专利名称：定子双绕组异步电机发电系统宽风速范围内风力发电的方法
技术领域：
本发明所涉及的是一种能在宽风速范围内进行风力发电的定子双绕组异步电机发 电系统的控制与设计方法
背景技术：
世界性的能源短缺极大地促进了风力发电等可再生能源的发展，而且风电场的规模 越来越大。但是在这个发展过程中，陆上风电场建设遇到了占用土地和环境保护等新问 题。而海上风电场远离陆地，具有风速高，很少有静风期，比陆上风电场发电量可增加 50%的优点。因此海上风电场近十年来发展迅速。海上风电场远离大电网，使输配电成 本提高、维护困难。为了解决这些困难，1998年ABB公司在瑞典某海上风电场示范工 程中采用了具有无刷结构的高压永磁同步风力发电机，每台发电机输出端经过整流装置 变换为高压直流电，然后使用直流母线进行集电和输送。可见，海上风电的发展给风电 场提出了直流集电输送的新思路。针对直流集电并网的变速风力发电系统，将如图l所 示的定子双绕组异步发电机(DWIG)系统应用于风力发电中，为海上风电可选的发电 机提供一种新颖的形式。
从国内外文献来看，对于定子双绕组异步发电机系统的研究尚处于起步阶段。主要 对DWIG的可行性、等效模型、两套绕组容量比设计原则、自激起励时谐波振荡、励磁 控制策略、动态特性等问题进行了研究，不过这些都是以发电机转速基本恒定为前提进 行的研究。之前，发明人在变速运行的情况下，已对功率绕组侧带整流桥负载输出直流 电压的DWIG发电系统进行了深入的理论和实验研究，揭示了变速运行的定子双绕组异 步发电机系统的基本运行规律，研究表明该系统具有良好的稳态和动态性能，但是这些 都是在较高的转速下研究的，对较低转速的DWIG发电系统的研究并没有涉及。因此， 有必要对DWIG发电系统的控制拓扑和策略进行研究和改进，进一步扩大它的变速运行 的转速范围，从而使其能利用低风速的风能来发电，这将拓展该发电系统的风能利用范 围，带来较大的经济和社会效益。
发明内容
本发明的目的是克服图1所示的定子双绕组异步发电机在低风速区功率绕组整流 输出的直流电压低、风能利用有限的不足，对定子双绕组异步发电机系统的拓扑结构进行改进，提出一种新的宽风速范围内运行的定子双绕组异步电机发电系统拓扑结构，如 图2所示，使系统具备在低风速下风力发电的能力，拓宽了该发电系统的风能利用范围。
为实现上述目的，本发明的技术方案是，包括主回路、低压小功率辅助电源、检测 回路和控制回路。主回路由定子双绕组异步发电机l、滤波电感2、控制变换器3、整流 桥4、励磁电容5、 二极管7和输出逆变器15组成；低压小功率辅助电源由小容量蓄电 池6和阻断二极管组成；检测回路由电流传感器8和电压传感器9、 10、 ll组成；控制 回路由数字信号处理器12和控制变换器的驱动电路13组成。控制绕组侧控制变换器3 的直流母线输出电压经二极管7与直接整流的功率绕组输出直流母线相连。
本发明针对这种适合宽风速范围内运行的定子双绕组异步电机发电系统所提出的 新拓扑结构是两套绕组的匝比设计合理，即控制绕组的匝数低于功率绕组的匝数；控 制绕组侧控制变换器输出的直流电压的正端通过二极管7与功率绕组侧整流输出的直流
电压正端相连，两者的负端直接相连。在低风速区域，发电机的转速较低，这使得功率 绕组输出端电压也较低，整流后达不到指令电压。控制绕组发出的低压电能经控制变换
器控制，通过电压泵升原理，控制变换器3的输出直流电压因泵升作用可达到指令电压， 而直接整流的功率绕组输出直流电压由于转速较低达不到指令电压，整流桥4自然阻断， 功率绕组不输出功率，发电机发出功率从控制绕组侧经控制绕变换器的直流母线输出。 随着风速的增加，发电机的转速上升，功率绕组整流输出直流电压升高，当其达到指令 值时，整流桥4开通，输出电能。随着风速的进一步增加，二级管7截止，完全由功率 绕组整流输出电能。在高风速区域，控制变换器调节发电机控制绕组的励磁无功功率使 功率绕组整流输出的直流电压稳定。该系统可以用在独立电网系统中，也可以通过输出 逆变器，将发电机系统输出的直流电能逆变后并网。
本发明提出的新拓扑结构，与现有拓扑结构相比，最大的不同是将原来分离的控制 绕组侧变换器输出的直流母线与功率绕组整流输出的直流母线通过二极管相连。原设计 方案图l，控制绕组仅提供发电机所需的无功功率，而图2方案的控制绕组不仅要在整 个变速变负载运行过程中提供发电机所需的无功功率，还要在发电机转速较低时从控制 绕组侧经变换器输出有功功率。如此一来，尽管在低风速区，控制绕组和功率绕组输出 端电压都较低，但根据电压泵升原理，可将控制变换器的输出直流母线电压泵升到指令 电压，由于此时该指令电压高于功率绕组整流后的直流电压，整流桥被阻断，因此，低 风速下，发电机输出的电能不从功率绕组侧整流桥输出，而通过控制绕组经控制变换器输出。随着风速的增加，发电机的转速上升，功率绕组整流输出的电压随之升高，当其 达到指令值时，整流桥导通，输出电能。在高风速区域，控制变换器调节电机控制绕组 的励磁无功功率使输出直流电压维持恒定。由于控制绕组侧直流母线与功率绕组侧直流 母线通过二极管相连，通过合理的控制策，能在低风速区最大限度的利用风能，这拓宽 了本发电系统的风能利用范围。
图1现有的定子双绕组异步电机发电系统结构框图
图2适合于宽风速范围运行的定子双绕组异步电机发电系统
具体实施方法
根据附图叙述本发明的具体实施方式
、工作原理和工作过程
由图2可知本发明的宽风速范围内运行的定子双绕组异步电机发电系统包括定子双
绕组异步发电机l、滤波电感2、控制变换器3、整流桥4、励磁电容5组成的主回路； 由蓄电池6和阻断二极管组成的低压小功率辅助电源；由电流传感器8和电压传感器9、 10与11组成的检测回路；由数字信号处理器12和连接到控制变换器的驱动电路13组 成的控制回路。控制变换器的开关管可以釆用IGBT或者智能功率模块(IPM)。在控制绕 组安装小容量蓄电池的目的是，为系统提供初始直流母线电压，依靠控制变换器向发电 机提供励磁无功，使功率绕组和控制绕组的输出电压上升，当控制绕组直流母线电压超 过低压小功率辅助电源的电平时，依靠二极管使蓄电池自然脱离系统，系统建压完成后 进入发电运行状态。
本发明提出改进的定子双绕组异步电机发电系统，其工作原理描述如下 当风速较高时，通过控制变换器和励磁电容共同向发电机提供所需的励磁无功功 率，功率绕组输出的交流电经整流后得到直流电能。控制变换器调节发电机控制绕组的 励磁无功功率使功率绕组整流输出直流电压保持恒定。
随着风速的减小，控制绕组和功率绕组输出端电压逐渐降低，为维持功率绕组整流 输出直流电压恒定，控制变换器必须增加励磁无功功率，直至整个变换器的容量完全用 来输出无功，达到其额定最大容量，这时发电机内部磁场也略有饱和，处于强励状态。 当风速进一步下降，就不能采用调节发电机励磁无功的方式去维持功率绕组整流输出直 流电压达到指令值，这时要转换控制策略，减小控制变换器的励磁无功输出，使发电机 退出强励的饱和状态，这样功率绕组整流输出直流电压就会低于指令值。控制绕侧控制
5变换器通过电压泵升原理，将控制变换器的输出直流电压泵升到指令值，这时功率侧整 流桥自然阻断，功率绕组无电能输出，发电机发出的电能由控制绕组经控制变换器输出。 尽管弱风下风速低，发电机的两套绕组的输出端电压也低，但经过控制变换器后，它可 以将控制侧变换器输出直流电压泵升到指令值。由于风速已比较低，因风能与风速成立 方关系，发电机发出电能有限，容量约占发电机容量三分之一左右的控制变换器完全够 用，这样可使发电机工作的转速范围大大拓宽。因此，如图2所示的拓扑结构不仅能够 在高风速区宽转速范围稳定运行，而且在低风速区，通过一定的控制策略，能够充分利 用控制变换器的容量，通过控制绕组发电，拓展了低风速区风能利用能力。
本发明不同于现有的系统拓扑结构(图l)的一个重要特点在于在低风速区，通过 适当的控制策略，利用控制绕组侧变换器的电压泵升技术使控制绕组输出侧的直流电压 达到指令值，而功率绕组由于输出端电压整流后的直流电压低于该指令值，整流桥自然 阻断，功率绕组不输出电能，发电机发出的电能由控制绕组经控制变换器输出，这样可 以拓宽低风速风能利用能力。在高风速区，控制变换器通过调节发电机控制绕组的励磁 无功功率使功率绕组整流输出直流电压稳定于指令值，电能通过功率绕组经整流桥输出。
综上所述，定子双绕组异步电机发电系统宽风速范围内风力发电的运行过程可以通 过如下具体步骤实现
1) 低风速区，通过调节控制变换器有功和无功功率，使磁通维持在额定磁通之下， 由于电压泵升原理，控制绕组侧控制变换器输出的直流电压高于功率绕组侧整流输出的 直流电压，这时整流桥自然阻断，相当于功率绕组从直流母线脱开，由控制绕组向直流 母线供电。
2) 低风速到高风速过渡过程。随着转速的升高，功率绕组的端电压升高，直流母线 电压逐渐达到指令值。经过过渡过程后，功率绕组整流输出的直流电压稳定于指令值， 功率绕组开始向直流母线供电，这时，通过控制变换器的控制，控制绕组由既向发电机 提供励磁无功功率又输出有功功率转换为只向发电机提供励磁无功功率。
3) 进入高风速区域，通过控制变换器的控制，控制变换器调节发电机控制绕组的励 磁无功功率使功率绕组整流输出直流电压稳定于指令值，发电机发出的电能由功率绕组 整流输出。
权利要求
1.一种定子双绕组异步发电机宽风速范围风力发电的方法，其特征在于包括定子双绕组异步发电机(1)、滤波电感(2)、控制变换器(3)、整流桥(4)、励磁电容(5)、输出逆变器(15)、小容量蓄电池(6)、二极管(7)、电流传感器(8)、电压传感器(9)(10)(11)、数字信号处理器(12)和控制变换器的驱动电路(13)，并将控制绕组侧控制变换器输出直流电压的正端通过二极管(7)与功率绕组侧整流桥(4)输出直流电压正端相连，两者的负端直接相连。
2. 根据权利要求1所述的定子双绕组异步发电机的宽风速范围风力发电的方 法，在低风速区发电运行控制的特征是在低风速区，发电机转速较低，控 制绕组端电压较低，控制变换器(3)调节发电机的控制绕组无功功率，使发电 机内部磁通维持恒定，同时控制发电机发出的有功功率，通过电压泵升原理， 使发电机发出的电能从控制绕组侧经控制变换器输出至直流母线上，并控制 直流母线的输出直流电压达到指令电压，该电压高于功率绕组整流桥输出电 压，因而整流桥(4)自然阻断。
3. 根据权利要求1所述的定子双绕组异步发电机的宽风速范围风力发电的方 法，在高风速区的发电运行控制的特征是在高风速区，发电机的转速较高， 功率绕组的输出电压也较高，发电机发出的电能由功率绕组经整流桥输出； 随着转速和负载的变化，控制变换器(3)通过调节发电机的控制绕组无功功率 来调节发电机内部磁通，使得功率绕组的整流输出电压达到并稳定于指令电 压，并使二极管(7)反偏截止。
4. 根据权利要求1或2或3所述的定子双绕组异步发电机的宽风速范围风力发 电的方法，为了顺利实现高风速区功率绕组侧整流输出电压的调节以及发电 机输出功率在两套绕组之间的过渡切换，应用于该方法的定子双绕组异步发电机的一个特征是设计控制绕组的匝数低于功率绕组的匝数，即控制绕组 端电压低于功率绕组端电压。
全文摘要
一种涉及定子双绕组异步电机发电系统在宽风速范围内风力发电的方法。该系统包括定子双绕组异步发电机(1)、滤波电感(2)、控制变换器(3)、整流桥(4)、励磁电容(5)、输出逆变器(15)、小容量蓄电池(6)、二极管(7)、电流传感器(8)、电压传感器(9)(10)(11)、数字信号处理器控制板(12)和控制变换器驱动电路(13)组成。控制绕组侧控制变换器(3)的直流母线输出电压经二极管(7)与直接整流的功率绕组输出直流母线相连。本发电系统不仅能在高风速区由功率绕组经整流桥输出电能，而且能在低风速区域，利用电压泵升原理，从控制绕组经控制变换器输出电能，从而在低风速区最大限度的利用风能。该方法应用于风力发电中能够拓宽本发电系统的风能利用范围，实现宽风速范围内风能的捕获。
文档编号H02P9/46GK101667802SQ20091003543
公开日2010年3月10日 申请日期2009年9月28日 优先权日2009年9月28日
发明者卜飞飞, 凯 施, 胡育文, 黄文新 申请人:南京航空航天大学