[发明专利]单相自激风力发电系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种单相自激风力发电系统，尤其是一种应用于偏远地区以及无电能供给海岛的独立运行单相自激风力发电系统。

背景技术

随着能源危机和环境污染的日趋严重，可再生能源研究获得科研人员广泛关注，尤其偏远山区和海岛等电网无法触及区域，电能供给问题已严重制约当地居民以及戍边人员生活质量的提高。独立运行的小型风电是解决上述问题有效手段，目前广泛应用的小型风电是单相自激风力发电系统，其一般由三相异步电动机改装而成，具有结构紧凑、维护方便、成本低廉以及自我容错能力强等优点。三相异步电动机一般降低20%-25%功率等级方可作为单相自激发电机使用，且发电机安全运行必须提供充足励磁，并使转子转速超过气隙旋转磁链。另外，自激风电的最大缺陷是电压调节能力较差，端口电压受发电机转速、励磁电容以及负载电流等影响易于波动。为此，基于“C-2C”非对称性励磁补偿以及分段式增发并联电容两种补偿策略可解决电压波动，但无法实现负载波动下的电压柔性调节；基于非可控整流加卸荷调控的控制策略可基于负荷以及发电机功率，实时匹配发电机输出功率，确保电压稳定，但非可控整流产生谐波干扰，对发电机以及负荷供电质量都带来影响；基于背靠背双PWM变流器控制方法，可实现电压和频率精确控制，但成本相对较高；另外，风能自身间歇性和波动性使发电机输出电压、频率以及输出功率随机波动，无法确保负载供电质量，更增加了自激发电系统控制难度。

发明内容

本发明是针对上述技术中存在的不足，提供一种单相自激风力发电系统。

本发明显著特征是：由三相鼠笼电动机、固定励磁电容以及可调励磁电容改装成励磁可调的自激单相发电机，并在双向PWM变流器以及蓄电池的协同控制下，将波动性和间歇性的风能转化为恒频恒压的单相交流电。三相鼠笼电动机定子绕组星型联接，发电机两绕组分别与固定励磁电容两端相连，另一绕组则与可调励磁电容一端相连；可调励磁电容由固定容值、容值可调两部分组成，固定容值用于确保鼠笼电动机三相对称运行，而容值可调部分用于确保发电机端口电压恒定；双向变流器和蓄电池共同构成发电机端口电压和频率调整机构，双向变流器实时依据外界工况，并结合蓄电池端口电压和电流检测，实时调整工作状态以及补偿或消纳电流大小，并在可调励磁电容的协同控制下，对发电机端口电压实时调控。当风力充足时，双向变流器运行在整流模式，并以确保电压频率恒定为目标，消纳多余电能并存储在蓄电池；当风力不足时，双向变流器运行在逆变模式，并以确保负载电压频率恒定为目标补偿缺额功率；当无风时，双向变流器将以恒频/恒压模式逆变输出为关键性负荷提供电能；当蓄电池储能达到下限时，风力发电机将运行在变频变压状态，并以捕获最大风能为目标，调整风机转速为蓄电池充电。

所述自激风力发电机后侧设置交流电压和电流传感器，并由数字信号处理器DSP28035内嵌的模数转换器采集和滤波处理，藉此进行风能最大捕获；同时结合软件锁相环技术实时获取端口电压频率。

所述可调励磁电容根据发电机端口电压，实时改变IGBT（绝缘栅门极晶体管）占空比，改变发电机端口容抗，结合双向变流器无功功率调整，共同完成发电机端口电压稳定。其中无功功率调整主要以可调励磁电容为主，只有当其控制饱和后，才启动双向变流器的无功调整功能，否则无功电流设置为0，使双向变换器最大限度调整电压频率。

所述双向变流器存在励磁供给模态、恒频整流储能模态、恒频逆变补偿模态、恒频恒压逆变模态以及变频变压风能捕获模态等五个状态，有效解决自激发电机启动建压、电压幅值和频率波动以及风能波动性等问题对负荷供电质量影响。

所述双向变流器需设置电流传感器，对输入输出电感电流进行检测；设置电压和电流传感器对蓄电池电压和电流进行检测，实时判断蓄电池状态并藉此对充放电电流进行限幅，同时藉此改变双向变流器工作状态。

本发明的优点：

1）采用三相鼠笼电动机、固定励磁电容以及可调励磁电容共同构成单相自激感应发电机，具有运行可靠性高、易维护、价格低廉等优点，非常适合偏远地区。

2）交流负载与单相自激感应发电机定子绕组相连，省却了传统结构整流器和逆变器，虽并联双向PWM变流器对电压和频率进行控制，但功率等级大幅降低，极大降低设备成本和维护成本，提高了发电系统实用性。