單相自激風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種單相自激風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，尤其是一種應(yīng)用于偏遠(yuǎn)地區(qū)以及無(wú)電能供給海島的獨(dú)立運(yùn)行單相自激風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染的日趨嚴(yán)重，可再生能源研究獲得科研人員廣泛關(guān)注，尤其偏遠(yuǎn)山區(qū)和海島等電網(wǎng)無(wú)法觸及區(qū)域，電能供給問(wèn)題已嚴(yán)重制約當(dāng)?shù)鼐用褚约笆吶藛T生活質(zhì)量的提高。獨(dú)立運(yùn)行的小型風(fēng)電是解決上述問(wèn)題有效手段，目前廣泛應(yīng)用的小型風(fēng)電是單相自激風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其一般由三相異步電動(dòng)機(jī)改裝而成，具有結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)方便、成本低廉以及自我容錯(cuò)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。三相異步電動(dòng)機(jī)一般降低20%-25%功率等級(jí)方可作為單相自激發(fā)電機(jī)使用，且發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行必須提供充足勵(lì)磁，并使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過(guò)氣隙旋轉(zhuǎn)磁鏈。另外，自激風(fēng)電的最大缺陷是電壓調(diào)節(jié)能力較差，端口電壓受發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、勵(lì)磁電容以及負(fù)載電流等影響易于波動(dòng)。為此，基于“C-2C”非對(duì)稱性勵(lì)磁補(bǔ)償以及分段式增發(fā)并聯(lián)電容兩種補(bǔ)償策略可解決電壓波動(dòng)，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)負(fù)載波動(dòng)下的電壓柔性調(diào)節(jié);基于非可控整流加卸荷調(diào)控的控制策略可基于負(fù)荷以及發(fā)電機(jī)功率，實(shí)時(shí)匹配發(fā)電機(jī)輸出功率，確保電壓穩(wěn)定，但非可控整流產(chǎn)生諧波干擾，對(duì)發(fā)電機(jī)以及負(fù)荷供電質(zhì)量都帶來(lái)影響;基于背靠背雙PffM變流器控制方法，可實(shí)現(xiàn)電壓和頻率精確控制，但成本相對(duì)較高；另外，風(fēng)能自身間歇性和波動(dòng)性使發(fā)電機(jī)輸出電壓、頻率以及輸出功率隨機(jī)波動(dòng)，無(wú)法確保負(fù)載供電質(zhì)量，更增加了自激發(fā)電系統(tǒng)控制難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明是針對(duì)上述技術(shù)中存在的不足，提供一種單相自激風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。
[0004]本發(fā)明顯著特征是:由三相鼠籠電動(dòng)機(jī)、固定勵(lì)磁電容以及可調(diào)勵(lì)磁電容改裝成勵(lì)磁可調(diào)的自激單相發(fā)電機(jī)，并在雙向PWM變流器以及蓄電池的協(xié)同控制下，將波動(dòng)性和間歇性的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為恒頻恒壓的單相交流電。三相鼠籠電動(dòng)機(jī)定子繞組星型聯(lián)接，發(fā)電機(jī)兩繞組分別與固定勵(lì)磁電容兩端相連，另一繞組則與可調(diào)勵(lì)磁電容一端相連;可調(diào)勵(lì)磁電容由固定容值、容值可調(diào)兩部分組成，固定容值用于確保鼠籠電動(dòng)機(jī)三相對(duì)稱運(yùn)行，而容值可調(diào)部分用于確保發(fā)電機(jī)端口電壓恒定;雙向變流器和蓄電池共同構(gòu)成發(fā)電機(jī)端口電壓和頻率調(diào)整機(jī)構(gòu)，雙向變流器實(shí)時(shí)依據(jù)外界工況，并結(jié)合蓄電池端口電壓和電流檢測(cè)，實(shí)時(shí)調(diào)整工作狀態(tài)以及補(bǔ)償或消納電流大小，并在可調(diào)勵(lì)磁電容的協(xié)同控制下，對(duì)發(fā)電機(jī)端口電壓實(shí)時(shí)調(diào)控。當(dāng)風(fēng)力充足時(shí)，雙向變流器運(yùn)行在整流模式，并以確保電壓頻率恒定為目標(biāo)，消納多余電能并存儲(chǔ)在蓄電池；當(dāng)風(fēng)力不足時(shí)，雙向變流器運(yùn)行在逆變模式，并以確保負(fù)載電壓頻率恒定為目標(biāo)補(bǔ)償缺額功率;當(dāng)無(wú)風(fēng)時(shí)，雙向變流器將以恒頻/恒壓模式逆變輸出為關(guān)鍵性負(fù)荷提供電能；當(dāng)蓄電池儲(chǔ)能達(dá)到下限時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)將運(yùn)行在變頻變壓狀態(tài)，并以捕獲最大風(fēng)能為目標(biāo)，調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為蓄電池充電。
[0005]所述自激風(fēng)力發(fā)電機(jī)后側(cè)設(shè)置交流電壓和電流傳感器，并由數(shù)字信號(hào)處理器DSP28035內(nèi)嵌的模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集和濾波處理，藉此進(jìn)行風(fēng)能最大捕獲；同時(shí)結(jié)合軟件鎖相環(huán)技術(shù)實(shí)時(shí)獲取端口電壓頻率。
[0006]所述可調(diào)勵(lì)磁電容根據(jù)發(fā)電機(jī)端口電壓，實(shí)時(shí)改變IGBT(絕緣柵門極晶體管)占空比，改變發(fā)電機(jī)端口容抗，結(jié)合雙向變流器無(wú)功功率調(diào)整，共同完成發(fā)電機(jī)端口電壓穩(wěn)定。其中無(wú)功功率調(diào)整主要以可調(diào)勵(lì)磁電容為主，只有當(dāng)其控制飽和后，才啟動(dòng)雙向變流器的無(wú)功調(diào)整功能，否則無(wú)功電流設(shè)置為0，使雙向變換器最大限度調(diào)整電壓頻率。
[0007]所述雙向變流器存在勵(lì)磁供給模態(tài)、恒頻整流儲(chǔ)能模態(tài)、恒頻逆變補(bǔ)償模態(tài)、恒頻恒壓逆變模態(tài)以及變頻變壓風(fēng)能捕獲模態(tài)等五個(gè)狀態(tài)，有效解決自激發(fā)電機(jī)啟動(dòng)建壓、電壓幅值和頻率波動(dòng)以及風(fēng)能波動(dòng)性等問(wèn)題對(duì)負(fù)荷供電質(zhì)量影響。
[0008]所述雙向變流器需設(shè)置電流傳感器，對(duì)輸入輸出電感電流進(jìn)行檢測(cè)；設(shè)置電壓和電流傳感器對(duì)蓄電池電壓和電流進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)時(shí)判斷蓄電池狀態(tài)并藉此對(duì)充放電電流進(jìn)行限幅，同時(shí)藉此改變雙向變流器工作狀態(tài)。
[0009]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):
I)采用三相鼠籠電動(dòng)機(jī)、固定勵(lì)磁電容以及可調(diào)勵(lì)磁電容共同構(gòu)成單相自激感應(yīng)發(fā)電機(jī)，具有運(yùn)行可靠性高、易維護(hù)、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，非常適合偏遠(yuǎn)地區(qū)。
[0010]2)交流負(fù)載與單相自激感應(yīng)發(fā)電機(jī)定子繞組相連，省卻了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)整流器和逆變器，雖并聯(lián)雙向PWM變流器對(duì)電壓和頻率進(jìn)行控制，但功率等級(jí)大幅降低，極大降低設(shè)備成本和維護(hù)成本，提高了發(fā)電系統(tǒng)實(shí)用性。
[0011]3)由可調(diào)勵(lì)磁電容以及雙向PWM變流器所構(gòu)成的單相自激發(fā)電機(jī)端口電壓和頻率控制機(jī)制，有效解決了自激發(fā)電機(jī)端口電壓和頻率難于有效控制問(wèn)題;可調(diào)勵(lì)磁電容結(jié)構(gòu)可柔性調(diào)整負(fù)載兩側(cè)容抗，使發(fā)電機(jī)構(gòu)建一個(gè)自適應(yīng)勵(lì)磁系統(tǒng)，該系統(tǒng)可充分考慮發(fā)電機(jī)對(duì)稱運(yùn)行以及負(fù)載電壓恒定等問(wèn)題。
【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1為單相自激風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
[0013]圖2為單相自激風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略流程圖。
[0014]圖3為單相自激風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]I)單相自激風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)(如圖1)包括風(fēng)力渦輪機(jī)機(jī)(1)、變速箱(2)、星型聯(lián)接鼠籠式電動(dòng)機(jī)、固定勵(lì)磁電容(11、12)、可調(diào)勵(lì)磁電容(5)、雙向PffM變流器(8)、蓄電池(10)、單相交流負(fù)載(9)、SW1(6)、SW2(15)等組成。其中可調(diào)勵(lì)磁電容由兩并聯(lián)電容構(gòu)成，其中一支路電容由IGBT控制，由Q5A空比調(diào)整實(shí)現(xiàn)，主要用于發(fā)電機(jī)無(wú)功功率補(bǔ)償;SWl和SW2為兩交流接觸器，當(dāng)風(fēng)速大于啟動(dòng)風(fēng)速時(shí)，SWl閉合、SW2斷開(kāi)，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)；而無(wú)風(fēng)時(shí)，SWl斷開(kāi)、SW2閉合，蓄電池單獨(dú)逆變?yōu)樨?fù)載供電；雙向變流器可工作在整流或逆變狀態(tài)，主要用于控制發(fā)電機(jī)端口電壓Vpcc頻率恒定，同時(shí)也在可調(diào)勵(lì)磁電容電壓控制飽和時(shí)，輔助完成發(fā)電機(jī)端口電壓控制。
[0016]2)單相自激風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可運(yùn)行勵(lì)磁供給模態(tài)、恒頻整流儲(chǔ)能模態(tài)、恒頻逆變補(bǔ)償模態(tài)、恒頻恒壓逆變模態(tài)以及變頻變壓風(fēng)能捕獲模態(tài)等五狀態(tài)(如圖2)。其中，勵(lì)磁供給模態(tài)用于自激風(fēng)力發(fā)電機(jī)啟動(dòng)，雙向變流器小功率逆變輸出為電容充電，為發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁，促使風(fēng)機(jī)柔性快速啟動(dòng)，將發(fā)電機(jī)端口電壓提升至額定電壓;恒頻整流儲(chǔ)能模態(tài)，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在外界勵(lì)磁供給下啟動(dòng)，且風(fēng)機(jī)捕獲功率大于負(fù)載功率，此時(shí)雙向變流器以電壓頻率恒定為目標(biāo)，控制風(fēng)機(jī)多余功率存儲(chǔ)至蓄電池，雙向變流器工作在整流狀態(tài);恒頻逆變補(bǔ)償模態(tài)，當(dāng)風(fēng)機(jī)捕獲功率小于負(fù)載功率，雙向變流器將以電壓頻率恒定為目標(biāo)，為交流負(fù)荷補(bǔ)償差額功率，雙向變流器工作在逆變狀態(tài)，并實(shí)時(shí)檢測(cè)蓄電池端口電壓，當(dāng)蓄電池端口電壓達(dá)到蓄電池電壓下限時(shí)，風(fēng)電系統(tǒng)將運(yùn)行在變頻變壓風(fēng)能捕獲模態(tài)，此時(shí)以最大限度捕獲風(fēng)能和蓄電池存儲(chǔ)能量為主要目標(biāo)，柔性調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速獲取最大功率;恒頻恒壓逆變模態(tài)，當(dāng)風(fēng)速小于啟動(dòng)風(fēng)速時(shí)，雙向變流器運(yùn)行在恒壓恒頻逆變狀態(tài)，以確保負(fù)載供電需求。
[0017]3)單相自激風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)端口電壓和頻率的控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。發(fā)電機(jī)端口電壓Vpcc首先由移相器90°正交移相，并基于d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系解耦獲得Ud和Uq，其中Ud=Vpcc; Uq=23ifJVpcc dt;Uq經(jīng)低通濾波器LPF、PI控制器以及壓控振蕩器VCO實(shí)時(shí)獲取Θ和f，其中Θ為旋轉(zhuǎn)定向角度;f為發(fā)電機(jī)電壓頻率值。雙向變流器電流控制是基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系有功電流和無(wú)功電流的獨(dú)立PI解耦控制實(shí)現(xiàn)，有功電流參考I#是由17實(shí)現(xiàn)，即由頻率參考f的PI跟蹤控制設(shè)置;而無(wú)功電流參考Idrrf則由16實(shí)現(xiàn)，即基于Udrrf PI跟蹤控制器予以設(shè)置，當(dāng)PI跟蹤器未飽和時(shí)，Idref=O,而當(dāng)PI跟蹤器飽和時(shí)，無(wú)功電流參考Idref則為PI輸出超過(guò)飽和部分值；同時(shí)基于Udref PI跟蹤控制器以及限幅控制器實(shí)時(shí)調(diào)控^占空比，改變并聯(lián)容抗以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)端口電壓有效控制；為降低蓄電池過(guò)充或深度放電對(duì)其壽命影響，基于蓄電池端口電壓和電流對(duì)有功電流的PI輸出限幅，最后經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和SPffM調(diào)制技術(shù)，獲取4個(gè)IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)Q1- Q4，以實(shí)現(xiàn)頻率和電壓有效控制。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.本發(fā)明公開(kāi)了一種單相自激風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)由三相鼠籠電動(dòng)機(jī)、固定勵(lì)磁電容以及可調(diào)勵(lì)磁電容共同構(gòu)成勵(lì)磁柔性可調(diào)的單相自激發(fā)電機(jī);鼠籠電動(dòng)機(jī)定子繞組星型聯(lián)接，固定勵(lì)磁電容與兩繞組相連，并以電容容值中間為單相電源N線，可調(diào)勵(lì)磁電容與另一繞組耦合后作為電源L線；交流負(fù)載與雙向PWM變流器并聯(lián)共同耦合與發(fā)電機(jī)定子繞組相連;雙向變流器和蓄電池構(gòu)成了發(fā)電機(jī)端口電壓頻率和幅值的調(diào)整機(jī)構(gòu)，主要用于調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電壓頻率恒定，并在可調(diào)勵(lì)磁電容端口電壓控制飽和后，協(xié)同控制發(fā)電機(jī)端口電壓。2.權(quán)利要求1所述單相自激風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)存在勵(lì)磁供給模態(tài)、恒頻整流儲(chǔ)能模態(tài)、恒頻逆變補(bǔ)償模態(tài)、恒頻恒壓逆變模態(tài)以及變頻變壓風(fēng)能捕獲模態(tài)五種工作狀態(tài)，發(fā)電系統(tǒng)工作模態(tài)主要由風(fēng)速、負(fù)荷以及蓄電池荷電狀態(tài)共同決定。3.權(quán)利要求1所述可調(diào)勵(lì)磁電容由固定容值和可調(diào)容值兩部分組成，可調(diào)容值部分由IGBT對(duì)勵(lì)磁電容容值實(shí)施調(diào)控，調(diào)整策略采用單相dq坐標(biāo)下的發(fā)電機(jī)端口電壓參考的PI跟蹤控制器實(shí)現(xiàn)。4.權(quán)利要求1所述雙向變流器和蓄電池共同構(gòu)成發(fā)電機(jī)端口電壓頻率調(diào)整機(jī)制，雙向變流器實(shí)時(shí)依據(jù)外界工況調(diào)整整流或逆變狀態(tài)，同時(shí)結(jié)合蓄電池端口電壓和電流的檢測(cè)，實(shí)時(shí)改變消納或補(bǔ)償功率大小;雙向變流器控制是基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下單相電流有功和無(wú)功解耦，并分別基于有功無(wú)功電流參考的PI跟蹤控制實(shí)現(xiàn)，其中有功電流參考由頻率參考frrf的PI跟蹤控制設(shè)置的；而無(wú)功電流參考則基于Udref的PI跟蹤控制器設(shè)置，其值為PI控制輸出超過(guò)飽和限定部分。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種單相自激風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。其中，由三相鼠籠電動(dòng)機(jī)、固定勵(lì)磁電容以及可調(diào)勵(lì)磁電容共同構(gòu)成勵(lì)磁可調(diào)的單相自激發(fā)電機(jī)；可調(diào)勵(lì)磁電容由固定容值和可調(diào)容值兩部分組成，容值調(diào)整由IGBT占空比調(diào)控實(shí)現(xiàn)；交流負(fù)載與雙向PWM變流器并聯(lián)，并與發(fā)電機(jī)定子繞組耦合；雙向變流器和蓄電池構(gòu)成發(fā)電機(jī)電壓頻率的調(diào)整機(jī)構(gòu)，并在可調(diào)勵(lì)磁電容電壓控制飽和受限時(shí)，協(xié)同控制發(fā)電機(jī)端口電壓，采用基于90度移相的單相電壓和電流解耦策略，藉此完成有功和無(wú)功電流參考跟蹤控制策略，有功電流參考由頻率設(shè)定PI跟蹤控制器實(shí)現(xiàn)，無(wú)功電流參考由電壓幅值PI跟蹤控制器設(shè)置，其值為PI控制輸出超過(guò)飽和限定部分。
【IPC分類】H02P9/14, H02J7/34, H02K17/44, H02K11/30
【公開(kāi)號(hào)】CN105529975
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610083301
【發(fā)明人】褚曉廣, 蔡彬, 王乃哲, 郭登鵬, 李向東
【申請(qǐng)人】曲阜師范大學(xué), 褚曉廣
【公開(kāi)日】2016年4月27日
【申請(qǐng)日】2016年2月6日