低转矩脉动的独立相控结构的风力发电系统技术方案

本发明专利技术公开了一种低转矩脉动的独立相控结构的风力发电系统，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。本发明专利技术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，能够在出现一定的机组电气故障情况下，继续安全可靠和近额定容量地发电运行，并具有机械结构简单，电气可靠性强、模块化装配程度高和方便巡检维修等特点。

【技术实现步骤摘要】
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。
本专利技术涉及风力发电机和容错控制
，具体涉及一种可容错运行的风力发电机组。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术的技术解决方案是：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。所述容错决策内环控制器计算出的容错风力发电机(m-k)个非故障绕组各自的最优发电相电流指令信号的数值可以不相同。所述模块化功率变换器，可以根据设备电气故障判别与指示器指示出的故障绕组相的编号及其对应的故障类型，进行在线不停机检修。设备电气故障判别与指示器进行故障判别的规则包括：(1)若容错风力发电机某个发电绕组相的电流，在一个周期内的平均值不等于零，并且和零相差的比较大，明显不等于其他相的平均电流值，则表明，与该发电绕组相连接的H桥单相正弦逆变电路发生了“电力电子元件失效”故障；(2)若容错风力发电机某个发电绕组相的电流瞬时值，在多个检测采样周期里均等于零，明显不等于其他相的电流值，则表明，该发电绕组相发生了“绕组端部断路”故障；(3)若容错风力发电机某个发电绕组相的电流有效值突然变大，同时，空载电压有效值突然变小，明显不等于其他相的电压和电流值，则表明，该发电绕组相发生了“绕组端部短路”故障。与现有技术相比本专利技术的优点在于：(1)容错风力发电机能够在部分相绕组发生短路或是断路故障的情况下，在线快速地电气隔离故障相绕组，并可继续缺相发电运行；(2)容错风力发电机能够在模块化功率变换器部分H桥单相正弦逆变电路的电力电子元件失效情况下，在线快速地切除故障H桥单相正弦逆变电路，并可继续缺相发电运行；(3)容错风力发电机各相发电绕组独立工作，各相的发电电流可独立控制；(4)容错风力发电机通过对最优发电转矩控制指令信号的协调等容算法分配，保证发电机总发电电磁转矩在缺相运行情况下，也不发生大的转矩跌落或脉动。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。图1为本专利技术的总体结构图。图2为容错风力发电机的剖面结构图。图3为模块化功率变换器结构图。图4为全风速最优转矩外环控制器的控制原理图。具体实施方式以一种独立相控结构的风力发电系统为例，结合附图对本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低转矩脉动的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；所述容错决策内环控制器计算出的容错风力发电机（m‑k）个非故障绕组各自的最优发电相电流指令信号的数值不相同；所述模块化功率变换器，可以根据设备电气故障判别与指示器指示出的故障绕组相的编号及其对应的故障类型，进行在线不停机检修。...

【技术特征摘要】
1.一种低转矩脉动的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...

【专利技术属性】
技术研发人员：茅靖峰，吴爱华，吴国庆，张旭东，吴国祥，曹阳，易龙芳，周磊，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32