風力發(fā)電系統(tǒng)及其勵磁式同步發(fā)電機的控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種獨立供電型風力發(fā)電系統(tǒng)及其勵磁式同步發(fā)電機的控制方法。在此方法中，利用同軸配置，將風機輸入、增速機、勵磁式同步發(fā)電機與電動機整合于同一傳動軸，將輸入風能轉換為電能輸出至負載。同時通過勵磁場控制，以達到穩(wěn)定電壓輸出的目標。通過電動機伺服控制，于風力改變的情況下，可穩(wěn)定控制勵磁式同步發(fā)電機的轉速，進而使輸出電源的頻率穩(wěn)定。通過量測電動機的輸入能量、電力轉換器及蓄電池組等所構成的能量流管理單元，進行能量儲存與釋放，以完成獨立供電型風力發(fā)電的勵磁式同步發(fā)電機的控制。
【專利說明】風力發(fā)電系統(tǒng)及其勵磁式同步發(fā)電機的控制方法
【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種發(fā)電機及其控制方法，且特別是有關于一種應用于獨立供電型風力發(fā)電系統(tǒng)及其勵磁式同步發(fā)電機的控制方法。風力發(fā)電系統(tǒng)可通過同軸配置與勵磁場控制，使勵磁式同步發(fā)電機將輸入風能轉換成電能輸出，并利用電動機進行勵磁式同步發(fā)電機的轉速伺服控制。通過蓄電池及電力轉換器的相互結合，且量測電動機的輸入能量所構成的能量流管理控制方法，進行儲存能量與釋放能量，使勵磁式同步發(fā)電機可應用于獨立供電型風力發(fā)電系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]目前一般發(fā)電系統(tǒng)架構是以永磁式發(fā)電機為主要發(fā)電設備，其需要通過交-直流、蓄電池與直-交流轉換器設備，將輸入電源經(jīng)由轉換后輸出，如此轉換方式，會造成電力轉換的功率損耗，使整體發(fā)電系統(tǒng)轉換率降低，并增加發(fā)電設備的成本。當輸入風能變動與輸出負載增加時，由于永磁式發(fā)電機無法控制其勵磁場大小，因此當負載端所需要的能量增加時，其可能造成負載端的電壓無法維持恒定，而降低輸出電源的質量。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明的獨立供電型風力發(fā)電系統(tǒng)包含風機、傳動軸、增速機、勵磁式同步發(fā)電機、電動機、驅動器、編碼器、電流偵測器、升壓型轉換器、蓄電池組、勵磁場控制、整流及降壓型轉換器、發(fā)電機電壓及電流、負載及數(shù)碼信號處理器。
[0004]本發(fā)明的主要目的在于提供一種獨立供電型風力發(fā)電系統(tǒng)的勵磁式同步發(fā)電機的控制方法，其利用同軸配置，將風機輸入、增速機、勵磁式同步發(fā)電機與電動機整合于同一傳動軸，將輸入風能轉換為電能輸出至負載。于輸入風能充足時，勵磁式同步發(fā)電機輸出電能并直接提供至負載端，同時，通過能量流管理單元與數(shù)碼信號處理器控制，通過整流及降壓型轉換器，對蓄電池組充電儲存電能。于風力變化過程中所造成的輸入風能不足時，通過能量流管理單元，通過蓄電池組、升壓型轉換器及電動機來進行伺服控制，通過蓄電池的能量提供至電動機，使勵磁式同步發(fā)電機得以穩(wěn)定轉速，如此，可以穩(wěn)定輸出電源的頻率。此外，通過勵磁場控制將勵磁式同步發(fā)電機的電壓信息回授，控制勵磁式同步發(fā)電機的勵磁場大小,來達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。
[0005]本發(fā)明是利用勵磁式同步發(fā)電機將輸入風能轉換為電能輸出，提供負載電源。同時通過勵磁場控制，以達到穩(wěn)定電壓輸出的目標。通過電動機的伺服控制，于風力改變的情況下，可穩(wěn)定控制勵磁式同步發(fā)電機的轉速，進而使輸出電源的頻率穩(wěn)定。通過量測電動機的輸入能量、電力轉換器及蓄電池組等所構成的能量流管理單元，進行能量儲存與釋放，以完成獨立供電型風力發(fā)電的勵磁式同步發(fā)電機的控制。
[0006]為讓本發(fā)明的上述內容能更明顯易懂，下文特舉優(yōu)選實施例，并配合所附圖式，作詳細說明如下:【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1顯示本發(fā)明的一實施例的獨立供電型風力發(fā)電系統(tǒng)的勵磁式同步發(fā)電機的控制架構圖。
[0008]圖2顯示本發(fā)明的一實施例的風力發(fā)電系統(tǒng)勵磁式同步發(fā)電機的轉速伺服控制的架構圖。
[0009]圖3顯示本發(fā)明的一實施例的蓄電池的充電控制的方塊圖。
[0010]圖4顯示本發(fā)明的一實施例的電壓調整控制的方塊圖。
[0011]圖5顯示本發(fā)明的一實施例的能量流管理的模擬圖。
【具體實施方式】
[0012]請參閱圖1，其顯示本發(fā)明的一實施例的獨立供電型風力發(fā)電系統(tǒng)的勵磁式同步發(fā)電機的控制架構圖。本發(fā)明的方法可應用于風力發(fā)電系統(tǒng)(如下述的實施例)，然不限于此，其亦可應用于其它發(fā)電系統(tǒng)，例如水力、火力、洋流與潮汐發(fā)電，本發(fā)明的應用領域范圍可為各種動力發(fā)電系統(tǒng)相關的再生能源控制技術。
[0013]請再參閱圖1，此發(fā)電系統(tǒng)包含風機10、傳動軸11、增速機20、勵磁式同步發(fā)電機30、電動機40、驅動器41、編碼器42、電流偵測器43、升壓型轉換器50、蓄電池組51、整流及降壓型轉換器53、負載60、數(shù)碼信號處理器70。
[0014]請再參閱第圖1，當風機10輸入風能時，利用同軸配置，將風機10輸入、增速機
20、勵磁式同步發(fā)電機30與電動機40整合于同一傳動軸11，將輸入風能通過增速機20傳遞至勵磁式同步發(fā)電機30，并轉換為電能來輸出至負載60上。通過數(shù)碼信號處理器70來進行勵磁場控制，以控制勵磁式同步發(fā)電機30的勵磁場大小，進行自動電壓調控，穩(wěn)定勵磁式同步發(fā)電機30輸出的電壓值。
[0015]請再參閱圖1，當輸入風能充足時，勵磁式同步發(fā)電機30輸出的電能除了提供給負載60外，也可將多余的能量通過第一能量流管理單元I的整流及降壓型轉換器53，對蓄電池組51來進行充電儲存能量，使勵磁式同步發(fā)電機30的輸出電能可以完全被利用。
[0016]請再參閱圖1，當輸入風能不足時，其會導致勵磁式同步發(fā)電機30的轉速受到影響，使輸出電源的頻率改變。因此，本發(fā)明的控制方法可通過電動機伺服控制來穩(wěn)定勵磁式同步發(fā)電機30的轉速及輸出電源頻率。勵磁式同步發(fā)電機30與電動機40的轉速與頻率，皆可通過編碼器42輸出至數(shù)碼信號處理器70運算后獲得，當勵磁式同步發(fā)電機30的轉速與額定的轉速相互比較并有轉速誤差時，數(shù)碼信號處理器70輸出一速度命令至驅動器41，使電動機40根據(jù)此速度命令來進行速度伺服控制，藉此來穩(wěn)定勵磁式同步發(fā)電機30的轉速與輸出電源的頻率。
[0017]請再參閱圖1，通過第二能量流管理單元2的蓄電池組51及電動機40，可提供進行電動機速度伺服控制所需的電能。在第二能量流管理單元2中，通過儲存于蓄電池組51中的電能，將電能經(jīng)過升壓型轉換器50進行升壓，以提供驅動器41進行電動機伺服控制，使電動機40提供勵磁式同步發(fā)電機30 —能量,穩(wěn)定勵磁式同步發(fā)電機30的轉速與輸出電壓的頻率。當蓄電池組51的電力不足時,也可通過市電的電源，提供電動機40驅動的能量。
[0018]請再參閱圖2，通過編碼器42所獲得的電動機角度ΘΜ，可進而獲得電動機轉速ωΜ。根據(jù)速度命令ωΜ_Μ(1與電動機轉速ωΜ相比較所得到的轉速誤差，轉速伺服控制器及驅動器41可藉此控制電動機40的轉速。利用同軸配置的方式，將風機10的轉速及轉矩Tw，以及電動機40的轉速ωΜ與轉矩Tm整合，以產(chǎn)生提供給勵磁式同步發(fā)電機30的轉速及轉矩Te。同時，根據(jù)自動電壓調控來產(chǎn)生調整勵磁式同步發(fā)電機的勵磁場大小的控制信號If，以穩(wěn)定勵磁式同步發(fā)電機30的輸出電壓,并將電能輸出至負載60。
[0019]如圖2所示，上述的第一能量流管理單元I及第二能量流管理單元2可整合于一能量流管理單元中，此整合的能量流管理單元可包括升壓型轉換器50、蓄電池組51、降壓型轉換器53及AC-DC轉換器55。
[0020]請再參閱圖2，當輸入風能充足時，能量流管理單元會將勵磁式同步發(fā)電機30的輸出電壓經(jīng)過AC-DC轉換器55，與降壓型轉換器53輸出充電電流Ib，對蓄電池組51進行充電儲存電能’并且將電動機的輸入電壓^卩^電流^^轉速ωΜ及角度ΘΜ等信息匯整，來獲得電動機40的輸入能量并進行蓄電池組51的充電控制。當輸入風能變動時，通過蓄電池組51釋放所儲存的能量，通過升壓型轉換器50，進行升壓以提供驅動器所需要的DC Bus電壓，來完成電動機的轉速伺服控制。
[0021]請參閱圖3，當進行蓄電池組充電時，其能量控制方式為通過電流偵測器43將電動機40的輸入電流Ia，Ib, I?；厥谥翑?shù)碼信號處理器70，并根據(jù)電動機40的輸入電壓Va，Vb, Vc來獲得電動機輸入的能量PM，將輸入電動機的能量Pm與電動機能量命令Pm cmd進行比較，于系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時，電動機能量命令Pm Cffld的值會設定為零，其比較結果再經(jīng)過一比例積分控制器57獲得ΛΡ信號。其中，Kp與K1分別為比例參數(shù)與積分參數(shù)。此時，將蓄電池組的電壓Vb及充電電流Ib相乘所獲得的蓄電池充電能量Pb回授，并與信號△ P進行比較，接著將此比較結果經(jīng)過比例積分控 制器57產(chǎn)生控制信號，并通過降壓型轉換器的降壓增益KB，以進行蓄電池組充電的控制。
[0022]請參閱第4圖，當進行勵磁式同步發(fā)電機輸出電壓控制時，通過將勵磁式同步發(fā)電機30的輸出電壓均方根值V.回授，并與電壓命令Vcmd進行比較以獲得電壓誤差，將此電壓誤差經(jīng)過比例積分控制器57與勵磁增益Kf，來產(chǎn)生勵磁式同步發(fā)電機的勵磁場控制信號，以調整勵磁式同步發(fā)電機的輸出電壓，達到穩(wěn)壓輸出的目的。
[0023]請參閱第5圖，線LI表示風機所輸入的能量，線L2表示蓄電池組51所充電儲存的能量，線L3表示電動機40所提供的能量，線L4表示發(fā)電機30輸出至負載60的能量。如圖5所示，于時間10秒之前，風力發(fā)電系統(tǒng)的輸入風能充足且穩(wěn)定，因而蓄電池組51可進行充電儲存能量，電動機40則無需提供能量。當于區(qū)間Al、區(qū)間A3、區(qū)間A5時，輸入風能開始變動，于上述區(qū)間Al、A3、A5中，輸入風能小于發(fā)電機30輸出至負載60的能量，因而蓄電池組51利用所儲存的電能來提供驅動電動機所需的能量，以維持負載60的能量穩(wěn)定。當于區(qū)間A2、區(qū)間A4時，輸入風能大于發(fā)電機30輸出至負載的能量，因而發(fā)電機30輸出電能至負載60外，也將多余的能量充電至蓄電池組51中進行儲能，此時，電動機30無需提供倉tfi。
[0024]綜上所述，雖然本發(fā)明已以優(yōu)選實施例揭露如上，但上述優(yōu)選實施例并非用以限制本發(fā)明，本領域的普通技術人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內，均可作各種更動與潤飾，因此本發(fā)明的保護范圍以權利要求界定的范圍為準。
【權利要求】
1.一種風力發(fā)電系統(tǒng)的勵磁式同步發(fā)電機的控制方法，其特征在于:所述控制方法包括如下步驟: 利用同軸配置，將風機的輸入、所述勵磁式同步發(fā)電機與電動機整合于同一傳動軸，將所述風機的輸入風能轉換為電能輸出至負載；以及 當所述風力發(fā)電系統(tǒng)為一穩(wěn)態(tài)時，利用一能量流管理單元來量測所述電動機的輸入能量，并將所述電能經(jīng)過整流及電力轉換器，以進行一蓄電池組的電能儲存過程。
2.根據(jù)權利要求1所述的控制方法，其特征在于:還包括如下步驟: 當所述輸入風能變動時，進行一電動機伺服控制，使所述勵磁式同步發(fā)電機的轉速穩(wěn)定，并穩(wěn)定所輸出的所述電能的頻率，其中在所述電動機伺服控制的過程中，用于驅動所述電動機的驅動器所需的電能是由儲存于所述蓄電池組中的電能，并通過所述電力轉換器來將電源提供至所述驅動器。
3.根據(jù)權利要求2所述的控制方法，其特征在于:當所述蓄電池組的能量不足時，所述電動機是利用市電的輸入電能來進行驅動。
4.根據(jù)權利要求1所述的控制方法，其特征在于:還包括如下步驟: 通過一電壓調整控制將所述勵磁式同步發(fā)電機的輸出電壓回授，而與一電壓命令比較，并進行所述勵磁式同步發(fā)電機的一勵磁場控制，以調整所述勵磁式同步發(fā)電機的所述輸出電壓。
5.—種風力發(fā)電系統(tǒng),其特征在于:所述風力發(fā)電系統(tǒng)包括: 傳動軸； 風機，設置于所述傳動軸上； 勵磁式同步發(fā)電機，設置于所述傳動軸上，用于將所述風機的輸入風能轉換為電能來輸出至負載； 電動機，設置于所述傳動軸上；以及 能量流管理單元，連接于所述電動機，其中當所述風力發(fā)電系統(tǒng)為一穩(wěn)態(tài)時，所述能量流管理單元量測所述電動機的輸入能量，并將所述電能經(jīng)過整流及電力轉換器，以進行一蓄電池組的電能儲存過程。
【文檔編號】H02P9/04GK103546080SQ201210327803
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2012年9月6日 優(yōu)先權日:2012年7月16日
【發(fā)明者】陳遵立, 蔡得民, 光灼華, 劉立祥, 陳韋廷 申請人:中山大學