专利名称：双凸极永磁风力发电机系统的制作方法
技术领域：
本实用新型是关于一种双凸极永磁风力发电机系统，属于发电机 控制的技术领域。
背景技术：
风能是一种洁净的可再生能源，大力发展包括风力发电在内的可 再生能源发电技术是解决全球能源和资源紧张的最佳选择。风力发电 机组可以按照运行方式分为定速运行和变速运行两大类，由于变速风 力发电机组可比定速风力发电机组捕获更多的风能并减小了传动系 统的冲击载荷，目前在世界范围内获得了更加广泛的应用，针对变速 风力发电机组可采用多种形式的发电机，例如双馈异步发电机、永磁 同步发电机，对可变速双馈异步风力发电系统来说，由于双馈异步发 电机的运行转速较高，因此在风力机和双馈异步发电机之间需要采用 增速齿轮箱，从而增加了传动系统的损耗和降低了系统可靠性；永磁 同步风力发电系统可实现风力发电机的直接驱动，简化了传动轴的结 构，提高了效率，同时，永磁同步发电机采用稀土永磁材料为提供发 电机所需的工作磁场，有效地提高了发电机的效率，但是，永磁同步 发电机的永磁体位于转子上，使得转子结构复杂、永磁体散热条件差， 而永磁同步发电机的定子绕组采用了分布绕组，其绕组端部较长，材 料利用率低、损耗大。将永磁体和开关磁阻电机相结合产生了双凸极永磁电机，它一方 面保留了大部分开关磁阻电机的优点，同时克服了开关磁阻电机功率 密度低、效率低和功率因数低的缺点，和永磁同步发电机相比，双凸 极永磁发电机最明显的特点是永磁体和电枢绕组均位于定子侧，具有 和开关磁阻电机相同的简单的凸极转子和集中式的定子绕组，因此双 凸极永磁发电机兼具永磁电机和磁阻电机的各自优点。电机的功率密 度高、效率高，定、转子为双凸极结构，转子上既无绕组也无永磁、 电刷，结构简单、牢固，高速运行性能好；定子齿上安放集中绕组， 绕组的端部短，节省铜导体，损耗小，效率高。
由于双凸极永磁电机具有上述优势，已经引起业内人士的重视， 并逐渐扩大其应用的场合。风能虽然是一种洁净的可再生能源，但其 变化无常，在利用风能作为驱动双凸极永磁电机的动力时，尤其是将 其与电网沟通形成完整的系统时实现自动控制装置，未见报道。
发明内容
本实用新型的目的在于针对风能波动性大，双凸极永磁电机的 输出难于控制的实际问题，提供一种含有自动控制装置的双凸极永磁 风力发电机系统。
本发明的目的是这样实现的 一种双凸极永磁风力发电机的可变 速风力发电系统，包括风力机和双凸极永磁发电机，其特征在于还
包括两个PWM (Pulse Width Modulation)功率变换器和控制器，在
系统中风力机与双凸极永磁发电机的转动轴连接，双凸极永磁发电机的定子电枢绕组端子与发电机侧PWM功率变换器连接，网侧PWM 功率变换器的交流侧与电网连接，两个PWM功率变换器采用背靠背 连接；发电机侧PWM功率变换器的控制器电路包括电流传感器、 旋转编码器和含有SVPWM发生器的控制器，控制器的输入端分别 与电流传感器和旋转编码器相连接，控制器由SVPWM发生器输出 信号与PWM功率变换器相连接。
在本实用新型中所述的发电机侧PWM功率变换器的控制器电 路中还含有最大风能跟踪模块MPPT、最大效率控制/最大转矩控制模 块和电流控制模块，输入端由旋转编码器获得转速信号经MPPT形成 转矩控制信号r;,转矩控制信号输入最大效率控制/最大转矩控制模 块，最大效率控制/最大转矩控制模块输出的交轴电流给定信号《和 直轴电流给定信号^输入电流控制模块；由电流传感器获得的电流测 量信号4和4经矢量变换转换为交、直轴电流测量信号^和^输入电 流控制模块；由电流控制器模块产生调制信号"〗和《输入SVPWM 发生器，SVPWM发生器输出信号与PWM功率变换器相连接。
在本实用新型中电流控制模块采用了前馈解耦结构，电流控制 模块中具有两个传统的PI调节器。
本实用新型的优点在于由于利用风能作为驱动双凸极永磁电机 的动力，既保留了风力发电对环境没有污染的优势，又发挥了双凸极 永磁电机传动轴和转子结构简单，效率高、功率密度高的优点；由于 双凸极永磁风力发电机系统中釆用了双PWM功率变换器和控制器，消除或减小了风力对双凸极永磁风力发电机输出功率的影响，确保采 用双凸极永磁风力发电机后，整个电网系统的正常运行；由于控制器 中采用发电机侧PWM功率变换器的控制器电路包括电流传感器、 旋转编码器和含有SVPWM发生器的控制器实现变速调节，电路简 单，控制灵活。
图1是双凸极永磁风力发电系统框图2是发电机侧的控制系统框图3是电流控制模块的内部结构示意图4是双凸极永磁风力发电机的纵截面图5是双凸极永磁风力发电系统的电流矢量轨迹。
图中1、风力机，2、双凸极永磁发电机，3、 PWM功率变换器， 4、控制器，5、电流传感器，6、旋转编码器，7、外转子，8、内定 子，9、永磁体，10、电枢绕组，11、电流限制圆，12、最大效率曲 线，13、最大转矩曲线。
具体实施方式
附图非限制性地公开了本实用新型实施例的具体结构，下面结合 附图对本发明作进一步说明。
由图l可见，双凸极永磁风力发电机系统包括风力机l，双凸 极永磁发电机2， PWM功率变换器3。其具体的连接方式是风力机 1与双凸极永磁发电机2的转动轴连接，双凸极永磁发电机的定子电枢绕组端子与发电机侧PWM功率变换器连接，网侧PWM功率变换 器的交流侧与电网连接，两个PWM功率变换器采用背靠背连接。
由图2可见发电机侧PWM功率变换器的控制器电路包括电 流传感器5、旋转编码器6以及含有最大风能跟踪模块MPPT、最大 效率控制/最大转矩控制模块、电流控制模块和SVPWM发生器的控 制器。控制器的输入端分别与电流传感器和旋转编码器相连接，控制 器由SVPWM发生器输出信号与PWM功率变换器相连接。
工作时，控制器的输入端由旋转编码器获得转速信号经MPPT形 成转矩控制信号 ；，转矩控制信号输入最大效率控制/最大转矩控制 模块，最大效率控制/最大转矩控制模块输出的交轴电流给定信号《 和直轴电流给定信号z:输入电流控制模块；由电流传感器获得的电流 测量信号/。和4经矢量变换转换为交、直轴电流测量信号^和^输入 电流控制模块；由电流控制器模块产生调制信号"〗和";输入SVPWM 发生器，SVPWM发生器输出信号与PWM功率变换器相连接。
由图3可见控制器中的电流控制模块采用了前馈解耦结构，电 流控制模块中具有两个传统的PI调节器。
由图4可见，双凸极永磁发电机主要包括外转子7，内定子8， 永磁体9，电枢绕组IO。具体实施时，双凸极永磁发电机也可以采用 内转子结构，相比较而言，外转子结构的双凸极永磁发电机的材料利 用率更高。
由图5可见，双凸极永磁风力发电系统的电流矢量轨迹在交轴电流&和直轴电流^坐标系中，包括电流限制圆11、最大效率曲线12 和最大转矩曲线13，它们表示了上述控制系统在不同控制模式下的 电流工作点变化情况，工作中，双凸极永磁发电机的电流通过矢量分
解为交轴电流^和直轴电流^两部分其中
在低风速时，双凸极永磁发电机的电流在电流限制圆内部，控制 器工作在最大效率模式下，此时交、直轴电流的轨迹与最大效率曲线
12重合。双凸极永磁发电机的损耗主要包括铜耗和铁耗，要使双凸
极永磁发电机的效率最大，就需要使铜耗和铁耗之和最小。双凸极永 磁发电机的铜耗表达式为<formula>formula see original document page 9</formula>
其中i 。为电枢绕组电阻；若保持发电机转矩分量交轴电流^不变， 则直轴电流&等于零时的铜耗最小，但是我们可以通过调节交、直轴 电流使得双凸极永磁发电机的定子磁链^小，从而得到最小的铁 耗，定子磁链的表达式为<formula>formula see original document page 9</formula>
其中z^和"分别为双凸极永磁发电机的直轴和交轴电感分量， 为双凸极永磁发电机永磁磁链；因此，根据双凸极永磁发电机铜耗和 铁耗之和为最小的最大效率工作模式，可以得到最大效率工作模式的 交轴和直轴电流控制信号分别为 <formula>formula see original document page 9</formula>上式即为最大效率控制的核心算法。
当风速增加时发电机的负载和输出电流也将随之增加，那么在某 个风速条件下，双凸极永磁发电机的电流将达到电流限制圆的极限而 不能再继续增加，控制器将切换系统工作模式从最大效率曲线至最大
转矩模式，电流轨迹沿着电流限制圆从A点向B点运行，最后在最 大转矩曲线和电流限制圆的交点B点稳定运行。最大转矩控制的输 出量控制算法为
g=w〉戸+(丄d - 、》 :' :] °
控制器4中MPPT控制模块的输出量r/由双凸极永磁发电机的
转速确定，具有如下关系式
式中《。p,为和风力机有关的特性参数。
权利要求1、一种双凸极永磁风力发电机的可变速风力发电系统，包括风力机和双凸极永磁发电机，其特征在于还包括两个PWM功率变换器和控制器，在系统中风力机与双凸极永磁发电机的转动轴连接，双凸极永磁发电机的定子电枢绕组端子与发电机侧PWM功率变换器连接，网侧PWM功率变换器的交流侧与电网连接，两个PWM功率变换器采用背靠背连接；发电机侧PWM功率变换器的控制器电路包括电流传感器、旋转编码器和含有SVPWM发生器的控制器，控制器的输入端分别与电流传感器和旋转编码器相连接，控制器由SVPWM发生器输出信号与PWM功率变换器相连接。
2、 根据权利要求1所述的双凸极永磁风力发电机的可变速风力 发电系统，其特征在于所述的发电机侧PWM功率变换器的控制器 电路中还含有最大风能跟踪模块MPPT、最大效率控制/最大转矩控制 模块和电流控制模块，输入端由旋转编码器获得转速信号经MPPT 形成转矩控制信号巧输入转矩控制信号输入最大效率控制/最大转矩 控制模块，最大效率控制/最大转矩控制模块输出的交轴电流给定信 号《和直轴电流给定信号输入电流控制模块；由电流传感器获得的 电流测量信号4和4经矢量变换转换为交、直轴电流测量信号^和z《 输入电流控制模块；由电流控制器模块产生调制信号"〗和 < 输入 SVPWM发生器，SVPWM发生器输出信号与PWM功率变换器相连接。
3、根据权利要求1所述的双凸极永磁风力发电机的可变速风力发电系统，其特征在于电流控制模块采用了前馈解耦结构，电流控 制模块中具有两个传统的PI调节器。
专利摘要本实用新型涉及一种双凸极永磁风力发电机的可变速风力发电系统及其控制方法，包括风力机和双凸极永磁发电机，以及两个PWM功率变换器和控制器，在系统中风力机与双凸极永磁发电机的转动轴连接，双凸极永磁发电机的定子电枢绕组端子与发电机侧PWM功率变换器连接，网侧PWM功率变换器的交流侧与电网连接，两个PWM功率变换器采用背靠背连接；发电机侧PWM功率变换器的控制器电路包括电流传感器、旋转编码器和含有SVPWM发生器的控制器，控制器的输入端与电流传感器、旋转编码器相连接，并由SVPWM发生器输出信号控制PWM功率变换器。
文档编号H02M5/458GK201230297SQ20082003765
公开日2009年4月29日 申请日期2008年6月27日 优先权日2008年6月27日
发明者张建忠, 明 程, 郝鸿彬 申请人:江苏火电电力设备制造有限公司;东南大学