專利名稱：直驅(qū)式交流勵磁風力發(fā)電機系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于現(xiàn)代電力電子和電機技術(shù)交叉領(lǐng)域，主要用于風 力發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用直流耦合的三個交—直流變換器和異步發(fā)電 機將隨時變化的風能轉(zhuǎn)化為固定頻率的電能。
背景技術(shù)：
目前，風電產(chǎn)業(yè)中并網(wǎng)型大型風力發(fā)電機組廣泛采用異步風力發(fā) 電機組、雙饋異步風力發(fā)電機組和直驅(qū)型同步風力發(fā)電機組。這三種 機型均能夠?qū)r刻變化的風能轉(zhuǎn)換為頻率衡定的電能，其中雙饋異步 風力發(fā)電機組和直驅(qū)型同步發(fā)電機組技術(shù)先進、能夠?qū)崿F(xiàn)對電磁轉(zhuǎn)矩 的控制，使風輪轉(zhuǎn)速達到最佳風能利用值，因而風能利用率高。雙饋風力發(fā)電機組定子側(cè)與電網(wǎng)直接連接，定子輸出電能頻率衡 定，但由于風力機的葉輪轉(zhuǎn)速很慢， 一般為每分鐘十幾轉(zhuǎn)，遠遠低于 要求的發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速，因此必須在葉輪和發(fā)電機的轉(zhuǎn)子之間安裝齒 輪箱等增速裝置。雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)采用了齒輪箱進行變速，這樣不 僅降低了風電轉(zhuǎn)換效率和產(chǎn)生噪音，更是風力發(fā)電機械故障的主要原 因，而且為減少機械磨損還需要定期對齒輪箱進行潤滑清洗等維護工 作。直驅(qū)型同步風力發(fā)電系統(tǒng)是葉輪直接與多極勵磁同步發(fā)電機的轉(zhuǎn) 子或永磁同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子相連，省去了齒輪箱部件，將頻率變化的 交流電經(jīng)變換器轉(zhuǎn)化為直流電，然后將直流電經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)化為頻率恒 定的交流電，從而送入電網(wǎng)，提高了系統(tǒng)的效率和運行可靠性，但由 于葉輪轉(zhuǎn)速很低，直驅(qū)型同步風力發(fā)電機組轉(zhuǎn)子極對數(shù)很多， 一般為 幾十對，這樣發(fā)電機的尺寸和重量大大增加，不利于設(shè)備運輸和安裝。公開號為JP2002345297A的日本專利"synchronous generator system for wind-turbine power generation and its operation method,，介紹了一種直流勵磁的風力發(fā)電機組，這種機組與永磁風力發(fā)電機組有相同的問題，轉(zhuǎn)子極對數(shù)多，發(fā)電機體積大而笨重。公開號為US20040119292A1的美國專禾U"method and configuration for controlling a wind energy installation without a gearbox by electronically varying the speed"同樣介紹了一種直流勵磁的風力發(fā)電機 組，該專利側(cè)重于風電機組的變速控制方案，勵磁方式采用永磁和直 流勵磁的混合勵磁方案或完全釆用直流電勵磁的方案，但缺點同樣是 轉(zhuǎn)子極對數(shù)多，發(fā)電機體積大而笨重。發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是克服雙饋風力發(fā)電機組齒輪箱帶來的問題和 直驅(qū)型風力發(fā)電機組重量和體積過大的缺點，與這兩種風力發(fā)電機組 相比，本實用新型不采用齒輪箱，同時轉(zhuǎn)子勵磁系統(tǒng)極對數(shù)較少，發(fā) 電機的體積和重量減小。為實現(xiàn)本實用新型的目的，本實用新型提供了一種直驅(qū)式交流勵 磁風力發(fā)電機系統(tǒng)，所述風力發(fā)電機系統(tǒng)主要包括風力發(fā)電機葉輪 [301]，發(fā)電機單元[302]，發(fā)電機單元的定子繞組[303]，定子側(cè)變換 器[304]，直流母線平波電容器[305]，網(wǎng)側(cè)變換器[306]，直流母線 [307]，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器[308]，傳動軸[309]，發(fā)電機單元的轉(zhuǎn)子繞組 [310]，以及變壓器[311];并且所述發(fā)電機單元[302]通過所述傳動軸 [309]直接與所述葉輪[301]相連；所述定子側(cè)變換器[304]的交流側(cè)與 所述發(fā)電機單元[302]的定子繞組[303]連接，所述定子側(cè)變換器[304] 將由發(fā)電機定子發(fā)出的頻率變化的交流電轉(zhuǎn)化為直流電，然后該直流 電經(jīng)由定子側(cè)變換器[304]的直流側(cè)通過直流母線[307]向直流母線平 波電容器[305]充電；所述轉(zhuǎn)子側(cè)變換器[308]的直流側(cè)與所述直流母 線[307]相連，從所述直流母線[307]吸收電能，將直流電轉(zhuǎn)化為頻率 和幅值都可控的交流電，然后該交流電經(jīng)由轉(zhuǎn)子側(cè)變換器[308]的交流 側(cè)通過所述發(fā)電機單元[302]的轉(zhuǎn)子繞組[310]向發(fā)電機提供勵磁電 流，該勵磁電流在發(fā)電機轉(zhuǎn)子氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場；網(wǎng)側(cè)變換器[306] 的直流側(cè)與直流母線相連，從所述直流母線吸收電能，將直流電轉(zhuǎn)化 為工頻交流電，該交流電通過所述變壓器[311 ]向電網(wǎng)輸送電能。根據(jù)本實用新型的一個實施例，風力發(fā)電機葉輪軸與發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸 直接相連，中間不需要配置增速裝置；發(fā)電機轉(zhuǎn)子的極數(shù)為多極配置。6根據(jù)本實用新型的一個實施例，所述轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的交流側(cè)與發(fā)電 機轉(zhuǎn)子繞組的連接可以通過電滑環(huán)連接或采用繞線式等無刷結(jié)構(gòu)連、根據(jù)本實用新型的一個實施例，所述轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的交流側(cè)輸出的 交流電流的頻率可以為零，成為直流勵磁系統(tǒng)。根據(jù)本實用新型的一個實施例，所述勵磁系統(tǒng)可以采用混合勵磁方 式多個永磁極和多個電勵磁極構(gòu)成勵磁系統(tǒng)。根據(jù)本實用新型的一個實施例，所述定子側(cè)變換器是由二極管構(gòu)成 的三相全橋不控整流器；所述轉(zhuǎn)子側(cè)變換器和所述網(wǎng)側(cè)變換器采用三 相全橋全控逆變器配置；該逆變器拓撲結(jié)構(gòu)可以采用多重化和多電平 技術(shù)來實現(xiàn)抑制諧波并增加變換器容量。根據(jù)本實用新型的一個實施例，所述逆變器由電力電子開關(guān)元件組成，這些開關(guān)元件可以是三極管BJT，可關(guān)斷晶閘管GTO，電力場效應 晶體管P—M0SFET，絕緣門極晶體管IGBT，注入增強門極晶體管IEGT， M0S控制晶閘管MCT，集成門極換流晶閘管IGCT，靜電感應晶體管SIT， 靜電感應晶閘管SITH組成。根據(jù)本實用新型的一個實施例，所述定子側(cè)變換器，所述轉(zhuǎn)子側(cè)變 換器和所述網(wǎng)側(cè)變換器的直流側(cè)與直流母線相連，所述直流母線可以 配置直流平波電容器，也可以不配置直流平波電容器。根據(jù)本實用新型的一個實施例，直流母線可以采用直流——直流變 換器來改變直流電壓。根據(jù)本實用新型的一個實施例，多個風力發(fā)電機系統(tǒng)可以公用一個 直流母線；直流母線也可以作為直流線路輸送直流電能。根據(jù)本實用新型的一個實施例，多個風力發(fā)電機系統(tǒng)可以公用一個 直流母線和一個網(wǎng)側(cè)逆變器；直流母線也可以作為直流線路輸送直流 電能。根據(jù)本實用新型的一個實施例，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器和網(wǎng)側(cè)變換器也可以 采用電流型變換器結(jié)構(gòu)。根據(jù)本實用新型還提供了一種直驅(qū)式交流勵磁風力發(fā)電機系統(tǒng)轉(zhuǎn) 子側(cè)變換器的控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)主要由測量模塊、控制模塊和 執(zhí)行模塊構(gòu)成；所述測量模塊測量發(fā)電機轉(zhuǎn)速，風速和系統(tǒng)輸出功率，當系統(tǒng)輸出的功率低于額定功率時，控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)勵磁電流和電磁轉(zhuǎn) 矩，使風機系統(tǒng)運行在最佳轉(zhuǎn)速跟蹤模式下，轉(zhuǎn)子電流頻率控制運行 在最佳勵磁功率損耗模式下；當系統(tǒng)輸出的功率達到額定功率時，控 制系統(tǒng)調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定，風機系統(tǒng)運行在定轉(zhuǎn)速 模式下，轉(zhuǎn)子電流頻率控制運行在最大勵磁功率限制模式；根據(jù)本實用新型還提供了一種直驅(qū)式交流勵磁風力發(fā)電機系統(tǒng)網(wǎng) 側(cè)變換器的控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)主要由測量模塊、控制模塊和執(zhí) 行模塊構(gòu)成；所述控制系統(tǒng)用于保持直流電壓穩(wěn)定和控制無功功率輸 出；電網(wǎng)側(cè)變換器交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位可控，可以調(diào)整變換 器向系統(tǒng)提供的有功和無功功率的大?。粺o功功率的輸出僅與直流母 線的電壓有關(guān)，風力發(fā)電機系統(tǒng)可以作為連續(xù)調(diào)節(jié)的無功電源使用。根據(jù)本實用新型的一個實施例，所述直驅(qū)式交流勵磁風力發(fā)電機系 統(tǒng)的直流母線可以接入其它直流電源，作為儲能裝置使用。風力發(fā)電機轉(zhuǎn)子通過滑環(huán)與三相全橋全控變換器連接，變換器采用 脈寬調(diào)制控制方式，將直流側(cè)直流電壓轉(zhuǎn)換為頻率和幅值可以變化的 交流電壓，該電壓在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生交流電流和旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場 的轉(zhuǎn)速nl與電流頻率成正比。轉(zhuǎn)子軸與風力機轉(zhuǎn)軸直接相連，其轉(zhuǎn)速 為n2，這樣，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場相對于定子的轉(zhuǎn)速為n = nl+n2，該磁場 在定子繞組中感生交流電流，該電流頻率隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子電流頻率 變化而變化。通過控制變換器交流側(cè)輸出電壓的大小和頻率，使發(fā)電 系統(tǒng)運行在最佳轉(zhuǎn)速跟蹤模式、最小勵磁功率損耗控制模式和最大勵 磁功率限制模式。這3種控制方式的運行原理如下所述1. 最佳轉(zhuǎn)速跟蹤模式通過控制轉(zhuǎn)子電壓的大小調(diào)整轉(zhuǎn)子電流和 電磁轉(zhuǎn)矩，從而控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速運行在最大風能捕獲效率 點，提高風機系統(tǒng)的風能利用率。2. 最佳勵磁功率損耗控制模式由于發(fā)電系統(tǒng)采用交流勵磁，勵磁 電流流過變換器將產(chǎn)生損耗，控制勵磁電壓的頻率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的比值， 就可以控制流過變換器功率大小，從而控制勵磁功率損耗，在保證發(fā) 電系統(tǒng)運行在最佳轉(zhuǎn)速跟蹤模式前提下，使發(fā)電系統(tǒng)的勵磁損耗最小。3. 最大勵磁功率限制模式當風力發(fā)電機組達到最大功率輸出時，為限制流過變換器功率，轉(zhuǎn)子勵磁電壓頻率應低于設(shè)定值，限制變換 器過負荷運行。發(fā)電機定子端與三相全橋不控交一直流變換器的交流側(cè)相連，變 換器將頻率變化的交流電流轉(zhuǎn)化為直流電流。變換器直流側(cè)與直流母 線相連。本風力發(fā)電系統(tǒng)通過一個交一直流三相全橋全控變換器與電網(wǎng)連 接，該變換器的直流側(cè)與直流母線相連，將幅值相對穩(wěn)定的直流電轉(zhuǎn) 化為工頻交流電送入電網(wǎng)，從而實現(xiàn)風能向電能的轉(zhuǎn)換。該全橋全控 變換器采用脈寬調(diào)制(P麗)控制方式，使變換器交流輸出側(cè)電壓的幅 值和相位可控，通過采用矢量控制或其它控制技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)輸出有功 功率和無功功率的解耦控制，可以為電網(wǎng)輸送無功功率。變換器的工 作方式有2種1. 直流電壓控制方式由于發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子勵磁功率需要通過變 換器從直流母線汲取有功功率，而發(fā)電系統(tǒng)的定子側(cè)將由風能轉(zhuǎn)化的 電能加上轉(zhuǎn)子勵磁功率饋入到直流母線，從而使母線電壓波動，調(diào)節(jié) 電網(wǎng)側(cè)變換器的輸出電壓的幅值和相位，控制輸出到電網(wǎng)的有功功率， 使直流母線電壓相對穩(wěn)定。2. 無功功率控制方式電網(wǎng)側(cè)變換器輸出的交流電壓的幅值和相 位可控，通過采用矢量控制或其它控制技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)輸出有功功率和 無功功率的解耦控制，能夠使發(fā)電系統(tǒng)的無功功率滿足電網(wǎng)要求，從 而提高發(fā)電系統(tǒng)的電能質(zhì)量。
圖1是公開號為JP2002345297A的日本專利的拓撲結(jié)構(gòu)圖 圖2是公開號為US20040119292A1的美國專利的拓撲結(jié)構(gòu)圖 圖3是直驅(qū)式交流勵磁風力發(fā)電機系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)圖 圖4是直驅(qū)式交流勵磁風力發(fā)電機系統(tǒng)控制的模塊原理框圖 圖5是直驅(qū)式交流勵磁風力發(fā)電機系統(tǒng)的數(shù)字仿真波形圖具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型的直驅(qū)式交流勵磁風力發(fā)電機系統(tǒng)作進一步說明。圖3是直驅(qū)式交流勵磁風力發(fā)電系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)主要元件有風力發(fā)電機葉輪[301]、傳動軸[309]、發(fā)電機單元[302]、發(fā)電機 定子繞組[303]、發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組[310]、定子側(cè)變換器[304]、網(wǎng)側(cè)變 換器[306]、變壓器[311]、直流母線[307]、直流母線平波電容器[305] 和轉(zhuǎn)子側(cè)變換器[308]。風力推動葉片旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為氣，傳動軸帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)子以相同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)子中流通頻率為y;的勵磁電流，將在電機氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，此磁場相對于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為^=^，其中p為發(fā)電機極對數(shù)，旋轉(zhuǎn)磁場在定子繞組中將產(chǎn)生頻率,+ ,的感應電動勢和電流。60定子側(cè)三相全橋不控整流器將頻率變化的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，向直 流母線和電容充電。網(wǎng)側(cè)三相全橋全控逆變器將直流電逆變?yōu)楣ゎl頻 率的交流電通過變壓器向電網(wǎng)輸送電能。本風力發(fā)電系統(tǒng)主要是通過對轉(zhuǎn)子側(cè)全控型變換器和網(wǎng)側(cè)全控型 變換器的控制達到對風能的最大利用率、減小系統(tǒng)損耗、提高系統(tǒng)效 率和輸出無功功率控制。對于特定翼型葉片，不同風速對應不同最佳轉(zhuǎn)速，使風機達到最 大風能利用效率，根據(jù)測量得到的風速數(shù)據(jù)，經(jīng)過查表方式或計算方 式可以得到最佳轉(zhuǎn)速，將此轉(zhuǎn)速信號作為參考轉(zhuǎn)速信號，與實際測量 得到的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速比較，將二者的差值輸入到轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的最佳轉(zhuǎn)速 跟蹤控制模塊，在控制模塊中，差值信號通過比例積分控制器輸出控 制信號，此信號經(jīng)過執(zhí)行模塊，轉(zhuǎn)化為可控硅闊的脈沖信號，控制電 力電子元件的導通與關(guān)斷?？煽毓枰话悴捎妹}寬調(diào)制技術(shù)，使輸出電 壓的幅值可控，從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子交流電壓幅值來控制電磁轉(zhuǎn)矩，使電磁 轉(zhuǎn)矩與葉輪的機械轉(zhuǎn)矩平衡，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達到參考設(shè)定值，從而實 現(xiàn)轉(zhuǎn)子的最佳轉(zhuǎn)速跟蹤控制目的，達到風能的最大利用。由于轉(zhuǎn)子電路流通交流電流，因此轉(zhuǎn)子側(cè)變換器將通過勵磁功率，從而造成變換器發(fā)熱，產(chǎn)生損耗；另外，變換器電流也不能過大，以 免造成變換器過電流損壞。發(fā)電機單元定子輸出的有功功率為轉(zhuǎn)子勵磁功率和原動機機械功率之和，二者的比例與發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流頻率和 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有關(guān)，在滿足最佳轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速所需的電磁轉(zhuǎn)矩條件下，轉(zhuǎn)子電 流頻率越低，勵磁功率越小，同時轉(zhuǎn)子電流也越大，為減小此變換器 有功損耗，限制過電流，又保證足夠的電磁轉(zhuǎn)矩，需選擇合適的頻率 值。當原動機機械功率達到額定值時，轉(zhuǎn)子電路中流過的勵磁功率也 達到最大值，這個最大值也與發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流頻率和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有關(guān)， 轉(zhuǎn)子電流頻率越高，勵磁功率最大值越大，為防止變換器過負荷，轉(zhuǎn) 子電流頻率應有最大值限制。綜上所述，在不同風速和發(fā)電機出力情況下，轉(zhuǎn)子電流頻率的設(shè) 置應滿足上述多個條件要求，不能過大也不能過小。頻率值確定后， 將此頻率值輸入到頻率發(fā)生器，輸出該頻率的正弦波，將此正弦波作 為脈寬調(diào)制的參考波，使變換器輸出電壓的基波頻率與設(shè)定值相同， 從而控制變換器輸出電壓的頻率。定子側(cè)三相全橋不控整流器將發(fā)電機單元輸出的頻率變化的交流 電轉(zhuǎn)換為直流電，向直流母線和直流平波電容充電。從直流側(cè)看，一 方面發(fā)電機定子通過整流器向電容充電，輸入能量，另一方面，發(fā)電 機轉(zhuǎn)子通過逆變器向電容器發(fā)電，輸出能量，由于輸入能量大于輸出 能量，二者的差值就是原動機的機械能，這樣造成直流電壓不斷升高， 這就需要網(wǎng)側(cè)變換器向電容放電，輸出電能到電網(wǎng)，從而保持直流電 壓的穩(wěn)定?？刂凭W(wǎng)側(cè)變換器輸出交流電壓的幅值和相位，就能夠控制 向電網(wǎng)輸出有功和無功功率的大小，保證直流電壓相對穩(wěn)定，同時也 能向電網(wǎng)輸出或吸收無功，滿足電網(wǎng)對無功的需求，提高電能質(zhì)量。電網(wǎng)側(cè)變換器采用三相全橋全控變換器配置，可以做整流器運行 也可做逆變器運行。變換器同樣采用脈寬調(diào)制技術(shù)，交流側(cè)輸出電壓 的幅值和相位可控。變換器通過變壓器與電網(wǎng)連接，改變變壓器兩側(cè) 電壓的幅值和相位，可以調(diào)整變換器向系統(tǒng)提供的有功和無功功率的 大小。采用矢量控制技術(shù)或鎖相環(huán)技術(shù)，可以實現(xiàn)輸出有功功率和無 功功率的解耦控制。首先，測量單元將測量得到的直流電壓值和網(wǎng)側(cè)交流電壓和電流 值輸入到網(wǎng)側(cè)變換器的控制模塊中，產(chǎn)生控制量，由于兩對控制量和控制目標之間有較強耦合作用，控制量必須經(jīng)過的解耦環(huán)節(jié)以消除或 減弱耦合作用，經(jīng)過解耦環(huán)節(jié)，產(chǎn)生輸出電壓的幅值和相位信號，經(jīng) 過執(zhí)行環(huán)節(jié)的變換器觸發(fā)控制模塊，輸出可控硅脈沖信號到可控硅控 制電路，控制可控硅導通和關(guān)斷。無功功率的控制有兩種方式定無功功率方式或定交流電壓方式。 定無功功率方式是調(diào)節(jié)控制量，使發(fā)電系統(tǒng)輸出的無功功率保持衡定。 定電壓控制方式是根據(jù)電網(wǎng)系統(tǒng)電壓水平的高低，使發(fā)電系統(tǒng)輸出的 無功功率隨電壓的變化而改變，電壓過高時，從系統(tǒng)吸收無功，使系 統(tǒng)電網(wǎng)降低到合適水平；當電壓過低時，向系統(tǒng)發(fā)出無功功率，提高 系統(tǒng)的電壓水平，使之達到合理水平。在定電壓控制模式下，如果發(fā) 電系統(tǒng)吸收或發(fā)出的功率不足以改變系統(tǒng)電壓，使之達到合理水平， 為保證發(fā)電系統(tǒng)自身的正常安全運行，無功控制模式自動由定電壓控 制模式切換到定功率控制模式。盡管為了完整和清晰的公開，參照特定實施方式對本實用新型進 行了描述，但所附權(quán)利要求并不受限于此，并且所附權(quán)利要求可被構(gòu) 造為體現(xiàn)所有完全落入本說明書中所闡明的基本教導內(nèi)的所屬技術(shù)領(lǐng) 域技術(shù)人員可想到的修改和替代性結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求1、一種直驅(qū)式交流勵磁風力發(fā)電機系統(tǒng)，其特征在于，所述風力發(fā)電機系統(tǒng)主要包括風力發(fā)電機葉輪[301]，發(fā)電機單元[302]，發(fā)電機單元的定子繞組[303]，定子側(cè)變換器[304]，直流母線平波電容器[305]，網(wǎng)側(cè)變換器[306]，直流母線[307]，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器[308]，傳動軸[309]，發(fā)電機單元的轉(zhuǎn)子繞組[310]，以及變壓器[311]；并且所述發(fā)電機單元[302]通過所述傳動軸[309]直接與所述葉輪[301]相連；所述定子側(cè)變換器[304]的交流側(cè)與所述發(fā)電機單元[302]的定子繞組[303]連接，所述定子側(cè)變換器[304]將由發(fā)電機定子發(fā)出的頻率變化的交流電轉(zhuǎn)化為直流電，然后該直流電經(jīng)由定子側(cè)變換器[304]的直流側(cè)通過直流母線[307]向直流母線平波電容器[305]充電；所述轉(zhuǎn)子側(cè)變換器[308]的直流側(cè)與所述直流母線[307]相連，從所述直流母線[307]吸收電能，將直流電轉(zhuǎn)化為頻率和幅值都可控的交流電，然后該交流電經(jīng)由轉(zhuǎn)子側(cè)變換器[308]的交流側(cè)通過所述發(fā)電機單元[302]的轉(zhuǎn)子繞組[310]向發(fā)電機提供勵磁電流，該勵磁電流在發(fā)電機轉(zhuǎn)子氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場；網(wǎng)側(cè)變換器[306]的直流側(cè)與直流母線相連，從所述直流母線吸收電能，將直流電轉(zhuǎn)化為工頻交流電，該交流電通過所述變壓器[311]向電網(wǎng)輸送電能。
2、 如權(quán)利要求1所述的風力發(fā)電機系統(tǒng)，其特征在于風力發(fā)電 機葉輪軸與發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸直接相連，中間不配置增速裝置；發(fā)電機轉(zhuǎn)子的極數(shù)為多極配置。
3、 如權(quán)利要求1所述的風力發(fā)電機系統(tǒng)，其特征在于所述轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的交流側(cè)與發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組的連接可以通過電滑環(huán)連接或采 用繞線式等無刷結(jié)構(gòu)連接。
4、 如權(quán)利要求1所述的風力發(fā)電機系統(tǒng)，其特征在于所述勵磁 系統(tǒng)可以采用混合勵磁方式多個永磁極和多個電勵磁極構(gòu)成勵磁系 統(tǒng)。
5、 如權(quán)利要求1所述的風力發(fā)電機系統(tǒng)，其特征在于所述定子 側(cè)變換器是由二極管構(gòu)成的三相全橋不控整流器；所述轉(zhuǎn)子側(cè)變換器 和所述網(wǎng)側(cè)變換器采用三相全橋全控逆變器配置；該逆變器拓撲結(jié)構(gòu) 可以采用多重化和多電平技術(shù)來實現(xiàn)抑制諧波并增加變換器容量。
6、 如權(quán)利要求5所述的風力發(fā)電機系統(tǒng)，其特征在于所述逆變 器由電力電子開關(guān)元件組成，這些開關(guān)元件可以是三極管BJT，可關(guān)斷晶閘管GT0，電力場效應晶體管P—MOSFET,絕緣門極晶體管IGBT，注 入增強門極晶體管IEGT， M0S控制晶閘管MCT，集成門極換流晶閘管 IGCT，靜電感應晶體管SIT，靜電感應晶閘管SITH組成。
7、 如權(quán)利要求1所述的風力發(fā)電機系統(tǒng)，其特征在于所述定子 側(cè)變換器，所述轉(zhuǎn)子側(cè)變換器和所述網(wǎng)側(cè)變換器的直流側(cè)與直流母線 相連，所述直流母線可以配置直流平波電容器，也可以不配置直流平 波電容器。
8、 如權(quán)利要求1所述的風力發(fā)電機系統(tǒng)，其特征在于多個風力 發(fā)電機系統(tǒng)可以公用一個直流母線和一個網(wǎng)側(cè)逆變器；直流母線也可 以作為直流線路輸送直流電能。
9、 如權(quán)利要求1所述的風力發(fā)電機系統(tǒng)，其特征在于轉(zhuǎn)子側(cè)變 換器和網(wǎng)側(cè)變換器也可以采用電流型變換器結(jié)構(gòu)。
10、 一種直驅(qū)式交流勵磁風力發(fā)電機系統(tǒng)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的控制系 統(tǒng)，其特征在于，所述控制系統(tǒng)主要由測量模塊、控制模塊和執(zhí)行模 塊構(gòu)成；所述測量模塊測量發(fā)電機轉(zhuǎn)速，風速和系統(tǒng)輸出功率；所述控制模 塊對所述測量模塊的輸出信號進行分析處理，使風力發(fā)電機系統(tǒng)根據(jù) 風速的不同分別運行在最佳轉(zhuǎn)速跟蹤模式和定轉(zhuǎn)速模式，相應的轉(zhuǎn)子 電流頻率控制運行在最佳勵磁功率損耗模式和最大勵磁功率限制模式；執(zhí)行模塊將控制信號轉(zhuǎn)換為控制電力電子開關(guān)元件導通或關(guān)斷的 脈沖信號，并將脈沖信號發(fā)送到電力電子開關(guān)元件。
11、 一種直驅(qū)式交流勵磁風力發(fā)電機系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變換器的控制系統(tǒng)， 其特征在于，所述控制系統(tǒng)主要由測量模塊、控制模塊和執(zhí)行模塊構(gòu) 成；所述測量模塊測量所述直流母線的電壓和風力發(fā)電機系統(tǒng)輸送到 電網(wǎng)的無功功率和電網(wǎng)的電壓；所述控制模塊對所述測量模塊的輸出 信號進行分析處理，使直流電壓運行在定電壓模式；使所述網(wǎng)側(cè)變換 器交流側(cè)運行在定無功功率模式或定電壓模式；執(zhí)行模塊將控制信號 轉(zhuǎn)換為控制電力電子開關(guān)元件導通或關(guān)斷的脈沖信號，并將脈沖信號 發(fā)送到電力電子開關(guān)元件。
專利摘要直驅(qū)式交流勵磁風力發(fā)電機系統(tǒng)主要包括風力發(fā)電機葉輪[301]，發(fā)電機單元[302]通過傳動軸[309]直接與葉輪相連；定子側(cè)變換器[304]的交流側(cè)與發(fā)電機單元的定子繞組[303]連接，定子側(cè)變換器將由發(fā)電機定子發(fā)出的頻率變化的交流電轉(zhuǎn)化為直流電，然后該直流電經(jīng)由定子側(cè)變換器[304]的直流側(cè)通過直流母線[307]向直流母線平波電容器[305]充電；轉(zhuǎn)子側(cè)變換器[308]的直流側(cè)與直流母線相連，從直流母線吸收電能，將直流電轉(zhuǎn)化為頻率和幅值都可控的交流電，然后該交流電經(jīng)由轉(zhuǎn)子側(cè)變換器[308]的交流側(cè)通過發(fā)電機單元的轉(zhuǎn)子繞組[310]向發(fā)電機提供勵磁電流；網(wǎng)側(cè)變換器[306]的直流側(cè)與直流母線相連，從直流母線吸收電能，將直流電轉(zhuǎn)化為工頻交流電，然后通過變壓器[311]向電網(wǎng)輸送電能。
文檔編號H02P9/42GK201167296SQ200720190808
公開日2008年12月17日 申請日期2007年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月14日
發(fā)明者勇 張 申請人:勇 張