一种无刷双馈发电系统的制作方法

1.本发明属于电机发电领域，更具体地，涉及一种无刷双馈发电系统。


背景技术：

2.随着人类社会的发展与物质水平的提升，能源短缺问题日益突出。因此，开发利用清洁的可再生能源和改进能源转换设备以提高能源利用率已成为近年来的研究热点。
3.无刷双馈电机以其结构可靠、励磁调节灵活等特性，在风力、水力、船舶轴带等变速发电领域具有广阔的应用前景，近些年备受关注。
4.目前，无刷双馈发电系统通常为功率绕组直接连接负载或电网，控制绕组连接双向变频器，通过变频器改变控制绕组的电压与频率，从而保持功率绕组电压与频率恒定，进而实现电机的变速恒频发电。
5.然而，由于无刷双馈电机数学模型复杂，完全解耦的矢量控制较难实现，导致目前的发电系统仍存在动态响应不佳，直流母线电压稳定性较差等问题，极易造成整个发电系统的停机和崩溃。


技术实现要素：

6.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种无刷双馈发电系统，其目的在于利用交直交变频器实现直流母线电压的稳定控制，由此解决目前无刷双馈电机发电系统存在的调节复杂、动态响应慢、直流母线电压稳定性差的技术问题。
7.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种无刷双馈发电系统，包括：
8.无刷双馈发电机，包括：转子结构和定子结构，所述定子结构包括：铁芯、功率绕组和控制绕组，所述功率绕组和所述控制绕组为两套不同极对数的三相交流绕组；
9.交直交变频器，与所述控制绕组连接，用于建立并保持初始直流母线电压，还用于调节所述控制绕组的频率和电压；在所述无刷双馈电机变转速的条件下维持所述功率绕组频率恒定，在所述功率绕组容量不足的情况下调节所述控制绕组及所述功率绕组的功率分配关系；
10.不控整流模块，与所述功率绕组连接，用于将所述功率绕组生成的三相交流电整流为稳定的目标直流母线电压；
11.逆变模块，与所述不控整流模块连接，用于将所述目标直流母线电压逆变为符合用电质量标准的三相交流电，以为连接的负载供电或者连接主电网并网供电。
12.在其中一个实施例中，所述交直交变频器的直流母线与所述不控整流模块的直流母线并联，用以实现所述功率绕组、所述控制绕组、所述电网及所述负载之间的能量多向流动。
13.在其中一个实施例中，
14.所述功率绕组与所述不控整流模块的输入侧连接，用于馈送能量；
15.所述控制绕组与所述交直交变频器的输出端连接，用于同所述无刷双馈发电系统
进行能量双向交互流动。
16.在其中一个实施例中，所述控制绕组的频率及所述功率绕组的频率均能够改变；
17.调节所述控制绕组的频率用于维持功率绕组频率恒定；
18.调节所述功率绕组频率用于在过载工况下调节两套三相交流绕组的有功分配，增加所述无刷双馈发电系统的容量。
19.在其中一个实施例中，所述无刷双馈发电系统的起励方式为直流起励方式或交流起励方式。
20.在其中一个实施例中，
21.当所述无刷双馈发电系统的起励方式为直流起励方式时，所述无刷双馈发电系统还包括蓄电池，所述蓄电池跨接在所述交直交变频器的直流母线与所述不控整流模块的直流母线上；由所述蓄电池为所述无刷双馈发电系统供电。
22.在其中一个实施例中，
23.当所述无刷双馈发电系统的起励方式为交流起励方式时，所述主电网通过变压器与所述交直交变频器连接，由所述主电网为所述无刷双馈发电系统供电。
24.在其中一个实施例中，当所述主电网和所述交直交变频器通过变压器连接时，所述变压器依据所述交直交变频器和所述主电网的电压等级匹配关系来进行选配。
25.在其中一个实施例中，所述交直交变频器的容量小于所述无刷双馈发电机的容量；所述逆变模块的容量与所述无刷双馈发电机的容量的差值小于差值阈值。
26.在其中一个实施例中，所述转子结构包括绕线、鼠笼和磁阻中的至少一种。
27.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
28.1.本发明提供无刷双馈发电系统包括：无刷双馈电机、交直交变频器、不控整流模块、逆变模块、变压器及开关等其它电气部件。所述无刷双馈发电机包含定子结构和转子结构。定子结构包含铁芯、功率绕组和控制绕组。其中，功率绕组直接连接不控整流模块向直流母线馈入电能，控制绕组通过交直交变频器与电网连接，所述交直交变频器的直流母线与整流模块直流母线并联，并通过所述逆变模块最终与负载或电网连接，实现对发出电能。本发明能够实现发电系统直流母线电压的稳定运行，提高系统的动态响应能力，并且可以利用传统商用的交直交变频器自行完成控制，极大简化了无刷双馈发电系统的复杂度，并减少了调试时间。
29.2.本发明提供的无刷双馈发电系统通过拓扑结构创新，利用常规的交直交变频器即可实现直流母线电压的稳定控制，可以显著节省研发成本和时间，并且提高了直流母线电压的稳定性和发电系统的动态响应；与此同时，无刷双馈电机的功率绕组频率不用保持在50hz，可以根据系统需求灵活改变功率绕组频率，进而有利于提升发电系统的效率和过载能力。
附图说明
30.图1是本发明提供的双变频无刷双馈发电系统的结构示意图；
31.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
32.电网1、变压器2和14、独立网关3、交直交变频器4、控制绕组5、原动机6、无刷双馈
电机7、功率绕组8、不控整流模块9、逆变模块10、主断路器11、并网开关12、负载13、蓄电池15。
具体实施方式
33.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
34.如图1所示，本发明提供一种无刷双馈发电系统，包括：交直交变频器4、无刷双馈发电机7、不控整流模块9和逆变模块10。其中，交直交变频器4用于提供初始直流母线电压；无刷双馈发电机7包括：转子结构和定子结构，定子结构包括：铁芯、功率绕组8和控制绕组5，功率绕组8和控制绕组5为两套不同极对数的三相交流绕组；其中，控制绕组5与交直交变频器4的输出侧连接，当交直交变频器4输出预设频率的电压时保持初始母线直流电压恒定稳定，并调节功率绕组8和控制绕组5的有功功率分配关系；不控整流模块9与功率绕组8连接，用于将功率绕组8生成的三相交流电整流为稳定的目标直流母线电压；逆变模块10，与不控整流模块9连接，用于将目标直流母线电压逆变为符合用电质量标准的三相交流电，以为连接的负载供电或者连接主电网1并网供电。
35.在其中一个实施例中，交直交变频器4的直流母线与不控整流模块9的直流母线并联，用以实现功率绕组8、控制绕组5、电网1及负载之间的能量多向流动。在其中一个实施例中，转子结构包括绕线、鼠笼和磁阻中的至少一种。
36.其中，风能、水能、热能通过原动机6捕获转化为机械能，原动机6与无刷双馈电机7同轴直接相连，将机械能传递至无刷双馈电机7。无刷双馈发电机7包含定子和转子，定子包含两个独立的功率绕组8和控制绕组5，功率绕组8与不控整流模块9直接相连，控制绕组5与交直交变频器4输出端相连。
37.本发明涉及一种无刷双馈发电系统包含无刷双馈发电机7、交直交变频器4、不控整流模块9、逆变模块10、变压器2和变压器14、蓄电池15等电气传动部件；无刷双馈发电机7包含定子结构和转子结构；转子结构由特殊设计的绕线、鼠笼、磁阻或混合结构组成，取消电刷和滑环；定子结构包含铁芯和两套不同极对数的三相交流绕组；三相交流绕组分别为功率绕组8和控制绕组5；功率绕组8连接不控整流模块9输入侧，向发电系统馈送能量，控制绕组5连接交直交变频器4输出端，同系统进行能量双向交互流动；交直交变频器4可以输入侧通过变压器2与电网1相连，为系统提供初始励磁电压，交直交变频器4输出侧连接控制绕组，通过调节交直交变频器4输出一定频率的电压，可以保持母线直流电压恒定并可以调节功率绕组8和控制绕组5的有功功率分配关系；蓄电池15并联直流母线，为系统提供励磁电压；不控整流模块9与功率绕组8连接，用以将功率绕组8发出的三相交流电整流为稳定的直流母线电压，为系统及负载提供电能，逆变模块10将稳定的直流母线电压逆变为符合用电质量标准的三相交流电直接连接负载14直接供电或者通过变压器14连接电网1并网供电。其中，逆变模块10和变压器14之前设有主断路器11和并网开关12。
38.本发明提供的无刷双馈发电系统提升了无刷双馈发电系统的性能，具有效率高、可靠性强、控制简单、通用性强、运维方便的优势，将有效促进无刷双馈发电的应用和普及。
39.在其中一个实施例中，控制绕组5的频率及功率绕组8的频率均能够改变；调节控制绕组5的频率用于维持功率绕组8频率恒定；调节功率绕组8频率用于在过载工况下调节两套三相交流绕组的有功分配，增加无刷双馈发电系统的容量。
40.具体的，无刷双馈电机7控制绕组5及功率绕组8输出有功功率之比近似等于两者频率之比。当主要承担输出的功率绕组8过载情况下，可以通过调节控制绕组5频率来改变功率绕组8频率，从而降低功率绕组8容量，因而本套系统具有一定程度的过载能力。
41.直流母线由外部建立稳定电压后，交直交变频器4向控制绕组5输出一定频率的电压，转子中将感应出对称交流电势与电流，转子中除产生与控制绕组极对数相同的磁场外，还将产生与功率绕组极对数相同的反向旋转磁场，该磁场在功率绕组8中感应出交流电势。分别调节交直交变频器4输出的电压及频率，使得功率绕组8端口电压接近额定电压，断开独网开关3或蓄电池15开关，系统从由外部电源供电的状态转换到由无刷双馈电机7独立发电的状态。
42.在独立发电状态下，功率绕组8所发交流电能经不控整流模块9调制为稳定的直流电能，主断路器11闭合，直流电能一部分通过并联直流母线结构与控制绕组5进行能量交互，另一部分通过逆变模块10逆变为符合用电质量标准的三相交流电直接给负载13供电或经并网开关12直接或通过变压器14与电网1相连进行并网供电。
43.当系统在原动机6转速变化、负载13突加突减等工况下，通过交直交变频器4调节控制绕组5电流的幅值及频率，可保持功率绕组8发出幅值恒定的三相交流电压，以维持直流母线电压值恒定，设置逆变模块10输出频率及幅值恒定的交流电能，即可完成变速恒频发电过程。
44.在其中一个实施例中，无刷双馈发电系统的起励方式为直流起励方式或交流起励方式。在其中一个实施例中，当无刷双馈发电系统的起励方式为直流起励方式时，无刷双馈发电系统还包括蓄电池15，蓄电池15跨接在交直交变频器4的直流母线与不控整流模块9的直流母线上；由蓄电池15为无刷双馈发电系统供电。在其中一个实施例中，当无刷双馈发电系统的起励方式为交流起励方式时，主电网1通过变压器2与交直交变频器4连接，由主电网1为无刷双馈发电系统供电。
45.具体的，采用交流起励时，电网1直接或通过变压器2经独网开关3连接交直交变频器输入侧。独网开关3闭合，系统由电网1供电。采用直流起励时，闭合蓄电池15开关，由蓄电池15为系统供电。
46.在其中一个实施例中，当主电网1和交直交变频器4通过变压器2连接时，变压器2依据交直交变频器4和主电网1的电压等级匹配关系来进行选配。变压器2和交直交变频器4之间设有独立网关3。
47.在其中一个实施例中，交直交变频器4的容量小于无刷双馈发电机7的容量；逆变模块10的容量与无刷双馈发电机7的容量的差值小于差值阈值。具体的，交直交变频器的4容量通常小于无刷双馈发电机的7容量，逆变模块10的容量与无刷双馈发电机7的容量相近似。
48.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。