容錯(cuò)風(fēng)力發(fā)電的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種容錯(cuò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，包括定子、轉(zhuǎn)子，在定子圓周內(nèi)徑上設(shè)有m個(gè)定子電磁隔離齒，在定子圓周內(nèi)徑上設(shè)有m個(gè)定子電樞發(fā)電齒，定子電樞發(fā)電齒上繞裝集中發(fā)電繞組相，在轉(zhuǎn)子外徑上貼裝正弦永磁體陣列；m個(gè)定子電磁隔離齒和m個(gè)定子電樞發(fā)電齒在定子圓周空間里，均勻等間隔交錯(cuò)排列。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)合理，工作性能好。
【專利說(shuō)明】容錯(cuò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及風(fēng)力發(fā)電機(jī)和容錯(cuò)控制【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種容錯(cuò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]風(fēng)力發(fā)電是當(dāng)前最具大規(guī)模發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉?，各個(gè)國(guó)家均已投入了巨額資金競(jìng)相研究開發(fā)，并積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，大力開拓市場(chǎng)應(yīng)用。
[0003]由于風(fēng)力資源分布的特點(diǎn)，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備多安裝于地理和氣象條件較惡劣的郊區(qū)或市區(qū)中的地勢(shì)高處。一旦設(shè)備安裝完畢，機(jī)組的運(yùn)行管理和檢修維護(hù)極不方便，為此，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的連續(xù)可靠運(yùn)行能力是風(fēng)力發(fā)電設(shè)備研發(fā)制造領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中的核心部件之一，因此，其可靠運(yùn)行和容錯(cuò)運(yùn)行能力尤為重要。
[0004]目前，用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)主要有三相交流發(fā)電機(jī)、永磁無(wú)刷直流發(fā)電機(jī)和開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)。三相交流發(fā)電機(jī)(如永磁同步、電勵(lì)磁同步、雙饋異步、鼠籠異步、繞線異步等)和直流永磁發(fā)電機(jī)，采用分布式對(duì)稱繞組結(jié)構(gòu)，當(dāng)某一相繞組發(fā)生斷路或短路故障，或某一相功率變換器發(fā)生故障時(shí)，氣隙磁場(chǎng)畸變，從運(yùn)行機(jī)理上導(dǎo)致發(fā)電機(jī)失控，無(wú)法達(dá)到如最大風(fēng)功率跟蹤控制等風(fēng)力發(fā)電的基本控制目標(biāo)，如果不及時(shí)停機(jī)，其嚴(yán)重的轉(zhuǎn)矩顛簸必然會(huì)損壞機(jī)械設(shè)備。開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)采用對(duì)稱集中繞組，當(dāng)某一相繞組發(fā)生斷路或短路故障，或某一相功率變換器發(fā)生故障時(shí)，雖然可以缺相容錯(cuò)運(yùn)行，但其固有的齒槽脈動(dòng)和不平衡徑向磁拉力特性會(huì)被放大，發(fā)電轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生周期性的嚴(yán)重脈動(dòng)，極易導(dǎo)致風(fēng)輪機(jī)及其輔助機(jī)械設(shè)備的損壞和機(jī)組的不安全。
[0005]因此，從提高可靠性指標(biāo)角度來(lái)講，避免傳統(tǒng)分布式對(duì)稱繞組結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)無(wú)法缺相運(yùn)行，以及開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)大轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的不足，研究設(shè)計(jì)一套具有容錯(cuò)運(yùn)行能力和低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)具有良好的工程和經(jīng)濟(jì)意義。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0006]本實(shí)用新型的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)合理，工作性能好的容錯(cuò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
[0007]本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是:
[0008]一種容錯(cuò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，包括定子、轉(zhuǎn)子，其特征是:在定子圓周內(nèi)徑上設(shè)有m個(gè)定子電磁隔離齒，在定子圓周內(nèi)徑上設(shè)有m個(gè)定子電樞發(fā)電齒，定子電樞發(fā)電齒上繞裝集中發(fā)電繞組相，在轉(zhuǎn)子外徑上貼裝正弦永磁體陣列；m個(gè)定子電磁隔離齒和m個(gè)定子電樞發(fā)電齒在定子圓周空間里，均勻等間隔交錯(cuò)排列。
[0009]定子電磁隔離齒和定子電樞發(fā)電齒末端均具有極靴結(jié)構(gòu)。
[0010]與現(xiàn)有技術(shù)相比本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0011](I)容錯(cuò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)能夠在部分相繞組發(fā)生短路或是斷路故障的情況下，在線快速地電氣隔離故障相繞組，并可繼續(xù)缺相發(fā)電運(yùn)行；[0012](2)容錯(cuò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)能夠在模塊化功率變換器部分H橋單相正弦逆變電路的電力電子元件失效情況下，在線快速地切除故障H橋單相正弦逆變電路，并可繼續(xù)缺相發(fā)電運(yùn)行；
[0013](3)容錯(cuò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)各相發(fā)電繞組獨(dú)立工作，各相的發(fā)電電流可獨(dú)立控制；
[0014](4)容錯(cuò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過(guò)對(duì)最優(yōu)發(fā)電轉(zhuǎn)矩控制指令信號(hào)的協(xié)調(diào)等容算法分配，保證發(fā)電機(jī)總發(fā)電電磁轉(zhuǎn)矩在缺相運(yùn)行情況下，也不發(fā)生大的轉(zhuǎn)矩跌落或脈動(dòng)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0016]圖1為容錯(cuò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的剖面結(jié)構(gòu)圖。
[0017]圖2為使用本實(shí)用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
[0018]圖3為模塊化功率變換器結(jié)構(gòu)圖。
[0019]圖4為全風(fēng)速最優(yōu)轉(zhuǎn)矩外環(huán)控制器的控制原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]參見附圖1，一種容錯(cuò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，包括定子1、轉(zhuǎn)子5，在定子圓周內(nèi)徑上設(shè)有m個(gè)定子電磁隔離齒2，在定子圓周內(nèi)徑上設(shè)有m個(gè)定子電樞發(fā)電齒3，定子電樞發(fā)電齒上繞裝集中發(fā)電繞組相4，在轉(zhuǎn)子外徑上貼裝正弦永磁體陣列6 ;m個(gè)定子電磁隔離齒和m個(gè)定子電樞發(fā)電齒在定子圓周空間里，均勻等間隔交錯(cuò)排列。
[0021]定子電磁隔離齒和定子電樞發(fā)電齒末端均具有極靴結(jié)構(gòu)7，以獲得較好的磁場(chǎng)正弦化分布特性個(gè)定子電磁隔離齒2上均不繞裝繞組；圖1中，m=8。根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，在定子電磁隔離齒2的作用下，各發(fā)電繞組相4之間的電磁耦合干擾很小，可以實(shí)現(xiàn)各發(fā)電繞組相4的獨(dú)立控制。
[0022]容錯(cuò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子6接風(fēng)輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)主軸，容錯(cuò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子I相對(duì)靜止。當(dāng)容錯(cuò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子6在風(fēng)輪機(jī)的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)時(shí)，其m個(gè)集中發(fā)電繞組相4會(huì)在永磁正弦磁力氣隙磁場(chǎng)的切割下，產(chǎn)生正弦發(fā)電電壓。
[0023]參見附圖2，一種容錯(cuò)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要由風(fēng)輪機(jī)、容錯(cuò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)、模塊化功率變器、多傳感器信號(hào)檢測(cè)器、設(shè)備電氣故障判別與指示器、全風(fēng)速最優(yōu)轉(zhuǎn)矩外環(huán)控制器、容錯(cuò)決策內(nèi)環(huán)控制器、邏輯切換與脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)器等部分組成。
[0024]參見附圖3，容錯(cuò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的集中發(fā)電繞組相4，通過(guò)電氣可控開關(guān)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(guò)電氣可控開關(guān)11與母線正極9相連，通過(guò)電氣可控開關(guān)12與母線負(fù)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(gè)數(shù)與容錯(cuò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的集中發(fā)電繞組相的個(gè)數(shù)相同。模塊化功率變換器，可以根據(jù)設(shè)備電氣故障判別與指示器指示出的故障繞組相的編號(hào)及其對(duì)應(yīng)的故障類型，進(jìn)行在線不停機(jī)檢修。
[0025]多傳感器信號(hào)檢測(cè)器，包括風(fēng)速傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、電壓傳感器、電流傳感器；實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)速、風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速、容錯(cuò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速以及m個(gè)發(fā)電繞組相的電壓和電流的檢測(cè)。
[0026]設(shè)備電氣故障判別與指示器，根據(jù)多傳感器信號(hào)檢測(cè)器提供的容錯(cuò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)m個(gè)發(fā)電繞組相4的電壓和電流信號(hào)，進(jìn)行故障判別。其規(guī)則包括:(I)若容錯(cuò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)某個(gè)發(fā)電繞組相的電流，在一個(gè)周期內(nèi)的平均值不等于零，并且和零相差的比較大，明顯不等于其他相的平均電流值，則表明，與該發(fā)電繞組相連接的H橋單相正弦逆變電路發(fā)生了 “電力電子元件失效”故障。(2)若容錯(cuò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)某個(gè)發(fā)電繞組相的電流瞬時(shí)值，在多個(gè)檢測(cè)采樣周期里均等于零，明顯不等于其他相的電流值，則表明，該發(fā)電繞組相發(fā)生了“繞組端部斷路”故障。(3)若容錯(cuò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)某個(gè)發(fā)電繞組相的電流有效值突然變大，同時(shí)，空載電壓有效值突然變小，明顯不等于其他相的電壓和電流值，則表明，該發(fā)電繞組相發(fā)生了“繞組端部短路”故障。
[0027]設(shè)備電氣故障判別與指示器，依據(jù)上述規(guī)則，進(jìn)行故障判別，得到容錯(cuò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)k個(gè)故障繞組相的編號(hào)，其中k<m;以及k個(gè)故障繞組相相對(duì)應(yīng)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。
[0028]設(shè)備電氣故障判別與指示器，將檢測(cè)到的k個(gè)故障繞組相的編號(hào)，以及k個(gè)故障繞組相相對(duì)應(yīng)的故障類型提供給顯示設(shè)備指示出來(lái)，以供發(fā)電機(jī)組的維護(hù)人員快速巡檢與維修。
[0029]參見附圖4，全風(fēng)速最優(yōu)轉(zhuǎn)矩外環(huán)控制器，首先根據(jù)多傳感器信號(hào)檢測(cè)器提供的容錯(cuò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速ω及其m個(gè)發(fā)電繞組相的電流ix和電壓Ux信號(hào)(χ=1，2，…，m)，換算出當(dāng)前的總發(fā)電電磁轉(zhuǎn)矩值Irf;再根據(jù)多傳感器信號(hào)檢測(cè)器提供的風(fēng)速V信號(hào)和風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速ω￥?信號(hào)，依據(jù)風(fēng)輪機(jī)的風(fēng)能吸收最佳轉(zhuǎn)矩曲線關(guān)系，獲得當(dāng)前最優(yōu)氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩信號(hào)Ttjpm* ;將最優(yōu)氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩信號(hào)與當(dāng)前的總發(fā)電電磁轉(zhuǎn)矩值相減，，其差值進(jìn)行PID控制算法運(yùn)算，得出當(dāng)前的最優(yōu)發(fā)電總電流控制指令信號(hào)i,*，并提供給容錯(cuò)決策內(nèi)環(huán)控制器。
[0030]所述邏輯切換與脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)器，根據(jù)容錯(cuò)決策內(nèi)環(huán)控制器提供的容錯(cuò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)(m-k)個(gè)非故障繞組相各自的最優(yōu)發(fā)電相電流指令信號(hào)，形成對(duì)應(yīng)(m-k)個(gè)非故障相H橋單相正弦逆變電路的PWM控制信號(hào)；以及k個(gè)故障相對(duì)應(yīng)的H橋單相正弦逆變電路中3k個(gè)電氣可控開關(guān)的斷開控制信號(hào)。具體而言，容錯(cuò)決策內(nèi)環(huán)控制器，首先根據(jù)設(shè)備電氣故障判別與指示器給出的k個(gè)故障繞組相的編號(hào)，輸出邏輯控制信號(hào)給邏輯切換與脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)器，使得相應(yīng)故障繞組相編號(hào)所對(duì)應(yīng)的H橋單相正弦逆變電路8內(nèi)的電力電子元件的PWM控制信號(hào)封鎖，并將其3個(gè)相連電氣可控開關(guān)11、12、13斷開，以達(dá)到對(duì)k個(gè)故障繞組相實(shí)現(xiàn)電氣隔離的目的。
[0031]由于該k個(gè)故障繞組相實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，因此，發(fā)電機(jī)組的維護(hù)人員可以依據(jù)設(shè)備電氣故障判別與指示器指示出來(lái)的故障繞組相的編號(hào)及其故障類型，進(jìn)行在線不停機(jī)檢修。其中包括:對(duì)于“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(duì)于“繞組端部斷路故障”和“繞組端部短路故障”，可以通過(guò)人工觀察和進(jìn)一步的測(cè)量以確定具體的故障點(diǎn)，以排除該故障，或是作保守處理，留待日后的整體檢修。
[0032]所述容錯(cuò)決策內(nèi)環(huán)控制器計(jì)算出的容錯(cuò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)(m-k)個(gè)非故障繞組各自的最優(yōu)發(fā)電相電流指令信號(hào)的數(shù)值可以不相同。
[0033]容錯(cuò)決策內(nèi)環(huán)控制器，再根據(jù)全風(fēng)速最優(yōu)轉(zhuǎn)矩外環(huán)控制器提供的當(dāng)前的最優(yōu)發(fā)電總電流控制指令信號(hào)i,*，按照協(xié)調(diào)等容分配算法，向容錯(cuò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)剩余(m-k)個(gè)非故障發(fā)電繞組相分配各相的最優(yōu)發(fā)電相電流指令信號(hào)^*，其中，p=l，2，…，m-k。其協(xié)調(diào)等容分配算法以該(m-k)個(gè)非故障相各自的最優(yōu)發(fā)電相電流指令信號(hào)iqp*矢量形成圓形磁場(chǎng)為目標(biāo)，以銅耗最小和總發(fā)電電流值等于或接近最優(yōu)發(fā)電總電流控制指令信號(hào)iq*為約束條件，具體求解方程可表述為
【權(quán)利要求】
1.一種容錯(cuò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，包括定子、轉(zhuǎn)子，其特征是:在定子圓周內(nèi)徑上設(shè)有m個(gè)定子電磁隔離齒，在定子圓周內(nèi)徑上設(shè)有m個(gè)定子電樞發(fā)電齒，定子電樞發(fā)電齒上繞裝集中發(fā)電繞組相，在轉(zhuǎn)子外徑上貼裝正弦永磁體陣列；m個(gè)定子電磁隔離齒和m個(gè)定子電樞發(fā)電齒在定子圓周空間里，均勻等間隔交錯(cuò)排列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的容錯(cuò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其特征是:定子電磁隔離齒和定子電樞發(fā)電齒末端均具有極靴結(jié)構(gòu)。
【文檔編號(hào)】H02P9/00GK203722353SQ201420066818
【公開日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2014年2月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月17日
【發(fā)明者】吳愛華, 茅靖峰 申請(qǐng)人:南通大學(xué)