专利名称：风力发电机无刷励磁系统及主、副励磁系统的切换方法
技术领域：
本发明涉及风力发电机无刷励磁系统及主、副励磁系统的切换方法，属于电机领域。
背景技术：
随着风力发电机单机容量不断增大与风电规模的不断提高，如何使风力发电机更加稳定、高效的运行成为了当前研究的热门话题。当电网发生故障引起电压骤降时，若将风电机组从系统切除，会导致风电机组承担的功率份额缺失，造成系统潮流的大幅变化，带来系统稳定问题。但是，若不切除风电机组，电网故障引起的并网点电压跌落会给风电机组带来一系列暂态过程，如过电压、过电流或转速升高等，严重危害风机本身及其控制系统的安全运行。所以实现低电压穿越技术成为风力发电亟待解决的问题。·
发明内容
本发明目的是为了解决现有风力发电不能实现低电压穿越技术的问题，提供了一种风力发电机无刷励磁系统及主、副励磁系统的切换方法。本发明所述风力发电机无刷励磁系统，风力发电机通过机侧变流器和网侧变流器将产生的电能回馈给电网，风力发电机无刷励磁系统包括主励磁系统和副励磁系统，主励磁系统和副励磁系统交替工作，主励磁系统包括BUCK变换器和控制器，BUCK变换器的直流输入侧与网侧变流器输入侧的直流母线相连，BUCK变换器的直流输出侧连接控制器的主励磁输入端，接控制器的励磁输出端连接风力发电机的励磁绕组；副励磁系统包括永磁同步发电机和PWM整流器，永磁同步发电机随风力发电机同轴转动，永磁同步发电机的交流输出端与PWM整流器的交流输入端相连，PWM整流器的直流输出端连接控制器的副励磁输入端。控制器包括监测模块、比较模块和开关模块，监测模块监测主励磁系统供给风力发电机的励磁绕组的励磁电压，并将监测到的励磁电压发送给比较模块，比较模块将所述励磁电压与风力发电机的额定励磁电压进行比较，将比较结果发送给开关模块，当比较结果为所述励磁电压与风力发电机的额定励磁电压相等时，开关模块控制主励磁系统接入，由主励磁系统单独为风力发电机的励磁绕组提供励磁电压；当比较结果为所述励磁电压低于风力发电机的额定励磁电压时，开关模块控制副励磁系统接入，由副励磁系统单独为风力发电机的励磁绕组提供励磁电流，且当所述励磁电流达到风力发电机的额定励磁电流时，开关模块控制主励磁系统重新接入，由主励磁系统单独为风力发电机的励磁绕组提供励磁电压。基于所述风力发电机无刷励磁系统的主、副励磁系统的切换方法，电网无故障状态下，由主励磁系统单独为风力发电机的励磁绕组提供励磁电压，主、副励磁系统切换方法包括以下步骤
步骤一、监测主励磁系统为风力发电机的励磁绕组提供的励磁电压；步骤二、将主励磁系统的励磁电压与风力发电机的额定励磁电压进行比较，步骤三、判断主励磁系统的励磁电压与风力发电机的额定励磁电压的比较结果；当主励磁系统的励磁电压与风力发电机的额定励磁电压相等时，执行步骤四；当主励磁系统的励磁电压低于风力发电机的额定励磁电压时，表明电网发生故障，断开主励磁系统，执行步骤五；步骤四、控制主励磁系统接入，由主励磁系统单独为风力发电机的励磁绕组提供励磁电压；然后再返回执行步骤一；步骤五、控制副励磁系统接入，由副励磁系统单独为风力发电机的励磁绕组提供励磁电压，然后执行步骤六；
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步骤六、判断主励磁系统的励磁电压是否上升到等于风力发电机的额定励磁电压，判断结果为是，表明电网故障消除，断开副励磁系统，返回执行步骤四；判断结果为否，返回执行步骤五。本发明的优点电网电压跌落情况，快速的切换主、副励磁系统，避免风力发电机出现失磁现象，确保风力发电机稳定运行，不出现脱网现象。电网电压稳定时，风力发电机正常运行，主励磁系统从电网获取励磁电压，副励磁系统的永磁同步发电机空载运行，不产生励磁电流。电网跌落时，主励磁系统断开，副励磁系统接入，提供励磁电流，实现低电压穿越功能。同时为电网补偿无功功率，实现对电网的无功功率支撑。在电网出现波动的情况下，风力发电机能保持不间断地并网运行。
图I是本发明所述风力发电机无刷励磁系统的结构示意图；图2是主、副励磁系统切换的原理框图；图3是实施方式三所述主、副励磁系统切换方法流程图。
具体实施例方式具体实施方式
一下面结合图I说明本实施方式，本实施方式所述风力发电机无刷励磁系统，风力发电机3通过机侧变流器2和网侧变流器I将产生的电能回馈给电网，其特征在于，风力发电机无刷励磁系统包括主励磁系统和副励磁系统，主励磁系统和副励磁系统交替工作，主励磁系统包括BUCK变换器7和控制器6，BUCK变换器7的直流输入侧与网侧变流器I输入侧的直流母线相连，BUCK变换器7的直流输出侧连接控制器6的主励磁输入端，接控制器6的励磁输出端连接风力发电机3的励磁绕组；副励磁系统包括永磁同步发电机4和PWM整流器5，永磁同步发电机4随风力发电机3同轴转动，永磁同步发电机4的交流输出端与PWM整流器5的交流输入端相连，PWM整流器5的直流输出端连接控制器6的副励磁输入端。永磁同步发电机4包括转子和定子。转子由转子铁芯和稀土永磁体构成。定子由定子铁芯和定子绕组构成。转子铁芯通过机械配合固定在风力发电机3的转轴上，随轴转动。
永磁同步发电机4的定子绕组有三个出线端，这三个出线端接PWM整流器5输入端，将永磁同步发电机5发出的三相交流电整流成两相直流电，然后再经过控制器6与风力发电机3的励磁绕组相连，供给风力发电机3转子励磁。
具体实施方式
二 下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，控制器6包括监测模块6-1、比较模块6-2和开关模块6-3，监测模块6-1监测主励磁系统供给风力发电机3的励磁绕组的励磁电压，并将监测到的励磁电压发送给比较模块6-2，比较模块6-2将所述励磁电压与风力发电机3的额定励磁电压进行比较，将比较结果发送给开关模块6-3，当比较结果为所述励磁电压与风力发电机3的额定励磁电压相等时，开关模块6-3控制主励磁系统接入，由主励磁系统单独为风力发电机3的励磁绕组提供励磁电压；当比较结果为所述励磁电压低于风力发电机3的额定励磁电压时，开关模块6-3控制副励磁系统接入，由副励磁系统单独为风力发电机3的励磁绕组提供励磁电流，且当所述励磁电流达到风力发电机3的额定励磁电流时，开关模块6-3控制主励磁系统重新接入，由主励磁系统单独为风力发电机3的励磁绕组提供励磁电压。比较结果只有上述两种，不存在励磁电压大于风力发电机3的额定励磁电压的情·况。
具体实施方式
三下面结合图3说明本实施方式，基于实施方式二所述风力发电机无刷励磁系统的主、副励磁系统的切换方法，电网无故障状态下，由主励磁系统单独为风力发电机3的励磁绕组提供励磁电压，主、副励磁系统切换方法包括以下步骤步骤一、监测主励磁系统为风力发电机3的励磁绕组提供的励磁电压；步骤二、将主励磁系统的励磁电压与风力发电机3的额定励磁电压进行比较，步骤三、判断主励磁系统的励磁电压与风力发电机3的额定励磁电压的比较结果;当主励磁系统的励磁电压与风力发电机3的额定励磁电压相等时，执行步骤四；当主励磁系统的励磁电压低于风力发电机3的额定励磁电压时，表明电网发生故障，断开主励磁系统，执行步骤五；步骤四、控制主励磁系统接入，由主励磁系统单独为风力发电机3的励磁绕组提供励磁电压；然后再返回执行步骤一；步骤五、控制副励磁系统接入，由副励磁系统单独为风力发电机3的励磁绕组提供励磁电压，然后执行步骤六；步骤六、判断主励磁系统的励磁电压是否上升到等于风力发电机3的额定励磁电压，判断结果为是，表明电网故障消除，断开副励磁系统，返回执行步骤四；判断结果为否，返回执行步骤五。步骤一中监测主励磁系统为风力发电机3的励磁绕组提供的励磁电压，即是BUCK变换器7输出端的电压。根据电网电压跌落情况，快速的切换主、副励磁系统。避免风力发电机出现失磁现象，确保风力发电机3的稳定运行，不出现脱网现象。电网稳定时，风力发电机3正常运行，主励磁系统从电网获取励磁电压，副励磁系统的永磁风力发电机空载运行，不产生励磁电流。电网跌落时，主励磁系统断开，副励磁系统接入，提供励磁电流，实现低电压穿越功能。同时为电网补偿无功功率，实现对电网的无功功率支撑。电网恢复正常时，主励磁系统恢复工作，副励磁保持空载运行 。
权利要求
1.风力发电机无刷励磁系统，风力发电机(3)通过机侧变流器(2)和网侧变流器(I)将产生的电能回馈给电网，其特征在于，风力发电机无刷励磁系统包括主励磁系统和副励磁系统，主励磁系统和副励磁系统在控制器(6)控制下交替工作， 主励磁系统包括BUCK变换器(7)，BUCK变换器(7)的直流输入侧与网侧变流器(I)输入侧的直流母线相连，BUCK变换器(7)的直流输出侧连接控制器￠)的主励磁输入端，接控制器￠)的励磁输出端连接风力发电机(3)的励磁绕组； 副励磁系统包括永磁同步发电机(4)和PWM整流器(5)，永磁同步发电机(4)随风力发电机(3)同轴转动，永磁同步发电机(4)的交流输出端与PWM整流器(5)的交流输入端相连，PWM整流器(5)的直流输出端连接控制器￠)的副励磁输入端。
2.根据权利要求I所述风力发电机无刷励磁系统，其特征在于，控制器(6)包括监测模块(6-1)、比较模块(6-2)和开关模块(6-3)，监测模块(6-1)监测主励磁系统供给风力发电机(3)的励磁绕组的励磁电压，并将监测到的励磁电压发送给比较模块￠-2)，比较模块(6-2)将所述励磁电压与风力发电机(3)的额定励磁电压进行比较，将比较结果发送给开关模块(6-3)，当比较结果为所述励磁电压与风力发电机(3)的额定励磁电压相等时，开关模块(6-3)控制主励磁系统接入，由主励磁系统单独为风力发电机(3)的励磁绕组提供励磁电压；当比较结果为所述励磁电压低于风力发电机⑶的额定励磁电压时，开关模块(6-3)控制副励磁系统接入，由副励磁系统单独为风力发电机(3)的励磁绕组提供励磁电流，且当所述励磁电流达到风力发电机(3)的额定励磁电流时，开关模块(6-3)控制主励磁系统重新接入，由主励磁系统单独为风力发电机(3)的励磁绕组提供励磁电压。
3.基于权利要求2所述风力发电机无刷励磁系统的主、副励磁系统的切换方法，其特征在于，电网无故障状态下，由主励磁系统单独为风力发电机(3)的励磁绕组提供励磁电压，主、副励磁系统切换方法包括以下步骤 步骤一、监测主励磁系统为风力发电机(3)的励磁绕组提供的励磁电压； 步骤二、将主励磁系统的励磁电压与风力发电机(3)的额定励磁电压进行比较， 步骤三、判断主励磁系统的励磁电压与风力发电机(3)的额定励磁电压的比较结果；当主励磁系统的励磁电压与风力发电机(3)的额定励磁电压相等时，执行步骤四；当主励磁系统的励磁电压低于风力发电机(3)的额定励磁电压时，表明电网发生故障，断开主励磁系统，执行步骤五； 步骤四、控制主励磁系统接入，由主励磁系统单独为风力发电机(3)的励磁绕组提供励磁电压；然后再返回执行步骤一； 步骤五、控制副励磁系统接入，由副励磁系统单独为风力发电机(3)的励磁绕组提供励磁电压，然后执行步骤六； 步骤六、判断主励磁系统的励磁电压是否上升到等于风力发电机(3)的额定励磁电压，判断结果为是，表明电网故障消除，断开副励磁系统，返回执行步骤四；判断结果为否，返回执行步骤五。
全文摘要
风力发电机无刷励磁系统及主、副励磁系统的切换方法，属于电机领域，本发明为解决现有风力发电不能实现低电压穿越技术的问题。本发明所述风力发电机无刷励磁系统由主、副励磁两部分系统。根据电网电压跌落情况，快速的切换主、副励磁系统。避免风力发电机出现失磁现象，确保发电机稳定运行，不出现脱网现象。电网稳定时，风力发电机正常运行，主励磁机从电网获取励磁电压，副励磁系统的永磁风力发电机空载运行，不产生励磁电压。电网跌落时，主励磁系统断开，副励磁系统接入，提供励磁电压，实现低电压穿越功能。同时为电网补偿无功功率，实现对电网的无功功率支撑。电网恢复正常时，主励磁系统恢复工作，副励磁保持空载运行。
文档编号H02P9/10GK102790571SQ20121031127
公开日2012年11月21日 申请日期2012年8月29日 优先权日2012年8月29日
发明者付敏, 周封, 张富全, 张晓晨, 李伟力, 赵乐然, 高晗璎 申请人:北京交通大学