无刷双馈风力发电机及无刷双馈风力发电系统控制方法

摘要

无刷双馈发电机，定子上的功率绕组和控制绕组的极对数为pp和pc；混合转子位于定子内，有pp+pc个凸极，每个凸极上有多个缝隙，导线置于缝隙内，相邻缝隙内导线端部短接构成同心式线圈。无刷双馈风力发电系统控制方法包括：励磁控制方式采用直接转矩控制方法；速度观测方法是利用ωr=ωe+ωsl测发电机转速。本发明公开的无刷双馈风力发电机采用传统磁阻和笼型转子相结合的混合转子新型结构，比传统磁阻转子和笼型转子具有更优异的性能。励磁控制方式采用直接转矩控制策略，并结合无速度传感器控制技术，使无刷双馈风力发电机更适用于恶劣的风场环境，且具有良好的最大功率跟踪响应能力。

说明书

技术领域

本发明属于风力发电系统，具体涉及具有混合转子结构的无刷双馈风力发电机的直接转矩控制系统。

背景技术

近年来，无刷双馈发电机以其自身的优势在变速恒频风力发电领域中得到了国内外学者的广泛关注。但是，由于无刷双馈发电机的定子具有两套极数不同的绕组，其内部磁场关系要比常规感应发电机复杂很多，因此如何对其进行有效控制已成为变速恒频无刷双馈风力发电领域中亟待解决的难点和热点问题，尤其是风力发电机组控制的核心问题之一——最大功率跟踪问题，以提高风力发电效率。目前，国内外学者对无刷双馈风力发电机的功率控制研究主要集中在采用功率绕组磁场定向矢量控制方法对发电机的有功功率和无功功率进行解耦，通过独立控制有功功率和无功功率来实现最大功率跟踪。但是，矢量控制需要进行坐标变换，计算量大，且易受发电机参数变化的影响，这大大降低了系统的鲁棒性。

发明内容

本发明针对具有混合转子结构的无刷双馈发电机，提供了一种基于无速度传感器直接转矩控制的励磁系统，增强系统的鲁棒性，使无刷双馈风力发电机更适用于恶劣的风场环境，且具有良好的最大功率跟踪响应能力。

本发明的技术方案为：

无刷双馈发电机，包括定子和转子，其特征在于：定子上嵌放两套绕组，即功率绕组和控制绕组，极对数分别为p_p和p_c；转子为混合转子，位于定子内部；在混合转子上有p_p + p_c个凸极，在每个凸极上沿转轴的轴向有多个缝隙，导线和隔磁材料嵌放在凸极的相邻缝隙内，且凸极相邻缝隙内的导线端部短接，构成同心式线圈。

定子槽数为72槽。

定子功率绕组和控制绕组的极数分别为12极和8极，且均为双层短距绕组，即一个槽内嵌了四层绕组，功率绕组在顶部，控制绕组在底部。

定子的气隙为0.5mm。

凸极相邻缝隙内的隔磁材料层数为1~4层。

无刷双馈风力发电系统控制方法，其特征在于：所述方法包括：

（1）励磁控制方式采用无速度传感器直接转矩控制方法，通过控制无刷双馈发电机的转矩和功率因数来调节其有功功率；根据风速变化，以风力机运行特性曲线上的最大吸收功率点所对应的最佳转速值作为直接转矩控制的速度给定，进而获得转矩给定；磁链给定则采用最大功率因数原则，使功率因数尽可能趋于1，使流过功率绕组侧的无功功率趋于零；此时，控制绕组的磁链给定为：

                    

式中，p为极对数；L为自感；M为互感；Ψ为磁链；T_e为总电磁转矩；下标p表示功率绕组；下标c表示控制绕组；下标d表示对应量的d轴分量，下标q表示对应量的q轴分量；上标*表示对应量的给定值；

（2）速度观测方法为以两相静止坐标系作为参考坐标系，首先算出转子磁链同步旋转速度ω_e和转差速度ω_sl，ω_e和ω_sl的计算式分别为：

          

                      

再利用ω_r = ω_e + ω_sl关系来测发电机转速。

本发明公开的无刷双馈风力发电机采用传统磁阻和笼型转子相结合的混合转子新型结构，比传统磁阻转子和笼型转子具有更优异的性能。励磁控制方式采用直接转矩控制策略，并结合无速度传感器控制技术，使无刷双馈风力发电机更适用于恶劣的风场环境，且具有良好的最大功率跟踪响应能力。

附图说明：

图1为无刷双馈风力发电系统的结构示意图；

图2为无速度传感器直接转矩控制系统的原理示意图；

图3为无刷双馈风力发电机示意图；

附图标记说明：

1. 风力机；2.无刷双馈风力发电机；3. 变压器；4. 风力机运行特性曲线；5. 定子；6. 混合转子；7. 同心式线圈； 8. 转轴； 9. 隔磁层。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行具体说明：

图1无刷双馈风力发电系统的结构示意图，如图所示，风力机1通过增速箱连接无刷双馈风力发电机，无刷双馈风力发电机分别连接负载和双向PWM变频器，负载连接电网，双向PWM变频器通过变压器也与电网连接；双向PWM变频器还连接上位控制系统，上位控制系统一端连接电压电流信号检测装置，另一端连接人机界面。

图2分别为无刷双馈风力发电系统的结构组成及其励磁控制系统的原理图，其中，v为风速；P_m为发电机吸收功率；pf为功率因数；上标^表示对应量的估计值。

由于直接转矩控制理论是建立在两相静止参考坐标系中的，因此本发明将基于无刷双馈电机的转子速dq轴数学模型推导出混合转子型无刷双馈风力发电机在两相静止参考坐标系中的数学模型，结果如下：

功率绕组的电压和磁链方程：

                   (1)

控制绕组的电压和磁链方程：

                   (2)

转子绕组的电压和磁链方程：

           (3)

电磁转矩方程：

         (4)

功率方程：

                             (5)

式中，u为电压；i为电流；Ψ为磁链；R为电阻；L为自感；M为互感；ω_r为发电机转速；θ_r为发电机转子位移角；T_e为总电磁转矩；P为有功功率；Q为无功功率；下标p表示功率绕组；下标c表示控制绕组；下标r表示转子；上标s表示在两相静止坐标系中；下标d表示对应量的d轴分量，下标q表示对应量的q轴分量。

针对无刷双馈风力发电系统，励磁控制方式采用直接转矩控制方法。根据风力机运行特性曲线4可知，发电机最大吸收功率与转速之间具有一一对应关系，即当风速一定的情况下，每条风力机运行特性曲线上都有一个最大吸收功率点对应一个发电机转速值，将该转速值设为发电机最佳转速值。本发明就是利用这种关系，根据风速变化，以这些曲线上的最大吸收功率点所对应的转速值作为直接转矩控制的速度给定，进而获得转矩给定，也就是说，从控制转矩的角度来看，只要使发电机的实际转矩能快速准确地跟踪给定转矩，即可获得最大吸收功率。

磁链给定则采用最大功率因数原则，这是因为在风力发电系统中，功率因数是一个非常重要的性能指标，其给定值pf^*是由电网所需的实际值决定的，为提高发电效率、改善电能质量，常通过无功补偿方法来提高风力发电系统的功率因数，使其尽可能趋于1，这样流过功率绕组侧的无功功率将趋于零。此时，控制绕组的磁链给定为

                         (6)

式中，上标*表示对应量的给定值。

在直接转矩控制中，速度反馈量的检测多采用光电脉冲编码器或测速发电机，但在发电机端安装速度传感器将增加系统的成本和复杂性，降低系统的可靠性，使系统不宜用于恶劣的工作环境中，这与无刷双馈发电机去除电刷和滑环的目的相违背。本发明针对混合转子型无刷双馈发电机复杂的内部磁场关系，推导出一种新的速度观测方法，利用ω_r = ω_e + ω_sl关系，通过估算转子磁链同步旋转速度ω_e和转差速度ω_sl来估测发电机转速。实现无速度传感器控制，对提高系统可靠性和环境适应性具有十分重要的意义。

转子磁链同步旋转速度ω_e和转差速度ω_sl的估算式分别为：

           (7)

                      (8)

由式(8)可以看出，转差速度估计与负载R_r有关，使得估算转差速度的过程将受到参数变化的影响，这大大降低了速度观测器的鲁棒性，使其在负载变化的情况下不能快速准确地估算出发电机的转速。因此，在转差速度的估算过程中引入了模糊控制，设计出转差速度模糊观测器，以提高负载变化时无速度传感器控制系统的鲁棒性，使其在负载变化的情况下不能快速准确地估算出发电机的转速。

图3为无刷双馈风力发电机示意图，如图所示，定子5的槽数为72槽，气隙为0.5mm，定子5上嵌放两套绕组，即功率绕组和控制绕组，极对数分别为12极和8极，且均为双层短距绕组，即一个槽内嵌了四层绕组，功率绕组在顶部，控制绕组在底部。

转子采用混合转子6，位于定子5内部；在混合转子6上有12+ 8个凸极，在每个凸极上沿转轴8的轴向有多个缝隙，导线嵌放在凸极的相邻缝隙内，然后填充隔磁材料构成隔磁层9，隔磁层9一方面起到限制磁通按照希望的路径流通的作用，另一方面还可以进行散热。将凸极相邻缝隙内的导线端部短接，构成同心式线圈7。所嵌放的同心式线圈7实际上构成了笼型转子结构，这样就构成了基于磁阻和笼型转子结合的混合转子结构，该结构具有磁阻转子和笼型转子共同特性和优点，可以提高转子对气隙的磁场调制能力，高效地实现该电机两套定子绕组的极数转换作用，改善电机的运行性能。该类转子的凸极中所加的隔磁层数目范围可以是1~4条，无刷双馈发电机极数增多时，隔磁层数目将适当减少。

采用这种新型混合转子结构的无刷双馈风力发电机具有如下特点：结构上简单易于实现，无刷可靠；发电机的极数转换能力得到了大幅提高，磁场调制效果比现有该类发电机提高很多，发电机的效率得到了提高，体积将被缩小；该类转子发电机更易实现多极数设计，而且在多极数时具有更好的耦合性能和运行稳定性。混合转子的结构形式克服了无刷双馈发电机效率低的问题，并在工艺上易于实现。