容錯運行的風力發電機組的模塊化功率變換器的製造方法
2023-11-04 08:54:37 2
容錯運行的風力發電機組的模塊化功率變換器的製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種容錯運行的風力發電機組的模塊化功率變換器，包括m個H橋單相正弦逆變電路；每個H橋單相正弦逆變電路均通過2個電氣可控開關分別與直流母線正極和負極相連接；每個H橋單相正弦逆變電路均通過1個電氣可控開關與容錯風力發電機的1個發電繞組相相連接。本實用新型結構合理，工作性能好；可以根據設備電氣故障判別與指示器指示出的故障繞組相的編號及其對應的故障類型，進行在線不停機檢修。
【專利說明】容錯運行的風力發電機組的模塊化功率變換器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及風力發電機和容錯控制【技術領域】，具體涉及一種容錯運行的風力發電機組的模塊化功率變換器。
【背景技術】
[0002]風力發電是當前最具大規模發展潛力的可再生能源，各個國家均已投入了巨額資金競相研究開發，並積極推進產業化進程，大力開拓市場應用。
[0003]由於風力資源分布的特點，風力發電設備多安裝於地理和氣象條件較惡劣的郊區或市區中的地勢高處。一旦設備安裝完畢，機組的運行管理和檢修維護極不方便，為此，提高風力發電機組的連續可靠運行能力是風力發電設備研發製造領域的一項重要技術。由於風力發電機是風力發電設備中的核心部件之一，因此，其可靠運行和容錯運行能力尤為重要。
[0004]目前，用於風力發電系統的發電機主要有三相交流發電機、永磁無刷直流發電機和開關磁阻發電機。三相交流發電機(如永磁同步、電勵磁同步、雙饋異步、鼠籠異步、繞線異步等)和直流永磁發電機，採用分布式對稱繞組結構，當某一相繞組發生斷路或短路故障，或某一相功率變換器發生故障時，氣隙磁場畸變，從運行機理上導致發電機失控，無法達到如最大風功率跟蹤控制等風力發電的基本控制目標，如果不及時停機，其嚴重的轉矩顛簸必然會損壞機械設備。開關磁阻發電機採用對稱集中繞組，當某一相繞組發生斷路或短路故障，或某一相功率變換器發生故障時，雖然可以缺相容錯運行，但其固有的齒槽脈動和不平衡徑向磁拉力特性會被放大，發電轉矩產生周期性的嚴重脈動，極易導致風輪機及其輔助機械設備的損壞和機組的不安全。
[0005]因此，從提高可靠性指標角度來講，避免傳統分布式對稱繞組結構的發電機無法缺相運行，以及開關磁阻發電機大轉矩脈動的不足，研究設計一套具有容錯運行能力和低轉矩脈動的風力發電機及其驅動控制系統具有良好的工程和經濟意義。
實用新型內容
[0006]本實用新型的目的在於提供一種結構合理，工作性能好的容錯風力發電機。
[0007]本實用新型的技術解決方案是:
[0008]一種容錯運行的風力發電機組的模塊化功率變換器，其特徵是:包括有m個H橋單相正弦逆變電路；每個H橋單相正弦逆變電路均通過2個電氣可控開關分別與直流母線正極和負極相連接；每個H橋單相正弦逆變電路均通過I個電氣可控開關與容錯風力發電機的I個發電繞組相相連接。
[0009]本實用新型結構合理，工作性能好；可以根據設備電氣故障判別與指示器指示出的故障繞組相的編號及其對應的故障類型，進行在線不停機檢修。
【專利附圖】
【附圖說明】[0010]下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。
[0011 ]圖1為模塊化功率變換器結構圖。
[0012]圖2為使用本實用新型的系統總體結構圖。
[0013]圖3為容錯風力發電機的剖面結構圖。
[0014]圖4為全風速最優轉矩外環控制器的控制原理圖。
【具體實施方式】
[0015]一種容錯運行的風力發電機組的模塊化功率變換器，包括有m個H橋單相正弦逆變電路；每個H橋單相正弦逆變電路均通過2個電氣可控開關分別與直流母線正極和負極相連接；每個H橋單相正弦逆變電路均通過I個電氣可控開關與容錯風力發電機的I個發電繞組相相連接。
[0016]具體參見附圖1，容錯風力發電機的集中發電繞組相4，通過電氣可控開關13，與模塊化功率變換器的H橋單相正弦逆變電路8相連接。模塊化功率變換器的H橋單相正弦逆變電路8通過電氣可控開關11與母線正極9相連，通過電氣可控開關12與母線負極10相連。模塊化功率變換器的H橋單相正弦逆變電路8的個數與容錯風力發電機的集中發電繞組相的個數相同。模塊化功率變換器，可以根據設備電氣故障判別與指示器指示出的故障繞組相的編號及其對應的故障類型，進行在線不停機檢修。
[0017]參見附圖2，使用本實用新型的一種容錯運行的風力發電機組主要由風輪機、容錯風力發電機、模塊化功率變器、多傳感器信號檢測器、設備電氣故障判別與指示器、全風速最優轉矩外環控制器、容錯決策內環控制器、邏輯切換與脈寬調製驅動器等部分組成。
[0018]參見附圖3，容錯風力發電機主要由定子1、在定子圓周內徑上的m個定子電磁隔離齒2、在定子圓周內徑上的m個定子電樞發電齒3、m個繞在定子電樞發電齒3上的集中發電繞組相4、轉子5、表貼在轉子外徑上的正弦永磁體陣列6組成。m個定子電磁隔離齒2和m個定子電樞發電齒3在定子圓周空間裡，均勻等間隔交錯排列，其末端均具有極靴7結構，以獲得較好的磁場正弦化分布特性個定子電磁隔離齒2上均不繞裝繞組；圖3中，m=8。根據電機學原理，在定子電磁隔離齒2的作用下，各發電繞組相4之間的電磁耦合幹擾很小，可以實現各發電繞組相4的獨立控制。
[0019]容錯風力發電機的轉子6接風輪機的旋轉主軸，容錯風力發電機的定子I相對靜止。當容錯風力發電機轉子6在風輪機的帶動下旋轉時，其m個集中發電繞組相4會在永磁正弦磁力氣隙磁場的切割下，產生正弦發電電壓。
[0020]多傳感器信號檢測器，包括風速傳感器、轉速傳感器、電壓傳感器、電流傳感器；實現對風速、風輪機轉速、容錯風力發電機轉速以及m個發電繞組相的電壓和電流的檢測。
[0021]設備電氣故障判別與指示器，根據多傳感器信號檢測器提供的容錯風力發電機m個發電繞組相4的電壓和電流信號，進行故障判別。其規則包括:(1)若容錯風力發電機某個發電繞組相的電流，在一個周期內的平均值不等於零，並且和零相差的比較大，明顯不等於其他相的平均電流值，則表明，與該發電繞組相連接的H橋單相正弦逆變電路發生了 「電力電子元件失效」故障。(2)若容錯風力發電機某個發電繞組相的電流瞬時值，在多個檢測採樣周期裡均等於零，明顯不等於其他相的電流值，則表明，該發電繞組相發生了「繞組端部斷路」故障。(3)若容錯風力發電機某個發電繞組相的電流有效值突然變大，同時，空載電壓有效值突然變小，明顯不等於其他相的電壓和電流值，則表明，該發電繞組相發生了「繞組端部短路」故障。
[0022]設備電氣故障判別與指示器，依據上述規則，進行故障判別，得到容錯風力發電機k個故障繞組相的編號，其中k<m;以及k個故障繞組相相對應的故障類型；這些故障類型包括:電力電子元件失效故障、繞組端部斷路故障、繞組端部短路故障。
[0023]設備電氣故障判別與指示器，將檢測到的k個故障繞組相的編號，以及k個故障繞組相相對應的故障類型提供給顯示設備指示出來，以供發電機組的維護人員快速巡檢與維修。
[0024]參見附圖4，全風速最優轉矩外環控制器，首先根據多傳感器信號檢測器提供的容錯風力發電機轉速ω及其m個發電繞組相的電流ix和電壓Ux信號(χ=1，2，…，m)，換算出當前的總發電電磁轉矩值Irf;再根據多傳感器信號檢測器提供的風速V信號和風輪機轉速ω￥?信號，依據風輪機的風能吸收最佳轉矩曲線關係，獲得當前最優氣動轉矩信號T-* ;將最優氣動轉矩信號與當前的總發電電磁轉矩值相減，TtjpJ-Trf，其差值進行PID控制算法運算，得出當前的最優發電總電流控制指令信號i/，並提供給容錯決策內環控制器。
[0025]所述邏輯切換與脈寬調製驅動器，根據容錯決策內環控制器提供的容錯風力發電機(m-k)個非故障繞組相各自的最優發電相電流指令信號，形成對應(m-k)個非故障相H橋單相正弦逆變電路的PWM控制信號；以及k個故障相對應的H橋單相正弦逆變電路中3k個電氣可控開關的斷開控制信號。具體而言，容錯決策內環控制器，首先根據設備電氣故障判別與指示器給出的k個故障繞組相的編號，輸出邏輯控制信號給邏輯切換與脈寬調製驅動器，使得相應故障繞組相編號所對應的H橋單相正弦逆變電路8內的電力電子元件的PWM控制信號封鎖，並將 其3個相連電氣可控開關11、12、13斷開，以達到對k個故障繞組相實現電氣隔離的目的。
[0026]由於該k個故障繞組相實現了電氣隔離，因此，發電機組的維護人員可以依據設備電氣故障判別與指示器指示出來的故障繞組相的編號及其故障類型，進行在線不停機檢修。其中包括:對於「電力電子元件失效故障」，可以直接更換該故障繞組相所連接的H橋單相正弦逆變電路，以排除該故障；對於「繞組端部斷路故障」和「繞組端部短路故障」，可以通過人工觀察和進一步的測量以確定具體的故障點，以排除該故障，或是作保守處理，留待日後的整體檢修。
[0027]所述容錯決策內環控制器計算出的容錯風力發電機(m-k)個非故障繞組各自的最優發電相電流指令信號的數值可以不相同。
[0028]容錯決策內環控制器，再根據全風速最優轉矩外環控制器提供的當前的最優發電總電流控制指令信號，按照協調等容分配算法，向容錯風力發電機剩餘(m-k)個非故障發電繞組相分配各相的最優發電相電流指令信號，其中，p=l，2，…，m-k。其協調等容分配算法以該(m-k)個非故障相各自的最優發電相電流指令信號矢量形成圓形磁場為目標，以銅耗最小和總發電電流值等於或接近最優發電總電流控制指令信號為約束條件，具體求解方程可表述為
【權利要求】
1.一種容錯運行的風力發電機組的模塊化功率變換器，其特徵是:包括有m個H橋單相正弦逆變電路；每個H橋單相正弦逆變電路均通過2個電氣可控開關分別與直流母線正極和負極相連接；每個H橋單相正弦逆變電路均通過I個電氣可控開關與容錯風力發電機的I個發電繞組相相連接。
【文檔編號】H02M7/48GK203722505SQ201420066942
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年2月17日 優先權日:2014年2月17日
【發明者】吳愛華, 茅靖峰 申請人:南通大學