)調節定子雙繞組異步電機控制繞組的有功功率和無功功率，既從控制繞組、交交變換器(3)將變壓變頻的交流電能變換成恒壓恒頻的交流電能傳遞給交流電網，又從功率繞組、三相整流橋(15)將交流電能整流成直流電能傳遞給直流電網，數字信號處理器(12)在三相整流橋(14)直流側輸出電壓與直流電網電壓同步時控制第二斷路器(16 )合閘，DWIG發電系統并入直流電網，在交交變換器(3 )傳遞給交流電網側的電壓與交流電網電壓同步時控制第三斷路器(17)合閘，DWIG發電系統并入交流電網，實現了交直流同時并網。
4.根據權利要求3所述控制方法，其特征在于所述低風速區控制策略以及高風速區控制策略中，還可以利用定子雙繞組異步電機兩套繞組的耦合關系，通過交交變換器(3 )調節控制繞組側的有功功率和無功功率。
5.根據權利要求4所述控制方法，其特征在于所述低風速區域控制策略中，利用電壓泵升原理通過交交變換器(3 )將交流電能傳遞給交流電網。
【文檔編號】H02J1/12GK104377737SQ201410643081
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月13日 優先權日:2014年11月13日
【發明者】許海軍, 卜飛飛, 黃文新, 劉皓喆, 趙勇, 朱琳 申請人:南京航空航天大學