专利名称：一种直流无刷同步风力发电机的励磁装置及风力发电系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及风力发电技术领域，特别是涉及一种直流无刷同步风力发电机的励磁装置及风力发电系统。
背景技术：
发电机是风力发电系统中最重要的设备。目前，风力发电采用的电机基本有两种 异步电机和同步电机。与之对应的风机变流器也有两种双馈式和全功率式。异步电机配以双馈式变流器，同步电机配以全功率变流器，形成两种不同的风力发电机组。对于任何风力发电机而言，励磁控制的实现都是至关重要的。尤其是对无刷励磁同步发电机而言，无刷励磁系统是其最核心、最关键的组成部分。通常，发电机在转动时，需要一个旋转磁场(大多数的无刷同步发电机组都是旋转磁场式的)，这磁场多数是由直流电源通过转子线圈来形成，以建立直流磁场，通常称之为励磁功率输出部分。另外，为了使发电机在负荷变化时机端电压基本保持恒定，还需要一个能随发电机端电压变化来调整这个直流电源输出的调节器。这两方面就是励磁控制装置所要完成的任务。发电机输出电压的稳定，是通过控制励磁电流的大小来实现的。发电机的励磁控制装置就是用于采集发电机电压和电流的变化以及其他输入信号，并根据控制准则控制供给发电机转子线圈的励磁电流。发电机的励磁控制对于维持电力系统的电压水平、提高电力系统稳定运行的能力、改善电力系统及发电机的运行条件等起到非常重要的作用。因此，如何实现对发电机的励磁控制，特别是针对直流无刷同步风力发电机的励磁控制，来实现发电机输出电压的稳定，保障电力系统的稳定性，是本领域技术人员急需解决的技术问题。
实用新型内容有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种直流无刷同步风力发电机的励磁装置及风力发电系统，能够通过调节输送至所述发电机的励磁电流的大小，实现发电机输出电压的稳定，保障电力系统的稳定性。本实用新型实施例提供一种直流无刷同步风力发电机的励磁装置，用于直流无刷同步风力发电系统，所述风力发电系统包括励磁机与主发电机同轴的直流无刷同步风力发电机、以及变流器；所述变流器具有三相不控整流电路，所述三相不控整流电路的输入端接主发电机定子绕组，用于对所述发电机的三相输出电压整流，输出直流输出电压至所述励磁装置；所述励磁装置包括第一整流电路、励磁功率输出部分、以及控制部分；所述第一整流电路，用于对交流输入电压整流后，输出直流输入电压至所述励磁功率输出部分；所述控制部分，检测得到所述励磁机的励磁电压和励磁电流、所述三相不控整流电路输出的直流输出电压、以及主发电机定子绕组任意两相的输出电压、以及发电机当前转速，通过励磁电流内环控制和直流输出电压外环控制，输出PWM波至所述励磁功率输出部分，调节所述励磁功率输出部分输送至所述发电机的励磁电流；所述励磁功率输出部分，根据接收自所述控制部分的PWM波，对所述第一整流电路输出的直流输入电压进行逆变后，再整流为直流励磁电流，输出至发电机的励磁机定子绕组。优选地，所述控制部分包括控制器、转速检测电路、采样调理电路、通讯接口电路、以及辅助电源电路；所述采样调理电路，用于检测得到励磁机的励磁电压和励磁电流、三相不控整流电路输出的直流输出电压、以及主发电机定子绕组任意两相输出的电压，输出至所述控制器；所述转速检测电路，用于检测得到发电机的当前转速，输出至所述控制器；所述控制器，用于根据接收到的所述励磁机的励磁电压和励磁电流、所述三相不控整流电路输出的直流输出电压、以及主发电机定子绕组任意两相输出的电压、以及发电机当前转速，通过励磁电流内环控制和直流输出电压外环控制，得到输出需要的占空比，并产生与所述占空比相应脉冲宽度的PWM波，输出至所述励磁功率输出部分；所述通讯接口电路，用于实现所述励磁装置与发电机变流器的通讯连接；所述辅助电源电路，用于为所述控制器、所述脉冲控制电路、所述通讯接口电路、 所述采样调理电路提供工作电源。优选地，所述控制器包括第一减法器、第一 PI调节器、调节系数计算单元、第二减法器、第二 PI调节器、PWM发生器；所述第一减法器的正输入端接收给定基准电压，负输入端接收所述三相不控整流电路经采样调理电路输出的直流输出电压，输出端输出第一比较结果至所述第一 PI调节器；所述第一 PI调节器对所述第一比较结果进行增量式PI计算后，输出第一计算结果至所述调节系数计算单元；所述调节系数计算单元，根据检测得到的所述发电机的当前转速，设定所述当前转速下所述直流输出电压的调节系数，并将所述第一计算结果与所述调节系数的乘积，作为励磁电流给定值，输出至所述第二减法器的正输入端；所述第二减法器的正输入端接收所述励磁电流给定值，负输入端接收所述采样调理电压检测得到的励磁电流，输出端输出第二比较结果至所述第二 PI调节器；所述第二 PI调节器对所述第二比较结果进行增量式PI计算后，输出需要的占空比值至所述PWM发生器；所述PWM发生器根据所述占空比值产生相应脉冲宽度的PWM波，并输出至所述励磁功率输出部分。优选地，所述控制器为电机控制芯片dsPIC30F4011。优选地，所述通讯接口电路包括CAN接口电路与串口接口电路；所述控制器通过CAN接口电路与所述变流器相连；所述控制器通过串口接口电路与上位机相连。[0030]优选地，所述辅助电源电路为高频变压器和驱动芯片UC3844组成的单端反激式开关电源。优选地，所述励磁功率输出部分包括脉冲控制电路、高频脉冲变压器、第二整流电路；所述脉冲控制电路，用于根据接收自所述控制部分的PWM波，对所述第一整流电路输出的直流输入电压进行逆变，并将逆变得到的交流电压输出至所述高频脉冲变压器；所述高频脉冲变压器，用于将所述交流电压降压后，输出至所述第二整流电路；所述第二整流电路，用于将所述降压后的交流电压整流为直流励磁电流，输出至所述励磁机定子绕组。优选地，所述励磁功率输出部分还包括滤波及续流电路；所述滤波及续流电路接在所述第二整流电路的输出端，用于对所述第二整流电路输出的直流励磁电流进行滤波后，再输出至所述励磁机定子绕组。优选地，所述励磁装置还包括EMI滤波电路；所述EMI滤波电路用于对所述交流输入电压进行滤波，再送至所述第一整流电路进行整流。本实用新型实施例还提供一种直流无刷同步风力发电系统，所述系统包括励磁机与主发电机同轴连接的直流无刷同步风力发电机、变流器、以及所述的励磁装置；所述励磁装置为所述直流无刷同步风力发电机提供励磁电流根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果本实用新型实施例中，所述控制部分根据检测得到所述发电机的励磁电压和励磁电流、所述三相不控整流电路输出的直流输出电压、以及主发电机定子绕组任意两相的输出电压、以及发电机转速，采用励磁电流内环控制和直流输出电压外环控制，输出相应的 PWM波至所述励磁功率输出部分，调节所述励磁功率输出部分输送至所述发电机的励磁电流，使得发电机的输出电压稳定，提高电力系统运行的稳定性。本实用新型实施例所述励磁装置，并不直接跟踪所述发电机的输出端电压，而是致力于稳定所述发电机输出的三相电压经所述三相不控整流电路整流后输出的直流输出电压，能够有效的改善系统的动态品质，为变流器实现逆变并网工作提供可靠保障。
图1为本实用新型实施例的直流无刷同步风力发电机的励磁装置结构图；图2为本实用新型实施例的控制器结构图；图3为本实用新型实施例的辅助电源电路的电路结构图；图4为本实用新型实施例的励磁功率输出部分的电路结构图；图fe为本实用新型实施例的第一采样电路的电路结构图；图恥为本实用新型实施例的第二采样电路的电路结构图；图5c为本实用新型实施例的第三采样电路的电路结构图；图6为本实用新型实施例的同步方波变换电路的电路结构图。
具体实施方式
[0052]为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步详细的说明。有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种直流无刷同步风力发电机的励磁装置及风力发电系统，能够通过调节输送至所述发电机的励磁电流的大小，实现发电机输出电压的稳定，保障电力系统的稳定性。参照图1，为本实用新型实施例提供的直流无刷同步风力发电机的励磁装置结构图。需要说明的是，本实用新型实施例提供的励磁装置用于直流无刷同步风力发电系统，尤其是用于具有励磁机与主发电机同轴的直流无刷同步风力发电机的风力发电系统。具体的，本实用新型实施例中，以图1所示的风力发电系统为例进行说明。但是， 在实际应用中，本实用新型所述的励磁装置适用的发电机可以但不限于图1所示。所述风力发电系统可以包括直流无刷同步风力发电机1、以及变流器3。其中，所述发电机1的励磁机与主发电机同轴连接。如图1所示，所述发电机1包括励磁机11、旋转整流器12和主发电机13。其中， 所述励磁机11和主发电机13通过所述旋转整流器12同轴连接。具体的，如图1所示，所述励磁机11包括励磁机定子绕组和励磁机转子电枢；所述主发电机13包括主发电机转子电枢和主发电机定子绕组。其中，所述励磁机转子电枢和主发电机转子电枢通过所述旋转整流器12同轴连接；所述励磁机定子绕组作为励磁装置2的负载，接收所述励磁装置2的励磁输出。所述变流器3具有三相不控整流电路32，所述三相不控整流电路32的输入端接所述发电机1的主发电机定子绕组，接收所述发电机1的u、v、w三相输出电压，并对所述三相输出电压整流后，输出直流输出电压Udc至所述励磁装置2。如图1所示，本实用新型实施例所述的励磁装置2可以包括第一整流电路23、励磁功率输出部分、以及控制部分。所述第一整流电路23，用于对交流输入电压整流后，输出直流输入电压至所述励磁功率输出部分。需要说明的是，所述交流输入电压可以由工作电源(如图1中21所示)提供，所述工作电源21输出的交流输入电压经所述第一整流电路23整流后，输出直流输入电压至所述励磁功率输出部分。所述控制部分，检测得到所述励磁机11的励磁电压Uf和励磁电流If、所述三相不控整流电路32输出的直流输出电压Udc、以及主发电机定子绕组任意两相的输出电压、以及发电机当前转速，通过励磁电流If内环控制和直流输出电压Udc外环控制，输出PWM波至所述励磁功率输出部分，调节所述励磁功率输出部分输送至所述发电机1的励磁电流， 使得发电机1的输出电压稳定，提高电力系统运行的稳定性。所述励磁功率输出部分根据接收自所述控制部分的PWM脉冲，对所述第一整流电路23输出的直流输入电压进行逆变后，再整流为直流励磁电流，输出至励磁机定子绕组。具体的，如图1所示，所述控制部分可以包括控制器观、转速检测电路30、采样调理电路31、通讯接口电路33、以及辅助电源电路27。其中，所述控制器观为所述控制部分的核心，其可以采用DSP(Digital SignalProcessing，数字信号处理)处理器实现。所述采样调理电压31，用于检测得到励磁机11的励磁电压Uf和励磁电流If、三相不控整流电路32输出的直流输出电压Udc、以及主发电机定子绕组任意两相输出的电压，输出至所述控制器观。需要说明的是，图1中，对于所述采样调理电压31检测得到的主发电机定子绕组任意两相输出的电压，以V、w两相的线电压Uac为例进行说明。当然，在本实用新型其他实施例中，还可以检测得到U、V两相的线电压或U、W两相的线电压。所述转速检测电路30，用于检测得到发电机1的当前转速，输出至所述控制器观。所述控制器观，用于根据接收到的所述励磁机11的励磁电压Uf和励磁电流If、 所述三相不控整流电路32输出的直流输出电压Udc、以及主发电机定子绕组任意两相的输出电压、以及发电机转速，通过励磁电流If内环控制和直流输出电压Udc外环控制，得到输出需要的占空比，并产生与所述占空比相应脉冲宽度的PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)波，输出至所述励磁功率输出部分。所述通讯接口电路33，用于实现所述励磁装置2与变流器3之间的通讯连接。需要说明的是，所述通讯接口电路33可以由CAN (Controller Area Network，控制器局域网络)接口电路与串口接口电路部分组成。所述控制器观与变流器3之间通过 CAN接口电路连接，采用CAN总线进行通信，以协调所述励磁装置的工作；所述控制器观通过串口接口电路与上位机连接，实现通信，以便程序维护。所述上位机用于实现对整个直流无刷同步风力发电机励磁系统的工作状态进行控制。所述辅助电源电路27用于为所述控制器观、所述脉冲控制电路M、所述通讯接口电路33、所述采样调理电路31提供工作电源。需要说明的是，当所述控制器28为DSP处理器时，所述转速检测电路30可以通过同步方波变换电路来实现。具体的，同步方波变换电路接收所述采样调理电压31检测得到的主发电机定子绕组任意两相输出的线电压，将所述线电压转换为与所述线电压周期相同的方波信号，输入到所述DSP处理器的捕获端口。所述DSP处理器根据捕获得到的所述方波信号，获取该方波信号的周期；由于所述方波信号与主发电机定子绕组任意两相输出的线电压的周期相同，从而能够得到发电机的周期，并将其转化为发电机的频率，并进而转化得到发电机的转速。所述同步方波变换电路的具体实现在后文中再详细阐述。优选地，所述控制部分还可以包括开关量输入输出电路四。所述开关量输入输出电路四一端接变流器3，另一端接控制器观。当变流器3检测到外部异常，且变流器3与励磁装置之间的通信中断时，变流器3可发送关断控制信号至所述开关量输入输出电路四；当外部异常消除时，所述变流器3发送开启控制信号至所述开关量输入输出电路四。所述开关量输入输出电路四，用于接收到关断控制信号时，通过控制器观直接关断所述励磁装置的励磁电流输出；接收到开启控制信号时，通过控制器观开启所述励磁装置。如图1所示，所述励磁功率输出部分可以包括脉冲控制电路对、高频脉冲变压器 25、第二整流电路沈。[0081]所述脉冲控制电路M，用于根据接收自所述控制部分的PWM脉冲，对所述第一整流电路23输出的直流输入电压进行逆变，并将逆变得到的交流电压输出至所述高频脉冲变压器25。所述高频脉冲变压器25，用于将所述交流电压降压后，输出至所述第二整流电路 26。所述第二整流电路沈，将所述降压后的交流电压整流为直流励磁电流，输出至所述励磁机定子绕组。本实用新型实施例所述的直流无刷同步风力发电机的励磁装置2的工作原理为在一定风速下，同步风力发电机1的风机叶桨通过变速箱带动发电机1的主轴开始旋转，该主轴上有两个转子电枢，分别为励磁机转子电枢和主发电机转子电枢。所述励磁机转子电枢通过所述旋转整流器12与所述主发电机转子电枢相连。所述励磁装置2通过检测主发电机13任两相的端电压(本实施例中以V、W两相的端电压Uac为例进行说明)， 利用控制器观的捕获端口检测主发电机13的频率，并利用电机的转速与极对数、频率之间的关系计算主发电机13的转速，同时检测三相不控整流电路32输出的直流输出电压Udc， 根据电机的特性给励磁机定子绕组输入相应的直流励磁电流If。当发电机的转速达到某一特定值后，三相不控整流电路32输出的直流输出电压Udc稳定。由控制器观控制占空比可调节的PWM波，进而控制脉冲控制电路M中的开关管的通断，从而实现输入高频脉冲变压器25的能量可控，再经高频脉冲变压器25将该能量降到适当的电压水平，输出至发电机 1的励磁机定子绕组，从而实现励磁电流If可调。由于励磁机定子绕组为大电感负载，可将高频变压器25输出的脉冲量转换为直流电流，实现直流励磁。该直流电流If在励磁机定子绕组上形成一个定向磁场。当励磁机转子电枢随风机叶桨一起转动时，在励磁机转子电枢中就会产生一组三相交流电，该三相交流电经固定在发电机主轴上的旋转整流器12整流后，输出直流电流到主发电机转子电枢中，从而在主发电机13中建立起旋转磁场。这时，主发电机定子绕组的线圈开始切割该旋转磁场的磁力线，根据电磁感应定律，就会在主发电机定子绕组中产生交变的电压输出， 最终实现风机发电，发出三相电经所述三相不控整流电路32整流后被励磁装置2检测，实现直流输出电压Udc的外环控制，从而使得所述三相不控整流电路32输出的直流输出电压 Udc稳定、可控。参照图2，为本实用新型实施例提供的控制器结构图。所述控制器观包括第一减法器观3、第一 PI (比例积分)调节器观4、调节系数计算单元观2、第二减法器观5、第二 PI调节器沘6、PWM发生器沘7。其中，所述第一减法器观3的正输入端接收所述给定基准电压Ug，其负输入端接收所述三相不控整流电路32经采样调理电路31输出的直流输出电压Udc，其输出端输出第一比较结果至所述第一 PI调节器观4。所述第一 PI调节器284对所述第一比较结果进行增量式PI计算后，输出第一计算结果至所述调节系数计算单元观2。所述调节系数计算单元观2，根据检测得到的所述发电机1的当前转速，设定该当前转速下直流输出电压Udc的调节系数，并将接收自所述第一 PI调节器284的第一计算结果与所述调节系数的乘积，作为励磁电流给定值Ig，输出至所述第二减法器观5的正输入端。具体的，对发电机1的转速η进行区间划分，为每区间的转速分别设定相应的直流输出电压Udc的调节系数。例如，可以将转速η划分为5个区间，各区间分别对应的调节系数为Ki (i = 1、2、3、4、5)，具体如下当η < 1200rpm/min时，设定调节系数为Kl ；当 1200rpm/min < η < 1400rpm/min 时，设定调节系数为 K2 ；当 1400rpm/min < η < 1600rpm/min 时，设定调节系数为 K3 ；当 1600rpm/min < η < 1800rpm/min 时，设定调节系数为 K4 ；当 1800rpm/min < η < 2000rpm/min 时，设定调节系数为 K5。所述调节系数计算单元观2，根据检测得到的发电机1的当前转速所在的区间，确定该当前转速对应的直流输出电压Udc的调节系数，并将接收自所述第一 PI调节器284的第一计算结果与所述调节系数相乘，得到的乘积作为励磁电流给定值Ig，输出至所述第二减法器观5的正输入端。所述第二减法器285的正输入端接收所述调节系数计算单元282输出的励磁电流给定值Ig，其负输入端接收所述采样调理电压31检测得到的励磁电流If，其输出端输出第二比较结果至所述第二 PI调节器观6。所述第二 PI调节器286对所述第二比较结果进行增量式PI计算后，输出需要的占空比值至所述PWM发生器观7。所述PWM发生器287根据所述占空比值产生相应脉冲宽度的PWM波，输出至所述励磁功率输出部分。通过所述PWM波控制所述脉冲控制电路M中MOSFET开关管的通断，从而调节输入发电机1的励磁机定子绕组中电流的大小，稳定主发电机定子绕组的输出电压。本实用新型实施例中，所述控制部分根据检测得到所述励磁机11的励磁电压Uf 和励磁电流If、所述三相不控整流电路32输出的直流输出电压Udc、以及主发电机定子绕组任意两相的输出电压、以及发电机转速，采用励磁电流If内环控制和直流输出电压Udc 外环控制，输出相应的PWM波至所述励磁功率输出部分，调节所述励磁功率输出部分输送至所述发电机1的励磁电流，使得发电机1的输出电压稳定，提高电力系统运行的稳定性。本实用新型实施例所述励磁装置，并不直接跟踪所述发电机1的输出端电压，而是致力于稳定所述发电机1输出的三相电压经所述三相不控整流电路32整流后输出的直流输出电压Udc，能够有效的改善系统的动态品质，为变流器3实现逆变并网工作提供可靠保障。需要说明的是，本实用新型实施例中，所述控制器观可以采用针对电机和运动控制领域的DSP芯片dsPIC30F4011来实现。所述励磁装置能够充分利用该DSP芯片丰富的资源，并与DSP软件编程相结合，易于实现各种控制算法及多种通信方式，提高了励磁装置的可靠性和响应实时性。所述DSP芯片dsPIC30F4011可以通过寄存器直接给定输出需要的占空比值，从而实现励磁电流快速可靠的大范围输出，以适应风力发电机在风速变化快的情况下仍能输出稳定的直流输出电压Udc。优选地，本实施例所述励磁装置，还可以包括交流变压器22。所述交流变压器22 接在所述工作电源21和第一整流电路23之间，所述工作电源21输出的交流输入电压经所述交流变压器22将电压变换到规定的电压等级后，再输入所述第一整流电路23进行整流。进一步的，本实施例所述励磁装置，还可以包括EMI (Electromagnetic Interference,电磁干扰)滤波电路34。所述EMI滤波电路34可以接在所述交流电压器 22和所述第一整流电路23之间，用于对所述交流电压器22变压后的交流输入电压进行滤波后，再送至所述第一整流电路23进行整流。当然，本发明实施例中，还可以仅包括EMI滤波电路，所述EMI滤波电路可以直接接在所述工作电源21与第一整流电路23之间，用于对交流输入电压进行滤波，再送至所述第一整流电路23进行整流。本实用新型实施例中，所述辅助电源电路27用于为所述控制器观、所述脉冲控制电路对、所述通讯接口电路33、所述采样调理电路31提供工作电源。在实际应用中，所述辅助电源电路27可以为单独的供电电源，分别为各电路提供所需的工作电源；所述辅助电源电路27还可以利用所述第一整流电路23输出的直流输入电压，变换为各电路提供所需的工作电源，使得所述励磁装置的励磁功率输出部分和控制部分的供电均是由同一个工作电源21提供，节省电源。参见图3，为本实用新型实施例提供的辅助电源电路的电路结构图。所述辅助电源电路27采用高频变压器和驱动芯片UC3844组成单端反激式开关电源。如图3所示，所述高频变压器具有多个次级绕组，每个次级绕组带有一路输出。所述变压器的初级绕组的输入端接所述第一整流电路23的输出端，所述工作电源21输出的交流输入电压，经所述交流变压器22和第一整流电路23的电压等级变换、 整流后，输出的直流输入电压加在所述开关电源的变压器T初级绕组上；所述驱动芯片 UC3844控制开关管Ql的通断，将能量传递到开关电源的变压器的次级绕组。当开关管Ql导通时，该变压器的初级绕组从所述第一整流电路23的输出端吸收能电能；当开关管Ql关断时，该变压器将电能量转换为磁能量，传递到该开关电源的变压器的各次级绕组上。该变压器的第一次级绕组Wl的输出经芯片U7805CV稳压后，输出DC+5V电压给所述控制器观供电。该变压器的第二次级绕组W2和第三次级绕组W3的输出分别经芯片U7815CV和 U7915CV稳压后，输出DC+15V和DC-15V电压，给所述采样调理电路31供电，从而确保输出给所述控制器观的电压稳定。该变压器的第四次级绕组W4、第五次级绕组W5及第六次级绕组W6输出为不共地的三路独立的+20V电压，作为所述脉冲控制电路M中开关管驱动芯片的工作电源。本实用新型实施例中，采用图3所示的辅助电源电路27，使得该励磁装置的励磁功率输出部分和控制部分的供电均是由同一个工作电源21提供，通过开关电源电路的设计为所述控制部分的各电路模块供电。与分别为各电路模块一一设置对应规格的DC-DC电源相比，能够大大节省设计成本、简化电路结构、降低对使用环境的要求，使得所述励磁装置的集成性更高。同时，本实用新型实施例中，所述开关电源允许输入电压的变化范围宽，使得该励磁装置的输出大范围可调，使所述无刷同步风力发电机在风速变化范围大的情况下，仍然能够输出稳定的直流输出电压Udc。[0119]参照图4，为本实用新型实施例提供的励磁功率输出部分的电路结构图。由图1可知，所述励磁功率输出部分包括脉冲控制电路24、高频脉冲变压器25、第二整流电路26。所述脉冲控制电路M，用于根据接收自所述控制部分的PWM脉冲，对所述第一整流电路23输出的直流输入电压进行逆变，并将逆变得到的交流电压输出至所述高频脉冲变压器25。 所述高频脉冲变压器25，用于将所述交流电压降压后，输出至所述第二整流电路 26。所述第二整流电路沈，将所述降压后的交流电压整流为直流励磁电流，输出至所述励磁机定子绕组。结合图4，所述脉冲控制电路M可以包括信号驱动电路Ml、第二 MOS管Q2、第三MOS管Q3、第四MOS管Q4、第五MOS管Q5。所述信号驱动电路241的输入端接所述控制器观输出的PWM脉冲信号，所述信号驱动电路241的输出端接所述第二 MOS管Q2的栅极、第三MOS管Q3的栅极、第四MOS管Q4 的栅极和第五MOS管Q5的栅极。其中，所述第二 MOS管Q2的漏极和所述第四MOS管Q4的漏极短接，共同接所述第一整流电路23的第一输出端。所述第二 MOS管Q2的源极接所述第三MOS管Q3的漏极，其公共端接所述高频脉冲变压器25的初级绕组的第一端。所述第四MOS管Q4的源极接所述第五MOS管Q5的漏极，其公共端接所述高频脉冲变压器25的初级绕组的第二端。所述第三MOS管Q3的漏极和所述第五MOS管Q5的漏极短接，共同接所述第一整流电路23的第二输出端。如图4所示，本实用新型实施例所述第二整流电路沈可以为一由四个二极管组成的整流桥。具体的，所述第二整流电路26可以包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4。其中，所述第一二极管Dl的阴极接所述第二二极管D2的阳极；所述第二二极管 D2的阴极接所述第三二极管D3的阳极；所述第三二极管D3的阴极接所述第四二极管D4的阳极；所述第四二极管D4的阴极接所述第一二极管Dl的阳极。所述第一二极管Dl和第二二极管D2的公共端接所述高频脉冲变压器25的次级绕组的第一端；所述第三二极管D3和第四二极管D4的公共端接所述高频脉冲变压器25的次级绕组的第二端。所述第一二极管Dl和第四二极管D4的公共端作为所述脉冲控制电路的正输出端，亦为所述励磁装置的正输出端(见图4中Idc+所示)；所述第二二极管D2和第三二极管D3的公共端作为所述脉冲控制电路的负输出端，亦为所述励磁装置的负输出端(见图4 中Idc-所示)。优选地，所述励磁功率输出部分还可以包括滤波及续流电路35，所述滤波及续流电路35接在所述第二整流电路沈的输出端，用于对所述第二整流电路沈输出的直流励磁电压进行滤波后，再作为所述励磁装置的励磁输出，输出至所述励磁机定子绕组。所述滤波及续流电路35可以为一阻容吸收电路。具体的，所述滤波及续流电路35可以包括第一电阻R1、第一电容Cl、以及第五二极管D5。其中，所述第一电阻Rl与所述第一电容Cl串联后，并联接在所述脉冲控制电路的正输出端和负输出端之间；所述第五二极管D5的阴极接所述脉冲控制电路的正输出端，所述第五二极管D5的阳极接所述脉冲控制电路的负输出端。下面结合图4阐述所述励磁功率输出部分的工作原理所述第一整流电路23输出的直流输入电压作为所述脉冲控制电路M的输入。所述脉冲控制电路M由信号驱动电路241和开关管组成，由所述控制器观控制一定占空比的PWM波，经信号驱动电路241控制开关管的通断。需要说明的是，作为所述脉冲控制电路M的下桥臂的两个开关管第三MOS管Q3 和第五MOS管Q5，在没有收到PWM脉冲信号时，一直为高导通状态。这样可以起到为所述高频脉冲变压器25的初级绕组续流的作用。所述控制器观输出的PWM波为中心对称互补型，且带有固定死区，这样能够避免所述脉冲控制电路M的同一桥臂的上下直通。所述脉冲控制电路M的开关管输出的能量经所述高频脉冲变压器25变换后，再经所述第二整流电路沈、滤波及续流电路35、以及反向快速恢复二极管输出到励磁机定子绕组。所述励磁机定子绕组为一大电感负载，只要所述控制器观输出的PWM波的周期远小于负载的时间常数，就可以将所述高频脉冲变压器25的输出脉冲量滤成直流电流，从而实现同步发电机的直流励磁。本实用新型实施例所述采样调理电路31，用于检测得到励磁机11的励磁电压Uf 和励磁电流If、三相不控整流电路32输出的直流输出电压Udc、以及主发电机定子绕组任意两相的输出电压，并对检测得到各信号进行相应处理后，输出至所述控制器观。所述采样调理电路31包括第一采样电路、第二采样电路、以及第三采样电路。参照图如至5c，分别为本实用新型实施例的第一采样电路、第二采样电路、以及第三采样电路的电路结构图。所述第一采样电路用于检测得到主发电机定子绕组任意两相之间的输出电压，并对该电压进行相应处理后，输出至所述控制器观。如图fe所示，本实用新型实施例所述第一采样电路可以包括第二电阻R2的一端和第三电阻R3的一端分别接所述主发电机定子绕组的任意一相，所述第二电阻R2的另一端和所述第三电阻的R3的另一端均接第一霍尔电压传感器的输入端。所述第一霍尔电压传感器的输出端接第四电阻R4的一端，所述第四电阻R4的另一端接可调电阻Wl的一固定端。第五电阻R5、第六电阻R6、及第二电容C2均并联在所述第一霍尔电压传感器的输出端与地之间。所述可调电阻Wl的另一固定端经第七电阻R7接地，所述可调电阻Wl的滑动端经第八电阻R8接第一电压跟随器Ul的正输入端。所述第一电压跟随器Ul的输出端接第九电阻R9的一端，所述第一电压跟随器Ul 的负输入端与其输出端短接；所述第一电压跟随器Ul的正输入端经第三电容C3接地。所述第九电阻R9的另一端接第十电阻RlO的一端和第十一电阻Rll的一端；所述第十电阻RlO的另一端接工作电源Vrer ；所述第十一电阻Rll的另一端接第四电容C4的一端和所述控制器观的一输入端。所述第四电容C4的另一端接地。如图如所示，所述主发电机定子绕组任意两相的输出电压(图fe中仅以U、V两相的电压Uac为例进行说明)经过第二电阻R2和第三电阻R3分压后输入所述第一霍尔电压传感器；所述第一霍尔电压传感器将接收到的强电信号转换为弱电信号，同时起到强电和弱电隔离的作用；经所述第一霍尔电压传感器转换后的信号再经过所述可调电阻W1、第四电阻R4、第七电阻R7的分压、阻容滤波(第五电阻R5、第六电阻R6和第二电容C2)、所述第一电压跟随器U1、以及随后的电压抬升电路，最后输入到控制器观。所述控制器观内置有10位AD转换器，对接收到的信号进行采样，其采样频率可由所述控制器观设置，最高采样频率可达1MHz，满足了采样精度和速度的要求，为控制的实时性提供必要的保障。其中，电压抬升电路由第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻Rll构成，用于将第一电压跟随器Ul输出的信号转换到0 5V之间，避免出现负值电压。所述第二采样电路，用于检测得到三相不控整流电路32输出的直流输出电压 Udc,并对所述直流输出电压Udc进行相应处理后，输出至所述控制器观。如图恥所示，本实用新型实施例所述第二采样电路可以包括第十二电阻R12的一端和第十三电阻R13的一端分别接所述三相不控整流电路32 的正输出端和负输出端，所述第十二电阻R12的另一端和所述第十三电阻R13的另一端均接第二霍尔电压传感器的输入端。所述第二霍尔电压传感器的输出端经所述第十四电阻R14接所述第二电压跟随器U2的正输入端。所述第二电压跟随器U2的输出端接第十五电阻R15的一端，所述第二电压跟随器 U2的负输入端与其输出端短接；所述第二电压跟随器U2的正输入端经第五电容C5接地。所述第十五电阻R15的另一端接第六电容C6的一端和所述控制器观的一输入端。所述第六电容C6的另一端接地。所述第二采样电路的原理与第一采样电路相似，区别仅在于所述第二采样电路没有电压抬升电路，在此不再赘述。所述第三采样电路，用于检测得到励磁机11的励磁电压Uf和励磁电流If，并对所述励磁电压Uf和励磁电流If进行相应处理后，输出至所述控制器28。如图5c所示，本实用新型实施例所述第三采样电路可以包括电流传感器与所述励磁机定子绕组的正输入端串接，所述电流传感器的输出端接第十六电阻R16的一端和第八电容C8的一端。所述第十六电阻R16的另一端接第七电容C7的一端和所述控制器观的一输入端。所述第七电容C7的另一端接地；所述第八电容C8的另一端接地。第十七电阻R17的一端接所述励磁机定子绕组的负输入端，第十九电阻R19的一端接所述励磁机定子绕组的正输入端。所述第十七电阻R17的另一端经第十八电阻R18接第三电压传感器U3的一输入端，所述第十九电阻R19的另一端经第二十电阻R20接所述第三电压传感器U3的另一输入端。所述第三电压传感器U3的输出端接第二十一电阻R21的一端和所述控制器观的
一输入端。所述第二i^一电阻R21的另一端接地。需要说明的是，所述第三采样电路中的电压传感器可以采用霍尔电流型电压传感器，通过电阻第十七电阻R17、第十八电阻R18、第十九电阻R19、第二十电阻R20将待测电压(即为励磁机定子绕组两端的电压)转换为电流，以提高抗干扰的强度。再经过霍尔电流型电压传感器转换为小电流信号，最后经第二十一电阻R21转换成电压信号，输入所述控制器观内部的AD转换器进行采样。其中，用于检测所述励磁电流If的电流传感器可以采用非接触式的霍尔电流传感器，以达到隔离的效果。本实用新型实施例中，当所述转速检测电路30通过同步方波变换电路实现时，所述同步方波变换电路可以如图6所示。参照图6，为本实用新型实施例的同步方波变换电路的电路结构图。所述同步方波变换电路30可以包括第二十二电阻R22的一端和第二十三电阻R23的一端分别接所述主发电机定子绕组的任意一相，所述第二十二电阻R22的另一端和所述第二十三电阻的R23的另一端均接第四霍尔电压传感器的输入端。所述第四霍尔电压传感器的输出端经第二十四电阻RM接过零比较器U3的负输入端。所述过零比较器U3的正输入端接地；第九电容C9接在所述过零比较器U3的正输入端与负输入端之间。所述过零比较器U3的输出端接第二十五电阻R25的一端，所述第二十五电阻R25 的另一端接第二十六电阻R26的一端、第六二极管D6的阳极、第七稳压二极管D7的阴极。所述第二十六电阻似6的另一端接+5V工作电源；所述第七稳压二极管D7的阳极接第二十七电阻R27的一端。所述第二十七电阻R27的另一端接所述第六二极管D6的阴极，其公共端接所述控制器沘的一输入端。所述同步方波变换电路30接收所述采样调理电路31检测得到的主发电机定子绕组任意两相输出的线电压，所述线电压经过电阻分压后，输入所述第四霍尔电压传感器进行信号转换，转换后的信号输入过零比较器U3，这样一个正弦波信号经过过零比较器U3以及随后的电压限幅电路后，被转换为一个与所述线电压周期相同的方波信号输入到控制器 28的捕获端口，配合软件完成电机频率及转速的获取。对应于本实用新型实施例提供的直流无刷同步风力发电机的励磁装置，本实施例还提供一种直流无刷同步风力发电系统。所述系统包括直流无刷同步风力发电机、变流器、以及励磁装置。 所述直流无刷同步风力发电机的励磁机与主发电机同轴连接。所述变流器具有三相不控整流电路，所述三相不控整流电路的输入端接主发电机定子绕组，用于对所述发电机的三相输出电压整流，输出直流输出电压至所述励磁装置。[0182]所述励磁装置为所述直流无刷同步风力发电机提供励磁电流。所述励磁装置与本实用新型前述实施例所述的励磁装置相同，在次不再赘述。本实用新型实施例中，所述控制部分根据检测得到所述发电机的励磁电压和励磁电流、所述三相不控整流电路输出的直流输出电压、以及主发电机定子绕组任意两相的输出电压、以及发电机转速，采用励磁电流内环控制和直流输出电压外环控制，输出相应的 PWM波至所述励磁功率输出部分，调节所述励磁功率输出部分输送至所述发电机的励磁电流，使得发电机的输出电压稳定，提高电力系统运行的稳定性。本实用新型实施例所述励磁装置及系统，并不直接跟踪所述发电机的输出端电压，而是致力于稳定所述发电机输出的三相电压经所述三相不控整流电路整流后输出的直流输出电压，能够有效的改善系统的动态品质，为变流器3实现逆变并网工作提供可靠保障。以上对本实用新型所提供的一种直流无刷同步风力发电机的励磁装置及风力发电系统，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式
及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。
权利要求1.一种直流无刷同步风力发电机的励磁装置，用于直流无刷同步风力发电系统，其特征在于，所述风力发电系统包括励磁机与主发电机同轴的直流无刷同步风力发电机、以及变流器；所述变流器具有三相不控整流电路，所述三相不控整流电路的输入端接主发电机定子绕组，用于对所述发电机的三相输出电压整流，输出直流输出电压至所述励磁装置； 所述励磁装置包括第一整流电路、控制部分、以及励磁功率输出部分； 所述第一整流电路，用于对交流输入电压整流后，输出直流输入电压至所述励磁功率输出部分；所述控制部分，检测得到所述励磁机的励磁电压和励磁电流、所述三相不控整流电路输出的直流输出电压、以及主发电机定子绕组任意两相的输出电压、以及发电机当前转速， 通过励磁电流内环控制和直流输出电压外环控制，输出PWM波至所述励磁功率输出部分， 调节所述励磁功率输出部分输送至所述发电机的励磁电流；所述励磁功率输出部分，根据接收自所述控制部分的PWM波，对所述第一整流电路输出的直流输入电压进行逆变后，再整流为直流励磁电流，输出至发电机的励磁机定子绕组。
2.根据权利要求1所述的直流无刷同步风力发电机的励磁装置，其特征在于，所述控制部分包括控制器、转速检测电路、采样调理电路、通讯接口电路、以及辅助电源电路；所述采样调理电路，用于检测得到励磁机的励磁电压和励磁电流、三相不控整流电路输出的直流输出电压、以及主发电机定子绕组任意两相输出的电压，输出至所述控制器； 所述转速检测电路，用于检测得到发电机的当前转速，输出至所述控制器； 所述控制器，用于根据接收到的所述励磁机的励磁电压和励磁电流、所述三相不控整流电路输出的直流输出电压、以及主发电机定子绕组任意两相输出的电压、以及发电机当前转速，通过励磁电流内环控制和直流输出电压外环控制，得到输出需要的占空比，并产生与所述占空比相应脉冲宽度的PWM波，输出至所述励磁功率输出部分； 所述通讯接口电路，用于实现所述励磁装置与变流器的通讯连接； 所述辅助电源电路，用于为所述控制器、所述脉冲控制电路、所述通讯接口电路、所述采样调理电路提供工作电源。
3.根据权利要求2所述的直流无刷同步风力发电机的励磁装置，其特征在于，所述控制器包括第一减法器、第一 PI调节器、调节系数计算单元、第二减法器、第二 PI调节器、 PWM发生器；所述第一减法器的正输入端接收给定基准电压，负输入端接收所述三相不控整流电路经采样调理电路输出的直流输出电压，输出端输出第一比较结果至所述第一 PI调节器；所述第一 PI调节器对所述第一比较结果进行增量式PI计算后，输出第一计算结果至所述调节系数计算单元；所述调节系数计算单元，根据检测得到的所述发电机的当前转速，设定所述当前转速下所述直流输出电压的调节系数，并将所述第一计算结果与所述调节系数的乘积，作为励磁电流给定值，输出至所述第二减法器的正输入端；所述第二减法器的正输入端接收所述励磁电流给定值，负输入端接收所述采样调理电压检测得到的励磁电流，输出端输出第二比较结果至所述第二 PI调节器；所述第二 PI调节器对所述第二比较结果进行增量式PI计算后，输出需要的占空比值至所述PWM发生器；所述PWM发生器根据所述占空比值产生相应脉冲宽度的PWM波，并输出至所述励磁功率输出部分。
4.根据权利要求3所述的直流无刷同步风力发电机的励磁装置，其特征在于，所述控制器为电机控制芯片dsPIC30F4011。
5.根据权利要求2所述的直流无刷同步风力发电机的励磁装置，其特征在于，所述通讯接口电路包括CAN接口电路与串口接口电路；所述控制器通过CAN接口电路与所述变流器相连；所述控制器通过串口接口电路与上位机相连。
6.根据权利要求2所述的直流无刷同步风力发电机的励磁装置，其特征在于，所述辅助电源电路为高频变压器和驱动芯片UC3844组成的单端反激式开关电源。
7.根据权利要求1所述的直流无刷同步风力发电机的励磁装置，其特征在于，所述励磁功率输出部分包括脉冲控制电路、高频脉冲变压器、第二整流电路；所述脉冲控制电路，用于根据接收自所述控制部分的PWM波，对所述第一整流电路输出的直流输入电压进行逆变，并将逆变得到的交流电压输出至所述高频脉冲变压器；所述高频脉冲变压器，用于将所述交流电压降压后，输出至所述第二整流电路；所述第二整流电路，用于将所述降压后的交流电压整流为直流励磁电流，输出至所述励磁机定子绕组。
8.根据权利要求7所述的直流无刷同步风力发电机的励磁装置，其特征在于，所述励磁功率输出部分还包括滤波及续流电路；所述滤波及续流电路接在所述第二整流电路的输出端，用于对所述第二整流电路输出的直流励磁电流进行滤波后，再输出至所述励磁机定子绕组。
9.根据权利要求8所述的直流无刷同步风力发电机的励磁装置，其特征在于，所述励磁装置还包括EMI滤波电路；所述EMI滤波电路用于对所述交流输入电压进行滤波，再送至所述第一整流电路进行整流。
10.一种直流无刷同步风力发电系统，其特征在于，所述系统包括励磁机与主发电机同轴连接的直流无刷同步风力发电机、变流器、以及如权利要求1至9任一项所述的励磁装置；所述励磁装置为所述直流无刷同步风力发电机提供励磁电流。
专利摘要本实用新型公开了一种直流无刷同步风力发电机的励磁装置，用于风力发电系统，包括第一整流电路对交流输入电压整流后，输出直流输入电压；控制部分，检测得到励磁机的励磁电压和励磁电流、发电系统的变流器输出的直流输出电压、主发电机定子绕组任意两相的输出电压、以及发电机当前转速，通过励磁电流内环控制和直流输出电压外环控制，输出PWM波至励磁功率输出部分，调节输送至发电机的励磁电流；励磁功率输出部分，根据PWM波，对直流输入电压进行逆变后整流为直流励磁电流，输出至发电机的励磁机定子绕组。采用本实用新型实施例，能够通过调节输送至发电机的励磁电流的大小，实现发电机输出电压的稳定，保障电力系统的稳定性。
文档编号H02P9/36GK202004714SQ201120119820
公开日2011年10月5日 申请日期2011年4月21日 优先权日2011年4月21日
发明者吴玉杨, 周俭节, 屠运武, 张显立, 施丽, 曹仁贤, 王晓刚, 邓立荣 申请人:阳光电源股份有限公司