单相自激风力发电系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种单相自激风力发电系统，尤其是一种应用于偏远地区以及无电能供给海岛的独立运行单相自激风力发电系统。
【背景技术】
[0002]随着能源危机和环境污染的日趋严重，可再生能源研究获得科研人员广泛关注，尤其偏远山区和海岛等电网无法触及区域，电能供给问题已严重制约当地居民以及戍边人员生活质量的提高。独立运行的小型风电是解决上述问题有效手段，目前广泛应用的小型风电是单相自激风力发电系统，其一般由三相异步电动机改装而成，具有结构紧凑、维护方便、成本低廉以及自我容错能力强等优点。三相异步电动机一般降低20%-25%功率等级方可作为单相自激发电机使用，且发电机安全运行必须提供充足励磁，并使转子转速超过气隙旋转磁链。另外，自激风电的最大缺陷是电压调节能力较差，端口电压受发电机转速、励磁电容以及负载电流等影响易于波动。为此，基于“C-2C”非对称性励磁补偿以及分段式增发并联电容两种补偿策略可解决电压波动，但无法实现负载波动下的电压柔性调节;基于非可控整流加卸荷调控的控制策略可基于负荷以及发电机功率，实时匹配发电机输出功率，确保电压稳定，但非可控整流产生谐波干扰，对发电机以及负荷供电质量都带来影响;基于背靠背双PffM变流器控制方法，可实现电压和频率精确控制，但成本相对较高；另外，风能自身间歇性和波动性使发电机输出电压、频率以及输出功率随机波动，无法确保负载供电质量，更增加了自激发电系统控制难度。
【发明内容】
[0003]本发明是针对上述技术中存在的不足，提供一种单相自激风力发电系统。
[0004]本发明显著特征是:由三相鼠笼电动机、固定励磁电容以及可调励磁电容改装成励磁可调的自激单相发电机，并在双向PWM变流器以及蓄电池的协同控制下，将波动性和间歇性的风能转化为恒频恒压的单相交流电。三相鼠笼电动机定子绕组星型联接，发电机两绕组分别与固定励磁电容两端相连，另一绕组则与可调励磁电容一端相连;可调励磁电容由固定容值、容值可调两部分组成，固定容值用于确保鼠笼电动机三相对称运行，而容值可调部分用于确保发电机端口电压恒定;双向变流器和蓄电池共同构成发电机端口电压和频率调整机构，双向变流器实时依据外界工况，并结合蓄电池端口电压和电流检测，实时调整工作状态以及补偿或消纳电流大小，并在可调励磁电容的协同控制下，对发电机端口电压实时调控。当风力充足时，双向变流器运行在整流模式，并以确保电压频率恒定为目标，消纳多余电能并存储在蓄电池；当风力不足时，双向变流器运行在逆变模式，并以确保负载电压频率恒定为目标补偿缺额功率;当无风时，双向变流器将以恒频/恒压模式逆变输出为关键性负荷提供电能；当蓄电池储能达到下限时，风力发电机将运行在变频变压状态，并以捕获最大风能为目标，调整风机转速为蓄电池充电。
[0005]所述自激风力发电机后侧设置交流电压和电流传感器，并由数字信号处理器DSP28035内嵌的模数转换器采集和滤波处理，藉此进行风能最大捕获；同时结合软件锁相环技术实时获取端口电压频率。
[0006]所述可调励磁电容根据发电机端口电压，实时改变IGBT(绝缘栅门极晶体管)占空比，改变发电机端口容抗，结合双向变流器无功功率调整，共同完成发电机端口电压稳定。其中无功功率调整主要以可调励磁电容为主，只有当其控制饱和后，才启动双向变流器的无功调整功能，否则无功电流设置为0，使双向变换器最大限度调整电压频率。
[0007]所述双向变流器存在励磁供给模态、恒频整流储能模态、恒频逆变补偿模态、恒频恒压逆变模态以及变频变压风能捕获模态等五个状态，有效解决自激发电机启动建压、电压幅值和频率波动以及风能波动性等问题对负荷供电质量影响。
[0008]所述双向变流器需设置电流传感器，对输入输出电感电流进行检测；设置电压和电流传感器对蓄电池电压和电流进行检测，实时判断蓄电池状态并藉此对充放电电流进行限幅，同时藉此改变双向变流器工作状态。
[0009]本发明的优点:
I)采用三相鼠笼电动机、固定励磁电容以及可调励磁电容共同构成单相自激感应发电机，具有运行可靠性高、易维护、价格低廉等优点，非常适合偏远地区。
[0010]2)交流负载与单相自激感应发电机定子绕组相连，省却了传统结构整流器和逆变器，虽并联双向PWM变流器对电压和频率进行控制，但功率等级大幅降低，极大降低设备成本和维护成本，提高了发电系统实用性。
[0011]3)由可调励磁电容以及双向PWM变流器所构成的单相自激发电机端口电压和频率控制机制，有效解决了自激发电机端口电压和频率难于有效控制问题;可调励磁电容结构可柔性调整负载两侧容抗，使发电机构建一个自适应励磁系统，该系统可充分考虑发电机对称运行以及负载电压恒定等问题。
【附图说明】
[0012]图1为单相自激风力发电系统结构图。
[0013]图2为单相自激风力发电系统控制策略流程图。
[0014]图3为单相自激风力发电系统控制结构图。
【具体实施方式】
[0015]I)单相自激风力发电系统(如图1)包括风力涡轮机机(1)、变速箱(2)、星型联接鼠笼式电动机、固定励磁电容(11、12)、可调励磁电容(5)、双向PffM变流器(8)、蓄电池(10)、单相交流负载(9)、SW1(6)、SW2(15)等组成。其中可调励磁电容由两并联电容构成，其中一支路电容由IGBT控制，由Q5A空比调整实现，主要用于发电机无功功率补偿;SWl和SW2为两交流接触器，当风速大于启动风速时，SWl闭合、SW2断开，风机启动；而无风时，SWl断开、SW2闭合，蓄电池单独逆变为负载供电；双向变流器可工作在整流或逆变状态，主要用于控制发电机端口电压Vpcc频率恒定，同时也在可调励磁电容电压控制饱和时，辅助完成发电机端口电压控制。
[0016]2)单相自激风力发电系统可运行励磁供给模态、恒频整流储能模态、恒频逆变补偿模态、恒频恒压逆变模态以及变频变压风能捕获模态等五状态(如图2)。其中，励磁供给模态用于自激风力发电机启动，双向变流器小功率逆变输出为电容充电，为发电机提供励磁，促使风机柔性快速启动，将发电机端口电压提升至额定电压;恒频整流储能模态，当风力发电系统在外界励磁供给下启动，且风机捕获功率大于负载功率，此时双向变流器以电压频率恒定为目标，控制风机多余功率存储至蓄电池，双向变流器工作在整流状态;恒频逆变补偿模态，当风机捕获功率小于负载功率，双向变流器将以电压频率恒定为目标，为交流负荷补偿差额功率，双向变流器工作在逆变状态，并实时检测蓄电池端口电压，当蓄电池端口电压达到蓄电池电压下限时，风电系统将运行在变频变压风能捕获模态，此时以最大限度捕获风能和蓄电池存储能量为主要目标，柔性调节发电机转速获取最大功率;恒频恒压逆变模态，当风速小于启动风速时，双向变流器运行在恒压恒频逆变状态，以确保负载供电需求。
[0017]3)单相自激风力发电系统端口电压和频率的控制结构如图3所示。发电机端口电压Vpcc首先由移相器90°正交移相，并基于d-q旋转坐标系解耦获得Ud和Uq，其中Ud=Vpcc; Uq=23ifJVpcc dt;Uq经低通滤波器LPF、PI控制器以及压控振荡器VCO实时获取Θ和f，其中Θ为旋转定向角度;f为发电机电压频率值。双向变流器电流控制是基于同步旋转坐标系有功电流和无功电流的独立PI解耦控制实现，有功电流参考I#是由17实现，即由频率参考f的PI跟踪控制设置;而无功电流参考Idrrf则由16实现，即基于Udrrf PI跟踪控制器予以设置，当PI跟踪器未饱和时，Idref=O,而当PI跟踪器饱和时，无功电流参考Idref则为PI输出超过饱和部分值；同时基于Udref PI跟踪控制器以及限幅控制器实时调控^占空比，改变并联容抗以实现发电机端口电压有效控制；为降低蓄电池过充或深度放电对其寿命影响，基于蓄电池端口电压和电流对有功电流的PI输出限幅，最后经坐标转换和SPffM调制技术，获取4个IGBT驱动信号Q1- Q4，以实现频率和电压有效控制。
【主权项】
1.本发明公开了一种单相自激风力发电系统，系统由三相鼠笼电动机、固定励磁电容以及可调励磁电容共同构成励磁柔性可调的单相自激发电机;鼠笼电动机定子绕组星型联接，固定励磁电容与两绕组相连，并以电容容值中间为单相电源N线，可调励磁电容与另一绕组耦合后作为电源L线；交流负载与双向PWM变流器并联共同耦合与发电机定子绕组相连;双向变流器和蓄电池构成了发电机端口电压频率和幅值的调整机构，主要用于调节发电机电压频率恒定，并在可调励磁电容端口电压控制饱和后，协同控制发电机端口电压。2.权利要求1所述单相自激风力发电系统存在励磁供给模态、恒频整流储能模态、恒频逆变补偿模态、恒频恒压逆变模态以及变频变压风能捕获模态五种工作状态，发电系统工作模态主要由风速、负荷以及蓄电池荷电状态共同决定。3.权利要求1所述可调励磁电容由固定容值和可调容值两部分组成，可调容值部分由IGBT对励磁电容容值实施调控，调整策略采用单相dq坐标下的发电机端口电压参考的PI跟踪控制器实现。4.权利要求1所述双向变流器和蓄电池共同构成发电机端口电压频率调整机制，双向变流器实时依据外界工况调整整流或逆变状态，同时结合蓄电池端口电压和电流的检测，实时改变消纳或补偿功率大小;双向变流器控制是基于同步旋转坐标系下单相电流有功和无功解耦，并分别基于有功无功电流参考的PI跟踪控制实现，其中有功电流参考由频率参考frrf的PI跟踪控制设置的；而无功电流参考则基于Udref的PI跟踪控制器设置，其值为PI控制输出超过饱和限定部分。
【专利摘要】本发明公开了一种单相自激风力发电系统。其中，由三相鼠笼电动机、固定励磁电容以及可调励磁电容共同构成励磁可调的单相自激发电机；可调励磁电容由固定容值和可调容值两部分组成，容值调整由IGBT占空比调控实现；交流负载与双向PWM变流器并联，并与发电机定子绕组耦合；双向变流器和蓄电池构成发电机电压频率的调整机构，并在可调励磁电容电压控制饱和受限时，协同控制发电机端口电压，采用基于90度移相的单相电压和电流解耦策略，藉此完成有功和无功电流参考跟踪控制策略，有功电流参考由频率设定PI跟踪控制器实现，无功电流参考由电压幅值PI跟踪控制器设置，其值为PI控制输出超过饱和限定部分。
【IPC分类】H02P9/14, H02J7/34, H02K17/44, H02K11/30
【公开号】CN105529975
【申请号】CN201610083301
【发明人】褚晓广, 蔡彬, 王乃哲, 郭登鹏, 李向东
【申请人】曲阜师范大学, 褚晓广
【公开日】2016年4月27日
【申请日】2016年2月6日