技术领域

本发明涉及调速电机技术， 尤其是同步电机及其调速技术。 背景技术

风能可再生、 清洁环保并且储量巨大， 风力发电是新能源的主要发展 方向之一。 为了适应风速的不稳定性， 传统的风力发电机釆用异步电机， 机头还设有升速齿轮箱， 将低速旋转的叶片升速到异步电机的转速。 异步 发电机需要从电网吸收无功功率， 这将增加网损并可能产生电网稳定性问 题； 升速齿轮箱造价高、 效率低， 加大了机头重量， 限制了塔身高度； 而 且适风范围较窄， 发电风速为 5 ~ 25m/s, 在网风速为 3 ~ 30m/s。 异步电机分变频调速和双馈调速， 变频调速与同步电机的定子侧调速 一样， 成本高、 损耗大， 不适于大型电机应用； 双馈调速的电机工作在异 步状态， 受异步转矩 M -滑差 s特性的约束， 调速范围有限， 仍然不能革 除风力发电机组的升速齿轮箱。

中国专利申请 ZL200810054781.7 (发明名称： 一种单馈同步风力发电 机组） ， 公开了一种风力发电机组的调速方案， 该发明的同步发电机的转 子绕组与定子绕组结构相同， 定子绕组是三相的、 转子绕组也是三相的， 定子绕组是 p对极， 转子绕组也是 p对极， 结构复杂， 不宜制造； 转子绕 组较多， 从而逆变器输出回路也较多。 该专利申请的方案中将双馈调速的 控制器用于调速同步机的励磁控制， 然而欢馈控制器只能使得 co _f o) _s — ω _η , 不能保证 = - 所以， 该专利申请的方案在实践中是难于实施的。

针对上述技术和应用问题，本发明旨在提出一 种新型的调速电机机組， 不从电网吸收无功， 调速范围宽， 用作风力发电机时结构简化， 革除升速 齿轮箱， 提高效率， 降低机头重量， 拓宽适风面和适风范围， 提高风能利 用率。 发明内容

为实现上述技术目的， 本发明给出一种调速同步电机机组， 包括同步机和 控制系统， 同步电机包括转子和定子， 定子线圈连接电网以向电网发送有功功 率、无功功率或从电网输入有功功率，控制系 统输出励磁电压连接转子线圈形 成励磁电流， 励磁电流用于产生磁场， 控制系统的电源输入接电网； 其中， 所 述同步电机为双励磁绕组电机， 包括两个转子线圈， 所述的两个转子线圏在空 间上呈 α电角度布置；所述控制系统输出两路交流励� ��电压分别连接两个转子 线圈中的一个， 形成两个交流励磁电流； 所述控制系统的一个反馈输入接电机 的机械转速 _m , 另一个反馈输入连接电网接收电网电压信号用 于测量电网角 频率 （O _s , 第三个反馈输入为所述同步电机的机端电压， 所述控制系统的一路 输出控制所述两个交流励磁电压的角频率 co _f 达到 o _f = co _s - . Ω,,,和电流相位差 等于 (π-α)，另一路输出控制所述两个交流励磁电� �的有效值使得机端电压趋于 给定机端电压。

其中， ρ为电机的极对数， ρ = 1 , 2, 3 , …。 电角速度0^等于机械角速 度 Ω„^々ρ倍， ？ ω„ ρ , 其中， Ν为转子机械旋转的转速， 单位

是转 /分钟。

励磁电压在转子绕组中形成励磁电流，励磁电 流形成励磁磁场， 本发明的 控制系统有两个作用， 一个作用与普通同步机的励磁控制器作用一样 ，调整励 磁电压的有效值使得机端电压与给定机端电压 一致；另一个作用是调整励磁电 压的频率 Q) _f , 以保证交流励磁电流的相位差是 (π-α), 从而， 所形成的励磁磁 场只有正向旋转分量， 还保证 Ω„,和在不同的转速0 _1¾ 下， 正向旋转 磁场相对于定子的转速 ^ + ρ . Ω^仍然保持与电网频率 oo _s 同步运行。 正是后一 个作用， 才能够允许本发明的同步电机以不同的转速运 行。

所述的两个转子线圈的匝数 W _D 、 W _Q 和所述控制系统的两个输出交流电 流有效值 、 I _fQ 之积相等， WD , 特别地， 和 以保证正向旋转磁势的幅值恒定。 W _D 和 W _Q 在制造电机时确定， 满 足 W _D . = W _Q . I _IQ 的办法很多, 如两个转子线圈的参数一样， 即^二^、 两个 转子回路的电阻、 电抗相等， 于是， 控制两个励磁电压有效值相等则两个励磁 电流有效值相等； 如果两个转子线圈的参数不同， 依照下述方法， 也不难控制 I D和 IfQ满足上述等式。

所述的定子铁芯和转子铁芯 360。全向均勾， 以保证幅值恒定的旋转磁势 产生的旋转励磁磁通恒定。

作为本发明的一个实用化改进， 所述 α为 90°, 即两个转子线圈空间上呈 90°电角度布置， 所述的两相交流电流的相位差也是 90。。

所述控制系统是多入多出 ΜΙΜΟ结构， 控制系统输出控制交流励磁电压 的频率和有效值， 而频率的改变将引起转子回路阻抗的变化，导 致励磁电流的 变化； 电压有效值的改变直接改变励磁电流有效值的 变化； 可见， 控制是不解 偶的， 即多个单入单出 SISO结构难于实现。

效果

尽管电网角频率（D _s 基本恒定， 通过本发明的实施， 调整转子交流励磁电 流的角频率 oof能够调整同步电机的转速 ω _1Ώ , 并且， 保持电机励磁磁场与电网 同步。 0D _f 可以在 0到（D _s 之间变化， 甚至超过 (D _s , 调速范围非常宽； 输出功率 与转速无关， 当用于电动机调速时， 启动力矩巨大， 能够克月良传统异步电机调 速的启动力矩小的问题。

与同步机定子侧交直交调速相比， 功率元件上的消耗降低， 成本降低。 所 以， 能够广泛用于大型电机的调速， 尤其是替代交直交调速的同步电机。

与异步风力发电机相比， 不仅不从电网中吸收无功， 还可以根据要求向电 网发送无功， 有助于电网减少网损和提高电网稳定性； 大范围调速， 一方面革 除升速齿轮箱， 降低成本、 提高效率， 减轻机头重量， 方便安装， 允许加高搭 架以提高风力利用； 另一方面， 还能够拓宽适风速度。 附图说明

图 1为本发明的调速同步电机组的电路结构示意� �。

图 2是本发明控制系统的原理示意图

图 3 为本发明的调速同步电机组的一种由半导体器 件构成的控制系统实 施方案。

图 4 为本发明的调速同步电机组的一种由半导体器 件构成的控制系统另 一实施方案。 图 5为本发明的调速同步电机组的控制系统的一� �实施方案。

图 6为本发明的调速同步电机组的一种带积分的� �制器方案。

图 7为本发明的调速同步电机组的一种带功角反� �的控制器实施方 图 8为控制信号到逆变器受控输入的展开图。 具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例， 所述实施例的示例在附图中示出， 其 能的元件。 下面通过参考附图描述的实施例是示例性的， 仅用于解释本发 明， 而不能解释为对本发明的限制。

图 1给出本发明的调速同步电机机组， 包括同步电机 1和控制系统 2, 同 步电机 1包括转子 11和定子 12 , 转子 11有铁芯和转子线圈， 定子 12也有铁 芯和定子线圏，三相定子线圏经电线 3连接电网 4从电网 4输入有功功率或向 电网 4发送功率（包括有功和无功功率）；转子 11接受或输出机械转矩，其中： 所述同步电机 1包括两个转子线圈 1 11和 112， 该两个转子线圈 111和 112在 空间上呈 α电角度布置， 经滑环（未示出）引出后分别连接控制系统 2的两个 交流励磁电压输出 6 , 两个交流励^电压在两个转子线圈中形成两个� �流励磁 电流， 其角频率都是 o f; 控制系统 2的电源输入 5接电网 4; 一个反馈输入接 收同步电机 1的机械转速 Ω _Μ 7 , 另一个反馈输入电网 4的电压用于测量电网 角频率 oo _s ， 第三个反馈输入接所述同步电机 1 的机端电压， 控制系统的输出 控制交流励磁电压的角频率（O _f 满足^ = ¾ - · Ω,„、 两个交流励磁电流的相位 差等于 (π- α),励磁线圈的匝数与励磁电流的有效值之积� �等且铁芯均匀，于是， 励磁电流产生的励磁磁通只有正向旋转分量， 相对于定子的转速是 co _f + _P ' Ω„, 与电网频率（D _s 相同， 且大小恒定； 所述控制系统输出还控制交流励磁电压的 有效值使得机端电压趋于机端给定电压。 其中， p为电机的极对数。

图 2是本发明图 1中控制系统 2的原理示意图。控制系统 2的两个交流励 磁电压输出 6 (即 ^和 )分别由两个交流信号源产生， 交流信号源的有效 值、 频率和相位可调。 电网频率（¾减去交流励磁电压频率 co _f 、 电机转速 Ω _ηι 后的误差信号作为 ΜΙΜΟ控制器的一个输入,给定机端电压 U _g o减去机端电压 U _g 后的误差信号作为 MIMO控制器的另一个输入， 给定相位差 β。(=π-α)减去 交流励磁电流 Ι _ω 和 I _fQ 的相位差 β后的误差信号作为第三个输入； ΜΙΜΟ控制 器的输出控制两个交流信号源的频率 co _f , 以满足 ·Ω,„;输出控制其中 的一个交流信号源中的相位（也可以通过微调 该信号源的频率达到调整相位的 目的）使得电流相位差 β等于 β。； 输出控制两个交流信号源的有效值使得机端 电压 U _g 趋于给定机端电压 U _g0 。

图 3给出了一种由半导体器件构成的控制系统 2实施方案。 整流器 26A 的电源输入以常规方式接电网 4、 输出经滤波器 27后接逆变器 28A的电源输 入。逆变器 28A的输出励磁电压 f ^和 作为控制系统 2的输出 6。整流器 26A 将电网交流电压变成直流且直流电压可控， 滤波器 27将直流电压中妁高频交 流分量滤除， 逆变器 28A将直流变成交流， 交流的频率和相位可控。 控制器 25的一个输入接电机的机械转速 Q _m 7, 另一个输入接收以常规方式测量的电 网电压频率 CD _S ,还有两个输入接所述控制系统 2的输出电流 IfD或 I _f Q并测量它 们的角差 β, 最后一个输入接图 1电机 1的机端电压 8,控制器 25的一路输出 接逆变器 28Α 的受控输入， 控制输出的交流励磁电压角频率 （D _f 使得 (Of ^ ω _χ - ρ - Ω _ιη 和交流励磁电流的角差 β = (π-α); 控制器 25的另一路输出接整 流器 26Α的受控输入， 机端电压偏离给定电压将引起整流器 26Α输出的直流 电压改变、 交流励磁电压有效值改变、 交流励磁电流有效值改变、从而将引起 机端电压改变与给定机端电压趋于一致。

图 4给出了一种由半导体器件构成的控制系统 2另一实施方案。 图中， 整 流器 26Β采用二极管不可控整流；逆变器 28Β采用现代半导体技术，如 VMOS、 IGBT等； 控制器 25改为控制器 29， 机端电压 8的改变将引起控制器 29输出 的脉冲宽度的变化，脉冲宽度即现代半导体的 导通宽度， 导通宽度的改变将引 起逆变器 28B输出的交流电压有效值的改变， 从而改变机端电压； 其它连接 和作用同图 3。

图 5给出了控制系统 2的又一种实施方案。 普通两相交流发电机 22由调 速异步电动机 21拖动， 异步电动机 21由变频器 23供电， 变频器 23的电源以 常规方式接电网 4; 两相交流发电机 22的励磁绕组由副励磁控制器 24供电， 副励磁控制器 24的电源以常规方式接电网 4。 两相交流发电机 22的定子有 2 个相同的、角度差 (π-ο 的绕组；交流发电机 22输出两相交流励磁电压 和^^ 作为控制系统 2的输出 6，变频器 23用于异步电动机 21的调速，即改变 [^和 的频率， 副励磁控制器 24输出直流电用于交流发电机 22的励磁； 变频器

23的受控输入接控制器 20的输出， 比例积分控制器 20的一个输入以常规方 式接电网 4并测量电网电压的频率 co _s , 另一个输入接图 1 中电机 1的机械转 速 Ω _1Ώ 7， 第三个输入接交流励磁电压 c _D 或 (^并测量其角频率（o. _f (相当于异 步电动机 21 的转速）， 控制输出两相交流励磁电压的角频率 （D _f 使得 co _f = o3 _s — _P - Ω,„； 副励磁控制器 24的受控输入接收图 1电机 1的机端电压 8的 信号， 并以励磁电压的角频率 co _f 作为前馈控制， 控制输出使得机端电压 8与 给定机端电压趋于一致。

图 5中的副励磁控制器 24和控制器 20是两个单入单出（SISO)结构，是因 为励磁控制器 24采用了带频率前馈的控制，比一个 MIMO结构较简单，所以， 图 3的控制器 25,和图 4的控制器 29也可以简化成一个回路控制频率、另一个 回路带前馈控制机端电压； 带前馈控制机端电压的回路与励磁控制器 24—样 可以采用普通的比例控制或比例微分控制， 而控制频率的回路与控制器 20— 样需要采用比例积分控制。 图 6给出了一种积分控制的实施方案。

图 6给出了带积分的控制器一种方案。 第一求和器 201 的输入接 co _s 、 Ω _1Ώ 和 o _f , 获得误差 e = co _s _ Ω _1Ώ - co _f ， 第一求和器 201的输出分别接积分器 202、 微分器 204和第三放大器 206的输入；第二求和器 207的一个输入经第一放大 器 203接积分器 202的输出、一个输入经第二放大器 205接微分器 204的输出、 一个输入接第三放大器 206的输出， 获得误差 e的比例微分和积分控制信号； 第二求和器 207的输出作为控制器的输出， 其中， 第一放大器 203的放大倍数 不为 0, 以保证 _ρ . Ω„,， 否则， 如果没有积分控制， 只有比例微分控制， 则 ρ · Ω,„, 将不能同步运行。

图 7给出了一种用功角反馈以替代图 6中积分部分的带功角反馈的控制器 实施方案。 测量的功角 δ具有积分效果且比积分器准确， 笫四求和器 208的输 入接给定功角 S _Q 与功角 δ的差、 输出接第一放大器 203的输入， 其它同图 6。

由 《同步电机学》可知， 功角 δ可以通过测量机端电压 U _g 、 定子电流 I 和功率因数角 φ, 由公式计算获得， + , 、 χ _£/ -/-cos — r _fl -/-sin

tg(o) = '- ■

U _g +r _a -I · cos(^) + x _q -I- sin(^)

其中 r _a 为电机 1的定子电阻和 x _q 为电机 1 的同步电抗， 但计算获得的 δ 误差较大。

本发明给出一种测量 δ的办法。若 为转子 Dd绕组相对于定子 AX绕组 的夹角， θ ₂ 为 A相机端电压的相位角， θ ₃ 为 Dd绕组中交流电流的相位角， 贝 J 功角 δ:

5 = +6> ₃ - -90°。

0i通过在电机 1的转子 12的轴上固定位置编码器而得到测量。 机端电压 和交流励磁电流都是交流信号， 有很多电路能够测量交流电的相位角 θ ₂ 和相 位角 θ ₃ , 即 θ ₂ 和 θ ₃ 的测量都是常规手段。

图 6和图 7给出的控制器方案可以直接作为图 5控制器 20，其输出接图 5 变频器 23的输入， 控制变频器 23 改变输出电压的频率； 而作为图 3和图 4 逆变器 28Α或 28Β的受控输入， 控制器 25或 29简化的比例积分控制器和逆 变器 28展开见图 8。

图 8给出了控制信号到逆变器受控输入的展开图� �图 6或图 7的输出接到 交流信号发生器 (20Α)和 (20C)的调频输入端， 以调整发生器 (20Α)和 (20C)输出 交流信号的频率；发生器 (20Α)和 (20C)的输出分別接脉冲生成电路 (20Β)和 (20C) 的输入端， 由交流信号按照 WM原理生成逆变器 28的控制脉冲， 脉冲生成 电路 (20Β)和 (20C)的输出分别接到两个逆变器 28Α或 28Β的输入端以产生交流 励磁电压 UfD和 U _fQ ;交流发生器 (20A)的相位不调整,但是交流信号发生器 (20C) 的相位受求和器 (20E)的控制， 两个转子线圈夹角电角度 (π-α)减去交流励磁电 流 IJD和 I _FQ 的角差 β后作为求和器 (20Ε)的输入， 求和器 (20Ε)的输出接交流信 号发生器 (20C)的相位输入端， 以调整 β = (π-α)。 可调幅度、 频率和相位的交 流信号发生器方案很多， 逆变器的脉冲生成电路也很多， 这里不再给出。 启动方法

办法一： 与同步发电机相同，启动后，转子不断加速， 励磁控制不断调节， 机端电压 u _g 接近于电网电压 U, 接近于 - 且 δ接近于 0, 准同期合闸 并网； 也可以跟踪同期并网， 控制 = -«„,和3 = 0, 合闸并网。 办法二： 首先启动励磁控制， 控制 oy _f = ω _ί - ω„ _ι 和 δ = 0、 机端电压 U _g 接近 于电网电压 U; 其次合闸并网； 最后， 开动电机旋转。

办法三： 首先令控制器 2的输出电压为 0, 合闸并网， 此时， 电机将按照 异步电机启动； 之后， 增加控制器 2的输出， 电机将由异步整步到同步运行。

作为调速同步电动机并网运行

作为调速的同步电动机，由本发明的控制器 2能够维持机端电压在给定电 压附近， 如果要增减输出的无功功率， 可以通过调整机端给定电压即可； 要达 到调速的目的， 还需要增加调速控制器， 与普通的同步电机一样， 测量电机的 机械转速 通过调速控制器的控制作用, 能够维持机械转速 0„ ₁ 与给定机 械转速 Q _m 。一致， 励磁磁场的同步运行由所发明的控制器 2完成。 所需要的调 速控制器与现有调速控制器相当， 这里不再给出。

作为调速的同步发电机并网运行

作为调速的同步发电机， 与调速的同步电动机基本一样， 只是需要增加有 功功率的调整。 按照调度指令， 人工或自动发电控制 AGC改变给定机械转速 Ω _1Ώ0 即可实现调整有功出力。

作为风力发电机并网运行

与调速同步电机不同， 由于风速的变化， 风能在不断的变化。 为了最大地 利用风能， 要求风力发电机的发电功率随风能的变化而变 化， 显然， 不需要调 速控制， 反馈控制维持功率接近给定值也不可取。 当风力加大时， 引起转子加 速， 转速增加， 在励磁动作之前 ω + ω _ιη > ω ₅ ？ 引起功角 δ力口大, 输出的电磁功 率加大， 多发电到电网， 同时， 由于输出功率的加大， 当与风能相等时， 转子 停止加速， 功角维持不变，输出的电磁功率也维持不变， 处于稳定运行； 同理， 风速减小时， 输出的电磁功率也将随之减少。 当然， 在风力加大的过程中， 因 为控制器 2的调节作用， 使得 δ不再加大， 电磁功率也将保持， 将部分风能转化为转子动能， 同理， 在风力减少时， 能够将转子的部分动能转 化为电磁功率输送到电网，这种特性既维持了 电机的同步稳定运行， 又减少了 输出到电网功率的波动幅度， 抑制了阵风引起的风力发电功率的脉动。

本发明的方案是完整的、 可实现的。 发明人曾将实验样机从 0转 /分钟持 续调整到 20000转 /分钟。 尽管已经示出和描述了本发明的实施例， 对于本领域的普通技术人员 而言， 可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况 下可以对这些实施例 进行多种变化、 修改、 替换和变型， 本发明的范围由所附权利要求及其等 同限定。