专利名称：非直接并网的功率绕组连接方式可变的风力发电机及方法
技术领域：
本发明所涉及的是一种在宽风速范围内均能满足逆变器输出电压要求的功率绕 组“Y- Δ ”连接可控的风力发电机及控制方法。
背景技术：
煤炭、石油、天然气等化石能源的大量消耗和对环境的恶化，极大地推动了对新能 源和可再生能源的开发和应用。风能作为一种的清洁能源，在存储量、分布区域和污染等方 面具有先天的优势，越来越多地受到了世界各国的重视，已成为发展最快的绿色新能源。现有主流的变速恒频风力发电系统中，采用最多的就是双馈电机和永磁同步电机 两种机组。双馈发电机主要输出恒频三相交流电，必须通过齿轮箱增速达到高速工频，降低 了风能的利用效率，而且受转差功率和励磁变换器容量的限制，电机工作的转速范围有限， 转速范围在1 2左右，限制了双馈电机对低风速的风能利用。如图4所示，永磁同步发电机风力发电系统示意图。直驱式永磁同步电机系统由 于励磁不可控，电机功率绕组输出的电压是随着风速变化的，需要整流输出直流电后才能 全功率逆变上网或供负载使用。为了能使逆变电路输出电压高于并网电压的交流电，必须 在整流电路和逆变器之间施加DC-DC升压环节。如果要利用低风速时发出的电能，由于此 时永磁发电机整流电压较低，DC-DC升压电路升压比必然会较高。而升压电路对功率器件的 要求较高，并且BOOST变换器的升压比受到占空比的限制不宜过大，否则控制效果不佳，因 此同样存在低速下不能充分利用风能的缺点，这样极大地影响了在风力资源不是很丰富、 常年平均风速不太高的区域风电的应用发展。
发明内容
本发明目的是为了使风力发电机具备在低风速区的应用能力，克服在低风速区功 率绕组输出电压低的不足，如图1所示，采用了一种新的功率绕组“Y-Δ”连接结构的风力 发电机，利用控制开关控制其实现“Y- Δ”连接切换，减轻DC-DC升压变换器的负担，可缩小 低速下的整流输出电压范围，使系统在宽风速范围内均能满足逆变器的输出要求。本发明为实现上述目的，采用如下技术方案
本发明一种非直接并网的功率绕组连接方式可变的风力发电机，其特征在于由风力发 电机、功率绕组、控制开关、控制器组成；其中功率绕组为风力发电机的三相输出绕组，共留 出6个抽头，由控制开关来改变连接方式，控制开关的输出端为3根抽头，当前风速、电机 转速和电机输出功率的检测信号与控制器输入端相连，控制器的输出端接控制开关的输入 端。所述风力发电机的三相功率绕组抽出6根出头，由控制开关来控制实现功率绕组 的“Y-Δ ”连接，其中控制开关由两个三相交流接触器构成，第一三相交流接触器的一端接 至功率绕组的三相输入端，另一端三相短接，可组成Y接法，第二个三相交流接触器的一端 接功率绕组的三相输入端，另一端分别接功率绕组的另外三个三相输出端，保证三相交流接触器每相开关的一端接一相绕组的入端，另一端接另一相绕组的出端，这样首尾相连，组 成Δ接法。在功率绕组的三个输入端接一套Y接法的三相电容，作为功率绕组“Y- Δ”之间 切换的能量通道。所述的一种非直接并网的功率绕组连接方式可变的风力发电机，其运行特征如 下
(1)在低风速区发电运行控制的特征在低风速区，风力发电机转速较低，电机的功 率绕组整流输出的电压较低，达不到逆变器的输出要求或经BOOST升压后达不到后续逆 变器要求的指令电压，控制器根据检测到风速、发电机转速和电机输出功率，判断发出 控制信号给控制开关，使控制开关动作将功率绕组实现Y连接，输出电压为Δ连接时的 4倍，有利于整流输出或通过BOOST变换器将电压升至逆变器要求的输出电压。(2)高风速区发电运行控制的特征在高风速区，风力发电机转速较高，电机的功 率绕组整流输出的电压较高或经BOOST变换器升压后完全可以达到输出的指令电压，控制 器根据检测到风速、发电机转速和电机输出功率，判断发出控制信号给控制开关，使控制开 关动作将功率绕组实现Δ连接。( 3 )为了实现高低风速区的平滑过渡，实现控制开关控制功率绕组“ Y- Δ，，连接的 快速切换，同时又能避免系统状态的频繁变化，应注意低速到高速和高速到低速之间的切 换条件有所区分，可通过设置一个滞环来实现，同时开关的瞬间应尽可能地迅速，做到先断 开后闭合，避免绕组短接。本发明提出的风力发电机与传统风力发电机相比，主要不同点在于(1)三相功 率绕组留出的是6个抽头，通过控制开关将其连接起来，其中的3个抽头作为输出，通过控 制开关的控制实现功率绕组“Υ-Δ”连接之间的灵活切换，以此提高系统低风速区下的整流 输出电压，减轻DC-DC升压变换器的负担，扩大风能的利用。(2)在三相功率绕组的输入端 接了一套Y连接的三相电容，作为“Y-Δ”切换时的能量通道，避免过大的冲击。
图1 风力发电机结构示意图。图2 电机功率绕组与控制开关连接示意图。图3 电机功率绕组整流输出电压与风速关系示意图。图4 永磁同步发电机风力发电系统示意图。
具体实施例方式下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明
由图1可知，本发明的一种非直接并网的功率绕组连接方式可变的风力发电机，其特 征在于由风力发电机1、功率绕组2、控制开关3、控制器4组成；其中功率绕组2为风力发 电机1的三相输出绕组，共留出6个抽头，由控制开关3来改变连接方式，控制开关3的输 出端为3根抽头，当前风速、电机转速和电机输出功率的检测信号与控制器4输入端相连， 控制器4的输出端接控制开关3的输入端。所述风力发电机的三相功率绕组抽出6根出头，由控制开关(3)来控制实现功率 绕组的“Y-Δ”连接，其中控制开关(3)由两个三相交流接触器ΚΜ1、ΚΜ2构成，第一三相交流接触器KMl的一端接至功率绕组的三相输入端，另一端三相短接，可组成Y接法，第二个 三相交流接触器KM2的一端接功率绕组的三相输入端，另一端分别接功率绕组的另外三个 三相输出端，保证三相交流接触器每相开关的一端接一相绕组的入端，另一端接另一相绕 组的出端，这样首尾相连，组成Δ接法。在功率绕组的三个输入端接一套Y接法的三相电 容，作为功率绕组“Y-Δ”之间切换的能量通道。图2中每个三相交流接触器都包括三个开关，KMl (ΚΜ1-1，ΚΜ1-2，ΚΜ1-3)、ΚΜ2 (ΚΜ2-1, ΚΜ2-2,ΚΜ2-3)。由图3可知功率绕组整流输出电压与风速之间的大致关系，在切换风速将功率绕 组从Δ连接变为Y连接，其输出电压瞬时会有个跌落，这样必须保证切换风速下功率绕组 采用Y连接也能输出满足逆变器要求的电压，选取切换风速时应考虑到这一点。本发明提出一种非直接并网的功率绕组连接方式可变的风力发电机，其工作原理 描述如下
当风速较小时，发电机的转速较低，系统无法提供过多励磁，功率绕组整流输出的直流 电压或者经BOOST变换器升压后达不到逆变器的工作要求，控制器根据风速、电机转速和 输出功率的大小来判断输出控制信号，控制开关工作，功率绕组为Y连接。尽管风速较低， 但发电机的功率绕组整流输出电压为Δ连接方式的在倍，经过这种连接方式的改变，整流 输出电压或者经BOOST升压后仍可达到逆变器的输出要求。当风速逐渐增大时，发电机的转速也逐渐变高，功率绕组整流输出电压渐渐升高， 当功率绕组整流电压可以达到或者经BOOST变换器升压达到逆变器要求指令电压值，这时 通过控制开关的动作，功率绕组变为Δ连接。Y连接的三相电容在系统中起的作用主要是在绕组“Y-Δ”之间切换时避免绕组 上的电压电流突变。绕组Y连接时，三相电容被KMl短接，Δ连接时，绕组被三相电容短接 的。当电机功率绕组由Y向Δ过渡时，先断开ΚΜ1，绕组上的电压对三相电容进行充电，充至 一定电压时再合上ΚΜ2，这样可以避免绕组上的电压突变。当由Δ向Y过渡时，断开ΚΜ2，功 率绕组和三相电容还是组成Y连接，电容上存在一定的电压，此时再合上ΚΜ1，同样不会引 起绕组电流电压突变，因为三相电容被KMl短接时产生的电流和为零。必须注意在“Y-Δ” 连接切换过程中开关应该先断开后闭合，否则会引起功率绕组短接。为了保持系统运行的稳定性，尤其在低风速时期避免风速变化不定时控制开关的 频繁切换，控制器在根据风速、发电机转速以及输出功率的大小判断时，由低速到高速和由 高速到低速的切换条件应有所不同，可设置一个大的控制滞环。本发明适用于任何一种三相交流发电机，无论系统的励磁是否可调，均能使电机 功率绕组的整流输出电压或者经BOOST升压后在宽风速范围内均能满足逆变器的工作要 求。本发明不同于现有的风力发电机的一个重要特点在于功率绕组可由控制开关控 制实现“Y-Δ”连接方式切换，Δ连接方式时由于相电压等于线电压，故Y连接的输出电压 可为Δ方式的倍，即在低风速区功率绕组采用Y连接，整流输出的电压或经BOOST变换器升 压后可满足逆变器工作要求，这样拓宽了风力发电机在低风速区的风能利用能力。在高风 速区发电机的转速较高，功率绕组端输出的电压较高，此时功率绕组采用Δ连接，其整流输 出电压或经BOOST变换器升压后也可满足逆变要求。因此使用这种功率绕组连接方式可变的风力发电机在宽风速范围内均可输出满足逆变器工作要求的电压。综上所述，一种新型的双功率绕组结构的风力发电机，其运行特征如下
(1)在低风速区发电运行控制的特征在低风速区，风力发电机转速较低，电机的功率 绕组整流输出的电压较低，达不到逆变器的输出要求或经BOOST升压后达不到后续逆变器 要求的指令电压，控制器根据检测到风速、发电机转速和电机输出功率，判断发出控制信号 给控制开关，使控制开关动作将功率绕组实现Y连接，输出电压为Δ连接时的在倍，有利于 整流输出或通过BOOST变换器将电压升至逆变器要求的输出电压。(2)高风速区发电运行控制的特征在高风速区，风力发电机转速较高，电机的功 率绕组整流输出的电压较高或经BOOST变换器升压后完全可以达到输出的指令电压，控制 器根据检测到风速、发电机转速和电机输出功率，判断发出控制信号给控制开关，使控制开 关动作将功率绕组实现Δ连接。( 3 )为了实现高低风速区的平滑过渡，实现控制开关控制功率绕组“ Y" Δ，，连接的 快速切换，同时又能避免系统状态的频繁变化，应注意低速到高速和高速到低速之间的切 换条件有所区分，可通过设置一个滞环来实现，同时开关的瞬间应尽可能地迅速，做到先断 开后闭合，避免绕组短接。
权利要求
1.一种非直接并网的功率绕组连接方式可变的风力发电机，其特征在于由风力发电机 (1)、功率绕组(2)、控制开关(3)和控制器⑷组成；其中功率绕组(2)为风力发电机⑴ 的三相功率绕组，共留出6个抽头，功率绕组⑵与控制开关(3)连接由控制开关(3)来改 变连接方式；控制开关(3)的输出端为3根抽头；当前风速、电机转速和电机输出功率的检 测信号与控制器(3)的输入端相连，控制器(4)的输出端接控制开关(3)的输入端。
2.根据权利要求1所述的非直接并网的功率绕组连接方式可变的风力发电机，其特征 在于所述风力发电机的三相功率绕组抽出6根出头，由控制开关(3)来控制实现功率绕组 的“Y-Δ”连接，其中控制开关(3)由两个三相交流接触器(KM1、KM2)构成；其中第一三相 交流接触器(KMl)的一端接至功率绕组的三相输入端，另一端三相短接，组成Y接法；第二 个三相交流接触器(KM2)的一端接功率绕组的三相输入端，另一端分别接功率绕组的另外 三个三相输出端，组成Δ接法；在功率绕组的三个输入端接一套Y接法的三相电容，作为功 率绕组“Y- Δ”之间切换的能量通道。
3.—种如权利要求1所述的非直接并网的功率绕组连接方式可变的风力发电机的控 制方法，其特征在于在低风速区发电运行控制方法控制器(4)根据检测到风速、发电机转速和电机输出 功率，判断发出控制信号给控制开关，使控制开关动作将功率绕组实现Y连接；在高风速区发电运行控制方法控制器(4)根据检测到风速、发电机转速和电机输出 功率，判断发出控制信号给控制开关，使控制开关动作将功率绕组实现Δ连接。
全文摘要
本发明公布了一种非直接并网的功率绕组连接方式可变的风力发电机及方法，该风力发电机无电刷滑环，能胜任直驱运行。所述发电机由风力发电机(1)、功率绕组(2)、控制开关(3)、控制器(4)组成。所述方法控制器(4)根据当前风速、电机转速以及电机输出功率的大小，控制开关(3)及时合理地控制功率绕组实现“Y-△”之间的快速切换，提高低速时的整流输出电压，使发电机的功率绕组侧在宽风速范围内均能输出或者经BOOST变换器升压后输出满足逆变器要求的电压，增强了低风速下的风能利用能力，可以适用于任何一种三相交流发电机。
文档编号H02P9/48GK102006000SQ201010557160
公开日2011年4月6日 申请日期2010年11月24日 优先权日2010年11月24日
发明者卜飞飞, 施凯, 胡育文, 黄文新 申请人:南京航空航天大学