CN107359643A - 一种定子永磁式双转子风力发电*** - Google Patents
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Abstract
本发明为一种定子永磁式双转子风力发电***，包括直驱风电***，所述直驱风电***一端连接风力机，另一端连接有二极管不控整流和DC‑DC变换器，DC‑DC变换器另一端连接逆变器，逆变器另一端连接负载；本发明提供了一种定子永磁式双转子风力发电***，是一种智能化、模块化、机械化的装置，逆变器采用Z源逆变器，通过控制直通占空比很容易实现与两级式功率调整电路类似的升压功能，从而可以降低输入电压等级和逆变器的功率等级，直驱风电***采用定子永磁式双转子电机，具有功率密度高、中间转子结构简单和机械强度高的优点，DC‑DC变换器采用控制超级电容充放电功率来维持风电***直流母线电压的稳定，实现了风电***在大信号扰动时的电压稳定。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电领域，尤其涉及一种定子永磁式双转子风力发电***。
背景技术
风力发电是大规模利用清洁能源的有效途径，由于其在减轻环境污染、改善能源结构、解决偏远地区居民用电问题等方面的突出作用，越来越受到世界各国的重视。近年来，风力发电技术取得了长足的进步和发展，大规模、大容量的风电场在世界各地相继投产。但由于风电机组的输出功率主要受风速、气压、温度等多方面影响，因此经常发生波动。当风电接入容量达到一定比例时，其输出功率的随机波动将给电力***的稳定运行带来一些负面影响，如频率不稳定、电压闪变和跌落、谐波污染等，特别是当***备用容量不足时，影响更加明显。
发电机作为风力发电***中的核心设备之一，其性能的不断提高，在一定程度上影响着风力发电技术的发展方向，早期的恒速恒频风力发电***中多采用笼型异步发电机，此类发电机通过齿轮箱与风机相连，其定子端输出电压随风速变化而改变，需配备体积较大、价格昂贵的全功率变换器才能实现并网运行。因此，随着对风力发电***要求的不断提高，特别是单机容量激增和变速恒频技术的广泛采用，使得采用双馈绕线式异步发电机的双馈风力发电***和采用永磁同步发电机的永磁风力发电***占据了风力发电领域中的主导地位。双馈风力发电***中转子绕组通过能量可双向流动的功率变换器与电网连接，该变换器只需传输转差功率(一般为风力发电***容量的1/3)，从而降低了对变换器容量的需求，双馈发电机定子绕组直接与电网相连，***与电网间的相互影响较强，因此双馈风力发电***中功率稳定输出、低电压穿越、电网电压不平衡下的稳定运行等问题有待于进一步完善。此外，双馈发电***中风机通过增速齿轮箱与发电机相连，因此降低了风能的转换效率，同时增加了***的故障率，降低了可靠性。永磁风力发电***中，发电机定子通过全功率变换器与电网相连，发电机与电网间形成隔离，使得两者间相互影响较小。低速永磁风力发电***一般采用直驱式结构，提高了***的效率和运行可靠性。但随着单机容量的增大，低速永磁同步发电机体积过于庞大、永磁体用料增加、运输与安装难度增大，加之采用全功率变换器，***成本较高。目前半直驱结构在大容量永磁风力发电***中应用较为普遍。
近年来，随着电机及其控制技术的进一步发展，无刷双馈发电机、开关磁阻发电机等也进入到风力发电领域，成为学术界研究的热点问题。无刷双馈发电机具有两套极数不同的定子绕组，其中，功率绕组直接与电网相连，控制绕组通过功率变换器与电网相连。无刷双馈风力发电***与双馈发电***除具有同样的优点之外，电机转子为笼形结构，省去了集电环与电刷，降低了电机成本，提高了***的运行可靠性，但无刷双馈风力发电***电机本体设计理论比较复杂，制造困难，技术相对不够成熟，目前仍处于实验研究阶段，未获得大规模应用，需要在电机本体制造及设计理论上做进一步探索，开关磁阻发电机定子设有集中绕组，无转子绕组，即没有独立的励磁绕组，***通过分时控制使定子绕组工作于励磁与发电运行状态，因此该***的控制器设计较为复杂，有待于进一步完善，由此可以看出永磁风力发电***由于其在大容量风力发电领域的显著优势，发展前景较为广阔。
永磁发电***中的逆变器的使用，电压源型逆变器桥臂上下开关管不能同时导通，否则会发生短路，损坏逆变器，因此必须在上下桥臂开关信号之间加入死区时间，但死区时间的加入又会使得输出波形畸变。另一方面，逆变器输出电压低于直流输入电压，在低压或者电压变化较大的场合需要在前级加入升压电路，这就导致整个***结构复杂，效率降低。Z源逆变器能够克服电压源型逆变器的上述不足，Z源逆变器利用同一桥臂开关管直通来实现对输入直流电压的升压，因此Z源逆变器是升降压型逆变器。由于直通状态变成了逆变器的一种工作模式，那么由电磁干扰等引起的直通状态不会损坏逆变器，并且可以避免死区时间引起的输出波形畸变。同时，传统Z源逆变器的拓扑也存以下缺陷：(1)Z源网络电容电压高于输入直流电压，导致电容体积与成本较高；(2)Z源逆变器升压能力有限；(3)变换器存在启动冲击回路，容易损坏逆变器。
发明内容
本发明公开了一种定子永磁式双转子风力发电***，是一种智能化、模块化、机械化的装置，逆变器采用Z源逆变器，通过控制直通占空比很容易实现与两级式功率调整电路类似的升压功能，从而可以降低输入电压等级和逆变器的功率等级，同时在最大功率点电压随环境大范围波动的情况时，保持逆变器输出电压能够满足并网要求，调节方便，直驱风电***采用定子永磁式双转子电机，具有功率密度高、中间转子结构简单和机械强度高的优点。
本发明是这样实现的，一种定子永磁式双转子风力发电***，包括直驱风电***，所述直驱风电***一端连接风力机，另一端连接有二极管不控整流和DC-DC变换器，DC-DC变换器另一端连接逆变器，逆变器另一端连接负载；
所述直驱风电***采用定子永磁式双转子电机，定子永磁式双转子电机包括旋转轴，旋转轴轴向外侧设置有内转子，内转子轴向方向上设置有第一永磁体，内转子轴向外侧设置有第一绕组，第一绕组轴向外侧设置有中间转子，中间转子轴向外侧设置有第二绕组和外定子，定子轴向方向上设置有第二永磁体，外定子和中间转子构成外电机，内转子和中间转子构成内电机，内转子和外定子可分别看作内、外电机的定子，第一永磁体和第一绕组设置于在内电机的内转子上，第二永磁体和第二绕组设置于在外电机的外定子上，内外电机的两个气隙分别称为“内气隙”和“外气隙”，电机的三个部件由两个气隙分隔，而在磁路上连通；
所述二极管不控整流和DC-DC变换器整体采用二极管不控整流和升压/降压复合电路，优化电机的电磁设计，在某中间转速下其输出电压经整流后接近Udc，在较低速运行时采用升压电路，在较高速运行时采用降压电路，从而稳定直流侧电压；
所述逆变器采用Z源逆变器，Z源逆变器拥有9种开关矢量，其中一种为直通零矢量状态，即同一桥臂上下功率管同时导通的状态，Z源逆变器通过直通零矢量状态实现升压功能，IGBT有源开关和电感Lin与二极管A一起构成前级Boost电路，再与Z源网络串联，提高升压能力，电感Lin与输入电源串联，输入电流连续，并且不会形成启动冲击回路，IGBT有源开关的控制信号直接由直通零矢量信号输入。
进一步地，所述DC-DC变换器，令发电机发出的功率为Ps，***输出的并网功率为Pg，稳态时，Ps与Pg近似相等，超级电容器不工作，当Ps＞Pg时，VT1触发，DC-DC变换器工作于Buck电路状态，超级电容器吸收能量，当Ps＜Pg时，VT2触发，DC-DC工作于Boost电路状态，超级电容器释放能量。
进一步地，所述逆变器通过控制直通占空比实现与两级式功率调整电路的升压功能，从而可以降低输入电压等级和逆变器的功率等级，同时在最大功率点电压随环境大范围波动，保持逆变器输出电压能够满足并网要求。
进一步地，所述直驱风电***的中间转子上既无永磁体也无绕组，增加电机的机械强度，同时降低对电机的散热处理要求。
进一步地，所述风力机利用风力机叶轮将风能收集送入定子永磁式双转子发电机中，风能作用于永磁式双转子发电机的转子上，将风能转化为机械能，通过带动永磁式双转子发电机转子的转动，将机械能转化为电能，将所得的电能经过二极管不控整流、DC-DC变换器和逆变器进行处理后接入负载。
进一步地，所述直驱风电***中形成的内外电机为同心装置，由背靠背式的功率变换器供电。
进一步地，所述直驱风电***输出端稳压且直流端稳压。
进一步地，所述第一绕组和第二绕组采用两套以上线圈，直驱风电***低速运行时线圈串联，高速运行时线圈并联。
进一步地，所述内外电机形成的两个气隙通过机械式磁场控制，机械式磁场控制是通过调节定子与转子的相对位置来改变永磁体在绕组中的励磁磁链。
本发明提供的一种定子永磁式双转子风力发电***的优点在于：本发明提供了一种定子永磁式双转子风力发电***，是一种智能化、模块化、机械化的装置，逆变器采用Z源逆变器，通过控制直通占空比很容易实现与两级式功率调整电路类似的升压功能，从而可以降低输入电压等级和逆变器的功率等级，同时在最大功率点电压随环境大范围波动的情况时，保持逆变器输出电压能够满足并网要求，调节方便，Z源逆变器电路网络的引入使得直通成为其特殊的工作状态，从而提高了逆变器的可靠性，与两级电路相比较，Z源逆变器减少了一个有源元件，减少了相应的控制电路和保护电路，进一步提高了***的可靠性，且降低了***成本，Z源逆变器从本质上讲是单级***，具有单级逆变器的结构简单、效率高等优点，直驱风电***采用定子永磁式双转子电机，具有功率密度高、中间转子结构简单和机械强度高的优点，DC-DC变换器采用控制超级电容充放电功率来维持风电***直流母线电压的稳定，实现了风电***在大信号扰动时的电压稳定。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种定子永磁式双转子风力发电***的结构框图；
图2为本发明一种定子永磁式双转子风力发电***的直驱风电***结构示意图；
图3为本发明一种定子永磁式双转子风力发电***的DC-DC变换器电路示意图；
图4为本发明一种定子永磁式双转子风力发电***的传统逆变器电路示意图；
图5为本发明一种定子永磁式双转子风力发电***的Z源逆变器电路示意图；
图6为本发明一种定子永磁式双转子风力发电***的Z源逆变器和传统逆变器性能对比表；
其中，1、直驱风电***，2、二极管不控整流，3、DC-DC变换器，4、逆变器，5、旋转轴，6、内转子，7、第一永磁体，8、第一绕组，9、中间转子，10、第二绕组，11、外定子，12、第二永磁体，13、Buck电路，14、Boost电路。
具体实施方式
本发明公开了一种定子永磁式双转子风力发电***，是一种智能化、模块化、机械化的装置，逆变器采用Z源逆变器，通过控制直通占空比很容易实现与两级式功率调整电路类似的升压功能，从而可以降低输入电压等级和逆变器的功率等级，同时在最大功率点电压随环境大范围波动的情况时，保持逆变器输出电压能够满足并网要求，调节方便，直驱风电***采用定子永磁式双转子电机，具有功率密度高、中间转子结构简单和机械强度高的优点。
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚和详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。请参阅图1，本发明实施例提供的一种定子永磁式双转子风力发电***。
如图1所示，一种定子永磁式双转子风力发电***，包括直驱风电***1，所述直驱风电***1一端连接风力机，另一端连接有二极管不控整流2和DC-DC变换器3，DC-DC变换器3另一端连接逆变器4，逆变器4另一端连接负载；所述直驱风电***1输出端稳压且直流端稳压，所述风力机利用风力机叶轮将风能收集送入定子永磁式双转子发电机中，风能作用于永磁式双转子发电机的转子上，将风能转化为机械能，通过带动永磁式双转子发电机转子的转动，将机械能转化为电能，将所得的电能经过二极管不控整流2、DC-DC变换器3和逆变器4进行处理后接入负载。
如图2所示，直驱风电***1采用定子永磁式双转子电机，定子永磁式双转子电机包括旋转轴5，旋转轴5轴向外侧设置有内转子6，内转子6轴向方向上设置有第一永磁体7，内转子6轴向外侧设置有第一绕组8，第一绕组8轴向外侧设置有中间转子9，中间转子9轴向外侧设置有第二绕组10和外定子11，定子11轴向方向上设置有第二永磁体12，外定子11和中间转子9构成外电机，内转子6和中间转子9构成内电机，内外电机为同心装置，由背靠背式的功率变换器供电，内转子6和外定子11可分别看作内、外电机的定子，第一永磁体和第一绕组设置于在内电机的内转子上，第二永磁体12和第二绕组10设置于在外电机的外定子11上，内外电机的两个气隙分别称为“内气隙”和“外气隙”，电机的三个部件由两个气隙分隔，而在磁路上连通；所述内外电机形成的两个气隙通过机械式磁场控制，机械式磁场控制是通过调节定子与转子的相对位置来改变永磁体在绕组中的励磁磁链，所述第一绕组8和第二绕组10采用两套以上线圈，直驱风电***1低速运行时线圈串联，高速运行时线圈并联，所述直驱风电***1的中间转子9上既无永磁体也无绕组，增加电机的机械强度，同时降低对电机的散热处理要求
如图3所示，二极管不控整流2和DC-DC变换器3整体采用二极管不控整流和升压/降压复合电路，优化电机的电磁设计，在某中间转速下其输出电压经整流后接近Udc，在较低速运行时采用升压电路，在较高速运行时采用降压电路，从而稳定直流侧电压；所述DC-DC变换器3，令发电机发出的功率为Ps，***输出的并网功率为Pg，稳态时，Ps与Pg近似相等，超级电容器不工作，当Ps＞Pg时，VT1触发，此时DC-DC变换器3于Buck电路13的工作状态，超级电容器吸收能量，当Ps＜Pg时，VT2触发，此时DC-DC变换器3于Boost电路14的工作状态，超级电容器释放能量。
如图4和5所示，逆变器4采用Z源逆变器，Z源逆变器在传统逆变器在原来8个开关矢量上增加了第9个直通零开关矢量，即同一桥臂上下功率管同时导通的状态，Z源逆变器通过直通零矢量状态实现升压功能，IGBT有源开关和电感Lin与二极管A一起构成前级Boost电路，再与Z源网络串联，提高升压能力，电感Lin与输入电源串联，输入电流连续，并且不会形成启动冲击回路，IGBT有源开关的控制信号直接由直通零矢量信号输入；所述逆变器4通过控制直通占空比实现与两级式功率调整电路的升压功能，从而可以降低输入电压等级和逆变器的功率等级，同时在最大功率点电压随环境大范围波动，保持逆变器输出电压能够满足并网要求。
如图6所示，设置传统逆变器和Z源逆变器的输入直流电压为Udc＝220V，逆变器桥开关频率为10k Hz，逆变器调制比M＝0.8，直通矢量占空比为D0＝0.3，仿真曲线中线电压和相电压的时间轴取0.8-1s，电容电压和电路输入电流的时间轴取整个时间轴即0-3s，通过大量仿真对电路中线电压u1、相电压u2、电容电压Uc、输入电流i进行归纳总结，可得到传统逆变器和Z源逆变器的性能对比表，通过图6可知，传统逆变器问题明显，输入电流较大而且不连续，电容电压较高，升压能力有限；Z源逆变器和二极管辅助，延展型Z源逆变器拥有相同的升压能力，且电容电压应力方面都相同；但二极管辅助延展型Z源逆变器可以作多级延展，进一步提高升压能力，因此二极管辅助延展型Z源逆变器在解决输入电流不连续问题的同时能够兼顾升压能力和电容电压应力，运行效率高。
综上所述，本发明提供了一种定子永磁式双转子风力发电***，是一种智能化、模块化、机械化的装置，逆变器采用Z源逆变器，通过控制直通占空比很容易实现与两级式功率调整电路类似的升压功能，从而可以降低输入电压等级和逆变器的功率等级，同时在最大功率点电压随环境大范围波动的情况时，保持逆变器输出电压能够满足并网要求，调节方便，Z源逆变器电路网络的引入使得直通成为其特殊的工作状态，从而提高了逆变器的可靠性，与两级电路相比较，Z源逆变器减少了一个有源元件，减少了相应的控制电路和保护电路，进一步提高了***的可靠性，且降低了***成本，Z源逆变器从本质上讲是单级***，具有单级逆变器的结构简单、效率高等优点，直驱风电***采用定子永磁式双转子电机，具有功率密度高、中间转子结构简单和机械强度高的优点，DC-DC变换器采用控制超级电容充放电功率来维持风电***直流母线电压的稳定，实现了风电***在大信号扰动时的电压稳定。
以上对本发明所提供的一种定子永磁式双转子风力发电***进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种定子永磁式双转子风力发电***，其特征在于，包括直驱风电***(1)，所述直驱风电***(1)一端连接风力机，另一端连接有二极管不控整流(2)和DC-DC变换器(3)，DC-DC变换器(3)另一端连接逆变器(4)，逆变器(4)另一端连接负载；
所述直驱风电***(1)采用定子永磁式双转子电机，定子永磁式双转子电机包括旋转轴(5)，旋转轴(5)轴向外侧设置有内转子(6)，内转子(6)轴向方向上设置有第一永磁体(7)，内转子(6)轴向外侧设置有第一绕组(8)，第一绕组(8)轴向外侧设置有中间转子(9)，中间转子(9)轴向外侧设置有第二绕组(10)和外定子(11)，定子(11)轴向方向上设置有第二永磁体(12)，外定子(11)和中间转子(9)构成外电机，内转子(6)和中间转子(9)构成内电机，内转子(6)和外定子(11)可分别看作内、外电机的定子，第一永磁体和第一绕组设置于在内电机的内转子上，第二永磁体(12)和第二绕组(10)设置于在外电机的外定子(11)上，内外电机的两个气隙分别称为内气隙和外气隙，电机的三个部件由内气隙和外气隙分隔，而在磁路上连通；
所述二极管不控整流(2)和DC-DC变换器(3)整体采用二极管不控整流和升压/降压复合电路，在某中间转速800-1200r/min下其输出电压经整流后接近Udc，在较低速800-900r/min运行时采用升压电路，在较高速运行时采用降压电路，从而稳定直流侧电压；
所述逆变器(4)采用Z源逆变器，Z源逆变器拥有9种开关矢量，其中一种为直通零矢量状态，即同一桥臂上下功率管同时导通的状态，Z源逆变器通过直通零矢量状态实现升压功能，IGBT有源开关和电感Lin与二极管A一起构成前级Boost电路，再与Z源网络串联，提高升压能力，电感Lin与输入电源串联，输入电流连续，并且不会形成启动冲击回路，IGBT有源开关的控制信号直接由直通零矢量信号输入。
2.根据权利要求1所述的一种定子永磁式双转子风力发电***，其特征在于，发电机发出的功率为Ps，***输出的并网功率为Pg，稳态时，Ps与Pg近似相等，超级电容器不工作，当Ps＞Pg时，VT1触发，DC-DC变换器(3)工作于Buck电路(13)状态，超级电容器吸收能量，当Ps＜Pg时，VT2触发，DC-DC工作于Boost电路(14)状态，超级电容器释放能量。
3.根据权利要求1所述的一种定子永磁式双转子风力发电***，其特征在于，所述逆变器(4)通过在传统逆变器上的原有8个开关矢量上增加了第9个直通零开关矢量，即同一桥臂上下功率管同时导通的状态，逆变器(4)通过直通零矢量状态实现升压功能，从而可以降低输入电压等级和逆变器的功率等级，同时在最大功率点电压随环境大范围波动，保持逆变器输出电压能够满足并网要求。
4.根据权利要求1所述的一种定子永磁式双转子风力发电***，其特征在于，所述直驱风电***(1)的中间转子(9)上既无永磁体也无绕组。
5.根据权利要求1所述的一种定子永磁式双转子风力发电***，其特征在于，所述风力机利用风力机叶轮将风能收集送入定子永磁式双转子发电机中，风能作用于永磁式双转子发电机的转子上，将风能转化为机械能，通过带动永磁式双转子发电机转子的转动，将机械能转化为电能，将所得的电能经过二极管不控整流(2)、DC-DC变换器(3)和逆变器(4)进行处理后接入负载。
6.根据权利要求1所述的一种定子永磁式双转子风力发电***，其特征在于，所述直驱风电***(1)中形成的内外电机为同心装置，由背靠背式的功率变换器供电。
7.根据权利要求1所述的一种定子永磁式双转子风力发电***，其特征在于，所述直驱风电***(1)输出端稳压且直流端稳压。
8.根据权利要求1所述的一种定子永磁式双转子风力发电***，其特征在于，所述第一绕组(8)和第二绕组(10)采用两套以上线圈，直驱风电***(1)低速运行时线圈串联，高速运行时线圈并联。
9.根据权利要求1所述的一种定子永磁式双转子风力发电***，其特征在于，所述内外电机形成的两个气隙通过机械式磁场控制，机械式磁场控制是通过调节定子与转子的相对位置来改变永磁体在绕组中的励磁磁链。
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