一种基于无刷双馈发电机的发电系统及其起励方法

摘要

本发明提供一种基于无刷双馈发电机的发电系统，其包括：无刷双馈发电机、第一接触器、断路器、变频器和整流逆变单元，其中，该系统还包括：一连接在整流逆变单元的交流端与功率绕组之间的第二接触器；一辅助电源；一连接在辅助电源与变频器之间的第三接触器；一用于控制变频器、第一接触器以及第三接触器的变频控制器，其与变频器、第一接触器以及第三接触器连接；以及一用于控制整流逆变单元和第二接触器的整流逆变控制器，其分别与整流逆变单元和第二接触器连接，并通过一通信接口与变频控制器连接，以向变频控制器输出通知信号。本发明的发电系统可以实现自行起励以及恒压、恒频控制，且其运行效率高、节能、稳定性好、可靠性高。

说明书

技术领域

本发明涉及发电机自动控制技术领域，尤其涉及一种基于无刷双馈发电机 的发电系统及其起励方法。

背景技术

目前，新能源发展正处于蓬勃时期，同时对已有设备的节能改造也被客 户广泛认可。在一些偏远地区以及用电紧张的地区，广泛采用独立的柴油发 电机组进行发电或使用风力进行发电，以满足小型封闭电网的用电需求。众 所周知，有刷双馈电机具有电机控制简单、制造技术成熟等优点，因此，在 变速恒频发电系统中广泛应用交流励磁有刷双馈电机。然而，对于独立发电 系统应用来说，由于对发电电压的控制以及对发电频率的控制尤为重要，因 此，上述的有刷双馈电机由于控制精度不高而无法适用于这种独立发电系统； 另外，由于有刷双馈电机存在电刷，容易损坏，因此，如果使用在偏远的地 方或者风力发电系统中，则极其难以维护。

为了克服上述问题，现在越来越多的场合中开始采用与有刷双馈电机性 能相当的无刷双馈电机，这种无刷双馈电机省去了电刷和滑环结构，因此具 有维护方便、控制精度高、性能更加可靠等优点。

此外，传统的有刷双馈发电机构成的发电系统必须由电网为转子（控制） 绕组提供电力，并保证在发电前和发电中都有能够提供稳定励磁能量的来源。 这样就导致不论在启动前还是稳定运行中，有刷双馈发电机的转子绕组的运 行都不能脱离公共电网，否则整流逆变器会产生严重的故障。如附图1所示 的有刷双馈风力发电机构成的发电系统，其包括：一有刷双馈发电机2'，其 包括定子绕组21'和转子绕组22'；一连接至定子绕组21'的第一接触器4'；一 连接在第一接触器4'与负载1'之间的断路器5'；一变频器6'，其包括一与转子 绕组22'连接的交流端以及一直流端；一整流逆变单元7'，其包括一通过直流 母线8'与变频器6'的直流端相连的直流端以及一与定子绕组21'连接的交流端。 由图可知，整流逆变单元7'一直并入电网，起励工作是先从电网获取电能以 完成转子绕组22'的励磁，因此其无法脱离电网单独运行。然而在小型封闭电 网系统中，在辅助发电设备运行前是完全没有电能供应的，因此需要提供一 种可以使发电系统自行起励的方案。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足，本发明一方面提供一种可实现自行起 励发电并且可以输出恒压、恒频电能的基于无刷双馈发电机的发电系统。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于无刷双馈发电机的发电系统，其用于向负载供电，该发电系统 包括：

一包括功率绕组和控制绕组的无刷双馈发电机，其连接至一外围动力源；

一连接至所述功率绕组的第一接触器；

一连接在所述第一接触器与所述负载之间的断路器；

一变频器，其包括一与所述控制绕组连接的第一交流端以及一第一直流 端；

一整流逆变单元，其包括一通过直流母线与所述第一直流端相连的第二 直流端以及一第二交流端；

其中，所述系统还包括：

一连接在所述整流逆变单元的交流端与所述功率绕组之间的第二接触器；

一辅助电源；

一连接在所述辅助电源与所述变频器之间的第三接触器；

一用于控制所述变频器、所述第一接触器以及所述第三接触器的变频控 制器，其分别与所述变频器、所述第一接触器以及所述第三接触器连接；以 及

一用于控制所述整流逆变单元和所述第二接触器的整流逆变控制器，其 分别与所述整流逆变单元和所述第二接触器连接，并通过一通信接口与所述 变频控制器连接，以向所述变频控制器输出通知信号。

进一步地，所述辅助电源为电池或轻质柴油发电机。

本发明另一方面提供一种根据上述的基于无刷双馈发电机的发电系统的 起励方法，其中，该方法包括以下步骤：

S1，启动外围动力源，以带动所述无刷双馈发电机旋转；

S2，当所述无刷双馈发电机的转速达到预定值时，通过所述变频控制器 断开所述第一接触器并闭合所述第三接触器，并且通过所述整流逆变控制器 断开所述第二接触器；

S3，启动所述辅助电源，以使所述辅助电源输出的电压通过所述变频器 施加给所述直流母线；

S4，当所述直流母线的电压满足所述变频器的运行条件后，通过所述变 频控制器控制所述变频器向所述控制绕组提供逐渐增大的励磁，从而使所述 功率绕组输出逐渐升高的交流电压；

S5，当所述功率绕组输出的电压满足所述整流逆变单元的运行条件后， 通过所述整流逆变控制器控制所述第二接触器闭合并启动所述整流逆变器以 对所述直流母线进行升压控制直至其电压升至预定电压，当所述直流母线稳 定地工作在所述预定电压时，通过所述整流逆变控制器向所述变频控制器输 出一通知信号；

S6，所述变频控制器接收到所述通知信号后控制所述功率绕组输出的电 压升高至电网的额定电压；

S7，通过所述变频控制器控制所述第三接触器断开，以将所述辅助电源 切除，从而完成起励过程。

进一步地，所述步骤S2中的所述转速的预定值为300～700RPM。

进一步地，所述步骤S4中的所述变频器的运行条件为：所述直流母线的 电压大于450V。

进一步地，所述步骤S5中的所述整流逆变单元的运行条件为：所述功率 绕组输出的电压的幅值为0.68Ue-0.7Ue，频率为40HZ-60HZ，其中，Ue为电 网的额定电压。

进一步地，在所述步骤S5中，所述直流母线的预定电压为650V-700V。

综上所述，本发明通过增加一辅助电源以及对应的接触器组，使它们与 变频器以及整流逆变单元结合，实现了发电系统的自行起励，所以该发电系 统可以独立运行，而当起励过程完成之后，该辅助电源又可切除，此时，发 电系统仅利用功率绕组输出的电能即可自我维持稳定运行，从而节省了辅助 电源的能耗，提高了运行经济性，节约了成本。同时，变频器以及整流逆变 单元的共同作用又可以使发电系统输出的电能保持在稳压、恒频的状态。因 此，本发明的发电系统运行效率高、节能、稳定性好、可靠性高。

附图说明

图1是现有技术的基于有刷双馈发电机的发电系统的结构示意图；

图2是本发明的基于无刷双馈发电机的发电系统的结构示意图；

图3是本发明的基于无刷双馈发电机的发电系统的起励流程图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

本发明的基于无刷双馈发电机的发电系统如图2所示，其用于给负载1 供电，该发电系统主要包括：

一包括功率绕组21和控制绕组22的无刷双馈发电机2；一连接至功率绕 组21的第一接触器4；一连接在第一接触器4与负载1之间的断路器5；一 变频器6，其包括一与控制绕组22连接的第一交流端以及一第一直流端；一 整流逆变单元7，其包括一通过直流母线8与变频器6的第一直流端相连的第 二直流端以及一第二交流端；一连接在变频器6的第一交流端与功率绕组21 之间的第二接触器9；一辅助电源10；一连接在辅助电源10与变频器6之间 的第三接触器11；一与变频器6、第一接触器4以及第三接触器11连接的变 频控制器12以及一与整流逆变单元7、第二接触器9连接的整流逆变控制器 13，且变频控制器12与整流逆变控制器13之间通过RS485或RS232串口等 常用通讯接口进行数据通信。其中：

无刷双馈发电机2的转子由动力轴3带动旋转，动力轴3由外围的柴油 机或风力动力源带动。

第一接触器4的作用是确保功率绕组21的三相输出端在起励过程中与负 载1断开；当起励过程完成，即，功率绕组21输出的电压稳定后，才能闭合 该第一接触器4，以使功率绕组21给负载1供电。

变频器6主要起两个作用，第一个作用是：在起励过程中，将辅助电源 10提供的电压输出至直流母线8；第二个作用是：在起励过程完成之后的稳 定运行过程中，将直流母线8提供的电压逆变成幅值、频率、相序可调的三 相交流电压并输出至控制绕组22。

整流逆变单元7主要起两个作用，第一个作用是：在起励过程中，当功 率绕组21输出的电压满足整流逆变单元7的运行条件后，启动整流逆变器对 直流母线8进行升压控制，以使直流母线8的电压平稳地升至预定电压；第 二个作用是：在起励过程完成之后的稳定运行过程中，整流逆变单元7用于 实现电能在功率绕组21和直流母线8之间的双向流动，其可以把功率绕组21 输出的三相交流电压整流成直流电压供给直流母线8，进而通过变频器6给控 制绕组22提供励磁，当控制绕组22也向外发电时，整流逆变单元7工作在 回馈模式，控制绕组22产生的电能依次经过变频器6、整流逆变单元7回馈 到功率绕组21的三相输出端。

在直流母线8之间还设有母线电容（未示出），主要是由于独立发电系统 是一个小型的离网发电系统，为了使电网更加稳定，具有一定的抗突加负载1 能力，因此需要母线电容来进行储能和平滑电网的功能；通常控制母线电压 为恒定值。

第二接触器9的作用是确保整流逆变单元7在起励过程启动时与功率绕 组21的三相输出端断开，直到功率绕组21输出的电压满足整流逆变单元7 的运行条件后，才能闭合该第二接触器9，以使功率绕组21提供的电压输出 至整流逆变单元7，然后整流逆变单元7利用该电压对直流母线8进行升压控 制。

辅助电源10可以是电池或轻质柴油发电机2等，在图2所示的实施例中， 辅助电源10采用轻质柴油发电机2。当使用电池时，由于电池输出的是直流 电压，所以其输出端与变频器6的第一直流端连接；当使用轻质柴没发电机2 时，由轻质柴没发电机2输出的是交流电压，所以其输出端与变频器6的第 一交流端连接。

第三接触器11的作用是确保辅助电源10在起励过程中与变频器6连接， 直到起励过程完成后才能断开该第一接触器4，此时控制绕组22的励磁电压 仅由功率绕组21输出的电压提供，因此发电系统可以实现自我维持运行，从 而节省辅助电源10的能耗。

变频控制器12的作用是控制变频器6、第一接触器4和第三接触器11的 动作，整流逆变控制器13的作用是控制整流逆变单元7和第二接触器9的动 作，从而实现对无刷双馈发电机2的起励、恒压和恒频控制。在本实施例中， 变频控制器12采用一第一DSP（数字信号处理器），整流逆变控制器13采用 一第二DSP，这是因为DSP具有高速处理能力，能够保证系统的可靠运行。

此外，为了确保发电系统的正常运行，变频控制器12中还包括一电机保 护模块121，其主要对电机进行过载、过流、短路保护，以及对变频器6进行 过温保护等；整流逆变控制器13还包括一电网保护模块131，其主要对电网 进行过频率、欠频率、过电压、欠电压、电网过载保护，以及对整流逆变单 元7进行过温保护等。

电网保护模块131在处理故障时通常将故障分为非电网类故障和电网类 故障两类处理。其中，非电网类故障指：模块保护、过温、直流母线的过压 欠压、过载等，这些类型的故障需要立即停机进行保护；电网类故障指：功 率绕组输出的交流电过压欠压、过频欠频、三相不平衡等。而电网类故障的 处理方式又分为停机时的电网状态警告和运行时的保护停机两种方式，具体 来说，系统在停机时，电网保护模块131仅对电网类故障进行实时检测并发 出警告，而不进行其它故障处理，用以保证系统稳定可靠的启动而会不产生 启动过程与保护操作相冲突的状况；系统在运行时，当电网保护模块131检 测到封闭电网运行不正常时，进行停机保护，用以防止发电系统和负载1设 备损坏。

本发明的发电系统的起励过程如图3所示，包括以下步骤：

S1，启动外围动力源，以带动无刷双馈发电机2旋转；

S2，当无刷双馈发电机2的转速达到预定值（例如300～700RPM）时， 通过变频控制器12断开第一接触器4并闭合第三接触器11，通过整流逆变控 制器13断开第二接触器9；

S3，启动辅助电源10，以使辅助电源10输出的电压通过变频器6施加给 直流母线8；

S4，通过变频控制器12检测该直流母线8的电压，当直流母线8的电压 满足变频器6的运行条件（例如大于450V）后，通过变频控制器12控制变 频器6给控制绕组22提供逐渐增大的励磁，从而使功率绕组21输出逐渐升 高的交流电压；

S5，当功率绕组21输出的电压满足整流逆变单元7的运行条件（例如频 率为40HZ-60HZ，电压为0.68Ue-0.7Ue，其中，Ue为电网的额定电压）后， 通过整流逆变控制器13控制第二接触器9闭合并启动整流逆变器以对直流母 线8进行升压控制直至其电压升至预定电压（例如650V-700V），在本步骤中， 为了有效降低整流逆变器启动过程中对系统的冲击，在整流逆变器启动前， 功率绕组21输出的电压最大值应小于直流母线8的电压值，以实现整流逆变 器对电网的无冲击启动，当直流母线8稳定地工作在预定电压时，整流逆变 控制器13通过上述通信接口向变频控制器12输出通知信号；

S6，变频控制器12接收到该通知信号后控制功率绕组21输出的电压升 高至电网的额定电压并保持，此时，说明发电系统已经形成一个自我维持发 电的小型电网；

S7，通过整流逆变控制器13控制第三接触器11断开，以将辅助切除， 从而使控制绕组22的励磁由功率绕组21输出的电压提供，此时，起励过程 完成。

起励过程完成之后，先延时一定时间（例如3秒），然后通过变频控制器 12判断功率绕组21输出的电压是否满足当地要求的电网标准或在没有电网标 准的地区是否满足频率范围在47～53Hz以及电压幅值在0.85～1.1Ue的条件， 当条件满足时，控制第一接触器4闭合，从而使发电系统实现给负载1供电 的功能。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围， 本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要 求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利 要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。