新型單相自激風(fēng)力發(fā)電裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種新型單相自激風(fēng)力發(fā)電裝置。其中，由三相鼠籠電動機、固定勵磁電容以及可調(diào)勵磁電容共同構(gòu)成勵磁可調(diào)的單相自激發(fā)電機；可調(diào)勵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)控實現(xiàn)；交流負(fù)載與雙向PWM變流器并聯(lián)，并與發(fā)電機定子繞組耦合；雙向變流器和蓄電池構(gòu)成發(fā)電機電壓頻率的調(diào)整機構(gòu)，并在可調(diào)勵磁電容電壓控制飽和受限時，協(xié)同控制發(fā)電機端口電壓，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跟蹤控制器實現(xiàn)，無功電流參考由電壓幅值PI跟蹤控制器設(shè)置，其值為PI控制輸出超過飽和限定部分。
【專利說明】
新型單相自激風(fēng)力發(fā)電裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及一種新型單相自激風(fēng)力發(fā)電裝置，尤其是一種應(yīng)用于偏遠地區(qū)以及無電能供給海島的獨立運行新型單相自激風(fēng)力發(fā)電裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著能源危機和環(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，尤其偏遠山區(qū)和海島等電網(wǎng)無法觸及區(qū)域，電能供給問題已嚴(yán)重制約當(dāng)?shù)鼐用褚约笆吶藛T生活質(zhì)量的提高。獨立運行的小型風(fēng)電是解決上述問題有效手段，目前廣泛應(yīng)用的小型風(fēng)電是新型單相自激風(fēng)力發(fā)電裝置，其一般由三相異步電動機改裝而成，具有結(jié)構(gòu)緊湊、維護方便、成本低廉以及自我容錯能力強等優(yōu)點。三相異步電動機一般降低20%_25%功率等級方可作為單相自激發(fā)電機使用，且發(fā)電機安全運行必須提供充足勵磁，并使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過氣隙旋轉(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)電機轉(zhuǎn)速、勵磁電容以及負(fù)載電流等影響易于波動。為此，基于“C-2C”非對稱性勵磁補償以及分段式增發(fā)并聯(lián)電容兩種補償策略可解決電壓波動，但無法實現(xiàn)負(fù)載波動下的電壓柔性調(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)電機功率，實時匹配發(fā)電機輸出功率，確保電壓穩(wěn)定，但非可控整流產(chǎn)生諧波干擾，對發(fā)電機以及負(fù)荷供電質(zhì)量都帶來影響；基于背靠背雙Pmi變流器控制方法，可實現(xiàn)電壓和頻率精確控制，但成本相對較高；另夕卜，風(fēng)能自身間歇性和波動性使發(fā)電機輸出電壓、頻率以及輸出功率隨機波動，無法確保負(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]本實用新型是針對上述技術(shù)中存在的不足，提供一種新型單相自激風(fēng)力發(fā)電裝置。
[0004]本實用新型顯著特征是:包括單相自激發(fā)電機、風(fēng)力渦輪機、兩切換開關(guān)、雙向PWM變流器、蓄電池和交流負(fù)載;單相自激發(fā)電機由三相鼠籠電動機、固定勵磁電容以及可調(diào)勵磁電容共同構(gòu)成，三相鼠籠電動機定子繞組內(nèi)部星型聯(lián)接，繞組一經(jīng)兩固定勵磁電容與繞組二串聯(lián)，并在兩固定電容中間抽出線作為單相自激發(fā)電機的輸出N線，繞組三作為單相自激發(fā)電機的L線，L和N線共同作為單相自激發(fā)電機輸出端口；可調(diào)勵磁電容設(shè)置在繞組三和繞組二之間，用于調(diào)整發(fā)電機勵磁;雙向PWM變流器交流側(cè)經(jīng)由切換開關(guān)二和交流負(fù)載與并聯(lián)，經(jīng)切換開關(guān)一和單相自激發(fā)電機輸出端口耦合;雙向PBi變流器直流側(cè)和蓄電池相連，構(gòu)成了單相自激發(fā)電機輸出電壓頻率和幅值的調(diào)整機構(gòu)，并在可調(diào)勵磁電容控制飽和后，協(xié)同控制單相自激發(fā)電機輸出電壓。當(dāng)風(fēng)力充足時，雙向PWM變流器運行在整流模式，并以確保電壓頻率恒定為目標(biāo)，消納多余電能并存儲在蓄電池；當(dāng)風(fēng)力不足時，雙向P麗變流器運行在逆變模式，并以確保負(fù)載電壓頻率恒定為目標(biāo)補償缺額功率；當(dāng)無風(fēng)時，雙向PWM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)蓄電池儲能達到下限時，風(fēng)力發(fā)電機將運行在變頻變壓狀態(tài)，并以捕獲最大風(fēng)能為目標(biāo)，調(diào)整風(fēng)機轉(zhuǎn)速為蓄電池充電。
[0005]所述自激風(fēng)力發(fā)電機后側(cè)設(shè)置交流電壓和電流傳感器，并由數(shù)字信號處理器DSP28035內(nèi)嵌的模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集和濾波處理，藉此進行風(fēng)能最大捕獲；同時結(jié)合軟件鎖相環(huán)技術(shù)實時獲取端口電壓頻率。
[0006]所述可調(diào)勵磁電容根據(jù)發(fā)電機端口電壓，實時改變IGBT(絕緣柵門極晶體管)占空比，改變發(fā)電機端口容抗，結(jié)合雙向PWM變流器無功功率調(diào)整，共同完成發(fā)電機端口電壓穩(wěn)定。其中無功功率調(diào)整主要以可調(diào)勵磁電容為主，只有當(dāng)其控制飽和后，才啟動雙向HVM變流器的無功調(diào)整功能，否則無功電流設(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PWM變流器存在勵磁供給模態(tài)、恒頻整流儲能模態(tài)、恒頻逆變補償模態(tài)、恒頻恒壓逆變模態(tài)以及變頻變壓風(fēng)能捕獲模態(tài)等五個狀態(tài)，有效解決自激發(fā)電機啟動建壓、電壓幅值和頻率波動以及風(fēng)能波動性等問題對負(fù)荷供電質(zhì)量影響。
[0008]所述雙向PffM變流器需設(shè)置電流傳感器，對輸入輸出電感電流進行檢測;設(shè)置電壓和電流傳感器對蓄電池電壓和電流進行檢測，實時判斷蓄電池狀態(tài)并藉此對充放電電流進行限幅，同時藉此改變雙向PWM變流器工作狀態(tài)。
[0009]本實用新型的優(yōu)點:
[0010]I)采用三相鼠籠電動機、固定勵磁電容以及可調(diào)勵磁電容共同構(gòu)成單相自激感應(yīng)發(fā)電機，具有運行可靠性高、易維護、價格低廉等優(yōu)點，非常適合偏遠地區(qū)。
[0011]2)交流負(fù)載與單相自激感應(yīng)發(fā)電機定子繞組相連，省卻了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)整流器和逆變器，雖并聯(lián)雙向PWM變流器對電壓和頻率進行控制，但功率等級大幅降低，極大降低設(shè)備成本和維護成本，提高了發(fā)電系統(tǒng)實用性。
[0012]3)由可調(diào)勵磁電容以及雙向PWM變流器所構(gòu)成的單相自激發(fā)電機端口電壓和頻率控制機制，有效解決了自激發(fā)電機端口電壓和頻率難于有效控制問題;可調(diào)勵磁電容結(jié)構(gòu)可柔性調(diào)整負(fù)載兩側(cè)容抗，使發(fā)電機構(gòu)建一個自適應(yīng)勵磁系統(tǒng)，該系統(tǒng)可充分考慮發(fā)電機對稱運行以及負(fù)載電壓恒定等問題。
【附圖說明】
[0013]圖1為新型單相自激風(fēng)力發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)圖；
[0014]圖2為新型單相自激風(fēng)力發(fā)電裝置控制策略流程圖；
[0015]圖3為新型單相自激風(fēng)力發(fā)電裝置控制結(jié)構(gòu)圖；
【具體實施方式】
[0016]I)新型單相自激風(fēng)力發(fā)電裝置(如圖1)包括風(fēng)力渦輪機機(1)、變速箱(2)、星型聯(lián)接鼠籠式電動機、固定勵磁電容(U、12)、可調(diào)勵磁電容(5)、雙向PWM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)整實現(xiàn)，主要用于發(fā)電機無功功率補償;SWl和SW2為兩交流接觸器，當(dāng)風(fēng)速大于啟動風(fēng)速時，Sffl閉合、SW2斷開，風(fēng)機啟動；而無風(fēng)時，SWl斷開、SW2閉合，蓄電池單獨逆變?yōu)樨?fù)載供電；雙向PWM變流器可工作在整流或逆變狀態(tài)，主要用于控制發(fā)電機端口電壓Vpcc頻率恒定，同時也在可調(diào)勵磁電容電壓控制飽和時，輔助完成發(fā)電機端口電壓控制。
[0017]2)新型單相自激風(fēng)力發(fā)電裝置可運行勵磁供給模態(tài)、恒頻整流儲能模態(tài)、恒頻逆變補償模態(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，勵磁供給模態(tài)用于自激風(fēng)力發(fā)電機啟動，雙向變流器小功率逆變輸出為電容充電，為發(fā)電機提供勵磁，促使風(fēng)機柔性快速啟動，將發(fā)電機端口電壓提升至額定電壓;恒頻整流儲能模態(tài)，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在外界勵磁供給下啟動，且風(fēng)機捕獲功率大于負(fù)載功率，此時雙向PWM變流器以電壓頻率恒定為目標(biāo)，控制風(fēng)機多余功率存儲至蓄電池，雙向PWM變流器工作在整流狀態(tài);恒頻逆變補償模態(tài)，當(dāng)風(fēng)機捕獲功率小于負(fù)載功率，雙向PWM變流器將以電壓頻率恒定為目標(biāo)，為交流負(fù)荷補償差額功率，雙向PWM變流器工作在逆變狀態(tài)，并實時檢測蓄電池端口電壓，當(dāng)蓄電池端口電壓達到蓄電池電壓下限時，風(fēng)電系統(tǒng)將運行在變頻變壓風(fēng)能捕獲模態(tài)，此時以最大限度捕獲風(fēng)能和蓄電池存儲能量為主要目標(biāo)，柔性調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)速獲取最大功率;恒頻恒壓逆變模態(tài)，當(dāng)風(fēng)速小于啟動風(fēng)速時，雙向PffM變流器運行在恒壓恒頻逆變狀態(tài)，以確保負(fù)載供電需求。
[0018]3)新型單相自激風(fēng)力發(fā)電裝置端口電壓和頻率的控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。發(fā)電機端口電壓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 = 23if/VpCCdt;Uq經(jīng)低通濾波器LPF、PI控制器以及壓控振蕩器VCO實時獲取Θ和f，其中Θ為旋轉(zhuǎn)定向角度;f為發(fā)電機電壓頻率值。雙向PWM變流器電流控制是基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系有功電流和無功電流的獨立PI解耦控制實現(xiàn)，有功電流參考Iqref是由17實現(xiàn)，即由頻率參考fref的PI跟蹤控制設(shè)置;而無功電流參考Idrrf則由16實現(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，Idrrf = O,而當(dāng)PI跟蹤器飽和時，無功電流參考Idrrf則為PI輸出超過飽和部分值；同時基于Udref PI跟蹤控制器以及限幅控制器實時調(diào)控^占空比，改變并聯(lián)容抗以實現(xiàn)發(fā)電機端口電壓有效控制；為降低蓄電池過充或深度放電對其壽命影響，基于蓄電池端口電壓和電流對有功電流的PI輸出限幅，最后經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和SPWM調(diào)制技術(shù)，獲取4個IGBT驅(qū)動信號&-04，以實現(xiàn)頻率和電壓有效控制。
【主權(quán)項】
1.一種新型單相自激風(fēng)力發(fā)電裝置，其特征包括單相自激發(fā)電機、風(fēng)力渦輪機、兩切換開關(guān)、雙向PWM變流器、蓄電池和交流負(fù)載;單相自激發(fā)電機由三相鼠籠電動機、固定勵磁電容以及可調(diào)勵磁電容共同構(gòu)成，三相鼠籠電動機定子繞組內(nèi)部星型聯(lián)接，繞組一經(jīng)兩固定勵磁電容與繞組二串聯(lián)，并在兩固定電容中間抽出線作為單相自激發(fā)電機的輸出N線，繞組三作為單相自激發(fā)電機的L線，L和N線共同作為單相自激發(fā)電機輸出端口；可調(diào)勵磁電容設(shè)置在繞組三和繞組二之間，用于調(diào)整發(fā)電機勵磁;雙向PWM變流器交流側(cè)經(jīng)由切換開關(guān)二和交流負(fù)載與并聯(lián)，經(jīng)切換開關(guān)一和單相自激發(fā)電機輸出端口耦合;雙向PWM變流器直流側(cè)和蓄電池相連，構(gòu)成了單相自激發(fā)電機輸出電壓頻率和幅值的調(diào)整機構(gòu)，并在可調(diào)勵磁電容控制飽和后，協(xié)同控制單相自激發(fā)電機輸出電壓。
【文檔編號】H02P9/14GK205681359SQ201620118089
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年2月6日 公開號201620118089.6, CN 201620118089, CN 205681359 U, CN 205681359U, CN-U-205681359, CN201620118089, CN201620118089.6, CN205681359 U, CN205681359U
【發(fā)明人】王乃哲, 褚曉廣, 蔡彬, 郭登鵬, 李向東
【申請人】曲阜師范大學(xué), 褚曉廣