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一种基于单象限变换器弱磁控制的 风电系统

阅读：916发布：2024-02-26

专利汇可以提供一种基于单象限变换器弱磁控制的风电系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型实施例提供的一种基于单象限变换器弱磁控制的风电系统通过单象限驱动变换器提供单极性的电枢电压和电枢电流至直流电机的转子电枢绕组，通过励磁变换器提供单极性的励磁电压和励磁电流至直流电机的定子励磁绕组，通过二极管整流器连接直流母线电容与工频电网之间，从而用单象限驱动变换器和励磁变换器替换了桥式可逆PWM变换器，用二极管整流器替换了三相PWM整流器，使得功率开关管的数量和开关损耗大幅减少，同时补偿了风力发电机转速快速响应风速变化以提高风能利用率所引发的功率波动，解决了三相PWM整流器和桥式可逆PWM变换器导致过高的系统成本和开关损耗、存在因直通短路而损坏的风险、风能利用率与功率波动之间矛盾的技术问题。(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利，下面是一种基于单象限变换器弱磁控制的风电系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于单象限变换器弱磁控制的风电系统，包括：风力发电机组、可变频率变压器、降压变压器和工频电网，其特征在于，所述可变频率变压器包括双馈电机、直流电机、单象限驱动变换器、励磁变换器、直流母线电容、二极管整流器；
所述双馈电机的转子绕组连接风力发电机组，所述双馈电机的定子绕组连接所述工频电网，所述双馈电机与所述直流电机同轴机械连接；
所述单象限驱动变换器的一端连接所述直流电机的转子电枢绕组，所述单象限驱动变换器的另一端连接所述直流母线电容；
所述励磁变换器的一端连接所述直流电机的定子励磁绕组，所述励磁变换器的另一端连接所述直流母线电容；
所述二极管整流器的交流输入端通过所述降压变压器连接所述工频电网，所述二极管整流器的直流输出端连接所述直流母线电容；
其中，所述单象限驱动变换器用于提供单极性的电枢电压和电枢电流至所述直流电机的转子电枢绕组，所述励磁变换器用于提供单极性的励磁电压和励磁电流至所述直流电机的定子励磁绕组。
2.根据权利要求1所述的一种基于单象限变换器弱磁控制的风电系统，其特征在于，所述单象限驱动变换器包括第一功率开关管和第一续流二极管；
所述第一功率开关管的发射极连接所述第一续流二极管的阴极；
所述第一功率开关管的集电极和所述第一续流二极管的阳极分别连接所述直流母线电容的正极和负极；
所述第一续流二极管的阴极和阳极分别连接所述直流电机的转子电枢绕组的正极和负极。
3.根据权利要求1所述的一种基于单象限变换器弱磁控制的风电系统，其特征在于，所述励磁变换器包括第二功率开关管和第二续流二极管；
所述第二功率开关管的发射极连接所述第二续流二极管的阴极；
所述第二功率开关管的集电极和所述第二续流二极管的阳极分别连接所述直流母线电容的正极和负极；
所述第二续流二极管的阴极和阳极分别连接所述直流电机的定子励磁绕组的正极和负极。
4.根据权利要求1所述的一种基于单象限变换器弱磁控制的风电系统，其特征在于，所述二极管整流器包括六个整流二极管；
所述六个整流二极管两两同向串联后与所述直流母线电容并联；
所述降压变压器的三相接线分别连接串联的所述整流二极管的连接处。
5.根据权利要求1所述的一种基于单象限变换器弱磁控制的风电系统，其特征在于，所述风力发电机组包括风力机、齿轮箱、同步发电机；
所述风力机通过所述齿轮箱与所述同步发电机机械连接；
所述同步发电机的定子绕组连接所述双馈电机的转子绕组。
6.根据权利要求1所述的一种基于单象限变换器弱磁控制的风电系统，其特征在于，所述单象限驱动变换器采用双闭环控制算法；
转速外环的比例积分调节器根据所述可变频率变压器的转速给定值与对应的测量值的差值获得所述直流电机的转子电枢绕组电流给定值，所述转子电枢绕组电流给定值的上限设定为所述单象限驱动变换器的额定电流，所述转子电枢绕组电流给定值的下限设定为零；
电流内环的比例积分调节器根据所述直流电机的转子电枢绕组电流给定值与对应的测量值的差值获得所述单象限驱动变换器的占空比。
7.根据权利要求6所述的一种基于单象限变换器弱磁控制的风电系统，其特征在于，所述可变频率变压器的转速给定值具体根据风力机的实时测量风速和最大风能捕获控制算法计算得出。
8.根据权利要求1所述的一种基于单象限变换器弱磁控制的风电系统，其特征在于，所述励磁变换器通过励磁电流闭环控制算法进行控制；
所述励磁变换器比例积分调节器根据所述直流电机的定子励磁绕组电流给定值与对应的测量值的偏差计算得出所述励磁变换器的占空比。
9.根据权利要求8所述的一种基于单象限变换器弱磁控制的风电系统，其特征在于，所述励磁绕组电流给定值具体根据风力发电机组的实时测量转速计算得出。
10.根据权利要求1所述的一种基于单象限变换器弱磁控制的风电系统，其特征在于，所述双馈电机的转子绕组连接的风力发电机组为一组或一组以上。

说明书全文

一种基于单象限变换器弱磁控制的风电系统

技术领域

[0001] 本实用新型涉及新能源发电领域，尤其涉及一种基于单象限变换器弱磁控制的风电系统。

背景技术

[0002] 可变频率变压器是一种新型的电网互连设备，该设备在解决风电并网所面临的诸多问题上具有独特优势。一方面，可变频率变压器能够用于对恒速风电机组进行电网友好型改造，使其满足电网对风电机组输出功率平滑、具备低电压穿越能力、在电网电压跌落期间提供无功支撑的要求。另一方面，利用可变频率变压器取代传统风电系统中的电力电子变流器，大大降低了电力电子装置的容量和成本，其过载能力也显著增强。鉴于其独特的优势，可变频率变压器将会在风电并网领域发挥越来越重要的作用。

[0003] 目前应用于风力发电的可变频率变压器，必须能够正反向旋转，并且必须能够提供正反向力矩，因此其直流电机必须采用电能可双向传输的变换器驱动。通常，如图1所示，该变换器由三相PWM整流器和桥式可逆PWM变换器构成，其中三相PWM整流器需要六个功率开关管和六个续流二极管，桥式可逆PWM变换器需要四个功率开关管和四个续流二极管。由此产生两个不利影响，一是功率器件过多导致过高的系统成本和开关损耗，二是同一桥臂的上下两个开关管存在因直通短路而损坏的风险。

[0004] 此外，现有基于可变频率变压器的包含三相PWM整流器和桥式可逆PWM变换器的风电系统，只利用风电机组的旋转储能，在风速波动时减少输出功率波动，而没有在最大风能捕获过程中利用可变频率变压器的旋转储能在风力机转速快速跟随风速变化的同时减少功率波动。这种运行方式的不利之处在于：在风力机转速跟随风速迅速上升期间，需将大量电能转化为风力机的旋转动能，风力机输出功率会暂时下降，待风力机运行于新的稳态转速后，其输出功率又会迅速上升；反之，在风力机转速跟随风速迅速下降期间，需将大量的风力机旋转动能转化为电能，风力机输出功率会暂时上升，待风力机运行于新的稳态转速后，其输出功率又会迅速下降。因此，现有风电机组的动态响应速度，必须在提高风能利用率和减少功率波动之间进行折中设计。

[0005] 因此，三相PWM整流器和桥式可逆PWM变换器导致过高的系统成本和开关损耗、存在因直通短路而损坏的风险、风能利用率与功率波动之间矛盾是本领域技术人员需要解决的技术问题。实用新型内容

[0006] 本实用新型实施例提供了一种基于单象限变换器弱磁控制的风电系统，用于解决三相PWM整流器和桥式可逆PWM变换器导致过高的系统成本和开关损耗、存在因直通短路而损坏的风险、风能利用率与功率波动之间矛盾的技术问题。

[0007] 本实用新型实施例提供的一种基于单象限变换器弱磁控制的风电系统，包括：风力发电机组、可变频率变压器、降压变压器和工频电网，所述可变频率变压器包括双馈电机、直流电机、单象限驱动变换器、励磁变换器、直流母线电容、二极管整流器；

[0008] 所述双馈电机的转子绕组连接风力发电机组，所述双馈电机的定子绕组连接所述工频电网，所述双馈电机与所述直流电机同轴机械连接；

[0009] 所述单象限驱动变换器的一端连接所述直流电机的转子电枢绕组，所述单象限驱动变换器的另一端连接所述直流母线电容；

[0010] 所述励磁变换器的一端连接所述直流电机的定子励磁绕组，所述励磁变换器的另一端连接所述直流母线电容；

[0011] 所述二极管整流器的交流输入端通过所述降压变压器连接所述工频电网，所述二极管整流器的直流输出端连接所述直流母线电容；

[0012] 其中，所述单象限驱动变换器用于提供单极性的电枢电压和电枢电流至所述直流电机的转子电枢绕组，所述励磁变换器用于提供单极性的励磁电压和励磁电流至所述直流电机的定子励磁绕组。

[0013] 优选地，所述单象限驱动变换器包括第一功率开关管和第一续流二极管；

[0014] 所述第一功率开关管的发射极连接所述第一续流二极管的阴极；

[0015] 所述第一功率开关管的集电极和所述第一续流二极管的阳极分别连接所述直流母线电容的正极和负极；

[0016] 所述第一续流二极管的阴极和阳极分别连接所述直流电机的转子电枢绕组的正极和负极。

[0017] 优选地，所述励磁变换器包括第二功率开关管和第二续流二极管；

[0018] 所述第二功率开关管的发射极连接所述第二续流二极管的阴极；

[0019] 所述第二功率开关管的集电极和所述第二续流二极管的阳极分别连接所述直流母线电容的正极和负极；

[0020] 所述第二续流二极管的阴极和阳极分别连接所述直流电机的定子励磁绕组的正极和负极。

[0021] 优选地，所述二极管整流器包括六个整流二极管；

[0022] 所述六个整流二极管两两同向串联后与所述直流母线电容并联；

[0023] 所述降压变压器的三相接线分别连接串联的所述整流二极管的连接处。

[0024] 优选地，所述风力发电机组包括风力机、齿轮箱、同步发电机；

[0025] 所述风力机通过所述齿轮箱与所述同步发电机机械连接；

[0026] 所述同步发电机的定子绕组连接所述双馈电机的转子绕组。

[0027] 优选地，所述单象限驱动变换器采用双闭环控制算法；

[0028] 转速外环的比例积分调节器根据所述可变频率变压器的转速给定值与对应的测量值的差值获得所述直流电机的转子电枢绕组电流给定值，所述转子电枢绕组电流给定值的上限设定为所述单象限驱动变换器的额定电流，所述转子电枢绕组电流给定值的下限设定为零；

[0029] 电流内环的比例积分调节器根据所述直流电机的转子电枢绕组电流给定值与对应的测量值的差值获得所述单象限驱动变换器的占空比。

[0030] 优选地，所述可变频率变压器的转速给定值具体根据风力机的实时测量风速和最大风能捕获控制算法计算得出。

[0031] 优选地，所述励磁变换器通过励磁电流闭环控制算法进行控制；

[0032] 所述励磁变换器比例积分调节器根据所述直流电机的定子励磁绕组电流给定值与对应的测量值的偏差计算得出所述励磁变换器的占空比；

[0033] 所述励磁绕组电流给定值具体根据风力发电机组的实时测量转速计算得出。

[0034] 优选地，所述双馈电机的转子绕组连接的风力发电机组为一组或一组以上。

[0035] 本实用新型实施例提供的一种基于单象限变换器弱磁控制的风电系统的运行方法，基于上述的一种基于单象限变换器弱磁控制的风电系统进行运行，包括：

[0036] 当风速上升时，可变频率变压器的单象限驱动变换器和励磁变换器控制直流电机转速下降，使风力发电机组的转速上升，同时释放双馈电机和直流电机的旋转储能以补偿风力发电机组的旋转储能；

[0037] 当风力发电机组运行于额定转速时，可变频率变压器的单象限驱动变换器和励磁变换器控制直流电机转速为零；

[0038] 当风速下降时，可变频率变压器的单象限驱动变换器和励磁变换器控制直流电机转速上升，使风力发电机组的转速下降，同时吸收风力发电机组的旋转储能至双馈电机和直流电机的旋转储能；在风力发电机组的转速随风速下降的过程中，如果直流电机的转子电枢绕组所需的控制电压超过单象限驱动变换器中第一功率开关管和第一续流二极管的安全电压，则减小励磁变换器的励磁绕组电流给定值，实现风力发电机组在低风速段的最大风能捕获。

[0039] 从以上技术方案可以看出，本实用新型实施例具有以下优点：

[0040] 本实用新型实施例提供的一种基于单象限变换器弱磁控制的风电系统通过单象限驱动变换器提供单极性的电枢电压和电枢电流至直流电机的转子电枢绕组，通过励磁变换器提供单极性的励磁电压和励磁电流至直流电机的定子励磁绕组，通过二极管整流器连接直流母线电容与工频电网之间，从而用单象限驱动变换器和励磁变换器替换了桥式可逆PWM变换器，用二极管整流器替换了三相PWM整流器，从而简化了可变频率变压器的电路，使得功率开关管的数量和开关损耗大幅减少，具有更好的经济性；能够完全避免桥臂直通短路导致的功率开关管损坏，具有更好的可靠性；同时，本实用新型实施例提供的一种基于单象限变换器弱磁控制的风电系统运行的时候，风力发电机组转速上升(下降)所吸收(释放)的旋转动能，可通过可变频率变压器转速下降(上升)所释放(吸收)的旋转动能实现部分补偿，因此可减少最大风能捕获过程中的输出功率波动。

[0041] 因此，本实用新型实施例解决了三相PWM整流器和桥式可逆PWM变换器导致过高的系统成本和开关损耗、存在因直通短路而损坏的风险、风能利用率与功率波动之间矛盾的技术问题。附图说明

[0042] 为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

[0043] 图1为本实用新型实施例用于说明现有的基于可变频率变压器的变速风电系统的原理图；

[0044] 图2为本实用新型实施例提供的一种基于单象限变换器弱磁控制的风电系统的一个实施例的示意图；

[0045] 图3为本实用新型实施例提供的一种基于单象限变换器弱磁控制的风电系统的另一个实施例的示意图；

[0046] 图4为本实用新型实施例提供的一种基于单象限变换器弱磁控制的风电系统的运行方法的流程图；

[0047] 其中，附图标记如下：

[0048] 1、风力机；2、齿轮箱；3、同步发电机；4、可变频率变压器；5、工频电网；6、降压变压器；7、双馈电机；8、直流电机；9、单象限驱动变换器；10、励磁变换器；11、直流母线电容；12、二极管整流器。

具体实施方式

[0049] 本实用新型实施例提供了一种基于单象限变换器弱磁控制的风电系统，用于解决三相PWM整流器和桥式可逆PWM变换器导致过高的系统成本和开关损耗、存在因直通短路而损坏的风险、风能利用率与功率波动之间矛盾的技术问题。

[0050] 为使得本实用新型的实用新型目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而非全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

[0051] 请参阅图2，本实用新型实施例提供的一种基于单象限变换器弱磁控制的风电系统的一个实施例，包括：风力发电机组、可变频率变压器4、降压变压器6和工频电网5，可变频率变压器4包括双馈电机7、直流电机8、单象限驱动变换器9、励磁变换器10、直流母线电容11、二极管整流器12；

[0052] 双馈电机7的转子绕组连接风力发电机组，双馈电机7的定子绕组连接工频电网5，双馈电机7与直流电机8同轴机械连接；

[0053] 单象限驱动变换器9的一端连接直流电机8的转子电枢绕组，单象限驱动变换器9的另一端连接直流母线电容11；

[0054] 励磁变换器10的一端连接直流电机8的定子励磁绕组，励磁变换器10的另一端连接直流母线电容11；

[0055] 二极管整流器12的交流输入端通过降压变压器6连接工频电网5，二极管整流器12的直流输出端连接直流母线电容11；

[0056] 其中，单象限驱动变换器9用于提供单极性的电枢电压和电枢电流至直流电机8的转子电枢绕组，励磁变换器10用于提供单极性的励磁电压和励磁电流至直流电机8的定子励磁绕组。

[0057] 风力发电机组包括风力机1、齿轮箱2、同步发电机3；

[0058] 风力机1通过齿轮箱2与同步发电机3机械连接；

[0059] 同步发电机3的定子绕组连接双馈电机7的转子绕组。

[0060] 本实用新型实施例提供的一种基于单象限变换器弱磁控制的风电系统通过单象限驱动变换器9提供单极性的电枢电压和电枢电流至直流电机8的转子电枢绕组，通过励磁变换器10提供单极性的励磁电压和励磁电流至直流电机8的定子励磁绕组，通过二极管整流器12连接直流母线电容11与工频电网5之间，从而用单象限驱动变换器9和励磁变换器10替换了桥式可逆PWM变换器，用二极管整流器12替换了三相PWM整流器，从而简化了可变频率变压器4的电路，使得功率开关管的数量和开关损耗大幅减少，具有更好的经济性；能够完全避免桥臂直通短路导致的功率开关管损坏，具有更好的可靠性；同时，本实用新型实施例提供的一种基于单象限变换器弱磁控制的风电系统运行的时候，风力发电机组转速上升(下降)所吸收(释放)的旋转动能，可通过可变频率变压器4转速下降(上升)所释放(吸收)的旋转动能实现部分补偿，因此可减少最大风能捕获过程中的输出功率波动。

[0061] 因此，本实用新型实施例解决了三相PWM整流器和桥式可逆PWM变换器导致过高的系统成本和开关损耗、存在因直通短路而损坏的风险、风能利用率与功率波动之间矛盾的技术问题。

[0062] 以上是对本实用新型实施例提供的一种基于单象限变换器弱磁控制的风电系统的一个实施例进行详细的描述，以下将对本实用新型实施例提供的一种基于单象限变换器弱磁控制的风电系统的另一个实施例进行详细的描述。

[0063] 请参阅图3，本实用新型实施例提供的一种基于单象限变换器弱磁控制的风电系统的另一个实施例，包括：风力发电机组、可变频率变压器4、降压变压器6和工频电网5，可变频率变压器4包括双馈电机7、直流电机8、单象限驱动变换器9、励磁变换器10、直流母线电容11、二极管整流器12；

[0064] 双馈电机7的转子绕组连接风力发电机组，双馈电机7的定子绕组连接工频电网5，双馈电机7与直流电机8同轴机械连接；

[0065] 单象限驱动变换器9的一端连接直流电机8的转子电枢绕组，单象限驱动变换器9的另一端连接直流母线电容11；

[0066] 励磁变换器10的一端连接直流电机8的定子励磁绕组，励磁变换器10的另一端连接直流母线电容11；

[0067] 二极管整流器12的交流输入端通过降压变压器6连接工频电网5，二极管整流器12的直流输出端连接直流母线电容11；

[0068] 其中，单象限驱动变换器9用于提供单极性的电枢电压和电枢电流至直流电机8的转子电枢绕组，励磁变换器10用于提供单极性的励磁电压和励磁电流至直流电机8的定子励磁绕组。

[0069] 单象限驱动变换器9包括第一功率开关管和第一续流二极管；

[0070] 第一功率开关管的发射极连接第一续流二极管的阴极；

[0071] 第一功率开关管的集电极和第一续流二极管的阳极分别连接直流母线电容11的正极和负极；

[0072] 第一续流二极管的阴极和阳极分别连接直流电机8的转子电枢绕组的正极和负极。

[0073] 励磁变换器10包括第二功率开关管和第二续流二极管；

[0074] 第二功率开关管的发射极连接第二续流二极管的阴极；

[0075] 第二功率开关管的集电极和第二续流二极管的阳极分别连接直流母线电容11的正极和负极；

[0076] 第二续流二极管的阴极和阳极连接直流电机8的定子励磁绕组。

[0077] 二极管整流器12包括六个整流二极管；

[0078] 六个整流二极管两两同向串联后与直流母线电容11并联；

[0079] 降压变压器6的三相接线分别连接串联的整流二极管的连接处。

[0080] 风力发电机组包括风力机1、齿轮箱2、同步发电机3；

[0081] 风力机1通过齿轮箱2与同步发电机3机械连接；

[0082] 同步发电机3的定子绕组连接双馈电机7的转子绕组。

[0083] 单象限驱动变换器9采用双闭环控制算法；

[0084] 转速外环的比例积分调节器根据可变频率变压器4的转速给定值与对应的测量值的差值获得直流电机8的转子电枢绕组电流给定值，转子电枢绕组电流给定值的上限设定为单象限驱动变换器9的额定电流，转子电枢绕组电流给定值的下限设定为零；

[0085] 电流内环的比例积分调节器根据直流电机8的转子电枢绕组电流给定值与对应的测量值的差值获得单象限驱动变换器9的占空比；

[0086] 励磁绕组电流给定值具体根据可变频率变压器4的实时测量转速计算得出，当可变频率变压器转速为零时，励磁绕组电流给定值等于额定值，且励磁绕组电流给定值随可变频率变压器4转速的上升而下降。

[0087] 可变频率变压器4的转速一般是指其内部电机(双馈电机7和直流电机8)的转速。

[0088] 可变频率变压器4的转速给定值具体根据风力机1的实时测量风速和最大风能捕获控制算法计算得出。

[0089] 励磁变换器10通过励磁电流闭环控制算法进行控制；

[0090] 励磁变换器10比例积分调节器根据直流电机8的定子励磁绕组电流给定值与对应的测量值的偏差计算得出励磁变换器10的占空比；

[0091] 所述励磁绕组电流给定值具体根据风力发电机组的实时测量转速计算得出。

[0092] 双馈电机7的转子绕组连接的风力发电机组为一组或一组以上。

[0093] 本实用新型是一种基于单象限变换器弱磁控制的风电系统，包括风力机1、齿轮箱2、感应同步发电机3、可变频率变压器4、降压变压器6和工频电网5，其中可变频率变压器4包括双馈电机7、直流电机8、单象限驱动变换器9、励磁变换器10、直流母线电容11、二极管整流器12。在该系统中，可变频率变压器4只需要在单方向转矩下实现单方向旋转，因此驱动变换器只需采用含有一个功率开关管和一个续流二极管组成的单象限变换器。与现有可变频率变压器4相比，本实用新型所采用的驱动变换器的功率开关管数量和开关损耗显著减少，并且能够完全避免功率开关管因桥臂直通短路而损坏。在可变频率变压器4转速较高时，在励磁变换器10采用弱磁控制，能够保证风力机1在较大风速范围内实现最大风能捕获的同时降低单象限驱动变换器9中功率开关管和续流二极管的耐压等级。风力机1、齿轮箱2和同步发电机3的转速快速响应风速变化，所引发的功率波动，可通过可变频率变压器4的旋转储能实现部分补偿。本实用新型可显著降低可变频率变压器中驱动变换器的成本，提高驱动变换器的可靠性，减少最大风能捕获过程中的输出功率波动。本实用新型能够控制单台风力机，也能够控制多台风力机。

[0094] 可变频率变压器4转速为零时风力机1运行于额定转速，可变频率变压器4转速正向上升时风力机1转速降低，可变频率变压器4运行于正向最高转速时风力机1运行于最低转速；可变频率变压器4中直流电机8的转子电枢绕组，采用由一个功率开关管和一个续流二极管组成的单象限驱动变换器9提供单极性的电枢电压和电枢电流；可变频率变压器4中直流电机8的定子励磁绕组，采用由一个功率开关管和一个续流二极管组成的励磁变换器10提供单极性的励磁电压和励磁电流；风力机1运行于额定转速时励磁变换器10输出额定励磁电流，风力机1转速下降时励磁变换器10输出的励磁电流随之下降。

[0095] 风力机1、齿轮箱2和同步发电机3的转速快速上升所吸收的旋转储能，可由可变频率变压器4转速下降所释放的旋转储能实现部分补偿；风力机1、齿轮箱2和同步发电机3转速快速下降所释放的旋转储能可由可变频率变压器4转速上升所吸收的旋转储能实现部分补偿；在风力机1转速快速响应风速变化，以实现最大风能捕获时，减少风电系统的输出功率波动。

[0096] 在变速风电系统的可变频率变压器4的直流电机8的驱动器中使用结构极为简单的单象限驱动变换器9，结合弱磁控制，有效降低单象限驱动变换器9中开关器件的耐压等级，在确保可变频率变压器4稳定运行的同时，使得风力机1在较大风速范围内均能实现最大风能捕获，且减小最大风能捕获过程中给的输出功率波动。

[0097] 双馈电机7的转子绕组，能够单独接一台风力发电机，也能够同时接若干台风况接近的风力发电机。

[0098] 需要说明的是，本实用新型实施例具有如下优点及有益效果：

[0099] 1、在变速风电系统中，可变频率变压器4所需的直流电机8的驱动器，采用由一个功率开关管和一个续流二极管组成的单象限驱动变换器9，与目前主要采用的包含四个功率开关管和四个续流二极管的桥式可逆PWM变换器相比具有以下优点：功率开关管的数量和开关损耗大幅减少，具有更好的经济性；能够完全避免桥臂直通短路导致的功率开关管损坏，具有更好的可靠性。

[0100] 2、在变速风电系统中，直流母线电容11与工频电网5之间的整流器，采用由六个二极管组成的整流器，与目前主要采用的包含六个功率开关管和六个续流二极管的PWM整流器相比具有以下优点：功率开关管的数量和开关损耗大幅减少，具有更好的经济性。

[0101] 3、在变速风电系统中，为更好地实现最大风能捕获，风力机1的转速必须快速跟随风速变化。风速上升时风力机1转速快速上升，需要将大量电能转化为风力机1、齿轮箱2和同步发电机3的旋转动能；风速下降时风力机1转速快速下降，需要将大量旋转动能转化为电能。风力机1、齿轮箱2和同步发电机3转速上升(下降)所吸收(释放)的旋转动能，可通过可变频率变压器4转速下降(上升)所释放(吸收)的旋转动能实现部分补偿，因此可减少最大风能捕获过程中的输出功率波动。

[0102] 因此，本实用新型有助于推动基于可变频率变压器的变速风电系统的实际应用。

[0103] 请参阅图4，本实用新型实施例提供的一种基于单象限变换器弱磁控制的风电系统的运行方法，包括：

[0104] 101：当风速上升时，可变频率变压器的单象限驱动变换器和励磁变换器控制直流电机转速下降，使风力发电机组的转速上升，同时释放双馈电机和直流电机的旋转储能以补偿风力发电机组的旋转储能；

[0105] 102：当风力发电机组运行于额定转速时，可变频率变压器的单象限驱动变换器和励磁变换器控制直流电机转速为零；

[0106] 103：当风速下降时，可变频率变压器的单象限驱动变换器和励磁变换器控制直流电机转速上升，使风力发电机组的转速下降，同时吸收风力发电机组的旋转储能至双馈电机和直流电机的旋转储能；在风力发电机组的转速随风速下降的过程中，如果直流电机的转子电枢绕组所需的控制电压超过单象限驱动变换器中第一功率开关管和第一续流二极管的安全电压，则减小励磁变换器的励磁绕组电流给定值，实现风力发电机组在低风速段的最大风能捕获。

[0107] 需要说明的是，101、102、103并不是按步骤进行的，而是根据当前风速的情况进行相应的运作的，当风速处于不同阶段的时候，可变频率变压器的单象限驱动变换器和励磁变换器根据预设的运行程序控制直流电机转速进行相应的变化。

[0108] 在现有基于可变频率变压器的变速风电系统中，只利用风电机组的旋转储能，在风速波动时减少输出功率波动，而没有在最大风能捕获过程中，利用可变频率变压器的旋转储能，在风力机转速快速跟随风速变化的同时减少功率波动。这种运行方式的不利之处在于：在风力机转速跟随风速迅速上升期间，需将大量电能转化为风力机的旋转动能，风力机输出功率会暂时下降，待风力机运行于新的稳态转速后，其输出功率又会迅速上升；反之，在风力机转速跟随风速迅速下降期间，需将大量的风力机旋转动能转化为电能，风力机输出功率会暂时上升，待风力机运行于新的稳态转速后，其输出功率又会迅速下降。因此，现有风电机组的动态响应速度，必须在提高风能利用率和减少功率波动之间进行折中设计。

[0109] 本实用新型实施例提供的一种基于单象限变换器弱磁控制的风电系统的运行方法中，可变频率变压器转速为零时风力机运行于额定转速，可变频率变压器转速正向上升时风力机转速降低，可变频率变压器运行于正向最高转速时风力机运行于最低转速；可变频率变压器中直流电机的转子电枢绕组，采用由一个功率开关管和一个续流二极管组成的单象限驱动变换器提供单极性的电枢电压和电枢电流；可变频率变压器中直流电机的定子励磁绕组，采用由一个功率开关管和一个续流二极管组成的励磁变换器提供单极性的励磁电压和励磁电流；风力机运行于额定转速时励磁变换器输出额定励磁电流，风力机转速下降时励磁变换器输出的励磁电流随之下降。

[0110] 风力机、齿轮箱和同步发电机的转速快速上升所吸收的旋转储能，可由可变频率变压器转速下降所释放的旋转储能实现部分补偿；风力机、齿轮箱和同步发电机转速快速下降所释放的旋转储能可由可变频率变压器转速上升所吸收的旋转储能实现部分补偿；在风力机转速快速响应风速变化，以实现最大风能捕获时，减少风电系统的输出功率波动。

[0111] 所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

[0112] 以上所述，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

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一种基于单象限变换器弱磁控制的风电系统

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