[发明专利]具有容错运行能力的独立相控结构的风力发电系统

说明书

本申请是申请号：201410052445.4、申请日：2014.2.17、名称“独立相控结构的风力发电系统”的分案申请。

技术领域

本发明涉及风力发电机和容错控制技术领域，具体涉及一种可容错运行的风力发电机组。

背景技术

风力发电是当前最具大规模发展潜力的可再生能源，各个国家均已投入了巨额资金竞相研究开发，并积极推进产业化进程，大力开拓市场应用。

由于风力资源分布的特点，风力发电设备多安装于地理和气象条件较恶劣的郊区或市区中的地势高处。一旦设备安装完毕，机组的运行管理和检修维护极不方便，为此，提高风力发电机组的连续可靠运行能力是风力发电设备研发制造领域的一项重要技术。由于风力发电机是风力发电设备中的核心部件之一，因此，其可靠运行和容错运行能力尤为重要。

目前，用于风力发电系统的发电机主要有三相交流发电机、永磁无刷直流发电机和开关磁阻发电机。三相交流发电机(如永磁同步、电励磁同步、双馈异步、鼠笼异步、绕线异步等)和直流永磁发电机，采用分布式对称绕组结构，当某一相绕组发生断路或短路故障，或某一相功率变换器发生故障时，气隙磁场畸变，从运行机理上导致发电机失控，无法达到如最大风功率跟踪控制等风力发电的基本控制目标，如果不及时停机，其严重的转矩颠簸必然会损坏机械设备。开关磁阻发电机采用对称集中绕组，当某一相绕组发生断路或短路故障，或某一相功率变换器发生故障时，虽然可以缺相容错运行，但其固有的齿槽脉动和不平衡径向磁拉力特性会被放大，发电转矩产生周期性的严重脉动，极易导致风轮机及其辅助机械设备的损坏和机组的不安全。

因此，从提高可靠性指标角度来讲，避免传统分布式对称绕组结构的发电机无法缺相运行，以及开关磁阻发电机大转矩脉动的不足，研究设计一套具有容错运行能力和低转矩脉动的风力发电机及其驱动控制系统具有良好的工程和经济意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有容错运行能力和低转矩脉动的风力发电机组结构及其驱动控制技术的独立相控结构的风力发电系统。

本发明的技术解决方案是：

一种独立相控结构的风力发电系统，其特征是：包括风轮机、容错风力发电机、模块化功率变换器、多传感器信号检测器、设备电气故障判别与指示器、全风速最优转矩外环控制器、容错决策内环控制器、逻辑切换与脉宽调制驱动器；

所述容错风力发电机，包括在定子圆周空间内，均匀等间隔交错排列的m个定子电磁隔离齿和m个定子电枢发电齿、m个绕在定子电枢发电齿上的集中发电绕组相、表贴在转子外径上的正弦永磁体阵列；其转子与风轮机旋转主轴相连；

所述模块化功率变换器，包括有m个H桥单相正弦逆变电路；每个H桥单相正弦逆变电路均通过2个电气可控开关分别与直流母线正极和负极相连接；每个H桥单相正弦逆变电路均通过1个电气可控开关与容错风力发电机的1个发电绕组相相连接；

所述多传感器信号检测器，包括风速传感器、转速传感器、电压传感器、电流传感器；实现对风速、风轮机转速、容错风力发电机转速以及其m个绕组相的电压和电流的检测；

所述设备电气故障判别与指示器，根据对多传感器信号检测器提供的容错风力发电机m个绕组的电压和电流信号的分析，向容错决策内环控制器提供出容错风力发电机k个故障绕组相的编号，以及k个故障绕组相的故障类型，其中k≤m；并利用显示设备指示出k个故障绕组相的编号及其对应的故障类型；

所述全风速最优转矩外环控制器，根据风轮机的风能吸收最佳转矩曲线关系以及多传感器信号检测器提供的风速、风轮机转速、容错风力发电机转速以及其m个发电绕组相的电流和电压信号，向容错决策内环控制器提供最优发电总电流控制指令信号；

所述容错决策内环控制器，根据最优发电总电流控制指令信号和k个故障绕组相编号，按照协调等容分配算法，计算出容错风力发电机(m-k)个非故障绕组相各自的最优发电相电流指令信号；

所述逻辑切换与脉宽调制驱动器，根据容错决策内环控制器提供的容错风力发电机(m-k)个非故障绕组相各自的最优发电相电流指令信号，形成对应(m-k)个非故障相H桥单相正弦逆变电路的PWM控制信号；以及k个故障相对应的H桥单相正弦逆变电路中3k个电气可控开关的断开控制信号；

容错风力发电机m个定子电磁隔离齿和m个定子电枢发电齿在定子圆周空间里，均匀等间隔交错排列，其末端均具有极靴结构，以获得较好的磁场正弦化分布特性；m个定子电磁隔离齿上均不绕装绕组。