[发明专利]定子双绕组异步电机风力发电系统的励磁电容优化方法

说明书

技术领域

本发明属于异步电机发电领域，特别涉及一种能在宽风速范围内运行的定子双绕组异步电机风力发电系统的励磁电容优化方法。

背景技术

近年来，常规能源日益紧缺，环境污染不断恶化，风能等可再生能源越来越受到世界各国重视，风力发电已成为近年来发展最快的可再生能源之一。笼型异步电机因其具有无刷结构、简单可靠、成本低等优点越来越成为风力发电的重要选择。传统的自励式笼型异步电机发电系统通常在电机输出端并联励磁电容以为电机提供励磁，当负载和转速发生变化时，输出电压也随之出现较大变化，甚至系统会崩溃，因此，该类发电系统不适合应用于风力发电等变速变负载的场合。随着电力电子技术的迅速发展和电机控制理论的不断成熟，由电力电子变换器控制的笼型异步电机发电系统，可为发电机提供连续可调的励磁无功，从而使输出电压保持稳定，同时电源输出品质大幅提升，但上述电力电子装置存在体积重量较大，会引起谐波成分等问题，使笼型异步电机发电系统在风力发电中的应用和发展受到了一定限制。

本世纪初提出的定子双绕组异步电机(DWIG)发电系统，克服了现有的笼型异步电机发电系统的缺点和不足，以其独特结构和优势受到了国内外学者的广泛关注，并针对独立电源系统和风力发电系统开展了大量研究，主要包括系统拓扑结构、电机优化设计、电压控制策略、变速运行规律和系统稳定性等。

在风力发电中，如何获取更多的风能，拓宽风能利用范围，尤其是低风速区的风能，一直是风力发电系统的研究热点和难点。为有效解决此问题，专利[ZL200910035437.8]提出了一种能在宽风速范围内运行的DWIG发电系统拓扑结构，配合图1所示，其包括主回路、低压小功率辅助电源、检测回路和控制回路，主回路由定子双绕组异步发电机1、滤波电感2、控制变换器3、整流桥4、励磁电容5、二极管7和输出逆变器15构成，低压小功率辅助电源由小容量蓄电池6和阻断二极管组成，检测回路由电流传感器8和电压传感器9、10、11组成，控制回路由数字信号处理器12和控制变换器的驱动电路13组成；控制绕组侧控制变换器3输出直流电压的正端通过二极管7与功率绕组侧整流桥4输出直流电压的正端相连，两者的负端直接相连；小容量蓄电池6的正极接阻断二极管的阳极，小容量蓄电池6的负极接控制变换器3输出直流电压的负端，阻断二极管的阴极接控制变换器3输出直流电压的正端；该拓扑结构进一步扩大了该发电系统变速变负载运行的转速范围，使其能利用低风速区的风能发电，大大拓宽了该发电系统的风能利用范围。在该发电系统中，减小变换器容量对减小系统的体积、重量，降低其成本具有重要作用，而在风力机功率特性、发电机参数及转速范围确定的情况下，对变换器容量影响最大的参数为励磁电容。因此，有必要对上述宽风速运行的DWIG风力发电系统的励磁电容进行优化设计，以实现变换器容量的最小化，从而最大限度地减小该发电系统的体积、重量，降低其成本。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种定子双绕组异步电机风力发电系统的励磁电容优化方法，其可实现变换器容量的最小化，减小发电系统的体积和重量，降低其成本。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种定子双绕组异步电机风力发电系统的励磁电容优化方法，包括如下步骤：

(1)根据风力机功率特性、定子双绕组异步电机参数及转速变化范围，计算功率绕组整流输出电压能达到给定值的最小转速，从而确定该发电系统高风速运行与低风速运行的切换点；

(2)根据定子双绕组异步电机的等效电路和相量图，写出高风速区控制绕组电流有效值的解析表达式，并建立该发电系统的计算机仿真模型；

(3)利用控制绕组电流有效值的解析表达式对励磁电容进行优化迭代，使该发电系统高低风速运行切换点的控制绕组电流有效值与最高速满载运行点的控制绕组电流有效值相等，从而初步确定励磁电容的大小；

(4)利用该发电系统的计算机仿真模型对优化迭代获得的励磁电容进行仿真验证和微调，从而求得该发电系统在宽风速范围内运行的最佳励磁电容，实现变换器容量的最小化。

采用上述方案后，应用本发明的定子双绕组异步电机风力发电系统不仅能在宽风速范围内输出稳定的电能，而且其变换器容量只有系统输出额定容量的三分之一左右，减小了系统的体积和重量，降低了成本。

附图说明

图1是现有宽风速运行的定子双绕组异步电机风力发电系统的结构框图；