专利名称：变速恒频绕线型无刷双馈发电机控制装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及风力发电机，特别是变速恒频绕线型无刷双馈发电机控 制装置。
背景技术：
习知技术双馈感应发电机作为变速恒频型机组，在水电站、抽水蓄能电 站，特别是在大型风力发电机组中得到广泛应用，因其机組可以变速恒频运 行的特点，使发电机组的能量转换效率大大提高。由于大型匿级风力发电机
组转速很低， 一般在15-35rpm，如此低的转速将会使电 1对数增加、电机 几何尺寸和重量都大大增加。目前的办法是通过增速齿轮箱升速，齿轮箱效 率可达到97%、虽然故障率较高，但此办法可选用高速双馈感应发电机， 一般 为4/6极电机，从而减轻电机制造和成本上的麻烦。随着海上风电场机组容 量的增大如3-5匿机组、甚至IO匿容量的机组已在研发中。此型机组的可靠 性，主要是由滑环和齿轮箱故障导致的停机，已成为突出问题，出于对风电 机组可靠性、系统转换效率和机组综合成本的考虑，永磁直驱型同步风力发 电机组便应运而生。中国专利CN200410003089. 3公开了一种MW级直接驱动 永磁外转子同步风力发电机，它采用多极外转子结构。该发电机包括固定轴、 转动轴、线圏绕组、永》兹磁钢、铁芯、定子和外转子，其中转动轴通过轴承 安装于固定轴上，定子通过定子支架安装于固定轴上，外转子通过转子支架 安装于转动轴上，在绕组线圏和定子支架之间可以设有轴向的冷却通风道； 在外转子和定子之间的迎风面设有保护罩。该机组去掉损失系统效率、故障 频繁的增速齿轮箱，没有传输大电流的滑环电刷，采用永磁材料励磁，励磁 损耗降低，发电机发出频率变化的低频交流电，通过全功率变频器并网，从 而实现风电机组的变速恒频发电。永磁直驱型同步风力发电机組由于其良好 的可靠性，很高的系统效率，虽机组费用高于前者、但其维护成本低等诸多
优势。此机型存在电机直径尺寸庞大，安装运输不便，发电机与全功率变流 器成本高，发电机运行不便进行无功调节等技术缺陷。
发明内容
本实用新型所要解决的问题在于，克服袭用技术存在的上述缺陷，而提 供一种变速恒频绕线型无刷双馈发电机控制装置。
本实用新型目的是提供一种变速恒频绕线型无刷双々贵发电机控制装置。 本实用新型解决变速恒频绕线型无刷双馈发电机控制装置技术问题是采
取以下技术方案来实现
依据本实用新型提供的一种变速恒频绕线型无刷双馈发电机控制装置， 包括机组集控装置，集控装置连接信号传感器，设有控制信号输出端口，其 中，控制装置设有机组集控制装置、励磁机交流励磁装置、发电机助磁装置、 风速风向测量装置、发电机转速传感器和风机制动控制器；
机组集控装置设有风速传感器测量的信号输入端口 、风向传感器测量的 信号输入端口，设有与上位机远程通信的输出信号端口；机组集控装置与发 电机机端电压互感器连接，以测得发电机机端电压数值，与发电机输出电流 互感器连接，以测得发电机输出电流数值；机组集控装置与励磁电压互感器 连接，以测得励磁机励磁电压数值，与励磁电流互感器连接，以测得励磁机 励磁电流数值；机组集控装置连接发电机转速传感器和风机制动控制器；
网开关内侧连接，交流励磁装置接受机组集控装置的控制指令，其输出侧主 回路与励磁机定子绕组连接；
发电机助磁装置主回路与发电机输出端连接，并接受机组集控装置的控 制指令，发电机输出端通过并网开关、升压变压器与电网连接。
本案解决变速恒频绕线型无刷双馈发电机控制装置技术问題还可依以下 技术措施进一步实现
前迷的变速恒频绕线型无刷双馈发电机控制装置，其中，机组集控装置
连接控制偏航机构，使风轮上风向旋转。
前述的变速恒频绕线型无刷双馈发电机控制装置，其中，机組集控装置 通过闭环控制变桨距机构，保持风轮额定风速以下以最佳风能利用率运行、
额定风速以上以发电机额定输出功率运行；变桨距机构连接转速测量器、桨 距角测量器、变桨伺服机构、伺服电机、变桨距控制装置。
前述的变速恒频绕线型无刷双馈发电机控制装置，其中，励磁装置主回 路由两组双向整流-逆变单元组成；发电机在同步转速以下运行时，励磁装置 向励磁机定子提供励磁电流和部分有功能量，发电机在同步转速以上运行时， 励磁装置向励磁机定子提供励磁电流的同时，有部分有功能量馈向电网；励 磁装置通过控制回路实现与机组集控装置的通信联系。
前述的变速恒频绕线型无刷双馈发电机控制装置，其中，才;u組集控装置， 设有电机温升监测端口 ，设有风轮制动信号输出端口 。
前述的变速恒频绕线型无刷双馈发电机控制装置，其中，发电机助磁装 置设有电容器，电容器通过可控硅控制其投入数量，可控硅的导通控制由机 组集控装置完成。
前述的变速恒频绕线型无刷双馈发电机控制装置，其中，发电机助磁装 置(22)和励磁装置(23)安装于圓筒形空间内。
本实用新型与现有技术相比具有显著的优点和有益效果。由以上技术方 案可知，本实用新型在优异的结构配置下，至少有如下的优点
本实用新型采用绕线型无刷双馈发电控制装置，在大型风力发电领域实 现了机组的变速恒频运行，以约1/3发电机额定容量的变流励磁装置，可方 便调节无功。本实用新型降低了控制系统成本，提高了机组的安全性、可靠 性和运行效率。本实用新型对比现有技术有显著的贡献和进步，确实是具有 新颖性、创造性、实用型的好技术。
本实用新型的具体实施方式
由以下实施例及其附图详细给出。
图l是本实用新型工作原理结构示意框图2是本实用新型机组集控装置硬件结构示意框图； 图3是本案控制绕线型套叠转子无刷双馈发电机的整体结构示意图.
具体实施方式
以下结合附图及较佳实施例，对依据本实用新型提供的具体实施方式
、 结构、特征及其功效，详细说明如后。 如图1-3所示。
一种变速恒频绕线型无刷双馈发电机控制装置，包括机组集控装置，集 控装置连接信号传感器，设有控制信号输出端口，其中，控制装置设有机组 集控制装置24、励磁机交流励磁装置23、发电机助磁装置22、风速风向测量 装置、发电机转速传感器和风机制动控制器；
机组集控装置24设有风速传感器测量的信号输入端口 Dl、风向传感器测 量的信号输入端口D2，设有与上位机远程通信的输出信号端口 D3;机组集控 装置24与发电枳4几端电压互感器T2连接，以测得发电扭^几端电压数值，与 发电机输出电流互感器T3连接，以测得发电机输出电流数值；机组集控装置 24与励磁电压互感器T5连接，以测得励磁机励磁电压数值，与励磁电流互感 器T4连接，以测得励磁机励磁电流数值；机组集控装置24连接发电机转速 传感器和风机制动控制器；
励磁机交流励磁装置23主回路输入侧通过投励开关K2与发电机定子输 出端并网开关内侧连接，交流励磁装置23接受机组集控装置24的控制指令， 其输出倒主回路与励磁机定子绕组连接；
发电机助磁装置22主回路与发电机输出端连接，并接受机组集控装置24 的控制指令，发电机输出端通过并网开关n、升压变压器T1与电网连接。
绕线型叠套转子无刷双馈电机WBDFG控制装置结构
WBDFG控制装置包括机组集控装置、励磁机交流励磁装置、发电机助磁装 置、偏航控制器、变桨控制器、风速风向测量装置、发电机转速传感器、风 机制动控制器等。机组集控装置24设有控制单元24-1、触摸屏24-2、上位远端中控计算 机24-3、自动同期装置24-4、发电机側适配单元24-5、励磁机側适配单元 24-6、保护控制单元24-7。控制单元24-1设有风速、风向、转速、电机温升 信号输入端口，开关K1、开关K2、偏航控制、变桨调节、解缆输出、风轮制 动开关等信号输出端口。机组集控装置24设有风速传感器测量的信号输入端口 Dl，风向传感器测 量的信号输入端口 D2,设有与上位机远程通信的输出信号端口 D3,设有电机 温升监测端口 ，设有风轮制动信号输出端口 。机组集控装置24与电压互感器T2连接，以测得发电4几机端电压数值， 与电流互感器T3连接，以测得发电机输出电流数值。机组集控装置24与电压互感器T5连接，以测得励磁机励磁电压数值， 与电流互感器T4连接，以测得励磁机励磁电流数值。交流励磁装置23主回 路输入側通过投励开关K2与发电机定子输出端并网开关内侧连接，交流励磁 装置23接受机组集控装置24的控制指令，其输出侧主回路与WBDFG励磁机 定子绕组连接，励磁装置23主回路由两组双向PWM整流一逆变单元Ql、 Q2 组成。WBDFG在同步转速以下运行时，Q1PWM整流、Q2P西逆变，励磁装置23 向励磁机定子提供励磁电流和部分有功能量，WBDFG在同步转速以上运行时， Q1PWM逆变、Q2PWM整流，励磁装置23向励磁机定子提供励磁电流的同时， 有部分有功能量馈向电网。励磁装置23通过控制回路实现与机组集控装置24 的通信联系。发电机助磁装置22主回路与发电机输出端连接，并接受机组集控装置24 的控制指令。发电机助磁装置22由n+l个电容器组成，并通过可控硅控制其 投入数量，可控硅的导通控制由机组集控装置24完成，发电机输出端通过并 网开关K1、升压变压器690/110000V TI与电网连接。机組集控装置24通过偏航机构25控制W抑FG使风轮上风向旋转，机组 集控装置24通过闭环控制变桨距机构29,保持风轮额定风速以下以最佳风能 利用率运行、额定风速以上以发电机额定输出功率运行。变桨距机构29包括 转速测量机构G1、桨距角测量机构G2、变桨伺服机构G3、伺服电机M1、变 桨距控制装置G4组成。以本实用新型控制绕线型套叠转子无刷双馈发电机为例，进行详细说明 绕线型套叠转子无刷双馈发电机，包括发电机主体、定子、转子、风机 叶片2、轮毂l，风机叶片2安装在轮毂1上，在发电机主体内，转子相对定 子旋转的构造设置，风机叶片2带动轮毂1驱动转子旋转，其主体内设置套 叠转子式发电机和励磁机，发电机和励磁机转子同轴安装，发电机和励磁机 轴向并联结构设置；发电机和励磁机各自独立磁路，发电机转子绕组15极对 数与发电机定子绕组14极对数相同，励磁机转子绕组16极对数与励>^机定 子绕组7极对数相同。绕线型套叠转子无刷双馈电机(WBDFG)结构WBDFG由两个多对极绕线转子电机复合而成，iV对极电机为发电机，^对 极电机为励磁机，其两电机极对数关系满足PP>PC。发电机和励磁机各自 独立铁芯磁路，安装在一个外壳内。两电机转子同轴安装、且绕组为绕线式 波绕组结构、导线为铜或铝材质，转子为多相最佳为三相，转子绕組极对数 与各自定子绕组极对数相同，两转子绕组均为星型接线，两转子绕组出线端 反相序连接。绕线型套叠转子无刷双馈发电机套叠转子结构为了利用电机圓筒形结构的内部空间、缩短WBDFG的轴向长度，采用套 叠转子结构。如图风机叶片2安装在轮毂1上，轮毂l内设有通用的变桨 距机构29，变桨距机构29在机组集控装置24的控制下，通过改变叶片2的 桨距角，实现风轮转速的调节。轮毂安装板3用以将轮毂1与电机输出轴6 连接。套叠转子式WBDFG由励磁机和发电机轴向并联结构組成。兼作发电的励
磁机由励磁机定子铁芯9、装在此铁芯槽中的励磁机定子绕组7、励磁机转子 铁芯8、装在此铁芯槽中的励磁机转子绕组16组成，励磁机转子在励磁机定 子外側围绕励磁机定子旋转，励磁机定子铁芯9与励磁机转子铁芯8之间设 有励磁机气隙12，励磁机定子绕组7与励磁装置23相连，励磁机转子绕组 16通过转子绕组连接线13与发电机转子绕组15反相序连接。发电机由发电 机定子铁芯ll、装在此铁芯槽中的发电机定子绕组14、发电机转子铁芯IO、 装在此铁芯槽中的发电机转子绕组15组成，发电机转子在发电机定子内側旋 转，发电机定子铁芯11和发电机转子铁芯IO之间设有发电机气隙17，发电 机定子绕组14与发电机助磁装置22并联。励磁机定子铁芯9安装在励磁机定子外壳32外侧，发电机定子铁芯11 安装在电机外壳28内侧，励磁机定子外壳32与电机左轴端支撑板21、电机 中部支撑板31和励磁机端部支撑板33连接成一个整体，并与4^后盖20和 电机外壳28连接。励磁机转子铁芯8与发电机转子铁芯10安装在同一个圓筒形电机输出轴 6的内外两侧，电机输出轴6分别与电机左端盖18和电机右端盖5连接，并 由于其连接的电机右轴端支撑板30径向支撑，两端盖通过电机左轴承19和 电机右轴承4支撑两转子同轴旋转。电机外壳28底部与电机支撑板27连接，使电机倾斜5-10度，以防止叶 片工作时与塔筒26刮蹭，电机底座处与塔筒顶部之间装设偏航机构25。发电机助磁装置22装于内定子输出轴圓筒形空间内，与发电机定子绕组 14并接，励磁装置23装于内定子输出轴圓筒形空间内，与励磁机定子绕组7 连接，机组集控装置24装于内定子输出轴圓筒形空间内，与机组内外相关部 件连接。发电机偏航解缆控制、发电机安全保护控制、发电机工作状态信息监控 同现有风电机組。绕线型无刷双馈电机WBDFG电气控制方法如下
WBDFG的励磁系统由交流励磁装置23与发电机助磁装置22組合而成，在 机组集控装置24的控制下，完成发电机的起励升压、并网发电和无功调节，起励控制风力机在额定转速以下，以一定速度驱动WBDFG旋转，发电 机处于与电网解裂状态，励磁机准备投励，发电机助磁装置22在机組集控装 置24的调节下，使发电机逐渐建立电压，由机组集控装置24通过T2测得发 电机输出电压，当发电机空栽输出电压达到额定输出电压30%-60%时，机组集 控装置24令K2闭合，励磁机交流励磁装置23投励，机组集控装置24调节 交流励磁装置23,使发电机电压达到额定输出值、^JL电机频率达到并网要 求，准备并网。并网控制才几组集控装置24通过T2、 T6对K1两倒电压、相序、頻率及 通过G对风力机转速的测量，在发电机输出端与电网接线相序一致的条件下、 机组集控装置24调节交流励磁装置23电压的幅值和频率，跟踪对电网侧和 风力机转速测量的数据，当发电机输出端和电网侧的电压幅值、相序及频率 达到并网技术要求的一致性后，由机组集控装置24内置的同期装置发出信号， 令发电机并网开关K1自动闭合，完成并网。变速恒频特性控制目前国标规定风力发电机输出电压頻率范围为 47. 5Hz-51Hz。不管发电机转速如何变化，其定子电压频率满足此国标规定的 频率范围、且与电网频率相同，风电机組就实现了变速恒频运行。具体控制 过程如下随着风速的变化，机组集控装置24通过控制变桨i E^几构29以熟知的方 式调节风力机叶片2的桨距角，即可调节发电机机械转速^。交流励磁装置 23通过励磁机定子绕组7馈入的交流励磁电流频率为/c ，该频率旋转磁场在 励磁机转子绕組16产生感应电流其频率为Sd ,该转子电流通过与励磁机转 子绕组16反相序连接的发电机转子绕组15，形成发电才/U定子绕组14的励磁磁场，该励磁磁场相对发电机转子的W^旋转速度为级2-^^i，发电机
定子电压频率即电网频率y;，该频率磁场的旋转速度为<formula>formula see original document page 12</formula>。同步工作时，发电机转子的机械角速度和相对其旋转的励磁磁场同步旋转的角速度二 者的和或差，始终与定子磁场同步旋转的角速度同步，三者关系以下式表示。<formula>formula see original document page 12</formula>或者<formula>formula see original document page 12</formula><formula>formula see original document page 12</formula>式中发电机转速低于WBDFG的同步速时，取"+"号 发电机转速高于WBDFG的同步速时，取"-"号由此以发电机定子输出电压频率/;为目标，调节风力机转速即发电机转 速^和励磁机定子励磁电流频率/c形成闭环控制，就可实现WB0FG的变速恒 频特性控制。有功控制WBDFG的转速也可表示为一般表示^-^Ml同步转速<formula>formula see original document page 12</formula>
其中iV:风力机转速即发电机转速 /c:励》兹机定子励磁电流频率 在此关系式中，当iV〈W。时，交流励磁装置23向励磁机定子绕組7提供 励磁电流的同时，还馈入滑差容量的有功功率，其馈入励磁电流相序使励磁 机转子转向与发电机转向相反，上述表达式取"-"号，当A^jv。时，交流励 磁装置23向励磁机定子绕组7提供励磁电流的同时，还向电网馈入滑差容量 的有功功率，其馈入励磁电流相序使励磁机转子转向与发电机转向相同，上 述表达式取"+"号。在前述变速恒频特性控制方法中，分阶段按不同规律调 节发电机转速，实现机组的有功控制。WBDFG并网运行后，风力机在低于额定 风速以下运行时，机組集控装置24通过控制变桨距机构29以熟知的方式调 节风力机叶片2的桨距角使其转速以风能利用系数最大模式运行，此阶段为 风能利用率最大化阶段。在此阶段，当发电机转速低于同步转速即取号 区间，此转速区间励磁机提供励磁的同时还需从电网吸收容量等于发电机滑
差功率的有功功率，此部分有功功率经励磁机定子绕组7、励磁机转子绕组 16、发电4 L转子绕组15到发电机定子绕组14输出，此部分有功功率对电网 没有贡献、且有一定的内部损耗，此区间WBDFG发电机效率最低。当发电机 以同步转速工作时刻，即/c-0状态，励磁机只有励磁功率输入，发电机单独 输出有功功率，此刻WBDFG发电机效率较高。当发电机转速高于同步转速即 取"+"号区间，此区间励磁机提供励磁的同时，还有与发电机滑差功率相同 的有功功率从发电机转子绕组15、励磁机转子绕组16、经励磁机定子绕组7 馈入电网，此区间发电机、励磁机双侧同时向电网贡献有功，即所谓双馈发 电，此区间WBDFG发电机效率很高。当风力机在额定及以上风速运行时，机 组集控装置24通过控制变桨距机构29以熟知的方式调节风力机叶片2的桨 距角使其转速基本恒定，WBDFG以额定功率输出模式运行，此阶段为恒功率输 出阶段。恒功率输出阶段WBDFG为双馈发电，发电机的效率最高。电压和无功控制WBDFG在不同转速下均可并网，并网前当频率、相序满 足要求后，发电机助磁装置22在机组集控装置24的调节下，使发电机逐渐 建立电压，由机组集控装置24通过T2测得发电机输出电压，当发电机空栽 输出电压达到额定输出电压30%-60%时，机组集控装置24通过调节励磁装置 23交流励磁电流的大小，从而调节发电机输出电压的高低。发电机并网运行 后，机组集控装置24通过调节励磁装置23和发电机助磁装置22,使WBDFG 向电网馈电的功率因数满足国标要求，cos^ = ±0.975 。本实用新型利用励磁机 侧的交流励磁装置与发电机側的辅助励磁装置有机结合，在机組集控装置的 调节下根据风电场运行要求完成满足国标要求的无功控制。以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任 何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何 简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。
权利要求1. 一种变速恒频绕线型无刷双馈发电机控制装置，包括机组集控装置，集控装置连接信号传感器，设有控制信号输出端口，其特征在于控制装置 设有机组集控装置(24 )、励磁机交流励磁装置(23 )、发电机助磁装置(22 )、 发电机转速传感器和风机制动控制器；机组集控装置(24)设有风速传感器测量的信号输入端口 (Dl)、风向传 感器测量的信号输入端口 ( D2 )，设有与上位机远程通信的输出信号端口 ( D3 ); 机组集控装置(24)与发电机机端电压互感器(T2)连接，以测得发电机机 端电压数值，与发电机输出电流互感器(T3)连接，以测得发电机输出电流 数值；机组集控装置(24)与励磁电压互感器(T5)连接，以测得励磁机励 磁电压数值，与励磁电流互感器(T4)连接，以测得励磁机励磁电流数值； 机组集控装置(24)连接发电机转速传感器和风机制动控制器；励磁机交流励磁装置(23)主回路输入侧通过投励开关U2)与发电机 定子输出端并网开关内侧连接，交流励磁装置(23)接受机组集控装置(24) 的控制指令，其输出侧主回路与励磁机定子绕组连接；发电机助磁装置(22)主回路与发电机输出端连接，并接受机组集控装 置(24)的控制指令，发电机输出端通过并网开关(Kl)、升压变压器(Tl) 与电网连接。
2. 如权利要求1所述的变速恒频绕线型无刷双馈发电机控制装置，其特 征在于机组集控装置(24)连接控制偏航机构(25)，使风轮上风向旋转。
3. 如权利要求1或2所述的变速恒频绕线型无刷双馈发电机控制装置， 其特征在于机组集控装置(24)通过闭环控制变桨距机构(29)，保持风轮 额定风速以下以最佳风能利用率运行、额定风速以上以发电机额定输出功率 运行；变桨距机构(29)连接转速测量器(Gl)、桨距角测量器(G2)、变桨 伺服机构(G3)、伺服电机(Ml)、变桨距控制装置(G4)。
4. 如权利要求3所述的变速恒频绕线型无刷双馈发电机控制装置，其特 征在于励磁装置(23)主回路由两组双向整流-逆变单元组成；发电机在同 步转速以下运行时，励磁装置(23)向励磁机定子提供励磁电流和部分有功 能量，发电机在同步转速以上运行时，励磁装置(23)向励>^才几定子提供励 磁电流的同时，有部分有功能量馈向电网；励磁装置(23)通过控制回路实 现与机组集控装置(24)的通信联系。
5. 如权利要求4所述的变速恒频绕线型无刷双馈发电机控制装置，其特 征在于机组集控装置(24)，设有电机温升监测端口和风轮制动信号输出端 口 。
6. 如权利要求5所述的变速恒频绕线型无刷双馈发电机控制装置，其特 征在于发电机助磁装置(22)设有电容器，电容器通过可控硅控制其投入 数量，可控硅的导通控制由机组集控装置(24)完成。
7. 如权利要求6所述的变速恒频绕线型无刷双馈发电机控制装置，其特 征在于发电机助磁装置(22)和励磁装置(23)安装于圃筒形空间内。
专利摘要一种变速恒频绕线型无刷双馈发电机控制装置涉及风力发电机。本实用新型包括机组集控装置，集控装置连接信号传感器，设有控制信号输出端口，其中，控制装置设有机组集控制装置、励磁机交流励磁装置、发电机助磁装置、风速风向测量装置、发电机转速传感器和风机制动控制器；机组集控装置设有传感器测量的信号输入端口；励磁机交流励磁装置主回路输入侧与发电机定子输出端连接，输出侧主回路与励磁机定子绕组连接；发电机助磁装置主回路与发电机输出端连接，并接受机组集控装置的控制指令，发电机输出端通过并网开关、升压变压器与电网连接。本实用新型实现了机组的变速恒频运行，方便调节无功，降低了控制系统成本，提高了机组的安全性、可靠性和运行效率。
文档编号H02P9/04GK201039068SQ20072009601
公开日2008年3月19日 申请日期2007年5月15日 优先权日2007年5月15日
发明者商建锋, 杨彦杰, 王华君 申请人:天津市新源电气科技有限公司