本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電裝置，提供一種雙饋同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)構(gòu)及其控制方法。

背景技術(shù)：

1、構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是我國能源轉(zhuǎn)型的方向。然而，高比例新能源電力系統(tǒng)面臨頻率和電壓穩(wěn)定性問題，這是電力系統(tǒng)可靠性和用戶電能質(zhì)量的關(guān)鍵。以風(fēng)能為代表的新能源電力系統(tǒng)，由于其間歇性和波動性，導(dǎo)致電力系統(tǒng)慣量下降，影響頻率穩(wěn)定。首先，風(fēng)電設(shè)備缺乏同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械慣量，導(dǎo)致頻率響應(yīng)慢，頻率波動加劇。其次，風(fēng)電系統(tǒng)中的電力電子設(shè)備雖提高了轉(zhuǎn)換效率，但無法提供慣量，進(jìn)一步削弱了頻率穩(wěn)定性。與此同時(shí)，風(fēng)電機(jī)組在無功功率方面存在不足。由于變流器容量限制，風(fēng)電機(jī)組難以在電壓波動或無功需求大時(shí)提供足夠支撐，導(dǎo)致電壓不穩(wěn)定。在系統(tǒng)故障恢復(fù)時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的無功功率輸出不足，可能引發(fā)電壓崩潰，影響系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在至少解決相關(guān)技術(shù)中存在的技術(shù)問題之一。為此，本發(fā)明提供一種雙饋同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)構(gòu)及其控制方法，實(shí)現(xiàn)提高電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性、提高電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性的技術(shù)效果。

2、本發(fā)明提供一種雙饋同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)構(gòu)，包括：風(fēng)輪、增速齒輪箱、無定子調(diào)速電機(jī)、電勵磁同步發(fā)電機(jī)、變流器、逆變器、主開關(guān)和變壓器，

3、所述無定子調(diào)速電機(jī)包括外轉(zhuǎn)子和內(nèi)轉(zhuǎn)子；

4、所述風(fēng)輪與增速齒輪箱的輸入端相連接；

5、所述增速齒輪箱的輸出端與外轉(zhuǎn)子相連接；

6、所述變流器的一端與內(nèi)轉(zhuǎn)子相連接；

7、所述變流器的另一端與變壓器第一輸入端相連接；

8、所述電勵磁同步發(fā)電機(jī)第一端與內(nèi)轉(zhuǎn)子相連接；

9、所述電勵磁同步發(fā)電機(jī)第二端與逆變器的輸入端相連接；

10、所述電勵磁同步發(fā)電機(jī)第三端與主開關(guān)的一端相連接；

11、所述逆變器的輸出端與變壓器第二輸入端相連接；

12、所述主開關(guān)的另一端與電網(wǎng)相連接；

13、所述變壓器輸出端與電網(wǎng)相連接。

14、根據(jù)本發(fā)明提供的一種雙饋同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)構(gòu)，所述變流器為背靠背雙pwm（pulse?width?modulation，脈沖寬度調(diào)制）變流器。

15、根據(jù)本發(fā)明提供的一種雙饋同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)構(gòu)，所述風(fēng)輪與所述增速齒輪箱通過低速軸機(jī)械連接，所述增速齒輪箱與所述外轉(zhuǎn)子通過高速軸機(jī)械連接，所述內(nèi)轉(zhuǎn)子與所述電勵磁同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子通過同步軸機(jī)械連接。

16、根據(jù)本發(fā)明提供的一種雙饋同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)構(gòu)，所述的一種雙饋同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)構(gòu)存在三種運(yùn)行狀態(tài)：亞同步運(yùn)行狀態(tài)，超同步運(yùn)行狀態(tài)和同步運(yùn)行狀態(tài)：

17、亞同步運(yùn)行狀態(tài)：無定子調(diào)速電機(jī)的外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；

18、超同步運(yùn)行狀態(tài)：無定子調(diào)速電機(jī)的外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；

19、同步運(yùn)行狀態(tài)：無定子調(diào)速電機(jī)的外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等于內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

20、根據(jù)本發(fā)明提供的一種雙饋同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)構(gòu)，亞同步運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，所述無定子調(diào)速電機(jī)通過變流器從電網(wǎng)中吸收電能，通過同步軸輔助電勵磁同步發(fā)電機(jī)發(fā)電。

21、根據(jù)本發(fā)明提供的一種雙饋同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)構(gòu)，超同步運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，所述無定子調(diào)速電機(jī)通過變流器向電網(wǎng)中發(fā)出電能，輔助電勵磁同步發(fā)電機(jī)發(fā)電。

22、本發(fā)明還提供一種雙饋同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)構(gòu)的控制方法，包括：

23、s1：測量所述內(nèi)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和所述外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，計(jì)算轉(zhuǎn)速參考值；根據(jù)內(nèi)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速、所述外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速參考值經(jīng)過pi調(diào)節(jié)器得到轉(zhuǎn)矩指令；

24、s2：根據(jù)所述轉(zhuǎn)矩指令，建立所述無定子調(diào)速電機(jī)在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓方程，根據(jù)所述電壓方程得到電機(jī)調(diào)整模型；

25、s3：根據(jù)所述電機(jī)調(diào)整模型經(jīng)過空間矢量脈寬調(diào)制，得到命令信號，根據(jù)所述命令信號調(diào)節(jié)所述內(nèi)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。

26、根據(jù)本發(fā)明提供的一種雙饋同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)構(gòu)的控制方法，步驟s1包括：

27、s11：測量所述內(nèi)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和所述外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，計(jì)算內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組上交流電形成旋轉(zhuǎn)磁場的電角速度：

28、

29、其中，為內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組上交流電形成旋轉(zhuǎn)磁場的電角速度，為外轉(zhuǎn)子的電角速度，為內(nèi)轉(zhuǎn)子的電角速度；

30、s12：計(jì)算轉(zhuǎn)速參考值：

31、當(dāng)電勵磁同步發(fā)電機(jī)未達(dá)到并網(wǎng)條件時(shí)，公式為：

32、

33、其中，為電勵磁同步發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速；

34、當(dāng)電勵磁同步發(fā)電機(jī)已達(dá)到并網(wǎng)條件時(shí)，公式為：

35、

36、其中，為外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速最優(yōu)值；

37、s13：對所述內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組上交流電形成旋轉(zhuǎn)磁場的電角速度和所述轉(zhuǎn)速參考值，進(jìn)行pi調(diào)節(jié)得到轉(zhuǎn)矩指令。

38、根據(jù)本發(fā)明提供的一種雙饋同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)構(gòu)的控制方法，步驟s2包括：

39、s21：建立所述無定子調(diào)速電機(jī)在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓方程為：

40、

41、其中，為內(nèi)轉(zhuǎn)子在軸下的電壓分量，為內(nèi)轉(zhuǎn)子的電阻，為內(nèi)轉(zhuǎn)子在軸下的電流分量，為內(nèi)轉(zhuǎn)子在軸下的電感，為內(nèi)轉(zhuǎn)子在軸下的電流分量，為內(nèi)轉(zhuǎn)子在軸下的電感，為對時(shí)間的一階導(dǎo)，為內(nèi)轉(zhuǎn)子在軸下的電壓分量，為對時(shí)間的一階導(dǎo)，為外轉(zhuǎn)子的磁場與內(nèi)轉(zhuǎn)子的每相繞組交鏈的磁鏈最大值的幅值；

42、穩(wěn)態(tài)時(shí)，有：

43、。

44、s22：根據(jù)所述轉(zhuǎn)矩指令計(jì)算電流參考值：

45、

46、其中，為無定子調(diào)速電機(jī)的極對數(shù)；

47、s23：根據(jù)所述電壓方程和轉(zhuǎn)矩指令進(jìn)行pi調(diào)節(jié)得到電機(jī)調(diào)整模型：

48、

49、其中，為軸前饋補(bǔ)償項(xiàng)，為軸前饋補(bǔ)償項(xiàng)，為電流環(huán)的比例系數(shù)，為電流環(huán)的積分系數(shù)。

50、本發(fā)明實(shí)施例中的上述一個(gè)或多個(gè)技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果之一：

51、本發(fā)明提供的一種雙饋同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)構(gòu)及其控制方法，通過將雙饋同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由永磁外轉(zhuǎn)子、繞線式內(nèi)轉(zhuǎn)子、電勵磁同步發(fā)電機(jī)等成熟電機(jī)部件構(gòu)成，能夠解決現(xiàn)有調(diào)速型風(fēng)電機(jī)組部件加工難、技術(shù)推廣難的問題。其次，該系統(tǒng)中僅無定子調(diào)速電機(jī)需要與之功率相匹配的變流器而同步發(fā)電機(jī)無需變流器，即屬于部分功率變流器機(jī)組，能夠解決現(xiàn)有調(diào)速型風(fēng)電機(jī)組變流器功率大的問題。最后，全風(fēng)速范圍內(nèi)變速恒頻運(yùn)行的無定子調(diào)速電機(jī)解耦控制策略能夠解決現(xiàn)有調(diào)速型風(fēng)電機(jī)組發(fā)電效率低的問題。

52、本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。

技術(shù)特征：

1.一種雙饋同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)構(gòu)，其特征在于，包括：風(fēng)輪、增速齒輪箱、無定子調(diào)速電機(jī)、電勵磁同步發(fā)電機(jī)、變流器、逆變器和變壓器：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙饋同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述變流器為背靠背雙pwm變壓器。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙饋同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述風(fēng)輪與所述增速齒輪箱通過低速軸機(jī)械連接，所述增速齒輪箱與所述外轉(zhuǎn)子通過高速軸機(jī)械連接，所述內(nèi)轉(zhuǎn)子與所述電勵磁同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子通過同步軸機(jī)械連接。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙饋同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述的一種雙饋同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)構(gòu)存在三種運(yùn)行狀態(tài)：亞同步運(yùn)行狀態(tài)，超同步運(yùn)行狀態(tài)和同步運(yùn)行狀態(tài)：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種雙饋同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)構(gòu)，其特征在于，亞同步運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，所述無定子調(diào)速電機(jī)通過變流器從電網(wǎng)中吸收電能，通過同步軸輔助電勵磁同步發(fā)電機(jī)發(fā)電。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種雙饋同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)構(gòu)，其特征在于，超同步運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，所述無定子調(diào)速電機(jī)通過變流器向電網(wǎng)中發(fā)出電能，輔助電勵磁同步發(fā)電機(jī)發(fā)電。

7.一種雙饋同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)構(gòu)的控制方法，用以控制如權(quán)利要求1-6任意一項(xiàng)所述的一種雙饋同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)構(gòu)，其特征在于，包括以下步驟：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種雙饋同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)構(gòu)的控制方法，其特征在于，步驟s1包括：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種雙饋同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)構(gòu)的控制方法，其特征在于，步驟s2包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電裝置技術(shù)領(lǐng)域，提供一種雙饋同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)構(gòu)及其控制方法。風(fēng)力發(fā)電機(jī)構(gòu)包括：風(fēng)輪、增速齒輪箱、無定子調(diào)速電機(jī)、電勵磁同步發(fā)電機(jī)、變流器、逆變器、主開關(guān)和變壓器，無定子調(diào)速電機(jī)包括外轉(zhuǎn)子和內(nèi)轉(zhuǎn)子；風(fēng)輪與增速齒輪箱相連接；增速齒輪箱與外轉(zhuǎn)子相連接；變流器與內(nèi)轉(zhuǎn)子相連接；變流器與變壓器相連接；電勵磁同步發(fā)電機(jī)與內(nèi)轉(zhuǎn)子相連接；電勵磁同步發(fā)電機(jī)與逆變器相連接；電勵磁同步發(fā)電機(jī)與主開關(guān)的一端相連接；逆變器與變壓器相連接；主開關(guān)的另一端與電網(wǎng)相連接；變壓器與電網(wǎng)相連接。本發(fā)明通過使用雙饋同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有調(diào)速型風(fēng)電機(jī)組部件加工難、技術(shù)推廣難的問題。

技術(shù)研發(fā)人員：李亞楠,趙薪,任光緒,王華君,趙彬
受保護(hù)的技術(shù)使用者：天津理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/4/28