模塊化裝配型可容錯(cuò)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的制作方法
【專利說(shuō)明】
[0001] 本申請(qǐng)是【申請(qǐng)?zhí)枴?01410052039. 8、申請(qǐng)日：2014. 2. 17、名稱："可容錯(cuò)運(yùn)行的風(fēng) 力發(fā)電機(jī)組"的分案申請(qǐng)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電機(jī)和容錯(cuò)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可容錯(cuò)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā) 電機(jī)組。
【背景技術(shù)】
[0003] 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茉矗鱾€(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。
[0004] 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。
[0005]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。
[0006] 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。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于：為了解決傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)電相繞組發(fā)生短路 或斷路故障，或是功率變換器某些電力電子元件損壞的情況下，機(jī)組無(wú)法繼續(xù)安全可靠發(fā) 電運(yùn)行的問(wèn)題，發(fā)明設(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)組結(jié)構(gòu)及其驅(qū) 動(dòng)控制技術(shù)，使之能夠在出現(xiàn)一定的機(jī)組電氣故障情況下，繼續(xù)安全可靠和近額定容量地 發(fā)電運(yùn)行，并具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電氣可靠性強(qiáng)、模塊化裝配程度高和方便巡檢維修等特 點(diǎn)。
[0008] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：
[0009] -種可容錯(cuò)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其特征是：包括風(fēng)輪機(jī)、容錯(cuò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)、模塊 化功率變換器、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；
[0010] 所述容錯(cuò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，包括在定子圓周空間內(nèi)，均勻等間隔交錯(cuò)排列的m個(gè)定子 電磁隔離齒和m個(gè)定子電樞發(fā)電齒、m個(gè)繞在定子電樞發(fā)電齒上的集中發(fā)電繞組相、表貼在 轉(zhuǎn)子外徑上的正弦永磁體陣列；其轉(zhuǎn)子與風(fēng)輪機(jī)旋轉(zhuǎn)主軸相連；
[0011] 所述模塊化功率變換器，包括有m個(gè)Η橋單相正弦逆變電路；每個(gè)Η橋單相正弦逆 變電路均通過(guò)2個(gè)電氣可控開關(guān)分別與直流母線正極和負(fù)極相連接；每個(gè)Η橋單相正弦逆 變電路均通過(guò)1個(gè)電氣可控開關(guān)與容錯(cuò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的1個(gè)發(fā)電繞組相相連接；
[0012] 所述多傳感器信號(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)速以及其m個(gè)繞組相的電壓和電流的檢 測(cè)；
[0013] 所述設(shè)備電氣故障判別與指示器，根據(jù)對(duì)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)繞組的電壓和電流信號(hào)的分析，向容錯(cuò)決策內(nèi)環(huán)控制器提供出容錯(cuò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)k 個(gè)故障繞組相的編號(hào)，以及k個(gè)故障繞組相的故障類型，其中k<m;并利用顯示設(shè)備指示 出k個(gè)故障繞組相的編號(hào)及其對(duì)應(yīng)的故障類型；
[0014] 所述全風(fēng)速最優(yōu)轉(zhuǎn)矩外環(huán)控制器，根據(jù)風(fēng)輪機(jī)的風(fēng)能吸收最佳轉(zhuǎn)矩曲線關(guān)系，以 及多傳感器信號(hào)檢測(cè)器提供的風(fēng)速、風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速、容錯(cuò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速以及其m個(gè)發(fā)電繞 組相的電流和電壓信號(hào)，向容錯(cuò)決策內(nèi)環(huán)控制器提供最優(yōu)發(fā)電總電流控制指令信號(hào)；
[0015] 所述容錯(cuò)決策內(nèi)環(huán)控制器，根據(jù)最優(yōu)發(fā)電總電流控制指令信號(hào)和k個(gè)故障繞組相 編號(hào)，按照協(xié)調(diào)等容分配算法，計(jì)算出容錯(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)；
[0016] 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Η 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Η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)。
[0017] 所述容錯(cuò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)m個(gè)發(fā)電繞組相輸出的發(fā)電電壓波形為正弦波形。
[0018] 所述設(shè)備電氣故障判別與指示器，能夠在線判別出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；并對(duì)故障判別結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。
[0019] 所述容錯(cuò)決策內(nèi)環(huán)控制器的協(xié)調(diào)等容分配算法，以容錯(cuò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)（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)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)值為約束條件。
[0020] 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。
[0021] 所述模塊化功率變換器，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。
[0022] 容錯(cuò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)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，其末端均具有極靴結(jié)構(gòu)，以獲得較好的磁場(chǎng)正弦化分布特性;m個(gè)定 子電磁隔離齒上均不繞裝繞組。
[0023] 設(shè)備電氣故障判別與指示器進(jìn)行故障判別的規(guī)則包括：（1)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Η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。
[0024] 與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0025] (1)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；
[0026] (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Η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Η橋單相正弦逆變電路，并可繼續(xù)缺相發(fā)電運(yùn) 行；
[0027] (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；
[0028] (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)。
【附圖說(shuō)明】
[0029] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0030] 圖1為本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)圖。
[0031] 圖2為容錯(cuò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的剖面結(jié)構(gòu)圖。
[0032] 圖3為模塊化功率變換器結(jié)構(gòu)圖。
[0033] 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】
[0034] 以一種可容錯(cuò)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為例，結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0035] 參見附圖1，所述的一種容錯(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。
[0036] 參見附圖2,容錯(cuò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要由定子1、在定子圓周內(nèi)徑上的m個(gè)定子電磁隔 離齒2、在定子圓周內(nèi)徑上的m個(gè)定子電樞發(fā)電齒3、m個(gè)繞在定子電樞發(fā)電齒3上的集中 發(fā)電繞組相4、轉(zhuǎn)子5、表貼在轉(zhuǎn)子外徑上的正弦永磁體陣列6組成。m個(gè)定子電磁隔離齒2 和m個(gè)定子電樞發(fā)電齒3在定子圓周空間里，均勻等間隔交錯(cuò)排列，其末端均具有極靴7結(jié) 構(gòu)，以獲得較好的磁場(chǎng)正弦化分布特性;m個(gè)定子電磁隔離齒2上均不繞裝繞組；圖2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。
[0037] 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1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。
[0038] 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Η橋單相正弦逆變電路8相連接。模塊化功率變換器的Η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Η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