专利名称：电励磁双凸极双速风力发电机系统及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种电励磁双凸极双速风力发电机系统及其控制方法，属于风 力发电领域、特种电机控制领域。
背景技术：
风能是一种无污染、可再生绿色能源。开发风能，大力发展风力发电，对 于解决全球性的能源危机和环境危机具有重要意义，成为各国学者研究的热 点。近几十年来，风力发电技术得到了飞速发展，变桨矩控制、变速恒频发电、 无齿轮箱直驱等众多先进技术从实验室走向现场，得到了广泛应用。目前，国 内外主流定桨矩、失速型风力发电系统多采用异步电机，由于风力发电机长时 间工作在额定风速以下，为了提高低风速时发电机的效率问题，异步风力发电
机常采用6/4极双速结构，通过改变极数使风力发电机能够运行在小电机与大 电机两种工作方式，以获得不同风速下最大发电效率。即在低风速时，风力发 电机以小电机工作方式(6极结构)运行，达到切换风速以后，以大电机工作 方式运行(4极结构)。
定桨矩、失速型电励磁双凸极风力发电系统同样存在低速效率问题，而电 励磁双凸极发电机的结构与异步发电机有着很大的区别，无法采用双速变极结 构以获得最大效率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术存在的缺陷提出一种电励磁双 凸极双速风力发电机系统及其控制方法。
本发明电励磁双凸极双速风力发电机系统，其特征在于该系统从左往右依
4次设置有风轮机、转速传感器、第一电励磁双凸极电机、第二电励磁双凸极电 机和桥式整流器，还包括励磁电路、第一励磁绕组、第二励磁绕组、风轮转速 检测电路、主控单元、驱动电路、调压器主电路、综合保护电路、采样调理电 路、励磁电源、电压传感器、电流传感器、输出电压检测电路和输出电流检测
电路；其中风轮机、第一电励磁双凸极电机和第二电励磁双凸极电机同轴安装，
风轮机与第一电励磁双凸极电机之间的转轴上设置有转速传感器，转速传感器 的输出端接风轮转速检测电路的输入端，风轮转速检测电路的输出端接主控单 元的输入端，桥式整流器的输入端分别接第一电励磁双凸极电机的输出端和第 二电励磁双凸极电机的输出端，桥式整流器的输出端设置有电压传感器和电流 传感器，电压传感器的输出端接输出电压检测电路的输入端，电流传感器的输 出端接输出电流检测电路的输入端，输出电压检测电路的输出端和输出电流检 测电路的输出端分别接采样调理电路的输入端，采样调理电路的输出端分别接 主控单元的输入端和综合保护电路的输入端，综合保护电路的输出端接主控单 元的输入端，主控单元的输出端串接驱动电路后接调压器主电路的输入端，励 磁电源的输出端接调压器主电路的输入端，调压器主电路的输出端分别接第一 励磁绕组的输入端和第二励磁绕组的输入端，第一励磁绕组的输出端接第一电 励磁双凸极电机的输入端，第二励磁绕组的输出端接第二电励磁双凸极电机的
输入端。
所述的电励磁双凸极双速风力发电机系统的控制方法，其特征在于将转 速传感器检测得到的风轮机速度信号经过风轮转速检测电路得到反馈速度^， 将电压传感器检测得到的输出电压信号经过电压检测电路得到采样电压信号， 将电流传感器检测得到的输出电流信号经过输出电流检测电路得到采样电流 信号，将采样电压信号和采样电流信号经过采样调理电路得到调理信号，将调 理信号经过综合保护电路得到保护信号，将所述反馈速度^、调理信号和保护
信号经过主控单元得到脉宽调制信号PWM，将脉宽调制信号PWM依次经过 驱动电路、调压器主电路输出第一励磁电流z;和第二励磁电流^ ;
当风轮机反馈速度A小于设定的切换转速6^ ，则调压器主电路只输出第 一励磁电流l ，将所述第一励磁电流l通过第一励磁绕组输出至第一电励磁双
5凸极电机，将第一电励磁双凸极电机输出的第一电磁转矩^输出至风轮机控制 风轮机转速，将第一 电励磁双凸极电机输出的第一整流电压经^过桥式整流器 得到第一最大输出功率尸。1;
当风轮机反馈速度^大于设定的切换转速6^ ，则调压器主电路输出第一 励磁电流/,i和第二励磁电流仏，将所述第一励磁电流/"过第一励磁绕组输出 至第一 电励磁双凸极电机，第二励磁电流//2通过第二励磁绕组输出至第二电励 磁双凸极电机，将第一电励磁双凸极电机和第二电励磁双凸极电机输出的合成
电磁转矩7:输出至风轮机控制风轮机转速，将第一电励磁双凸极电机和第二电
励磁双凸极电机输出的合成整流电压经F过桥式整流器得到第二最大输出功 率尸。
十』o2 o
本发明具有以下有益效果
1、 采用新型电励磁双凸极双速风力发电机及其控制方法，使电励磁双凸 极风力发电机在低风速下、额定风速下均有较高的发电效率，解决了定桨矩、 失速型电励磁双凸极风力发电系统存在的低速运行效率问题。
2、 新型电励磁双凸极双速风力发电机由于采用双机联动方式，控制相对 独立，具有很好的故障容错功能，因此在单机出现故障时，发电机组仍能够 发电工作。
3、 新型电励磁双凸极双速风力发电机结构简单，控制方便，具有非常好
的实用性与可行性。
图l :本发明控制系统示意图2 :本发明双速风力发电机结构图3 :本发明系统输出功率一风速曲线图4 :本发明整流发电电路图。
具体实施例方式
如图1所示。本发明电励磁双凸极双速风力发电机系统，其特征在于该系统从左往右依次设置有风轮机、转速传感器、第一电励磁双凸极电机、第二电 励磁双凸极电机和桥式整流器，还包括励磁电路、第一励磁绕组、第二励磁绕 组、风轮转速检测电路、主控单元、驱动电路、调压器主电路、综合保护电路、 采样调理电路、励磁电源、电压传感器、电流传感器、输出电压检测电路和输 出电流检测电路；其中风轮机、第一电励磁双凸极电机和第二电励磁双凸极电 机同轴安装，风轮机与第一电励磁双凸极电机之间的转轴上设置有转速传感 器，转速传感器的输出端接风轮转速检测电路的输入端，风轮转速检测电路的 输出端接主控单元的输入端，桥式整流器的输入端分别接第一 电励磁双凸极电 机的输出端和第二电励磁双凸极电机的输出端，桥式整流器的输出端设置有电 压传感器和电流传感器，电压传感器的输出端接输出电压检测电路的输入端， 电流传感器的输出端接输出电流检测电路的输入端，输出电压检测电路的输出 端和输出电流检测电路的输出端分别接采样调理电路的输入端，采样调理电路 的输出端分别接主控单元的输入端和综合保护电路的输入端，综合保护电路的 输出端接主控单元的输入端，主控单元的输出端串接驱动电路后接调压器主电 路的输入端，励磁电源的输出端接调压器主电路的输入端，调压器主电路的输 出端分别接第一励磁绕组的输入端和第二励磁绕组的输入端，第一励磁绕组的 输出端接第一电励磁双凸极电机的输入端，第二励磁绕组的输出端接第二电励 磁双凸极电机的输入端。
所述的电励磁双凸极双速风力发电机系统的控制方法，其特征在于将转 速传感器检测得到的风轮机速度信号经过风轮转速检测电路得到反馈速度^， 将电压传感器检测得到的输出电压信号经过电压检测电路得到采样电压信号， 将电流传感器检测得到的输出电流信号经过输出电流检测电路得到采样电流 信号，将采样龟压信号和采样电流信号经过采样调理电路得到调理信号，将调 理信号经过综合保护电路得到保护信号，将所述反馈速度^、调理信号和保护 信号经过主控单元得到脉宽调制信号PWM，将脉宽调制信号PWM依次经过 驱动电路、调压器主电路输出第一励磁电流/"和第二励磁电流仏；
当风轮机反馈速度^小于设定的切换转速"《，则调压器主电路只输出第 一励磁电流z;，将所述第一励磁电流^通过第一励磁绕组输出至第一电励磁双
7凸极电机，将第一电励磁双凸极电机输出的第一电磁转矩^输出至风轮机控制 风轮机转速，将第一 电励磁双凸极电机输出的第一整流电压经K过桥式整流器
得到第一最大输出功率^;
当风轮机反馈速度A大于设定的切换转速"q ，则调压器主电路输出第一 励磁电流仏和第二励磁电流^ ，将所述第一励磁电流^过第一励磁绕组输出 至第一电励磁双凸极电机，第二励磁电流//2通过第二励磁绕组输出至第二电励 磁双凸极电机，将第一电励磁双凸极电机和第二电励磁双凸极电机输出的合成 电磁转矩 :输出至风轮机控制风轮机转速，将第一 电励磁双凸极电机和第二电 励磁双凸极电机输出的合成整流电压经r过桥式整流器得到第二最大输出功
率尸。2。
如图2所示。本发明电励磁双凸极双速风力发电机采用双体结构，在双速 风力发电机机壳内设计两个功率等级不同的电励磁双凸极发电机同轴连接，同 样分为小电机与大电机2种工作方式，设计小电机的效率为大电机的1/4 1/5。 当风力发电机在低风速运行时，双速风力发电机运行在小电机工作状态，控制 小电机励磁电流以输出额定电压，大电机不通入励磁电流(非工作状态，无电 磁转矩)；当风速继续增大，增大的切换转速，给大电机通入励磁电流，此时 小电机与大电机同时工作以获得最大功率。
如图3所示，定桨矩、失速型电励磁双凸极双速发电机系统，由风轮机、 转速传感器、励磁控制器、小电机DEWG1即第一电励磁双凸极电机、小电机 励磁绕组(第一励磁绕组)、大电机DEWG2即第二电励磁双凸极电机、大电 机励磁绕组(第二励磁绕组)已经桥式整流器组成。当发电机系统起动后，在 反馈转速con以下，先给小电机DEWG1通入励磁电流，发电机处于小电机 DEWG1工作状态，以获得低风速下的最大功率，大电机DEWG2不通入励磁 电流(处于不工作状态)；当风速达到反馈转速o)n以后，给大电机DEWG2通 入励磁电流，大电机小电机同时工作，以获得额定风速下的最大功率。
如图4所示，图中绕组&、 h、 Cl分别为小电机DEWG1的三相绕组，绕 组32、 b2、 c2分别为大电机DEWG2的三相绕组，第一二极管D！至第十二二 极管D^为整流二极管，C为滤波电容，RL为用电负载。其中第一二极管A至第六二极管D6构成一个全桥整流电路，对小电机DEWG1进行整流；第一 二极管D7至第十二二极管D^构成一个全桥整流电路，对大电机DEWG2进行 整流。两个整流桥并联方式连接，给负载供电，构成电励磁双凸极双速风力发 电机发电整流电路。
权利要求
1. 一种电励磁双凸极双速风力发电机系统，其特征在于该系统从左往右依次设置有风轮机、转速传感器、第一电励磁双凸极电机、第二电励磁双凸极电机和桥式整流器，还包括励磁电路、第一励磁绕组、第二励磁绕组、风轮转速检测电路、主控单元、驱动电路、调压器主电路、综合保护电路、采样调理电路、励磁电源、电压传感器、电流传感器、输出电压检测电路和输出电流检测电路；其中风轮机、第一电励磁双凸极电机和第二电励磁双凸极电机同轴安装，风轮机与第一电励磁双凸极电机之间的转轴上设置有转速传感器，转速传感器的输出端接风轮转速检测电路的输入端，风轮转速检测电路的输出端接主控单元的输入端，桥式整流器的输入端分别接第一电励磁双凸极电机的输出端和第二电励磁双凸极电机的输出端，桥式整流器的输出端设置有电压传感器和电流传感器，电压传感器的输出端接输出电压检测电路的输入端，电流传感器的输出端接输出电流检测电路的输入端，输出电压检测电路的输出端和输出电流检测电路的输出端分别接采样调理电路的输入端，采样调理电路的输出端分别接主控单元的输入端和综合保护电路的输入端，综合保护电路的输出端接主控单元的输入端，主控单元的输出端串接驱动电路后接调压器主电路的输入端，励磁电源的输出端接调压器主电路的输入端，调压器主电路的输出端分别接第一励磁绕组的输入端和第二励磁绕组的输入端，第一励磁绕组的输出端接第一电励磁双凸极电机的输入端，第二励磁绕组的输出端接第二电励磁双凸极电机的输入端。
2. —种基于权利要求1所述的电励磁双凸极双速风力发电机系统的控制 方法，其特征在于将转速传感器检测得到的风轮机速度信号经过风轮转速检测电路得到反馈速度A ，将电压传感器检测得到的输出电压信号经过电压检测 电路得到采样电压信号，将电流传感器检测得到的输出电流信号经过输出电流 检测电路得到采样电流信号，将采样电压信号和采样电流信号经过采样调理电 路得到调理信号，将调理信号经过综合保护电路得到保护信号，将所述反馈速度A、调理信号和保护信号经过主控单元得到脉宽调制信号PWM，将脉宽调 制信号PWM依次经过驱动电路、调压器主电路输出第一励磁电流/"和第二励 磁电流//2;当风轮机反馈速度A小于设定的切换转速^^ ，则调压器主电路只输出第 一励磁电流^ ，将所述第一励磁电流仏通过第一励磁绕组输出至第一电励磁双 凸极电机，将第一电励磁双凸极电机输出的第一电磁转矩^输出至风轮机控制风轮机转速，将第一 电励磁双凸极电机输出的第一整流电压经K过桥式整流器 得到第一最大输出功率尸。1;当风轮机反馈速度^大于设定的切换转速6^ ，则调压器主电路输出第一 励磁电流仏和第二励磁电流^ ，将所述第一励磁电流仏过第一励磁绕组输出 至第一 电励磁双凸极电机，第二励磁电流//2通过第二励磁绕组输出至第二电励 磁双凸极电机，将第一电励磁双凸极电机和第二电励磁双凸极电机输出的合成 电磁转矩l输出至风轮机控制风轮机转速，将第一电励磁双凸极电机和第二电 励磁双凸极电机输出的合成整流电压经r过桥式整流器得到第二最大输出功率尸。2。
全文摘要
本发明公布了一种电励磁双凸极双速风力发电机系统及其控制方法，该系统从左往右依次设置有风轮机、转速传感器、第一电励磁双凸极电机、第二电励磁双凸极电机和桥式整流器，还包括励磁电路、第一励磁绕组、第二励磁绕组、风轮转速检测电路、主控单元、驱动电路、调压器主电路、综合保护电路、采样调理电路、励磁电源、电压传感器、电流传感器、输出电压检测电路和输出电流检测电路。本发明所述控制方法具有两种工作方式，通过反馈转速切换工作方式。本发明结构简单，控制方便，具有非常好的实用性与可行性。
文档编号H02P9/14GK101459405SQ200910028680
公开日2009年6月17日 申请日期2009年1月9日 优先权日2009年1月9日
发明者波 周, 乐 张, 张永帅, 朱德明, 程方舜 申请人:南京航空航天大学