本发明专利技术公开一种定子双绕组异步电机风力发电系统的励磁电容优化方法，步骤是：计算功率绕组整流输出电压能达到给定值的最小转速，从而确定该发电系统高风速运行与低风速运行的切换点；写出高风速区控制绕组电流有效值的解析表达式，并建立该发电系统的计算机仿真模型；利用控制绕组电流有效值的解析表达式对励磁电容进行优化迭代，使高低风速运行切换点的控制绕组电流有效值与最高速满载运行点的控制绕组电流有效值相等，从而初步确定励磁电容的大小；利用仿真模型对优化迭代获得的励磁电容进行仿真验证和微调，从而求得该发电系统在宽风速范围内运行的最佳励磁电容。此方法可实现变换器容量的最小化，减小发电系统的体积和重量，降低其成本。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于异步电机发电领域，特别涉及一种能在宽风速范围内运行的。
技术介绍
近年来，常规能源日益紧缺，环境污染不断恶化，风能等可再生能源越来越受到世界各国重视，风力发电已成为近年来发展最快的可再生能源之一。笼型异步电机因其具有无刷结构、简单可靠、成本低等优点越来越成为风力发电的重要选择。传统的自励式笼型异步电机发电系统通常在电机输出端并联励磁电容以为电机提供励磁，当负载和转速发生变化时，输出电压也随之出现较大变化，甚至系统会崩溃，因此，该类发电系统不适合应用于风力发电等变速变负载的场合。随着电力电子技术的迅速发展和电机控制理论的不断成熟，由电力电子变换器控制的笼型异步电机发电系统，可为发电机提供连续可调的励磁无功，从而使输出电压保持稳定，同时电源输出品质大幅提升，但上述电力电子装置存在体积重量较大，会引起谐波成分等问题，使笼型异步电机发电系统在风力发电中的应用和发展受到了一定限制。本世纪初提出的定子双绕组异步电机(DWIG)发电系统，克服了现有的笼型异步电机发电系统的缺点和不足，以其独特结构和优势受到了国内外学者的广泛关注，并针对独立电源系统和风力发电系统开展了大量研究，主要包括系统拓扑结构、电机优化设计、电压控制策略、变速运行规律和系统稳定性等。在风力发电中，如何获取更多的风能，拓宽风能利用范围，尤其是低风速区的风能，一直是风力发电系统的研究热点和难点。为有效解决此问题，专利提出了一种能在宽风速范围内运行的DWIG发电系统拓扑结构，配合图I所示，其包括主回路、低压小功率辅助电源、检测回路和控制回路，主回路由定子双绕组异步发电机I、滤波电感2、控制变换器3、整流桥4、励磁电容5、二极管7和输出逆变器15构成，低压小功率辅助电源由小容量蓄电池6和阻断二极管组成，检测回路由电流传感器8和电压传感器9、10、11组成，控制回路由数字信号处理器12和控制变换器的驱动电路13组成；控制绕组侧控制变换器3输出直流电压的正端通过二极管7与功率绕组侧整流桥4输出直流电压的正端相连，两者的负端直接相连；小容量蓄电池6的正极接阻断二极管的阳极，小容量蓄电池6的负极接控制变换器3输出直流电压的负端，阻断二极管的阴极接控制变换器3输出直流电压的正端；该拓扑结构进一步扩大了该发电系统变速变负载运行的转速范围，使其能利用低风速区的风能发电，大大拓宽了该发电系统的风能利用范围。在该发电系统中，减小变换器容量对减小系统的体积、重量，降低其成本具有重要作用，而在风力机功率特性、发电机参数及转速范围确定的情况下，对变换器容量影响最大的参数为励磁电容。因此，有必要对上述宽风速运行的DWIG风力发电系统的励磁电容进行优化设计，以实现变换器容量的最小化，从而最大限度地减小该发电系统的体积、重量，降低其成本。
技术实现思路
本专利技术的目的，在于提供一种，其可实现变换器容量的最小化，减小发电系统的体积和重量，降低其成本。为了达成上述目的，本专利技术的解决方案是 一种，包括如下步骤(I)根据风力机功率特性、定子双绕组异步电机参数及转速变化范围，计算功率绕组整流输出电压能达到给定值的最小转速，从而确定该发电系统高风速运行与低风速运行的切换点；(2)根据定子双绕组异步电机的等效电路和相量图，写出高风速区控制绕组电流有效值的解析表达式，并建立该发电系统的计算机仿真模型；(3)利用控制绕组电流有效值的解析表达式对励磁电容进行优化迭代，使该发电系统高低风速运行切换点的控制绕组电流有效值与最高速满载运行点的控制绕组电流有效值相等，从而初步确定励磁电容的大小；(4)利用该发电系统的计算机仿真模型对优化迭代获得的励磁电容进行仿真验证和微调，从而求得该发电系统在宽风速范围内运行的最佳励磁电容，实现变换器容量的最小化。采用上述方案后，应用本专利技术的定子双绕组异步电机风力发电系统不仅能在宽风速范围内输出稳定的电能，而且其变换器容量只有系统输出额定容量的三分之一左右，减小了系统的体积和重量，降低了成本。附图说明图I是现有宽风速运行的定子双绕组异步电机风力发电系统的结构框图；图I中标号分别表示1.定子双绕组异步电机，2.滤波电感，3.控制变换器，4.整流桥，5.励磁电容，6.蓄电池，7. 二极管，8.电流传感器，9、10、11.电压传感器，12.数字信号处理器，13.驱动电路，14.直流负载，15.并网逆变器，16.交流电网，17.风力机图2是折算到发电机侧的风力机功率特性及最佳功率曲线；图3是将定子控制绕组和转子的参数都折算到定子功率绕组侧的定子双绕组异步电机的等效电路图；图4是与图3对应的定子双绕组异步电机的相量图；图3和图4中的变量含义为&、1 。、艮分别表示功率绕组、控制绕组、转子的等效电阻；Llp、Llc;、Lk分别表示功率绕组、控制绕组、转子的漏感；Lm表示激磁电感；&为负载电阻；与、存、序分别表示功率绕组、控制绕组、转子的电流;存表示激磁电流;序表示功率绕组侧负载的电流表不励磁电容的电流；^表不功率绕组输出电压；&表不感应电动势；s表示转差频率； 表示同步转速；杰表示主磁通；C表示励磁电容；图5是宽风速运行的定子双绕组异步电机的控制绕组电流有效值变化规律示意图；图5中的曲线AB和曲线BCE分别表示低风速区和高风速区的控制绕组电流有效值变化规律；IA表示最低转速轻载(负载大小按照最佳功率曲线)运行点的控制绕组电流有效值，Ib表示高低风速区运行切换点的控制绕组电流有效值，Ic表示变换器由提供容性励磁无功转为提供感性励磁无功(即吸收容性励磁无功)时的控制绕组电流有效值(等于零)，Id表示最高转速满载运行点的控制绕组电流有效值。具体实施例方式以下将结合附图，对本专利技术的实现过程进行详细说明。由图I所示的宽风速运行的定子双绕组异步电机风力发电系统拓扑结构可知，该发电机控制绕组侧变换器的直流母线通过一个二极管与功率绕组侧整流桥的直流母线相连，从而使其能在低风速区利用电压泵升原理通过控制绕组经变换器输出高压直流电能，大大拓宽了该发电系统的风能利用范围。在风力发电中，为了最大限度地获取风能，根据图2所示的折算到发电机侧的风力机功率特性，采用最大风能追踪控制策略，使发电系统在最佳功率曲线上运行，以输出尽可能多的电能。在图I所示的风力发电系统中，控制绕组侧变换器容量的最小化对减小系统的体 积、重量，降低成本具有重要作用，它与风力机功率特性、定子双绕组异步电机参数、转速变化范围及励磁电容有很大关系。而对于一个实际的风力发电系统而言，风力机功率特性、发电机参数及转速变化范围通常都是确定的，因此，如何选取功率绕组侧所接的励磁电容对变换器容量的最小化就非常关键。若按满足该发电系统自励建压的要求来选取所需的最小自励励磁电容，系统在高速重载运行时会产生大量多余的容性励磁无功，则需要变换器来吸收。若不设置励磁电容，在低速轻载运行时变换器需提供较大的容性励磁无功。因此，在零至最小自励励磁电容之间必然存在一个最佳的励磁电容使变换器容量达到最小。在该风力发电系统中，变换器通常由绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或智能功率模块(IPM)构成，在发电系统输出电压确定情况下，变换器容量主要由控制绕组电流的最大有效值决定，因此，若能选择一个最佳励磁电容使得控制绕组电流的最大有效值在宽转本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：卜飞飞，黄文新，胡育文，施凯，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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