专利名称：可适应变化力矩的永磁风力发电机稳频控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及 一 种风力发电机的控制系统，特别是涉及 一 种能够稳 定输出电压频率的控制系统。
背景技术：
近年来，在节约能源和保护环境的大趋势下，风力发电事业得到 了迅速发展。众所周知，风力发电的核心部件，即，风力发电机是 由风能带动桨叶旋转，进而带动转子旋转，使线圈切割磁力线产生 电流。当绕组线圏匝数和磁场强度都固定时，风力发电机的电压频 率与转子的转动速率成正比。因此，只要转速恒定，风力发电机的
电压频率就能维持不变。然而，经常发生的情况是，随着风能发生 变化，其对桨叶的推动力也将不断发生改变，进而影响了转子的转 动速率，致使发电机的电压频率发生变化。因此，如何获得稳定的 电压频率是目前需要解决的技术问题。
目前，常用的稳定发电机输出电压频率的方法是将发电机发出的 频率变化的交流电首先通过整流器整流成直流电，然后再通过逆变 器将直流电变换为恒定频率的交流电。这种方法虽然能够使发电机 的电压频率稳定，但是，其设备结构复杂、价格昂贵，在发电机组 成本中占有相当比例。
发明内容
为克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种可 适应变化力矩的永磁风力发电机稳频控制系统，该系统可以根据风 力的实际变化控制绕组开关的开启与闭合，从而可以控制定子绕组的接通数量，由此使发电机在将机械能转变为电能的过程中直接得 到稳定的电压频率。
本发明的目的是通过采用如下的技术方案得以实现的 一种可适应变化力矩的永磁风力发电机稳频控制系统，该控制系 统包括用于检测开关阵列状态、检测发电机电参数和控制定子绕组 通断的控制箱，以及用于控制所述控制箱运行的工控机。工控机包 括用于监控发电机、控制箱及开关阵列模块的运行状态的控制模块、 用于采集开关状态信号并输出开关控制信号的控制信号采集模块和 用于采集发电机电信号的电信号采集模块。控制箱包括用于控制绕 组接通个数的开关阵列模块、用于检测发电机电参数的发电机电信 号检测模块。
在该控制系统内，发电机的待检测电参数经过开关阵列模块输入 到所述发电机电信号检测模块，发电机电信号检测模块的信号输出 端均与工控机内的电信号采集模块的信号输入端相连，电信号采集 模块的输出端与控制模块的信号输入端相连，控制模块内的控制器 对输入信号进行处理，并将开关控制信号通过控制信号采集模块传 输至开关阵列模块，用于控制开关的开启与闭合。
本发明通过将发电机的每一个定子绕组与单独的开关相连，可由 控制系统控制发电机实现多级负载的要求。另外，本发明的控制系 统内采用ADRC，由此可以准确控制每一个开关的开启与闭合，进 而控制定子中接通绕组的个数，这样可以控制转子的转速，实现对 发电机输出电压频率的调整，并使发电机的输出电压频率维持在一 个稳定的数值。同时，由于利用了本发明的发电机在将机械能转变 为电能的过程中能够直接得到稳定的电压频率，无变频器的设计大 大降低了风力发电的装机成本。
图1是阵列式稳频永磁风力发电机的整体结构示意图； 图2是图1中所示阵列式稳频永磁风力发电机去掉端盖时的定子和转子的结构示意图3是图1中所示阵列式稳频永磁风力发电机的定子和转子阵列 结构示意图4是图3中所示阵列结构的一组定子和转子的结构示意图； 图5是根据本发明的一个优选实施例的可适应变化力矩的永磁 风力发电机稳频控制系统示意示意图；以及
图7是发电机的稳频控制系统的控制流程图。 附图标记
1电才几轴；2定子；3转子；21绕组；31永》兹体；4电^L
壳；
5固定部；6工控机；7控制箱；8风力发电机；9开关； 61控制模块；62电信号采集模块；63控制信号采集模块； 71风力发电机电压频率检测模块；72开关阵列模块； 73开关检测模块。
具体实施例方式
下面将根据附图对本发明的上述目的、特征和优点以及优选实施 方式进4于详细i兌明。
图1示出了阵列式稳频永磁风力发电机的整体结构示意图。图2 示出了图1中所示风力发电机去掉端盖时的定子和转子的结构示意 图。从以上两图中可见，该阵列式稳频永》兹风力发电机包括定子2 和分别安装在其两端的两个端盖4,该定子2和两个端盖4围成一个 腔体，其上共轴线地设置定子2的电机轴1从该腔体内向外突出。 在该电机轴1上还安装有转子3,而且该转子3套接于定子2内。
在本实施例中，定子2的外周上设有多个用于将其固定在塔架上 的固定部5。并且，电机壳4上开设有多个通孔，该通孔用于将发电 机工作时产生的热量及时散出，有利于发电机的正常工作。图3示出了阵列式稳压永磁风力发电机的定子2和转子3的阵列 结构，由于本发明的定子2和转子3采用阵列式结构，根据风力的 大小，可以对定子2和转子3阵列的工作方式进行粗调，即，可以 根据实际需要使只有若干组定子2工作，也可以使多组定子2同时 工作。这样，可以保证发电机8在不同的风力条件下能够具有差别 不大的转速，进而能够产生在误差允许范围内相同的电压频率，为 后续的并网创造有利条件。
从图中可见，定子2、转子3以及电机轴1具有相同的轴心，转 子2固定于电^/L轴1上且套4妄于定子2内，其可由电^/L轴1带动而 在定子2内旋转。在本实施方式中，定子2和转子3的数量均为4 个，但亦可实施为其他的数量。
图4示出了一组定子2和转子3的结构。具体而言，在转子3 的外圆周上按照预定间隔均匀地设置有多个永》兹体31,而在定子2 的内圆周上按照预定间隔均匀地设置有多个绕组21。该永磁体31 和绕组21均沿转子3和定子2的径向设置，且中心线都通过电机轴 1的轴心。本发明的绕组21的个数为3的倍数，将所有绕组21按照 1， 2, 3......的顺序编号，序号被3除后余数相等的所有绕组21之
间均以并联方式连4妄成一组，在所有的组与组之间以串联方式连4妄， 并且在每个绕组21上均设置有可由外部电控系统控制实现开启与闭 合的开关。
在本实施方式中，永磁体31为"U"型宽温钕铁硼永磁体，绕 组21为缠绕在"U"型辄铁的线圏绕组。所有绕组21的导线缠绕方 式和线圈数目均相等，并且，在本是实施方式中，所有的绕组21均 为独立的一个线圏，但亦可实施为由多个子绕组串联而成。
在本发明中，定子2上绕组21的数目为36个，转子3上永磁体 31的数目为24个。当风能带动桨叶运动进而带动电机轴2旋转时， 转子3也将随电机轴2 —起在定子2内旋转。由于绕组21在定子2 上、永磁体31在转子3上都是均勻分布的，因此，在转子3的旋转 过程中，同时有12对绕组21和永》兹体31相遇，即，定子2和转子3的耦合度为12。如果当次耦合瞬间对应的定子绕组21编号为sl， s4，…，s34,下一次耦合瞬间对应的定子绕组21编号为s2, s5,…，s35, 再一次耦合瞬间对应的定子绕组21编号为s3， s6,…,s36,这样，当 发生三次耦合后，所有的定子绕组21均与永磁体31相遇过，完成 一个循环过程。当转子3继续旋转时，耦合瞬间对应的定子绕组21 的编号又恢复到sl, s4，…，s34，由此开始了下一个循环过程。
在本实施方式中，转子永磁体31与定子绕组21相遇时，由于绕 组21的线圈切割磁力线，因此能够产生周期为T的正弦波电流，并 且转子3与定子2发生前后两次耦合的时间间隔为T/3，这样，编号 为sl, s4，…，s34的绕组产生电流的相^[立与编号为s2, s5，…，s35的绕 组产生电流的相位就相差120度。因此，可以4巴编号为sl, s4，…,s34 的绕组21并联作为三相电中的第一相，4巴编号为s2, s5，…，s35的绕 组21并联作为三相电中的第二相，4巴编号为s3， s6，…,s36的绕组 21并联作为三相电中的第三相，由此i"更产生了三相电。本发明的永 磁体31与定子绕组21并不限于数量为(24、 36)的组合，只要是 满足永磁体31与定子绕组21的数量比值为2/3的其他组合，均可以 在本发明中实施。
图5示出了根据本发明的一种优选实施例的可适应变化力矩的 永磁风力发电机稳频控制系统示意图。该稳频控制系统包括用于检 测开关阵列状态、检测发电机电参数和控制定子绕组通断的控制箱 7，以及用于控制控制箱运行的工控机6。该工控机6包括用于监控 发电机8、控制箱7及开关阵列模块72的运行状态的控制模块61、 用于釆集开关状态信号并输出开关控制信号的控制信号采集卡模块 62和用于采集发电机8的电信号的电信号采集模块63。控制箱7包 括用于控制绕组21接通个数的开关阵列模块72、用于检测发电机8 的电参数的发电机电信号检测模块。
在本实施方式中，开关阵列模块72上的开关为双向开关晶闸管。 发电机的待检测电参数为发电机的电压频率。发电机电信号检测模发电机8的电压频率信号经过开关阵列模块72输入到发电机电 压频率检测模块71 ，发电机电压频率检测模块71的信号输出端均与 工控机6的电信号采集模块62的信号输入端相连，而电信号采集模 块卡62的输出端与控制模块61的信号输入端相连。这样，通过电 信号采集模块62，发电机8的电压频率信号得以传输至控制模块61。 在控制模块61的内部采用ADRC对输入信号进行处理，得到开关控 制信号，并将该开关控制信号传输至开关阵列模块72，用于控制开 关的开启与闭合。其中，ADRC技术请参看本申请人曾申请的题为 "磁悬浮抗震控制器及其控制方法"且公开号为CN101077694A的 专利申请，该专利申请中的内容可以作为本申请内容的补充。
除上述的描述以外，控制箱7还进 一 步包括用于检测开关的状态 的开关检测模块73,该开关检测模块73的信号输入端与开关阵列模 块72的开关状态输出端相连，其信号输出端通过控制信号采集模块 63将开关状态信号输送至工控机6内的控制模块61。
此外，在控制箱7内的发电机电压频率检测模块71上设有交流 电压互感器，该交流电压互感器首先将发电机电压按比例下降后， 该电压频率检测模块71再进行检测并采样。
当发电机8工作时，如果风力发生变化，则其对发电机桨叶的推 动力也将不断发生改变。为了保证发电机8的输出电压频率恒定， 就要求转子时刻保持恒定的转速。这就要求发电机的阻力矩必须时 刻随风力的变化进行调整当风力变大时，发电机的阻力矩相应变 大；反之，发电机的阻力矩随风力的变小而减小。
当风力变大时，风力对桨叶的推动力加大，转子3的转速提高， 发电机8的输出电压频率增大。此时，发电机8的电压信号经过开 关检测模块73传输至开关阵列模块72，再传入发电机电压频率检测 模块71，经过该发电机电压频率检测模块71取样并将取样信号传输 至电信号采集模块62,经过该电信号采集模块62将取样的发电机电 压频率传输至控制模块61的内部。在本实施例中，控制模块61内 采用了 ADRC对输入的发电机8的电压频率信号进行处理。当发现发电机8上的电压频率高于额定值时，发出增大发电机阻力矩的命 令，即，通过控制信号采集模块63向开关阵列模块72传输信号， 增加闭合开关的数量，进而增多开通的定子绕组21的数量，使发电 机的阻力矩增大，转子3的转速降低，由此使得发电机8的输出电 压频率降低。
当发电机8的电压频率与额定值在误差允许的范围内相等时，控 制模块61不再发出增大或减小发电机阻力矩的命令，从而使开通的 绕组21的数量恒定，进而使发电机转动力矩和阻力矩维持平衡，因 此保证了转子3有恒定的转速，进而产生恒定的电压频率。
图6示出了利用开关8对定子绕组21进行开启或者闭合控制的 模块结构示意图。在本实施方式中，定子绕组21的开关8为双向开 关晶闸管，且该双向开关晶闸管的数量与定子绕组21的数量相等。 每个双向开关晶闸管与一个绕组21相连，用于控制该绕组21的开 启与关闭。双向开关晶闸管的阳极与绕组21连接，其阴极经过负载 电阻接地，由此形成一个闭合回路。控制模块61经过ADRC输出的 控制命令传输至控制信号采集模块63的信号输入端，并经该控制信 号采集模块63将控制命令传输至双向开关晶闸管，进而控制该双向 开关晶闸管的开启与闭合，从而实现了发电机8的定子绕组21的切 断与开通，调整了发电机8的转子3的转动阻力矩，进而调整了转 子3的转动速度，也即调整了发电机8输出电压的频率。
图7为发电机的稳频控制系统的控制流程图。其包括如下步骤
第一步接通工控机6和控制箱7的电源；
第二步控制箱7内的开关检测模块73检测开关阵列模块72 上的开关状态，并把检测信号通过控制信号采集模块63传输至工控 机6的控制模块61内；
第三步控制箱7内的风力发电机电压频率检测模块71检测发 电机8的电压频率，并把发电机电压频率的釆样值通过电信号采集 模块62传输至工控机6的控制模块61内；
第四步控制模块61根据电信号采集模块62传输来的风力发电
10机的电压频率采样值、以及电压频率的额定值，通过其内的控制器
对发电机8的电压频率进行控制，使之保持与额定值在误差允许的
范围内一致。
当进行稳频控制时，首先开启工控机6和控制箱7的电源，然后， 控制箱7的开关检测模块73检测开关阵列模块72上开关9的状态， 并把检测信号通过控制信号采集模块63传输至工控机6的控制模块 61内。
与此同时，在控制箱7内，风力发电机电压频率检测模块71检 测发电机8的电压频率值并采样。该采样值通过电信号采集模块62 传输至控制模块61内。控制模块61内的控制器根据发电机8的电 压频率和额定值的比较值发出控制命令，从而实现了发电机电压频
率的稳定。
在本实施方式中，控制模块61内的控制器为ADRC,其控制步 骤包括
安排过渡过程步骤将电压频率的额定值作为设定值，生成 ADRC的过渡过程中间变量；
扩张状态观测步骤将发电机8的电压频率作为被控输出值，将 开关9的导通个数作为控制、量，生成ADRC的系统估计中间变量；
控制量生成步骤根据过渡过程中间变量和系统估计中间变量最 终生成实际控制量。
当进行稳频控制时，将电压频率的额定值作为设定值输入ADRC 的安排过渡过程装置，生成过渡过程中间变量，将接收到的风力发 电机8的电压频率和开关检测模块检73测到的开关9的导通个数分 别作为ADRC的被控输出值和控制量，然后将它们输入扩张状态观 测器，生成系统估计中间变量。最后将过渡过程中间变量和该系统 估计中间变量共同输入控制量生成器生成发电机的新的控制量，即， 开关阵列模块72中的开关9的导通个数。具体的控制命令是当发 电机8的电压频率低于额定值时，控制模块61询开关阵列模块72 上的双向开关晶闸管发出开启信号，使其开启，从而关断定子绕组21;若发电机8的电压频率高于额定值时，控制模块61向开关阵列 模块72上的双向开关晶闸管发出闭合信号，使晶闸管关闭，接通定 子绕组21。
经过上述过程，ADRC完成了一次运算。如果此时发电机8的电 压频率和额定值的差距大于误差允许的范围，ADRC将进行下一次
循环控制，直至发电机8的电压频率和额定值的差距在误差允许的 范围内，此时，定子绕组21的接通个数稳定，发电机的电压频率稳 定。
以上所披露的仅为本发明的优选实施例，当然不能以此来限定本 发明的权利保护范围。可以理解，依据本发明所附权利要求中限定 的实质和范围所作的等同变化，仍属于本发明所涵盖的范围。
权利要求
1.一种可适应变化力矩的永磁风力发电机稳频控制系统，该系统包括用于检测开关阵列状态、检测发电机电参数和控制定子绕组通断的控制箱以及用于控制所述控制箱运行的工控机，其特征在于，所述工控机包括用于监控发电机、控制箱及开关阵列模块的运行状态的控制模块、用于采集开关状态信号并输出开关控制信号的控制信号采集模块和用于采集发电机电信号的电信号采集模块，所述控制箱包括用于控制绕组接通个数的开关阵列模块、用于检测发电机电参数的发电机电信号检测模块，其中，所述发电机的待检测电参数经过所述开关阵列模块输入到所述发电机电信号检测模块，所述发电机电信号检测模块的信号输出端均与所述工控机内的电信号采集模块的信号输入端相连，所述电信号采集模块的输出端与所述控制模块的信号输入端相连，所述控制模块内的控制器对输入信号进行处理，并将开关控制信号通过所述控制信号采集模块传输至所述开关阵列模块，用于控制所述开关的开启与闭合。
2. 如权利要求1所述的稳频控制系统，其特征在于，所述控制 箱进一 步包括用于检测开关的状态的开关检测模块，该开关检测模 块的信号输入端与所述开关阵列模块的开关状态输出端相连，其信 号输出端通过控制信号采集模块将开关状态信号输送至所述工控机 的控制模块。
3. 如权利要求1所述的稳频控制系统，其特征在于，所述发电 机的待检测电参数为发电机电压频率，所述发电机电信号检测模块
4. 如权利要求3所述的稳频控制系统，其特征在于，在所述控 制箱内的发电机电压频率检测模块上设有用于使电压按比例下降以 便测量的交流电压频率互感器。
5. 如权利要求1所述的稳频控制系统，其特征在于，所述开关阵列模块上的开关个数与发电机定子绕组的个数相等，并且所述的 每个开关均与一个对应的发电机定子绕组相连。
6. 如权利要求1所述的稳频控制系统，其特征在于，所述开关 为双向开关晶闸管。
7. 如权利要求1所述的稳频控制系统，其特征在于，所述控制 模块内的控制器为ADRC。
全文摘要
本发明公开了一种可适应变化力矩的永磁风力发电机稳频控制系统，该控制系统包括用于检测开关阵列状态、检测发电机电参数和控制定子绕组通断的控制箱，以及用于控制所述控制箱运行的工控机。该发明通过将发电机的每一个定子绕组与单独的开关相连，可由控制系统控制其实现多级负载的要求。同时，本发明的控制系统内采用ADRC，可以准确控制每一个开关的开启与闭合，进而控制定子中接通绕组的个数，从而控制了转子的转速，实现对发电机输出电压频率的调整，使发电机的输出电压频率维持在一个稳定的数值。
文档编号H02K11/00GK101594113SQ20091013365
公开日2009年12月2日 申请日期2009年4月13日 优先权日2009年4月13日
发明者毕大川, 陈泽森 申请人:北京前沿科学研究所