專利名稱：永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型技術(shù)涉及一種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，特別涉及一種永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系 統(tǒng)。
背景技術(shù)：
風(fēng)力發(fā)電對(duì)于解決能源危機(jī)、緩解環(huán)境污染狀況都有十分重要的意義。目前在全 世界范圍內(nèi)，風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展勢(shì)頭十分迅猛，風(fēng)力發(fā)電量不斷增大，單機(jī)容量也不斷增大， 但對(duì)于現(xiàn)有的大容量的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)的齒輪箱易損壞、難維護(hù)和低效率，因此其高 效性和穩(wěn)定性欠佳，另外，整流、三相單管整流等傳統(tǒng)整流升壓電路(BOOST PFC)在風(fēng)力發(fā) 電系統(tǒng)中的應(yīng)用，易使發(fā)電機(jī)的輸出電流為畸形電流，發(fā)電機(jī)溫升高，輸出電流諧波大。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種成本低、高效且穩(wěn)定的永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系 統(tǒng)。為達(dá)上述目的及其他目的，本實(shí)用新型的永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，包括包含葉 片的永磁直趨同步發(fā)電機(jī)，用于將吹向葉片的風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能；整流模塊，與所述永磁直趨 同步發(fā)電機(jī)電連接，用于對(duì)所述電能進(jìn)行整流；與所述整流模塊電連接的升壓斬波模塊，采 用三相三開關(guān)三電平升壓電路對(duì)整流后的電能進(jìn)行升壓；與所述升壓斬波模塊電連接的逆 變模塊，用于將升壓后的電能提供至電網(wǎng)或負(fù)載。此外，還可包括一遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊，用于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行包括系統(tǒng)開啟、系統(tǒng)切斷、永磁 直趨同步發(fā)電機(jī)的槳距、永磁直趨同步發(fā)電機(jī)的偏航在內(nèi)的控制。綜上所述，本實(shí)用新型的永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相對(duì)于現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)， 省去了齒輪箱，而是采用三相三開關(guān)三電平升壓斬波電路，使發(fā)電機(jī)輸出電流正弦化，降低 了發(fā)電機(jī)的溫升、提高了發(fā)電機(jī)的壽命，降低了諧波和主開關(guān)管的耐壓等級(jí)，有效地提高了 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的高效性和穩(wěn)定性。

圖1是本實(shí)用新型的永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)基本架構(gòu)示意圖。圖2是本實(shí)用新型的永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本實(shí)用新型的永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的三相三開關(guān)三電平升壓電路中 所采用的開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本實(shí)用新型的永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的三相三開關(guān)三電平BOOST PFC電 路示意圖。
具體實(shí)施方式
請(qǐng)參閱圖1和圖2，本實(shí)用新型的永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)至少包括永磁直趨同
3步發(fā)電機(jī)、整流模塊、升壓斬波模塊、逆變模塊及遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊等。所述永磁直趨同步發(fā)電機(jī)包含葉片，用于將吹向葉片的風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能。所述整流模塊與所述永磁直趨同步發(fā)電機(jī)電連接，用于對(duì)所述電能進(jìn)行整流，在 本實(shí)施例中，采用二極管電路進(jìn)行整流。所述升壓斬波模塊與所述整流模塊電連接，其采用三相三開關(guān)三電平升壓電路對(duì) 整流后的電能進(jìn)行升壓。其中，所述三相三開關(guān)三電平升壓電路可采用三相升壓變流器，其 開關(guān)可采用金屬場(chǎng)效應(yīng)管。如圖3所示，其為本實(shí)施例單相所采用的雙向可控硅開關(guān)管的 結(jié)構(gòu)示意圖(即圖1中的Q1、Q2、或Q3)，本實(shí)施例的升壓斬波模塊和整流模塊共同構(gòu)成的整 流升壓電路(BOOST PFC)如圖4所示，將BOOST電感(即Li、L2、L3)放在三相輸入端，通過 3個(gè)獨(dú)立的電流內(nèi)環(huán)和1個(gè)電壓外環(huán)，分別獨(dú)立控制每一相的開關(guān)管，實(shí)現(xiàn)三相BOOST PFC 功能。其工作原理是以U相為例，當(dāng)U為正時(shí)，由L1、Q1、D1、C1組成一單相Boost PFC電 路；當(dāng)U為負(fù)時(shí)，由L1、Q1、D2、C2組成一單相Boost PFC電路；其他兩相，即V相和W相，其 工作原理和U相類似，即，當(dāng)V相為正時(shí)，由L2、Q2、D3、Cl組成一單相Boost PFC電路；當(dāng) V為負(fù)時(shí)，由L2、Q2、D4、C2組成一單相Boost PFC電路；當(dāng)W相為正時(shí)，由L3、Q3、D5、C1組 成一單相Boost PFC電路；當(dāng)V為負(fù)時(shí)，由L3、Q3、D6、C2組成一單相Boost PFC電路。由 此可見，每個(gè)開關(guān)管(即Q1、Q2、Q3)只承受輸出電壓的一半，因此可以用開關(guān)頻率更高、耐壓 等級(jí)更低、成本更低的開關(guān)器件，如金屬-氧化層_半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(即M0SFET)來代 替絕緣柵極型功率管(即IGBT)。所述逆變模塊與所述升壓斬波模塊電連接，用于將升壓后的電能提供至電網(wǎng)或負(fù) 載，其可采用電壓源型三相六管的PWM逆變器結(jié)構(gòu)，如圖2所示，分別與U、V、及W相連接的 六管，構(gòu)成三相逆變器。所述遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊用于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行包括系統(tǒng)開啟、系統(tǒng)切斷、永磁直趨同步發(fā)電 機(jī)的槳距、永磁直趨同步發(fā)電機(jī)的偏航在內(nèi)的控制。其可包括設(shè)置于所述葉片上且用于感 測(cè)風(fēng)速或轉(zhuǎn)速的風(fēng)速或轉(zhuǎn)速傳感器；設(shè)置于所述永磁直趨同步發(fā)電機(jī)內(nèi)且用于感測(cè)同步發(fā) 電機(jī)溫度的溫度傳感器；連接在所述升壓斬波模塊的輸出端且用于感測(cè)所述升壓斬波模塊 輸出電壓或電流的電壓或電流傳感器；用于對(duì)所感測(cè)出的輸出電壓或電流進(jìn)行處理以便控 制所述逆變模塊的空間矢量脈寬調(diào)制(即SVPWM)的數(shù)字信號(hào)處理器；與所述風(fēng)速或轉(zhuǎn)速傳 感器、溫度傳感器、永磁直趨同步發(fā)電機(jī)輸出端、電壓或電流傳感器、數(shù)字信號(hào)處理器、和逆 變模塊的輸出端相連接，用于輸出數(shù)據(jù)、以及將接收的相應(yīng)數(shù)據(jù)送至永磁直趨同步發(fā)電機(jī) 以控制槳距和偏航的遠(yuǎn)程分布式輸入輸出單元(即遠(yuǎn)程分布式1/0)；具有現(xiàn)場(chǎng)總線通信模 塊且通過總線與所述遠(yuǎn)程分布式輸入輸出單元相連接，用于對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以回送 相應(yīng)的控制數(shù)據(jù)以對(duì)系統(tǒng)的部件進(jìn)行相應(yīng)控制的可編程邏輯控制器(PLC);和遠(yuǎn)程服務(wù)器 (即SCADA服務(wù)器)，用于通過TCP/IP協(xié)議與所述可編程邏輯控制器進(jìn)行通訊，以便向控制 人員顯示各感測(cè)的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與記錄。其中，所述電壓或電流傳感器可為傳感 電容；所述總線可為CANopen總線。由此可見，在任意時(shí)刻，電路都是三個(gè)Boost PFC電路同時(shí)在工作，每相電路分別 采用各自的電流反饋回路，采用同一個(gè)電壓反饋回路，形成由三個(gè)電流反饋內(nèi)環(huán)、一個(gè)電壓 反饋外環(huán)的多閉環(huán)系統(tǒng)。即系統(tǒng)的輸出電壓先經(jīng)電壓傳感器反饋至DSP中的電壓調(diào)節(jié)器， 與參考電壓比較形成誤差信號(hào)，調(diào)節(jié)器根據(jù)誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)，生成控制信號(hào)，再使BOOST電感CN 201747529 U
說明書
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電流能夠跟蹤整流輸入電壓(即控制信號(hào))，在控制信號(hào)和電流反饋?zhàn)饔孟?，SVPWM環(huán)節(jié)生成 占空比一定的脈沖信號(hào)，控制開關(guān)管通斷，得到穩(wěn)定的電壓輸出。該電路在三相平衡的情況 下，可以去掉中性線，因?yàn)樵谌我鈺r(shí)刻，流過Q1、Q2、Q3的電流的矢量和為零。此外，可在系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置以與所述遠(yuǎn)程分布式輸入輸出單元進(jìn)行數(shù)據(jù)通信以便對(duì) 現(xiàn)場(chǎng)的永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的進(jìn)行控制的現(xiàn)場(chǎng)控制器，其接收來自遠(yuǎn)程分布式輸入輸 出單元的控制指令，以控制系統(tǒng)開啟或切斷、槳距控制、偏航等，也可根據(jù)實(shí)際對(duì)系統(tǒng)的其 它方面進(jìn)行控制。上述系統(tǒng)的工作原理為風(fēng)吹向永磁直趨同步發(fā)電機(jī)的葉片，帶動(dòng)永磁直驅(qū)發(fā)電 機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能，電能經(jīng)過整流、升壓斬波和逆變等電力電子變換后，將變 換后的電能供給負(fù)載或者并網(wǎng)，遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊一方面可以進(jìn)行系統(tǒng)開啟或切斷、槳距控制、 偏航控制等控制操作，一方面可以在SCADA服務(wù)器上監(jiān)視各部分的傳感器信號(hào)，如電壓、電 流(包括、溫度和轉(zhuǎn)速等等，并進(jìn)行分析和記錄。綜上所述，本實(shí)用新型的永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由于升壓斬波模塊采用三相三 開關(guān)三電平升壓電路，其優(yōu)點(diǎn)是每個(gè)開關(guān)管只承受輸出電壓的一半，因此可以用開關(guān)頻率 更高、耐壓等級(jí)更低、成本更低的開關(guān)器件，如MOSFET來代替IGBT。這種結(jié)構(gòu)的三相BOOST PFC變流器，其優(yōu)點(diǎn)是在輸人電流紋波相同的情況下，能夠減小Boost電感的電感量，縮小 電感體積，降低成本；與現(xiàn)有三相單管BOOST PFC電路比較，發(fā)電機(jī)側(cè)輸出的每相電流都可 以實(shí)現(xiàn)正弦化，與三相兩電平PFC轉(zhuǎn)換器相比較，有更高的性能價(jià)格比，更適合于在大功率 場(chǎng)合應(yīng)用，因而這種結(jié)構(gòu)的BOOST PFC電路具有一定的優(yōu)勢(shì)。上述實(shí)施例僅列示性說明本實(shí)用新型的原理及功效，而非用于限制本實(shí)用新型。 任何熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人員均可在不違背本實(shí)用新型的精神及范圍下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修 改。因此，本實(shí)用新型的權(quán)利保護(hù)范圍，應(yīng)如權(quán)利要求書所列。
權(quán)利要求一種永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于包括包含葉片的永磁直趨同步發(fā)電機(jī)，用于將吹向葉片的風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能；整流模塊，與所述永磁直趨同步發(fā)電機(jī)電連接，用于對(duì)所述電能進(jìn)行整流；與所述整流模塊電連接的升壓斬波模塊，采用三相三開關(guān)三電平升壓電路對(duì)整流后的電能進(jìn)行升壓；與所述升壓斬波模塊電連接的逆變模塊，用于將升壓后的電能提供至電網(wǎng)或負(fù)載。
2.如權(quán)利要求1所述的永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于還包括一遠(yuǎn)程監(jiān)控模 塊，用于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行包括系統(tǒng)開啟、系統(tǒng)切斷、永磁直趨同步發(fā)電機(jī)的槳距、永磁直趨同步 發(fā)電機(jī)的偏航在內(nèi)的控制，其包括設(shè)置于所述葉片上的風(fēng)速或轉(zhuǎn)速傳感器，用于感測(cè)風(fēng)速；設(shè)置于所述永磁直趨同步發(fā)電機(jī)內(nèi)的溫度傳感器，用于感測(cè)溫度；電壓或電流傳感器，連接在所述升壓斬波模塊的輸出端，用于感測(cè)所述升壓斬波模塊 輸出電壓或電流；數(shù)字信號(hào)處理器，用于對(duì)所感測(cè)出的輸出電壓或電流進(jìn)行處理以便控制所述逆變模塊 的空間矢量脈寬調(diào)制；遠(yuǎn)程分布式輸入輸出單元，與所述風(fēng)速或轉(zhuǎn)速傳感器、溫度傳感器、永磁直趨同步發(fā)電 機(jī)輸出端、電壓或電流傳感器、數(shù)字信號(hào)處理器、和逆變模塊的輸出端相連接，用于輸出數(shù) 據(jù)、以及將接收的相應(yīng)數(shù)據(jù)送至永磁直趨同步發(fā)電機(jī)以控制槳距和偏航；具有現(xiàn)場(chǎng)總線通信模塊的可編程邏輯控制器，通過總線與所述遠(yuǎn)程分布式輸入輸出單 元相連接，用于對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以回送響應(yīng)的控制數(shù)據(jù)以對(duì)系統(tǒng)的部件進(jìn)行相應(yīng)控 制；遠(yuǎn)程服務(wù)器，用于通過TCP/IP協(xié)議與所述可編程邏輯控制器進(jìn)行通訊，以便向控制人 員顯示各感測(cè)的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與記錄。
3.如權(quán)利要求2所述的永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述電壓或電流傳感 器為傳感電容。
4.如權(quán)利要求2所述的永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述總線為CANopen 總線。
5.如權(quán)利要求2所述的永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于還包括一與所述遠(yuǎn)程分 布式輸入輸出單元進(jìn)行數(shù)據(jù)通信以便對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的進(jìn)行控制的現(xiàn) 場(chǎng)控制器。
6.如權(quán)利要求1所述的永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述三相三開關(guān)三電 平升壓電路中的開關(guān)采用金屬場(chǎng)效應(yīng)管。
7.如權(quán)利要求1所述的永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述三相三開關(guān)三電 平升壓電路采用三相升壓變流器。
8.如權(quán)利要求1所述的永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述逆變模塊采用電 壓源型三相六管的PWM逆變器結(jié)構(gòu)。
專利摘要本實(shí)用新型的永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，包括包含葉片且用于將吹向葉片的風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的永磁直趨同步發(fā)電機(jī)；與所述永磁直趨同步發(fā)電機(jī)電連接且用于對(duì)所述電能進(jìn)行整流的整流模塊；與所述整流模塊電連接且采用三相三開關(guān)三電平升壓電路對(duì)整流后的電能進(jìn)行升壓的升壓斬波模塊；與所述升壓斬波模塊電連接且用于將升壓后的電能提供至電網(wǎng)或負(fù)載的逆變模塊等，如此可使發(fā)電機(jī)輸出電流正弦化，降低發(fā)電機(jī)的溫升、提高發(fā)電機(jī)的壽命，降低了諧波和主開關(guān)管的耐壓等級(jí)，有效地提高了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的高效性和穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)F03D9/00GK201747529SQ20102022017
公開日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2010年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月9日
發(fā)明者張潮海, 欒天, 欒婷媛, 金志輝, 高麗穎 申請(qǐng)人:上海理工大學(xué)