微網用dwig交直流發電系統及寬風速範圍能量雙向流動方法

2024-03-06 23:31:15

微網用dwig交直流發電系統及寬風速範圍能量雙向流動方法
【專利摘要】本發明公開了微網用DWIG交直流發電系統及寬風速範圍能量雙向流動方法，屬於交直流微網的【技術領域】。系統包括主迴路、檢測迴路和控制迴路。主迴路包括：定子雙繞組異步電機、濾波電感、功率變換器、第一斷路器、第二斷路器、第三斷路器、第四斷路器。檢測迴路包括：第一交流電流傳感器、直流電流傳感器、第二交流電流傳感器、第一直流電壓傳感器、第二直流電壓傳感器、第一交流電壓傳感器、第二交流電壓傳感器、第三交流電壓傳感器、風速傳感器。控制迴路包括：數位訊號處理器、驅動電路。控制方法利用一臺電機就實現了交直流同時發電，在無風區充分利用功率變換器，拓寬了DWIG發電系統運行的風速範圍，實現了寬風速範圍內能量雙向流動。
【專利說明】微網用DWIG交直流發電系統及寬風速範圍能量雙向流動方法

【技術領域】
[0001]本發明公開了微網用DWIG(Dual Stator-ffinding Induct1n Generator,定子雙繞組異步發電機)交直流發電系統及寬風速範圍內能量雙向流動控制方法，尤其是用於微網交直流混合發電的定子雙繞組異步電機發電系統及寬風速範圍內能量雙向流動控制方法，屬於交直流混合微網的【技術領域】。

【背景技術】
[0002]當前能源的短缺和傳統能源帶來的環境問題促進了清潔能源的大規模接入與利用，提高能源利用效率，實施智能電網重大科技產業化工程，對於調整我國能源結構、節能減排、應對氣候變化具有重大意義。綜合世界各地區建設智能電網的進程來看，智能電網的關注熱點包含有微網，微網是利用大規模清潔能源的接入。當前可再生能源的種類有很多例如風能、潮汐能、水能等。由於清潔能源的不穩定性，需要多種能源綜合利用，並配備能量型儲能和功率型儲能裝置以實現互補優化的目的。在構建微網中，目前大部分的發電系統輸出電能方式只有單一的交流電或者直流電。那麼如何採用簡單的方式實現寬速範圍最大效率的發電是需要考慮的問題。交直流混合微網中，往往需要一個交流電機、一個直流電機構成相互獨立的交流發電系統和直流發電系統，當交流電網與直流電網之間需要能量雙向流動時，交流電網與直流電網之間需要一個雙向整流逆變裝置，存在需要額外的整流逆變裝置的缺陷，這增加系統的構建成本和運行維護成本同時也降低了系統的可靠性。
[0003]定子雙繞組異步發電機(DWIG)是二i^一世紀初由美國田納西理工大學Ojo教授提出的一種新型籠型異步電機，該電機的轉子仍為籠型結構，繼承了傳統籠型異步電機的固有優點，其定子上有兩套繞組，一套為控制繞組，接有功率變換器；另一套為功率繞組，向負載供電，兩套定子繞組具有相同的極對數，共享同一氣隙磁場，且它們在電氣上沒有直流連接，僅通過磁耦合，功能分開，易實現高性能控制。由於DWIG結構獨特且具有諸多優點，它吸引了國內外研究人員的廣泛關注。Ojo教授對DWIG恆速恆頻交流發電系統的拓撲結構及控制策略作了許多開創性研究。國內海軍工程大學的馬偉明教授以艦船獨立電源系統為應用背景，對恆速運行條件下的DWIG高壓直流發電系統進行了深入研究，主要包括拓撲結構，控制策略，穩定性等。為拓寬DWIG的應用場合，南京航空航天大學的研究人員從2004年開始研究變速運行條件下的DWIG高壓直流發電系統，如圖1所示，並重點對電機設計、系統優化、控制策略等開展了研究工作。


【發明內容】

[0004]本發明所要解決的技術問題是針對上述【背景技術】的不足，提供了微網用DWIG交直流發電系統及寬風速範圍內能量雙向流動方法，以解決微網中發交流電和直流電需要構建獨立的交流發電系統和直流發電系統、傳統交直流混合微網併網需要額外整流逆變裝置的缺陷、無風區功率變換器閒置導致的系統不發電、DWIG發電系統在窄轉速範圍內實現能量的雙向流動這些技術問題。
[0005]本發明為實現上述發明目的採用如下技術方案。
[0006]微網用DWIG交直流發電系統，包括主迴路、檢測迴路和控制迴路，所述主迴路包括:定子雙繞組異步電機、濾波電感、功率變換器、第一斷路器、第二斷路器、第三斷路器、第四斷路器，檢測迴路包括:檢測第一斷路器輸出電流的第一交流電流傳感器、檢測功率變換器直流側輸出電流的直流電流傳感器、檢測定子雙繞組異步電機控制繞組輸出電流的第二交流電流傳感器、檢測功率變換器直流側輸出電壓的第一直流電壓傳感器、檢測直流電網電壓的第二直流電壓傳感器、檢測定子雙繞組異步電機功率繞組輸出電壓的第一交流電壓傳感器、檢測定子雙繞組異步電機控制繞組輸出電壓的第二交流電壓傳感器、檢測交流電網電壓的第三交流電壓傳感器、風速傳感器，控制迴路包括:數位訊號處理器、驅動電路；
定子雙繞組異步電機功率繞組出線經過第一斷路器與交流電網連接，定子雙繞組異步電機控制繞組出線經過第二斷路器與濾波電感一端連接，濾波電感另一端與功率變換器交流側連接，功率變換器直流側經過第三斷路器與直流電網連接，定子雙繞組異步電機控制繞組出線、功率繞組出線之間接有第四斷路器，第一交流電壓傳感器接在定子雙繞組異步電機功率繞組出線上，第三交流電壓傳感器接交流電網側，第一交流電流傳感器接在第一斷路器出線上，第二交流電壓傳感器、第二交流電流傳感器均接在第二斷路器出線上，第一直流電壓傳感器、直流電流傳感器均接在功率變換器的直流側，第二直流電壓傳感器接在直流電網側，驅動電路輸入端、第一直流電壓傳感器輸出端、第二直流電壓傳感器輸出端、第一交流電壓傳感器輸出端、第二交流電壓傳感器輸出端、第三交流電壓傳感器輸出端、第一交流電流傳感器輸出端、直流電流傳感器輸出端、第二交流電流傳感器輸出端分別與數位訊號處理器連接，驅動電路輸出端接功率變換器中功率器件控制端，各斷路器的控制器分別與數位訊號處理器連接；
所述數位訊號處理器，在功率變換器直流側輸出電壓與直流電網電壓同步時控制第三斷路器合閘，在定子雙繞組異步電機功率繞組輸出電壓與交流電網電壓同步時控制第一斷路器合閘，在系統沒有故障時維持第二斷路器處於合閘狀態，在系統有故障或者無風時控制第一斷路器分閘、第二斷路器分閘、第四斷路器合閘，數位訊號處理器根據風速、定子雙繞組異步電機功率繞組輸出電壓、定子雙繞組異步電機控制繞組輸出電壓以及電流、交流電網電壓、直流電網電壓、第一斷路器輸出電流、功率變換器直流側輸出電壓以及電流得到驅動電路的輸入信號，驅動電路輸出驅動信號給功率變換器，功率變換器在驅動信號作用下輸出交流電或者直流電。
[0007]所述微網用DWIG交直流發電系統寬風速範圍能量雙向流動控制方法，數位訊號處理器根據風速傳感器採集的風速以及各傳感器採集的電信號生成各風速區的控制策略:
無風區控制策略，數位訊號處理器控制第一斷路器分閘、第二斷路器分閘、第四斷路器合閘，通過功率變換器將直流電網的能量轉換成交流電網的無功功率和有功功率或者將交流電網的有功功率轉換成直流電網的有功功率，從而實現無風狀態下的交流電網與直流電網之間能量的雙向流動；
低風速區控制策略，數位訊號處理器維持第一斷路器的分閘狀態、控制第二斷路器合閘、第四斷路器分閘，DWIG交直流發電系統的功率繞組與交流電網脫離，控制功率變換器輸出有功功率至直流側，數位訊號處理器在功率變換器直流側輸出電壓與直流電網電壓同步時控制第三斷路器合閘，DWIG交直流發電系統併入直流電網；
高風速區控制策略，數位訊號處理器維持第二斷路器的合閘狀態、第四斷路器的分閘狀態、第三斷路器的合閘狀態，DWIG交直流發電系統處於併入直流電網的狀態，數位訊號處理器控制功率變換器交流側輸出勵磁無功功率給定子雙繞組異步電機，數位訊號處理器在定子雙繞組異步電機功率繞組輸出電壓與交流電網電壓同步時控制第一斷路器合閘，DWIG交直流發電系統併入交流電網。
[0008]所述微網用DWIG交直流發電系統寬風速範圍能量雙向流動控制方法，數位訊號處理器根據風速傳感器採集的風速以及各傳感器採集的電信號生成各風速區的控制策略:
無風區以及低風速區採用相同的控制策略，數位訊號處理器控制第一斷路器分閘、第二斷路器分閘、第四斷路器合閘，通過功率變換器將直流電網的能量轉換成交流電網的無功功率和有功功率或者將交流電網的有功功率轉換成直流電網的有功功率，從而實現無風狀態下和低風速區的交流電網與直流電網之間能量的雙向流動，
高風速區控制策略，數位訊號處理器維持第二斷路器的合閘狀態、第四斷路器的分閘狀態、第三斷路器的合閘狀態，DWIG交直流發電系統處於併入直流電網的狀態，數位訊號處理器控制功率變換器交流側輸出勵磁無功功率給定子雙繞組異步電機，數位訊號處理器在定子雙繞組異步電機功率繞組輸出電壓與交流電網電壓同步時控制第一斷路器合閘，DWIG交直流發電系統併入交流電網。
[0009]作為所述寬風速範圍能量雙向流動控制方法的進一步優化方案,高風速區控制策略中，利用定子雙繞組異步電機兩套繞組之間的磁場耦合原理，通過功率變換器調節定子雙繞組異步電機的控制繞組中的有功功率和無功功率以實現高風速區的交流電網和直流電網之間能量的雙向流動。
[0010]作為所述寬風速範圍能量雙向流動控制方法的進一步優化方案，無風區控制策略中:採用矢量控制技術或直接功率控制技術，通過功率變換器將直流電網的能量轉換交流電網的無功功率和有功功率或者將交流電網的有功功率轉換成直流電網的有功功率。
[0011]作為所述寬風速範圍能量雙向流動控制方法的進一步優化方案，低風速區控制策略中，採用電壓泵升技術控制功率變換器輸出有功功率至直流側。
[0012]本發明採用上述技術方案，具有以下有益效果:
1、將DWIG交直流發電系統應用到微網中，實現了一臺發電機同時發交流電和直流電，改善了微網中發交流電和直流電需要構建獨立的交流發電系統和直流發電系統的缺陷；
2、DWIG交直流發電系統中設置的斷路器在數位訊號處理器的控制下控制交直流併網，改善了傳統交直流混合微網併網需要額外整流逆變裝置的缺陷；
3、寬風速範圍內能量雙向流動控制方法設置的斷路器以及各傳感器採集的電信號生成不同風速區的控制策略:無風區通過控制接在定子雙繞組異步電機控制繞組出線、功率繞組出線之間的斷路器合閘，利用功率變換器實現整個系統在無風區內的能量雙向流動；低風速區內，功率變換器在向直流電網輸出有功功率實現直流發電以及系統併入直流電網，也可以僅閉合功率繞組與控制繞組之間的斷路器使整個系統不發電僅實現能量的雙向流動；在高風速區通過功率變換器輸出無功功率控制DWIG控制繞組實現DWIG功率繞組輸出有功功率至交流電網，在系統已經併入直流電網的狀態下實現交流發電以及系統併入交流電網，整個控制方法在無風區充分利用功率變換器，拓寬了 DWIG發電系統運行的風速範圍，改善了 DWIG發電系統在無風區時功率變換器閒置的缺陷，
4、高風速區可以利用定子雙繞組異步電機兩套繞組之間的磁場耦合原理實現能量的雙向流動，而無風區能量的雙向流動又能打破僅在高風速區能量雙向流動的局限，低風速區也可選地採取雙向能量流動的控制策略，實現了電機在微網交直流混合場合下的寬風速範圍內能量雙向流動。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為現有的DWIG發電系統結構框圖。
[0014]圖2為DWIG交直流發電系統的示意圖。
[0015]圖中標號說明:1、定子雙繞組異步電機，2、濾波電感，3、功率變換器，4、第一交流電流傳感器，5、直流電流傳感器，6、第二交流電流傳感器，7、第一直流電壓傳感器，8、第二直流電壓傳感器，9、第一交流電壓傳感器，10、第二交流電壓傳感器，11、第三交流電壓傳感器，12、數位訊號處理器，13、驅動電路，14、第一斷路器，15、第二斷路器，16、第三斷路器，17、直流電網，18、交流電網，19、第四斷路器，20、風速傳感器。

【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖對發明的技術方案進行詳細說明。
[0017]本發明涉及的DWIG交直流發電系統如圖2所示，包括主迴路、檢測迴路和控制迴路。主迴路包括:定子雙繞組異步電機1、濾波電感2、功率變換器3、第一斷路器14、第二斷路器15、第三斷路器16、第四斷路器19。檢測迴路包括:檢測第一斷路器14輸出電流的第一交流電流傳感器4、檢測功率變換器3直流側輸出電流的直流電流傳感器5、檢測定子雙繞組異步電機I控制繞組輸出電流的第二交流電流傳感器6、檢測功率變換器3直流側輸出電壓的第一直流電壓傳感器7、檢測直流電網17電壓的第二直流電壓傳感器8、檢測定子雙繞組異步電機I功率繞組輸出電壓的第一交流電壓傳感器9、檢測定子雙繞組異步電機I控制繞組輸出電壓的第二交流電壓傳感器10、檢測交流電網18電壓的第三交流電壓傳感器11、風速傳感器20。控制迴路包括:數位訊號處理器12、驅動電路13。功率變換器3為將交流電整流為直流電或者將直流電逆變為交流電的能量雙向流動裝置。
[0018]採用圖2所示DWIG發電系統實現微網中寬風速範圍內能量雙向流動。利用DWIG功率繞組發出三相交流電，通過控制繞組以及功率變換器輸出直流電，實現一臺電機的發電系統同時發出交流電和直流電，具體可以有以下三種實施方式。
[0019]第一種寬風速範圍內能量雙向流動方法:無風區閉合第四斷路器19，實現交直流側能量的雙向流動；低風速區控制第四斷路器19分閘、閉合第二斷路器15並斷開功率繞組與交流側的連接，功率變換器輸出直流能量實現直流側併網；高風速區在低風速區已經併入直流電網的狀態下，通過功率變換器調節DWIG控制套組勵磁無功功率實現交流側併網，該方法在無風區充分利用功率變換器，拓寬了 DWIG發電系統運行的風速範圍，改善了 DWIG發電系統在無風區時功率變換器閒置的缺陷:
無風區控制策略，數位訊號處理器12控制第一斷路器14分閘、第二斷路器15分閘、第四斷路器19合閘，採用矢量控制技術或直接功率控制技術，功率變換器3將直流電網的能量轉換成交流電網的無功功率和有功功率或者將交流電網的有功功率轉換成直流電網的有功功率，從而實現無風區交流電網與直流電網之間能量的雙向流動，
低風速區控制策略，數位訊號處理器12維持第一斷路器14的分閘狀態、控制第二斷路器15合閘、第四斷路器19分閘，DWIG交直流發電系統的功率繞組與交流電網脫離，採用電壓泵升技術控制功率變換器3輸出有功功率至直流側，數位訊號處理器12在功率變換器3直流側輸出電壓與直流電網電壓同步時控制第三斷路器16合閘，DWIG交直流發電系統併入直流電網；
高風速區控制策略，數位訊號處理器12維持第二斷路器15的合閘狀態、第四斷路器19的分閘狀態、第三斷路器16的合閘狀態，DWIG交直流發電系統處於併入直流電網的狀態，數位訊號處理器12控制功率變換器3交流側輸出勵磁無功功率給定子雙繞組異步電機1，數位訊號處理器12在定子雙繞組異步電機I功率繞組輸出電壓與交流電網電壓同步時控制第一斷路器14合閘，DffIG交直流發電系統併入交流電網。
[0020]第二種寬風速範圍內能量雙向流動方法:無風區和低風速區都採用第一種方法中的控制策略，高風速區採用第一種方法中的高風速區控制策略。與第一種方法不同的是，低風速區電機不發電，不僅具有第一種方法的有點，而且整個系統與在低風速區也實現了能量的雙向流動。
[0021]第三種寬風速範圍內能量雙向流動方法:在第一種或者第二種方法的基礎上，利用定子雙繞組異步電機兩套繞組之間的磁場耦合原理，通過功率變換器3調節定子雙繞組異步電機I的控制繞組中的有功功率和無功功率以實現高風速區的交流電網和直流電網之間能量的雙向流動，實現了系統在多個風速區的能量雙向流動，即實現了電機在微網交直流混合場合下的寬風速範圍內能量雙向流動。
【權利要求】
1.微網用DWIG交直流發電系統，包括主迴路、檢測迴路和控制迴路，其特徵在於，所述主迴路包括:定子雙繞組異步電機(I)、濾波電感(2)、功率變換器(3)、第一斷路器(14)、第二斷路器(15)、第三斷路器(16)、第四斷路器(19)，檢測迴路包括:檢測第一斷路器(14)輸出電流的第一交流電流傳感器(4)、檢測功率變換器(3)直流側輸出電流的直流電流傳感器(5)、檢測定子雙繞組異步電機(I)控制繞組輸出電流的第二交流電流傳感器(6)、檢測功率變換器(3)直流側輸出電壓的第一直流電壓傳感器(7)、檢測直流電網電壓的第二直流電壓傳感器(8)、檢測定子雙繞組異步電機(I)功率繞組輸出電壓的第一交流電壓傳感器(9)、檢測定子雙繞組異步電機(I)控制繞組輸出電壓的第二交流電壓傳感器(10)、檢測交流電網電壓的第三交流電壓傳感器(11)、風速傳感器(20)，控制迴路包括:數位訊號處理器(12)、驅動電路(13)； 定子雙繞組異步電機(I)功率繞組出線經過第一斷路器(14)與交流電網連接，定子雙繞組異步電機(I)控制繞組出線經過第二斷路器(15)與濾波電感(2) —端連接，濾波電感(2)另一端與功率變換器(3)交流側連接，功率變換器(3)直流側經過第三斷路器(16)與直流電網連接，定子雙繞組異步電機(I)控制繞組出線、功率繞組出線之間接有第四斷路器(19)，第一交流電壓傳感器(9)接在定子雙繞組異步電機(I)功率繞組出線上，第三交流電壓傳感器(11)接交流電網側，第一交流電流傳感器(4)接在第一斷路器(14)出線上，第二交流電壓傳感器(10)、第二交流電流傳感器(6)均接在第二斷路器(15)出線上，第一直流電壓傳感器(7)、直流電流傳感器(5)均接在功率變換器(3)的直流側，第二直流電壓傳感器(8)接在直流電網側，驅動電路(13)輸入端、第一直流電壓傳感器(7)輸出端、第二直流電壓傳感器(8)輸出端、第一交流電壓傳感器(9)輸出端、第二交流電壓傳感器(10)輸出端、第三交流電壓傳感器(11)輸出端、第一交流電流傳感器(4)輸出端、直流電流傳感器(5)輸出端、第二交流電流傳感器(6)輸出端分別與數位訊號處理器(12)連接，驅動電路(13)輸出端接功率變換器(3)中功率器件控制端，各斷路器的控制器分別與數位訊號處理器(12)連接； 所述數位訊號處理器(12)，在功率變換器(3)直流側輸出電壓與直流電網電壓同步時控制第三斷路器(16 )合閘，在定子雙繞組異步電機(I)功率繞組輸出電壓與交流電網電壓同步時控制第一斷路器(14)合閘，在系統沒有故障時維持第二斷路器(15)處於合閘狀態，在系統有故障或者無風時控制第一斷路器(14)分閘、第二斷路器(15)分閘、第四斷路器(19)合閘，數位訊號處理器(12)根據風速、定子雙繞組異步電機(I)功率繞組輸出電壓、定子雙繞組異步電機(I)控制繞組輸出電壓以及電流、交流電網電壓、直流電網電壓、第一斷路器(14)輸出電流、功率變換器(3)直流側輸出電壓以及電流得到驅動電路(13)的輸入信號，驅動電路(13)輸出驅動信號給功率變換器(3)，功率變換器(3)在驅動信號作用下輸出交流電或者直流電。
2.權利要求1所述微網用DWIG交直流發電系統的寬風速範圍能量雙向流動方法，其特徵在於，數位訊號處理器(12)根據風速傳感器採集的風速以及各傳感器採集的電信號生成各風速區的控制策略: 無風區控制策略，數位訊號處理器(12)控制第一斷路器(14)分閘、第二斷路器(15)分閘、第四斷路器(19)合閘，通過功率變換器(3)將直流電網的能量轉換成交流電網的無功功率和有功功率或者將交流電網的有功功率轉換成直流電網的有功功率，從而實現無風狀態下的交流電網與直流電網之間能量的雙向流動； 低風速區控制策略，數位訊號處理器(12)維持第一斷路器(14)的分閘狀態、控制第二斷路器(15)合閘、第四斷路器(19)分閘，DWIG交直流發電系統的功率繞組與交流電網脫離，控制功率變換器(3 )輸出有功功率至直流側，數位訊號處理器(12 )在功率變換器(3 )直流側輸出電壓與直流電網電壓同步時控制第三斷路器(16)合閘，DffIG交直流發電系統併入直流電網； 高風速區控制策略，數位訊號處理器(12)維持第二斷路器(15)的合閘狀態、第四斷路器(19)的分閘狀態、第三斷路器(16)的合閘狀態，DWIG交直流發電系統處於併入直流電網的狀態，數位訊號處理器(12)控制功率變換器(3)交流側輸出勵磁無功功率給定子雙繞組異步電機(I )，數位訊號處理器(12)在定子雙繞組異步電機(I)功率繞組輸出電壓與交流電網電壓同步時控制第一斷路器(14)合閘，DWIG交直流發電系統併入交流電網。
3.權利要求1所述微網用DWIG交直流發電系統的寬風速範圍能量雙向流動方法，其特徵在於，數位訊號處理器(12)根據風速傳感器採集的風速以及各傳感器採集的電信號生成各風速區的控制策略: 無風區以及低風速區採用相同的控制策略，數位訊號處理器(12)控制第一斷路器(14)分閘、第二斷路器(15)分閘、第四斷路器(19)合閘，通過功率變換器(3)將直流電網的能量轉換成交流電網的無功功率和有功功率或者將交流電網的有功功率轉換成直流電網的有功功率，從而實現無風狀態下和低風速區的交流電網與直流電網之間能量的雙向流動， 高風速區控制策略，數位訊號處理器(12)維持第二斷路器(15)的合閘狀態、第四斷路器(19)的分閘狀態、第三斷路器(16)的合閘狀態，DWIG交直流發電系統處於併入直流電網的狀態，數位訊號處理器(12)控制功率變換器(3)交流側輸出勵磁無功功率給定子雙繞組異步電機(1)，數位訊號處理器(12)在定子雙繞組異步電機(I)功率繞組輸出電壓與交流電網電壓同步時控制第一斷路器(14)合閘，DWIG交直流發電系統併入交流電網。
4.根據權利要求2或3所述的寬風速範圍能量雙向流動方法，其特徵在於所述高風速區控制策略中，利用定子雙繞組異步電機兩套繞組之間的磁場耦合原理，通過功率變換器(3)調節定子雙繞組異步電機(I)的控制繞組中的有功功率和無功功率以實現高風速區的交流電網和直流電網之間能量的雙向流動。
5.根據權利要求4所述的寬風速範圍能量雙向流動方法，其特徵在於所述無風區控制策略中:採用矢量控制技術或直接功率控制技術，通過功率變換器(3)將直流電網的能量轉換交流電網的無功功率和有功功率或者將交流電網的有功功率轉換成直流電網的有功功率。
6.根據權利要求2所述的寬風速範圍能量雙向流動方法，其特徵在於所述低風速區控制策略中，採用電壓泵升技術控制功率變換器(3)輸出有功功率至直流側。
【文檔編號】H02J5/00GK104377738SQ201410643084
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月13日 優先權日:2014年11月13日
【發明者】許海軍, 卜飛飛, 黃文新, 劉皓喆, 趙勇, 朱琳 申請人:南京航空航天大學