專利名稱：一種永磁同步風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)，尤其是涉及一種永磁同步風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前工業(yè)上應(yīng)用的兆瓦級變速恒頻的永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，既適用于陸地風(fēng)電場，也適用于海上風(fēng)電場。風(fēng)力發(fā)電機組的變速范圍寬，省去了故障率高的齒輪箱，可靠性好，發(fā)電機與電網(wǎng)電氣隔離。其中的永磁同步發(fā)電機(permant magnetsynchronousgenerator, PMSG)采用永磁體勵磁，不需要勵磁繞組及電刷和滑環(huán)，結(jié)構(gòu)簡單可靠，發(fā)電效率高。采用稀土永磁可增大氣隙磁密，縮小電機體積，提高電機的功率密度。近年來高性能永磁材料制造工藝提高，高性能稀土永磁材料釹鐵硼(NdFeB)逐漸引入風(fēng)電機組，PMSG的性價比進一步提聞。直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機一般采用多極低速結(jié)構(gòu)，一種典型的并網(wǎng)電路是:定予PWM變換器+直流側(cè)電容+并網(wǎng)PWM變換器，在整流部分采用PWM整流技術(shù)，控制方法靈活，有利于實現(xiàn)對永磁電機的最大轉(zhuǎn)矩、最大效率、最小損耗控制，不足之處是并網(wǎng)電壓仍然較低，仍需通過電力變壓器升壓再并網(wǎng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種永磁同步風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合固態(tài)變壓器(solid state transformer,SST)的結(jié)構(gòu),采用高頻變壓器代替原有的工頻變壓器，以實現(xiàn)高壓并網(wǎng)，而且采用超級電容儲能，使系統(tǒng)具有良好的低電壓運行性能。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):一種永磁同步風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)系統(tǒng),包括風(fēng)力機、永磁同步發(fā)電機、發(fā)電機側(cè)變流器、直流升壓模塊、電網(wǎng)側(cè)變流器、儲能模塊和控制模塊，所述的風(fēng)力機、永磁同步電機、發(fā)電機側(cè)變流器、直流升壓模塊和電網(wǎng)側(cè)變流器依次連接，發(fā)電機側(cè)變流器與直流升壓模塊之間并聯(lián)有第一電容，直流升壓模塊與電網(wǎng)側(cè)變流器之間并聯(lián)有第二電容，所述的儲能模塊并聯(lián)在第二電容與電網(wǎng)側(cè)變流器之間，所述的控制模塊分別與發(fā)電機側(cè)變流器、直流升壓模塊、電網(wǎng)側(cè)變流器以及儲能模塊連接；風(fēng)力機將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能，驅(qū)動永磁同步發(fā)電機輸出電能，發(fā)電機側(cè)變流器將永磁同步發(fā)電機輸出的交流電整流為直流電，再通過直流升壓模塊升壓，再經(jīng)由電網(wǎng)側(cè)變流器逆變?yōu)楹泐l恒壓的交流電后送入電網(wǎng)。所述的直流升壓模塊包括依次連接的單相全橋逆變電路、高頻變壓器和單相全橋整流電路。所述的儲能模塊為crowbar儲能電路,該crowbar儲能電路包括由第一功率器件和第二功率器件同向串聯(lián)組成的雙向半橋buck-boost電路、電感、電阻以及超級電容，所述的雙向半橋buck-boost電路的兩端分別連接第二電容的兩端，所述的電感、電阻和超級電容串聯(lián)后，并聯(lián)在第二功率器件的兩端。所述的第一功率器件和第二功率器件為IGBT、IGCT或電力M0SFET。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:1、用高頻變壓器結(jié)構(gòu)替換常規(guī)的工頻電力變壓器并網(wǎng)，并網(wǎng)電壓大幅升高，相當(dāng)于將升壓變壓器整合到變頻器中，電壓升高后電流減小，發(fā)熱損耗降低；2、由于采用了高頻變壓器，實現(xiàn)了風(fēng)電系統(tǒng)整流和逆變部分的電氣隔離；3、增加的超級電容可以在電網(wǎng)電壓跌落時，將直流側(cè)多余的能量儲存在超級電容中，以增強風(fēng)電系統(tǒng)的低電壓運行能力。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為直流升壓模塊的電路圖；圖3為crowbar儲能電路的電路圖；圖4為發(fā)電機側(cè)變流器的解耦控制圖；圖5為電網(wǎng)側(cè)變流器的解耦控制圖；圖6為本發(fā)明并網(wǎng)電壓和電流的波形圖；其中圖6(a)為O 0.3s的波形圖；圖6 (b)為0.6 0.9s的波形圖；圖6 (c)為1.1 1.4s的波形圖；圖7為本發(fā)明并網(wǎng)有功功率和功率因數(shù)的曲線圖；其中圖7(a)為功率的波形圖，圖7(b)為功率因數(shù)的波形圖；圖8為本發(fā)明未增加儲能器件時的仿真結(jié)果圖；其中圖8(a)為并網(wǎng)點的電壓波形圖，圖8(b)為直流側(cè)電壓波形圖，圖8(c)為發(fā)電機轉(zhuǎn)速波形圖；圖9為本發(fā)明增加了超級電容后的仿真結(jié)果圖；其中圖9(a)為直流側(cè)電壓波形圖，圖9(b)為發(fā)電機轉(zhuǎn)速波形圖；圖9(c)為并網(wǎng)電流波形圖，圖9(d)并網(wǎng)功率波形具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細(xì)說明。實施例如圖1所示，一種永磁同步風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)系統(tǒng)，包括風(fēng)力機1、永磁同步發(fā)電機
2、發(fā)電機側(cè)變流器3、直流升壓模塊4、電網(wǎng)側(cè)變流器5、控制模塊6和儲能模塊7。風(fēng)力機
1、永磁同步電機2、發(fā)電機側(cè)變流器3、直流升壓模塊4和電網(wǎng)側(cè)變流器5依次連接后接入電網(wǎng)8，發(fā)電機側(cè)變流器3與直流升壓模塊4之間并聯(lián)有第一電容Cl，直流升壓模塊4與電網(wǎng)側(cè)變流器5之間并聯(lián)有第二電容C2，儲能模塊7并聯(lián)在第二電容C2與電網(wǎng)側(cè)變流器5之間，控制模塊6分別與發(fā)電機側(cè)變流器3、直流升壓模塊4、電網(wǎng)側(cè)變流器5以及儲能模塊7連接，對其進行控制。其中，直流升壓模塊4如圖2所示，包括依次連接的單相全橋逆變電路41、高頻變壓器42和單相全橋整流電路43,儲能模塊7采用crowbar儲能電路,該crowbar儲能電路包括由第一功率器件Tl和第二功率器件T2同向串聯(lián)組成的雙向半橋buck-boost電路、電感L、電阻Rs。以及超級電容Cs。,所述的雙向半橋buck-boost電路的兩端分別連接在第二電容C2的兩端，電感L、電阻Rs。和超級電容Cs。串聯(lián)后，并聯(lián)在第二功率器件T2的兩端。第一功率器件Tl和第二功率器件T2可以采用IGBT、IGCT或電力M0SFET。
整個系統(tǒng)的工作流程為:風(fēng)力機I將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能，驅(qū)動永磁同步發(fā)電機2輸出電能，發(fā)電機側(cè)變流器3將永磁同步發(fā)電機2輸出的交流電整流為1200V的直流電，通過直流升壓模塊4升壓至18kV，再經(jīng)由電網(wǎng)側(cè)變流器5逆變?yōu)楹泐l恒壓的IOkV交流電后送入電網(wǎng)。系統(tǒng)工作時，控制模塊的控制過程為:在變化的風(fēng)速下，由風(fēng)速和葉尖速比曲線計算得到永磁同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速參考值 控制永磁同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，令轉(zhuǎn)速ω滿足最佳葉尖速比λ = λ -，即可獲得當(dāng)前風(fēng)
速下對應(yīng)的最大功率,實現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤。發(fā)電機側(cè)變流器的控制采用轉(zhuǎn)速外環(huán)，電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制方式，控制發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率。永磁體采用徑向表面式分布，定子d、q軸電感相等,Ld = Ltr根據(jù)最大風(fēng)能跟蹤算法計算得到的轉(zhuǎn)速值ωΜ乍為轉(zhuǎn)速環(huán)的給定值，與發(fā)電機轉(zhuǎn)速反饋值ω比較后的差值送入帶積分和輸出限幅的PI控制器，輸出定子q軸電流的給定值i^。定子d軸電流的給定值is/設(shè)為O。根據(jù)永磁同步發(fā)電機的電壓和電磁轉(zhuǎn)矩方程，發(fā)電機側(cè)變流器的雙環(huán)解耦控制框圖，如圖4所示。電網(wǎng)側(cè)變流器的控制采用電壓外環(huán)，電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制方式，作用是保持直流母線電壓恒定并實現(xiàn)有功功率和無功功率的解耦控制。令d軸定向于電網(wǎng)電壓矢量，Ugd =Ug, Ugq = 0，將直流電壓參考值Ud:與直流電壓反饋值Udc比較后的差值送入PI控制器，輸出I；作為參考值，控制輸出有功功率，無功功率設(shè)定為0，使系統(tǒng)運行在單位功率因數(shù)狀態(tài)，電網(wǎng)側(cè)變流器的雙環(huán)解耦控制框圖如附圖5所示。直流升壓環(huán)節(jié)中的單相逆變器和整流器均采用PWM控制，驅(qū)動信號為占空比為50%的互補觸發(fā)脈沖。直流側(cè)儲能電路中的雙向半橋buck-boost電路的工作模式由功率的不平衡狀況決定。穩(wěn)態(tài)時，Ps = Pg,電路不投入工作；當(dāng)Ps > Pg時，工作于buck模式，超級電容吸收能量；當(dāng)Ps < Pg時，工作于boost模式，超級電容釋放能量。為了充分利用變流器的容量，將電流限制在1.5p.u.。而直流電壓越平穩(wěn)則對發(fā)電機的運行越有益，因此將電容電壓限制在盡可能接近lp.u.。本發(fā)明使用MATLAB的仿真過程分為2部分:(I)風(fēng)速突變時最大功率跟蹤及并網(wǎng)性能；(2)電網(wǎng)電壓跌落時的風(fēng)電系統(tǒng)穩(wěn)定性。(I)設(shè)系統(tǒng)運行在額定風(fēng)速V = 12m/s下,在t = 0.7s時風(fēng)速下降至10m/s,在t=1.2s時風(fēng)速恢復(fù)至額定值，仿真時間為2s。圖6(a)、6(b)、6(c)分別為并網(wǎng)電壓和電流波形，其中虛線為電壓，實線為電流。圖7(a)、7(b)分別為并網(wǎng)功率及功率因數(shù)的曲線圖。由仿真結(jié)果可知，采用高壓并網(wǎng)方式，并網(wǎng)電流的幅值大大降低，在風(fēng)速變化時，電流的變化很平穩(wěn)，從而減小了對電網(wǎng)的沖擊。
(2)設(shè)風(fēng)電系統(tǒng)運行在額定風(fēng)速下，0.5s時電網(wǎng)電壓跌落至20%額定值，1.125s時電壓開始逐漸恢復(fù)，2.5s時電壓恢復(fù)至90%額定值，仿真時間為3s。圖8 (a)為并網(wǎng)點的電壓波形圖，圖8(b)為未加入儲能器件時的直流側(cè)電壓波形圖，圖8(c)為未加入儲能器件時的發(fā)電機轉(zhuǎn)速波形圖。在電網(wǎng)電壓跌落時，直流側(cè)電壓與發(fā)電機轉(zhuǎn)速均明顯上升。而加入超級電容后，其直流側(cè)電壓波形、發(fā)電機轉(zhuǎn)速波形、并網(wǎng)電流波形和并網(wǎng)功率波形分別如圖9 (a),9(b),9(c)和9(d)所示。由上述仿真結(jié)果可知，電網(wǎng)電壓跌落期間，并網(wǎng)電流限制在1.5p.u.值以內(nèi)，儲能電路吸收了直流側(cè)的多余能量，使得直流電壓保持穩(wěn)定，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩均保持穩(wěn)定值，風(fēng)電系統(tǒng)具備了較強的低電壓穿越能力，既保護了風(fēng)電系統(tǒng)，又對電網(wǎng)給予了持續(xù)的功率支撐。
權(quán)利要求
1.一種永磁同步風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)系統(tǒng)，其特征在于，包括風(fēng)力機、永磁同步發(fā)電機、發(fā)電機側(cè)變流器、直流升壓模塊、電網(wǎng)側(cè)變流器、儲能模塊和控制模塊，所述的風(fēng)力機、永磁同步發(fā)電機、發(fā)電機側(cè)變流器、直流升壓模塊和電網(wǎng)側(cè)變流器依次連接，發(fā)電機側(cè)變流器與直流升壓模塊之間并聯(lián)有第一電容，直流升壓模塊與電網(wǎng)側(cè)變流器之間并聯(lián)有第二電容，所述的儲能模塊并聯(lián)在第二電容與電網(wǎng)側(cè)變流器之間，所述的控制模塊分別與發(fā)電機側(cè)變流器、直流升壓模塊、電網(wǎng)側(cè)變流器以及儲能模塊連接； 風(fēng)力機將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能，驅(qū)動永磁同步發(fā)電機輸出電能，發(fā)電機側(cè)變流器將永磁同步發(fā)電機輸出的交流電整流為直流電，通過直流升壓模塊升壓為高壓直流電，再經(jīng)由電網(wǎng)側(cè)變流器逆變?yōu)楹泐l恒壓的交流電后送入電網(wǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種永磁同步風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)系統(tǒng)，其特征在于，所述的直流升壓模塊包括依次連接的單相全橋逆變電路、高頻變壓器和單相全橋整流電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種永磁同步風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)系統(tǒng)，其特征在于，所述的儲能模塊為crowbar儲能電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種永磁同步風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)系統(tǒng)，其特征在于，所述的crowbar儲能電路包括由第一功率器件和第二功率器件同向串聯(lián)組成的雙向半橋buck-boost電路、電感、電阻以及超級電容，所述的雙向半橋buck-boost電路的兩端分別連接第二電容的兩端，所述的電感、電阻和超級電容串聯(lián)后，并聯(lián)在第二功率器件的兩端。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種永磁同步風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)系統(tǒng)，其特征在于，所述的第一功率器件和第二功率器件為 IGBT、IGCT或電力M0SFET。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種永磁同步風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)系統(tǒng)，包括風(fēng)力機、永磁同步發(fā)電機、發(fā)電機側(cè)變流器、直流升壓模塊、電網(wǎng)側(cè)變流器、儲能模塊和控制模塊，所述的風(fēng)力機、永磁同步發(fā)電機、發(fā)電機側(cè)變流器、直流升壓模塊和電網(wǎng)側(cè)變流器依次連接，發(fā)電機側(cè)變流器與直流升壓模塊之間并聯(lián)有第一電容，直流升壓模塊與電網(wǎng)側(cè)變流器之間并聯(lián)有第二電容，所述的儲能模塊并聯(lián)在第二電容與電網(wǎng)側(cè)變流器之間，所述的控制模塊分別與發(fā)電機側(cè)變流器、直流升壓模塊、電網(wǎng)側(cè)變流器以及儲能模塊連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用高頻變壓器代替原有的工頻變壓器，以實現(xiàn)高壓并網(wǎng)，而且采用超級電容儲能，使系統(tǒng)具有良好的低電壓運行性能。
文檔編號H02J3/38GK103219740SQ20121001593
公開日2013年7月24日 申請日期2012年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月18日
發(fā)明者張明銳, 王之馨, 徐而峰 申請人:同濟大學(xué)