一種永磁電機、風力發(fā)電機系統(tǒng)及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種永磁電機、風力發(fā)電機系統(tǒng)及其控制方法，所述永磁電機包括外電機和內(nèi)電機構(gòu)，其中：外定子、外繞組、外氣隙、外永磁體和轉(zhuǎn)子構(gòu)成外電機；內(nèi)定子、內(nèi)繞組、內(nèi)氣隙、內(nèi)永磁體和轉(zhuǎn)子構(gòu)成內(nèi)電機；外電機和內(nèi)電機在磁路上相互獨立，外電機和內(nèi)電機在電氣上也互相獨立。所述風力發(fā)電機系統(tǒng)以永磁電機和AC/DC、DC/DC和DC/AC變換器結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，DC/DC變換器對前級AC/DC的輸出直流電壓進行從直流到直流的變換，該DC/DC變換器使用串聯(lián)boost變換器。本發(fā)明通過提高發(fā)電機的功率和體積比(功率密度)來減小發(fā)電機的重量和體積,降低風力發(fā)電機組的成本，提高風電機組的可靠性。
【專利說明】—種永磁電機、風力發(fā)電機系統(tǒng)及其控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及風力發(fā)電【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地，涉及一種以雙定子-單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁電機和變流器拓撲結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的風力發(fā)電機及其控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002]海上風力發(fā)電的成本還比較高，這主要是由于海上風力發(fā)電的安裝、運輸和維護成本比陸上風力發(fā)電要高許多。如何簡化風電機組的安裝與運輸，并且提高機組運行的可靠性是海上風力發(fā)電成本中比較重要的環(huán)節(jié)。
[0003]經(jīng)檢索，現(xiàn)有技術(shù)中:
[0004]文獻1:Χ.P.Liu, H.Y.Lin, Z.Q.Zhu, C.F.Yang, S.H.Fang, and J.Guo, “A noveldual-stator hybrid excited synchronous wind generator, ” IEEE Transact1ns onIndustry Applicat1ns, vol.45, n0.3, pp.947-953，2009 ;該文獻中提出了一種基于雙定子-單轉(zhuǎn)子的混合勵磁的同步風力發(fā)電機，該方案通過雙定子-單轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)使氣隙磁場的調(diào)節(jié)能力得到了一定的提高。
[0005]文獻 2:B.Hamadou, A.Masmoudi, 1.Abdennadher, and A.Masmoudi, “Design of asingle-stator dual-rotor permanent-magnet machine,，’IEEE Transact1ns on Magnetics, vol.45，n0.1, pp.1494-1497，2009 ;該文獻中提出了一種單定子-雙轉(zhuǎn)子的永磁電機，也可以提高電機的功率密度。
[0006]文獻[I]提出的技術(shù)主要側(cè)重對氣隙磁場的調(diào)節(jié)，盡管采用了雙定子的結(jié)構(gòu)，但是兩個定子上的繞組是串聯(lián)的，電氣上耦合，可靠性不能很好滿足海上風電的需求。文獻
[2]提出的單定子-雙轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，定子上的兩套繞組也設(shè)計為電-磁隔離，并能提高電機的功率密度和可靠性，但是在定子上需要安裝額外的隔磁環(huán)，增加了制造的復雜性。而且，以上的方案集中的電機本體上，對與其配套的變流器并沒有涉及。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種雙定子-單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁電機和變流器結(jié)構(gòu)，可以簡化風電機組的安裝與運輸，并且提高機組運行的可靠性，從而降低風電機組的維護成本。
[0008]進一步的，本發(fā)明還提出了以所述永磁電機與變流器為基礎(chǔ)的風力發(fā)電機系統(tǒng)及其控制方法，以適合風力發(fā)電的需求。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種雙定子-單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁電機，所述永磁電機包括外電機和內(nèi)電機，其中:夕卜定子、外繞組、夕卜氣隙、外永磁體和轉(zhuǎn)子構(gòu)成一臺獨立的永磁電機，稱為外電機；內(nèi)定子、內(nèi)繞組、內(nèi)氣隙、內(nèi)永磁體和轉(zhuǎn)子構(gòu)成一臺獨立的永磁電機，稱為內(nèi)電機；轉(zhuǎn)子厚度足夠大使得轉(zhuǎn)子上的磁通密度不過飽和，從而外電機和內(nèi)電機在磁路上相互獨立；外電機的外繞組和內(nèi)電機的內(nèi)繞組在電氣上也無連接,從而外電機和內(nèi)電機在電氣上也互相獨立。
[0010]本發(fā)明永磁電機上的磁路和兩個定子上的繞組互相獨立，不需要安裝隔磁環(huán)，不但提高了電機的功率密度，還提高了可靠性，降低了生產(chǎn)和安裝的難度。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種串聯(lián)boost變換器，所述串聯(lián)boost變換器至少包括第一子boost變換器和第二子boost變換器，其中:
[0012]第一子boost變換器由第一電容Cle、第一電感Le、第一可控電力電子開關(guān)Se、第一二極管De、第二電容C2e連接而成,其中:第一電感Le的一端和第一電容Cle的正端相連，另一端和第一可控電力電子開關(guān)Se的源級相連,第一電容Cle的負端與第一可控電力電子開關(guān)S6的發(fā)射級相連，第一二極管D6的陽級與第一可控電力電子開關(guān)S6的源級相連，第一二極管De的陰級與第二電容C2e的正端相連,第二電容C2e的負端與第一可控電力電子開關(guān)S6的發(fā)射級相連；
[0013]第二子boost變換器由第三電容Cl1、第二電感Lp第二可控電力電子開關(guān)Sp第二二極管D1、第四電容C2i連接而成，其中:第二電感1^的一端和第三電容Cli的正端相連，另一端和第二可控電力電子開關(guān)Si的源級相連，第三電容Cli的負端與第二可控電力電子開關(guān)Si的發(fā)射級相連，第二二極管Di的陽級與第二可控電力電子開關(guān)Si的源級相連，第二二極管0,的陰級與第四電容C2i的正端相連，第四電容C2i的負端與第二可控電力電子開關(guān)Si的發(fā)射級相連；
[0014]每個子boost變換器的輸入為前級AC/DC變換器的輸出，即Udele, Udeli，每個子boost變換器的輸出串聯(lián)，得到一個總的直流電壓Ud。，即Udc = Udc;le+Udc;li。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種所述雙定子-單轉(zhuǎn)子永磁發(fā)電機的控制方法，該控制方法利用所述串聯(lián)boost變換器，該發(fā)電機采用功率閉環(huán)控制，具體為:
[0016]首先根據(jù)當前的風電機組的轉(zhuǎn)速和機組“功率？_-轉(zhuǎn)速cog ”的關(guān)系曲線，查得參考功率Ptjpt ；
[0017]然后根據(jù)外電機和內(nèi)電機的額定功率之比k，獲得外電機的參考功率P/(=k*Popt)和內(nèi)電機的參考功率Pi* ( = (l_k)*Popt)；
[0018]再分別和外電機與內(nèi)電機的實際輸出功率Pe( = idce*Udcle)和PJ = idci*Udcli)比較，誤差輸入到比例-積分(PI)控制器后得到第一子boost變換器和第二子boost變換器的可控電力電子開關(guān)的占空比de、Cli ；
[0019]最后所得占空比de、Cli與三角波比較后即得到第一子boost變換器和第二子boost變換器的可控電力電子開關(guān)的門極開關(guān)信號Gse、Gsi。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供一種變換器拓撲結(jié)構(gòu)，該變換器拓撲結(jié)構(gòu)包含所述的串聯(lián)boost變換器，具體包括:
[0021]AC/DC變換器:AC/DC變換器將外電機和內(nèi)電機繞組上的交流電壓整流為直流電壓，通過多相可控整流或多相不可控整流實現(xiàn)；
[0022]DC/DC變換器:DC/DC變換器對前級AC/DC的輸出直流電壓進行從直流到直流的變換，該DC/DC變換器使用所述串聯(lián)boost變換器；
[0023]DC/AC變換器:DC/AC變換器將前級DC/DC變換器的輸出電壓Ude逆變?yōu)榻涣麟妷?，該交流輸出和負載或電網(wǎng)連接。
[0024]優(yōu)選地，所述DC/AC變換器包括一字型中點鉗位NPC3電平逆變器，所述一字型中點鉗位NPC3電平逆變器輸入為前級的直流電壓輸出，輸出接負載或電網(wǎng)；其中:所述NPC3電平變換器的三個橋臂中每個橋臂上串聯(lián)了四個可控電力電子器件，在第一個和第二個可控電力電子器件的連接點以及第三個和第四個可控電力電子器件的連接點之間反向并聯(lián)一串串聯(lián)連接的二極管，該二極管串的中點和NPC3電平變換器的直流電容C的中點相聯(lián)，進行中點電壓鉗位；每個NPC3電平變換器的橋臂中點引出作為交流輸出的一相。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的第五方面，提供一種包括所述的永磁電機構(gòu)成的風力發(fā)電機系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括所述雙定子-單轉(zhuǎn)子永磁電機和所述變流器拓撲結(jié)構(gòu)，所述系統(tǒng)中:葉片通過轉(zhuǎn)軸與雙定子-單轉(zhuǎn)子永磁電機連接；雙定子-單轉(zhuǎn)子永磁電機的外電機和內(nèi)電機的繞組分別和一個多相全波整流橋連接，每一個多相全波整流橋的輸出再分別接到一個子boost變換器的輸入上，兩個子boost變換器的輸出再串聯(lián)，獲得一個直流電壓；獲得的直流電壓連接到所述NPC3電平逆變器的輸入，NPC3電平逆變器的輸出連接到電網(wǎng)或者負載上。
[0026]根據(jù)本發(fā)明的第六方面，提供一種上述風力發(fā)電機系統(tǒng)的控制方法，包括:
[0027]a、葉片控制方法；
[0028]當風速在額定風速以上時，葉片的控制可以通過功率閉環(huán)或者速度閉環(huán)或者功率-速度混合閉環(huán)的方式進行的，以實現(xiàn)風機葉片轉(zhuǎn)速不超過其額定轉(zhuǎn)速，風電機組的輸出有功功率不超過額定輸出有功功率。
[0029]當風速在額定風速以下時，參考槳距角設(shè)為某個恒定值，如零度。
[0030]b、雙定子-單轉(zhuǎn)子永磁發(fā)電機的控制方法:
[0031]風力發(fā)電機可以進行功率閉環(huán)控制。
[0032]c、NPC3電平逆變器的控制方法:
[0033]NPC3電平逆變器的控制可以采用基于直流電壓Udc穩(wěn)定為控制目標的外環(huán)控制和電流追蹤的內(nèi)環(huán)的控制策略，同時采用指定功率因數(shù)控制或無功和電壓控制。
[0034]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0035]本發(fā)明中電機上的磁路和兩個定子上的繞組互相獨立，不需要安裝隔磁環(huán)，不但提高了電機的功率密度，還提高了可靠性，降低了生產(chǎn)和安裝的難度。同時，本發(fā)明還提出了與此結(jié)構(gòu)電機配套的變流器及其控制策略，能夠?qū)蓚€定子繞組上的功率進行獨立控制。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯:
[0037]圖1為本發(fā)明一實施例雙定子-單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)永磁電機側(cè)視圖；
[0038]圖2為本發(fā)明一實施例一對極范圍內(nèi)永磁電機的截面展開圖；
[0039]圖1和2中:外定子1、外繞組2、外氣隙3、外永磁體4、轉(zhuǎn)子5、內(nèi)定子6、內(nèi)繞組7、內(nèi)氣隙8、內(nèi)永磁體9 ；
[0040]圖3為本發(fā)明一實施例不控整流AC/DC拓撲以及其與雙定子-單轉(zhuǎn)子永磁電機連接圖；
[0041]圖4為本發(fā)明一實施例串聯(lián)boost變換器主電路拓撲圖；
[0042]圖5為本發(fā)明一實施例一字型NPC3電平逆變器主電路拓撲圖；
[0043]圖6為本發(fā)明一實施例風力機系統(tǒng)連接圖；
[0044]圖7為本發(fā)明一實施例基于速度閉環(huán)的葉片控制框圖；
[0045]圖8為本發(fā)明一實施例雙定子-單轉(zhuǎn)子永磁發(fā)電機的控制方法框圖；
[0046]圖9(a)-圖9(e)為本發(fā)明一實施例當平均分速為8m/s時的仿真結(jié)果圖；
[0047]圖10(a)-圖10(f)為本發(fā)明一實施例當平均分速為12m/s時的仿真結(jié)果圖。

【具體實施方式】
[0048]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應當指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。
[0049]實施例1
[0050]如圖1、2所示，本實施例提供一種雙定子-單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁電機。圖中:外定子
1、外繞組2、外氣隙3、外永磁體4、轉(zhuǎn)子5、內(nèi)定子6、內(nèi)繞組7、內(nèi)氣隙8、內(nèi)永磁體9。
[0051]當忽略次要部件，如端蓋、機殼、軸和軸承等，所述雙定子-單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁電機的側(cè)視圖如圖1所示，在一對極范圍內(nèi)永磁電機的截面展開圖如圖2所示。
[0052]在圖2中，外定子和內(nèi)定子上繞多相繞組，比如3相繞組。外定子1、外繞組2、外氣隙3、外永磁體4和轉(zhuǎn)子5構(gòu)成了一臺獨立的永磁電機，此處稱為“外電機”;而內(nèi)定子6、內(nèi)繞組7、內(nèi)氣隙8、內(nèi)永磁體9和轉(zhuǎn)子5構(gòu)成了一臺獨立的永磁電機，此處稱為“內(nèi)電機”。轉(zhuǎn)子厚度足夠大，使得轉(zhuǎn)子上的磁通密度不過飽和。因此，“外電機”和“內(nèi)電機”在磁路上可以認為相互獨立?！巴怆姍C”和“內(nèi)電機”的繞組在電氣上也無連接，因此，“外電機”和“內(nèi)電機”在電氣上也互相獨立。外繞組安裝在外定子的槽中，轉(zhuǎn)子的外表面安裝有外永磁體，在外永磁體和外定子之間為外氣隙。內(nèi)繞組安裝在內(nèi)定子的槽中，轉(zhuǎn)子的內(nèi)表面安裝有內(nèi)永磁體,在內(nèi)永磁體和內(nèi)定子之間為內(nèi)氣隙。
[0053]實施例2
[0054]如圖4所示，本實施例提供一種用于實施例1的串聯(lián)boost變換器，該變換器至少包括第一子boost變換器和第二子boost變換器，其中:
[0055]所述串聯(lián)boost變換器至少包括第一子boost變換器和第二子boost變換器,其中:
[0056]第一子boost變換器由第一電容Cle、第一電感Le、第一可控電力電子開關(guān)Se、第一二極管De、第二電容C2e連接而成,其中:第一電感Le的一端和第一電容Cle的正端相連，另一端和第一可控電力電子開關(guān)Se的源級相連,第一電容Cle的負端與第一可控電力電子開關(guān)S6的發(fā)射級相連，第一二極管D6的陽級與第一可控電力電子開關(guān)S6的源級相連，第一二極管De的陰級與第二電容C2e的正端相連,第二電容C2e的負端與第一可控電力電子開關(guān)S6的發(fā)射級相連；
[0057]第二子boost變換器由第三電容Cl1、第二電感Lp第二可控電力電子開關(guān)Sp第二二極管D1、第四電容C2i連接而成，其中:第二電感1^的一端和第三電容Cli的正端相連，另一端和第二可控電力電子開關(guān)Si的源級相連，第三電容Cli的負端與第二可控電力電子開關(guān)Si的發(fā)射級相連，第二二極管Di的陽級與第二可控電力電子開關(guān)Si的源級相連，第二二極管0,的陰級與第四電容C2i的正端相連，第四電容C2i的負端與第二可控電力電子開關(guān)Si的發(fā)射級相連；
[0058]每個子boost變換器的輸入為前級AC/DC變換器的輸出，即Udele, Udeli，每個子boost變換器的輸出串聯(lián)，得到一個總的直流電壓Ud。，即Udc = Udc;le+Udc;li。
[0059]實施例3
[0060]本實施例提供一種變換器拓撲結(jié)構(gòu)，包括:
[0061]a、AC/DC 變換器
[0062]AC/DC變換器將外電機和內(nèi)電機繞組上的交流電壓整流為直流電壓，通過多相可控整流或多相不可控整流實現(xiàn)。如圖3所示，為3相不控整流的電路拓撲圖，由3相橋式二極管整流構(gòu)成?！巴怆姍C”和“內(nèi)電機”繞組分別連接到3相橋式二極管整流電路的3相交流輸入端。
[0063]b、DC/DC 變換器
[0064]DC/DC變換器的目的是對前級AC/DC的輸出直流電壓進行從直流到直流的變換，其中的一種方案是使用串聯(lián)boost變換器，如圖4所示，所述串聯(lián)boost變換器由第一子boost變換器和第二子boost變換器構(gòu)成,第一子boost變換器由電容Cle、電感Le、可控電力電子開關(guān)二極管De、電容C2e連接而成，第二子boost變換器由電容Cl1、電感L1、可控電力電子開關(guān)S1、二極管D1、電容C2i連接而成，每個子boost變換器的輸入為前級AC/DC的輸出，即Udcle，Udcli’每個子boost變換器的輸出串聯(lián)，得到一個總的直流電壓Udc? 即 Udc = udcle+udcl1
[0065]C、DC/AC 變換器
[0066]DC/AC變換器將前級DC/DC變換器的輸出電壓Udc逆變?yōu)榻涣麟妷?，該交流輸出和負載或電網(wǎng)連接，本實施例以一字型中點鉗位NPC3電平逆變器為例進行說明，該變換器的主電路拓撲如圖5所示，一字型中點鉗位NPC3電平逆變器主電路由電容、可控電力電子器件以及二極管連接構(gòu)成，輸入為前級的直流電壓輸出，輸出接負載或電網(wǎng)。其中:NPC3電平變換器的三個橋臂中每個橋臂上串聯(lián)了四個可控電力電子器件，在第一個和第二個可控電力電子器件的連接點以及第三個和第四個可控電力電子器件的連接點之間反向并聯(lián)一串串聯(lián)連接的二極管，該二極管串的中點和NPC3電平變換器直流電容C的中點相聯(lián)，進行中點電壓鉗位；每個NPC3電平變換器的橋臂中點引出作為交流輸出的一相。
[0067]實施例4
[0068]本實施例提供一種以上述雙定子-單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁電機和上述變流器拓撲結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的風力發(fā)電機系統(tǒng)，風機系統(tǒng)連接圖如圖6所示，其中:葉片通過轉(zhuǎn)軸與雙定子-單轉(zhuǎn)子永磁電機連接；雙定子-單轉(zhuǎn)子永磁電機的外電機和內(nèi)電機的繞組分別和一個多相全波整流橋連接，每一個多相全波整流橋的輸出再分別接到一個子boost變換器的輸入上，兩個子boost變換器的輸出再串聯(lián)，獲得一個直流電壓；獲得的直流電壓連接到NPC3電平逆變器的輸入，NPC3電平逆變器的輸出連接到電網(wǎng)或者負載上。
[0069]實施例5
[0070]本實施例采用實施例4所述結(jié)構(gòu)，提供一種以雙定子-單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁電機和變流器為基礎(chǔ)的風力發(fā)電機的控制方法，包括:
[0071]a、葉片控制方法
[0072]當風速在額定風速以上時，葉片的控制可以通過功率閉環(huán)或者速度閉環(huán)或者功率-速度混合閉環(huán)的方式進行的，以實現(xiàn)風機葉片轉(zhuǎn)速不超過其額定轉(zhuǎn)速。一種基于速度閉環(huán)的控制策略如圖7所示。控制系統(tǒng)的輸入為參考轉(zhuǎn)速ω/，反饋Og為葉片轉(zhuǎn)速，或為雙定子-單轉(zhuǎn)子發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，ω/與《8之差輸入到一個控制器，如比例-積分(PI)控制器，得到槳距角的增量Λ β ;同時，根據(jù)當前的風速V和穩(wěn)態(tài)下“槳距角-風速”曲線得到穩(wěn)態(tài)下的槳距角Λ β與Ptl之和為參考槳距角β，β經(jīng)過斜率和幅值的限制以后，送到葉片的變槳伺服機構(gòu)或風機主控；
[0073]當風速在額定風速以下時，參考槳距角設(shè)為某個恒定值，如零度。
[0074]b、雙定子-單轉(zhuǎn)子永磁發(fā)電機的控制方法
[0075]風力發(fā)電機可以進行轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制或功率閉環(huán)控制，以功率閉環(huán)為例，首先根據(jù)當前的風電機組的轉(zhuǎn)速《8和機組“功率？_-轉(zhuǎn)速ω/’的關(guān)系曲線(可以根據(jù)風電機組的最大功率追蹤要求獲得)，可以查得參考功率Ptjpt，然后根據(jù)外電機和內(nèi)電機的額定功率之比k，獲得外電機的參考功率Pj ( = k*Popt)和內(nèi)電機的參考功率PiY = (l-k)*Popt)，再分別和外電機與內(nèi)電機的實際輸出功率Pe ( = idce*Udcle)和？“ = idci*Udcli)比較，誤差輸入到比例-積分(PI)控制器后得到第一子boost變換器和第二子boost變換器的可控電力電子開關(guān)的占空比de、Cli, de,屯與高頻的三角波比較后即得到第一子boost變換器和第二子boost變換器的可控電力電子開關(guān)的門極開關(guān)信號Gse、Gsi。如圖8所示。
[0076]C、NPC3電平逆變器的控制方法。
[0077]NPC3電平逆變器的控制可以采用基于直流電壓Udc穩(wěn)定為控制目標的外環(huán)控制和電流追蹤的內(nèi)環(huán)控制策略，同時采用指定功率因數(shù)或無功/電壓控制。
[0078]基于上述技術(shù)內(nèi)容，以下通過兩組仿真試驗證明本發(fā)明的可行性(風機的額定風速為 llm/s)。
[0079]當平均風速為8m/s時:
[0080]圖9(a)為風速(m/s)?時間(S)；
[0081]圖9(b)為發(fā)電機轉(zhuǎn)速(rad/s)?時間(s ；
[0082]圖9(c)為雙定子-單轉(zhuǎn)子永磁發(fā)電機輸出有功功率(W)(白色-測量；灰色-參考)?時間(S)；
[0083]圖9⑷為DC/DC變換器輸出電壓Udc (V)?時間(S)；
[0084]圖9(e)為風機輸出到電網(wǎng)側(cè)有功(W，白色)和無功功率(VA,灰色)?時間(S)。
[0085]當平均風速為12m/s時:
[0086]圖10(a)為風速(m/s)?時間(S)；
[0087]圖10(b)為發(fā)電機轉(zhuǎn)速(rad/s)?時間(S)；
[0088]圖10(c)為槳距角(degree)?時間(S)；
[0089]圖10(d)為雙定子-單轉(zhuǎn)子永磁電機輸出有功功率(W)(白色-測量；灰色-參考)?時間(S)；
[0090]圖10 (e)為DC/DC變換器輸出電壓Udc (V)?時間(s)；
[0091]圖10(f)為風機輸出到電網(wǎng)側(cè)有功(W，白色)和無功功率(VA，灰色)?時間(S)。
[0092]本發(fā)明通過提高發(fā)電機的功率和體積比(功率密度)來減小發(fā)電機的重量和體積，降低風力發(fā)電機組的成本，提高風電機組的可靠性。
[0093]以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種雙定子-單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁電機，其特征在于包括外電機和內(nèi)電機構(gòu)，其中:夕卜定子、外繞組、夕卜氣隙、外永磁體和轉(zhuǎn)子構(gòu)成一臺獨立的永磁電機，稱為外電機；內(nèi)定子、內(nèi)繞組、內(nèi)氣隙、內(nèi)永磁體和轉(zhuǎn)子構(gòu)成一臺獨立的永磁電機，稱為內(nèi)電機；轉(zhuǎn)子厚度足夠大使得轉(zhuǎn)子上的磁通密度不過飽和，從而外電機和內(nèi)電機在磁路上相互獨立；外電機的外繞組和內(nèi)電機的內(nèi)繞組在電氣上也無連接,從而外電機和內(nèi)電機在電氣上也互相獨立。
2.一種串聯(lián)boost變換器，其特征在于，所述串聯(lián)boost變換器至少包括第一子boost變換器和第二子boost變換器，其中: 第一子boost變換器由第一電容Cle、第一電感Le、第一可控電力電子開關(guān)Se、第一二極管De、第二電容C2e連接而成,其中:第一電感Le的一端和第一電容Cle的正端相連，另一端和第一可控電力電子開關(guān)Se的源級相連,第一電容Cle的負端與第一可控電力電子開關(guān)S6的發(fā)射級相連，第一二極管D6的陽級與第一可控電力電子開關(guān)S6的源級相連，第一二極管De的陰級與第二電容C2e的正端相連,第二電容C2e的負端與第一可控電力電子開關(guān)S6的發(fā)射級相連； 第二子boost變換器由第三電容Cl1、第二電感Lp第二可控電力電子開關(guān)S1、第二二極管D1、第四電容C2i連接而成，其中:第二電感1^的一端和第三電容Cli的正端相連，另一端和第二可控電力電子開關(guān)Si的源級相連，第三電容Cli的負端與第二可控電力電子開關(guān)Si的發(fā)射級相連，第二二極管Di的陽級與第二可控電力電子開關(guān)Si的源級相連，第二二極管0,的陰級與第四電容C2i的正端相連，第四電容C2i的負端與第二可控電力電子開關(guān)Si的發(fā)射級相連； 每個子boost變換器的輸入為前級AC/DC變換器的輸出，即Udcle, Udcli，每個子boost變換器的輸出串聯(lián)，得到一個總的直流電壓Udc,即Udc = UUdcai。
3.—種權(quán)利要求1所述雙定子-單轉(zhuǎn)子永磁發(fā)電機的控制方法，其特征在于:利用權(quán)利要求2所述串聯(lián)boost變換器，該發(fā)電機采用功率閉環(huán)控制，具體為: 首先根據(jù)當前的風電機組的轉(zhuǎn)速《8和機組“功率？_-轉(zhuǎn)速”的關(guān)系曲線，查得參考功率; 然后根據(jù)外電機和內(nèi)電機的額定功率之比k，獲得外電機的參考功率P/( = k*Popt)和內(nèi)電機的參考功率PiiX = (l_k)*Popt)； 再分別和外電機與內(nèi)電機的實際輸出功率Pe ( = idce*Udcle)和？“ = idci*Udcli)比較，誤差輸入到比例-積分(PI)控制器后得到第一子boost變換器和第二子boost變換器的可控電力電子開關(guān)的占空比de、Cli ； 最后所得占空比de、Cli與三角波比較后即得到第一子boost變換器和第二子boost變換器的可控電力電子開關(guān)的門極開關(guān)信號Gse、Gsi。
4.一種變換器拓撲結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括權(quán)利要求2所述的串聯(lián)boost變換器，具體包括: AC/DC變換器:AC/DC變換器將外電機和內(nèi)電機繞組上的交流電壓整流為直流電壓，通過多相可控整流或多相不可控整流實現(xiàn)； DC/DC變換器:DC/DC變換器對前級AC/DC的輸出直流電壓進行從直流到直流的變換，該DC/DC變換器使用所述串聯(lián)boost變換器； DC/AC變換器:DC/AC變換器將前級DC/DC變換器的輸出電壓Udc逆變?yōu)榻涣麟妷?，該交流輸出和負載或電網(wǎng)連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的變換器拓撲結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述DC/AC變換器包括一字型中點鉗位NPC3電平逆變器，所述一字型中點鉗位NPC3電平逆變器輸入為前級的直流電壓輸出，輸出接負載或電網(wǎng)；其中:所述NPC3電平變換器的三個橋臂中每個橋臂上串聯(lián)了四個可控電力電子器件，在第一個和第二個可控電力電子器件的連接點以及第三個和第四個可控電力電子器件的連接點之間反向并聯(lián)一串串聯(lián)連接的二極管，該二極管串的中點和NPC3電平變換器的直流電容C的中點相聯(lián)，進行中點電壓鉗位；每個NPC3電平變換器的橋臂中點引出作為交流輸出的一相。
6.一種包含權(quán)利要求1所述永磁電機和權(quán)利要求5所述變流器拓撲結(jié)構(gòu)的風力發(fā)電機系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)中:葉片通過轉(zhuǎn)軸與雙定子-單轉(zhuǎn)子永磁電機連接；雙定子-單轉(zhuǎn)子永磁電機的外電機和內(nèi)電機的繞組分別和一個多相全波整流橋連接，每一個多相全波整流橋的輸出再分別接到一個子boost變換器的輸入上，兩個子boost變換器的輸出再串聯(lián)，獲得一個直流電壓；獲得的直流電壓連接到所述NPC3電平逆變器的輸入，NPC3電平逆變器的輸出連接到電網(wǎng)或者負載上。
7.—種權(quán)利要求6所述的風力發(fā)電機系統(tǒng)的控制方法,其特征在于,包括如下方面: a、葉片控制方法； 當風速在額定風速以上時，葉片的控制通過功率閉環(huán)或者速度閉環(huán)或者功率-速度混合閉環(huán)的方式進行的，以實現(xiàn)風機葉片轉(zhuǎn)速不超過其額定轉(zhuǎn)速，同時風力發(fā)電機的輸出有功功率不超過額定輸出有功功率； 控制系統(tǒng)的輸入為參考轉(zhuǎn)速ω/，反饋cog為葉片轉(zhuǎn)速或為雙定子-單轉(zhuǎn)子發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，ω/與《8之差輸入到一個控制器，得到槳距角的增量Λ β ;同時，根據(jù)當前的風速V和穩(wěn)態(tài)下“槳距角-風速”曲線得到穩(wěn)態(tài)下的槳距角Λ β與Ptl之和為參考槳距角β，β經(jīng)過斜率和幅值的限制以后，送到葉片的變槳伺服機構(gòu)或風機主控； 當風速在額定風速以下時，參考槳距角設(shè)為某個恒定值； b、雙定子-單轉(zhuǎn)子永磁發(fā)電機的控制方法； 風力發(fā)電機進行功率閉環(huán)控制，首先根據(jù)當前的風電機組的轉(zhuǎn)速和機組“功率Popt-轉(zhuǎn)速ω g”的關(guān)系曲線，查得參考功率P_，然后根據(jù)外電機和內(nèi)電機的額定功率之比k，獲得外電機的參考功率P/( = k*P_)和內(nèi)電機的參考功率PiY = (1-10*Ρ_)，再分別和外電機與內(nèi)電機的實際輸出功率Pe( = idce*Udcle)和？“ = idci*Udcli)比較，誤差輸入到比例-積分(PD控制器后得到第一子boost變換器和第二子boost變換器的可控電力電子開關(guān)的占空比de、Cli, de,屯與高頻的三角波比較后即得到第一子boost變換器和第二子boost變換器的可控電力電子開關(guān)的門極開關(guān)信號Gse、Gsi ； c、NPC3電平逆變器的控制方法 NPC3電平逆變器的控制采用基于直流電壓Udc穩(wěn)定為控制目標的外環(huán)控制和電流追蹤的內(nèi)環(huán)的控制策略，同時采用指定功率因數(shù)控制或無功和電壓控制。
【文檔編號】H02M3/10GK104333191SQ201410456292
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年9月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月9日
【發(fā)明者】高強, 蔡旭, 施豐 申請人:上海交通大學