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1、(10)申请公布号 CN 102790571 A (43)申请公布日 2012.11.21 C N 1 0 2 7 9 0 5 7 1 A *CN102790571A* (21)申请号 201210311275.8 (22)申请日 2012.08.29 H02P 9/10(2006.01) (71)申请人北京交通大学 地址 100044 北京市海淀区西直门外上园村 3号 (72)发明人李伟力 高晗璎 张晓晨 张富全 周封 付敏 赵乐然 (74)专利代理机构哈尔滨市松花江专利商标事 务所 23109 代理人张果瑞 (54) 发明名称 风力发电机无刷励磁系统及主、副励磁系统 的切换方法 (57) 。
2、摘要 风力发电机无刷励磁系统及主、副励磁系统 的切换方法，属于电机领域，本发明为解决现有风 力发电不能实现低电压穿越技术的问题。本发明 所述风力发电机无刷励磁系统由主、副励磁两部 分系统。根据电网电压跌落情况，快速的切换主、 副励磁系统。避免风力发电机出现失磁现象，确保 发电机稳定运行，不出现脱网现象。电网稳定时， 风力发电机正常运行，主励磁机从电网获取励磁 电压，副励磁系统的永磁风力发电机空载运行，不 产生励磁电压。电网跌落时，主励磁系统断开，副 励磁系统接入，提供励磁电压，实现低电压穿越功 能。同时为电网补偿无功功率，实现对电网的无功 功率支撑。电网恢复正常时，主励磁系统恢复工 作，副励磁。
3、保持空载运行。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书4页 附图3页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 3 页 1/1页 2 1.风力发电机无刷励磁系统，风力发电机(3)通过机侧变流器(2)和网侧变流器(1) 将产生的电能回馈给电网，其特征在于，风力发电机无刷励磁系统包括主励磁系统和副励 磁系统，主励磁系统和副励磁系统在控制器(6)控制下交替工作， 主励磁系统包括BUCK变换器(7)，BUCK变换器(7)的直流输入侧与网侧变流器(1)输 入侧的直流母线相连，BUCK变换器(7)的直流输出侧连接控制器(6)的主励磁输入端。
4、，接 控制器(6)的励磁输出端连接风力发电机(3)的励磁绕组； 副励磁系统包括永磁同步发电机(4)和PWM整流器(5)，永磁同步发电机(4)随风力发 电机(3)同轴转动，永磁同步发电机(4)的交流输出端与PWM整流器(5)的交流输入端相 连，PWM整流器(5)的直流输出端连接控制器(6)的副励磁输入端。 2.根据权利要求1所述风力发电机无刷励磁系统，其特征在于，控制器(6)包括监测 模块(6-1)、比较模块(6-2)和开关模块(6-3)，监测模块(6-1)监测主励磁系统供给风力 发电机(3)的励磁绕组的励磁电压，并将监测到的励磁电压发送给比较模块(6-2)，比较模 块(6-2)将所述励磁电压与。
5、风力发电机(3)的额定励磁电压进行比较，将比较结果发送给 开关模块(6-3)，当比较结果为所述励磁电压与风力发电机(3)的额定励磁电压相等时，开 关模块(6-3)控制主励磁系统接入，由主励磁系统单独为风力发电机(3)的励磁绕组提供 励磁电压；当比较结果为所述励磁电压低于风力发电机(3)的额定励磁电压时，开关模块 (6-3)控制副励磁系统接入，由副励磁系统单独为风力发电机(3)的励磁绕组提供励磁电 流，且当所述励磁电流达到风力发电机(3)的额定励磁电流时，开关模块(6-3)控制主励磁 系统重新接入，由主励磁系统单独为风力发电机(3)的励磁绕组提供励磁电压。 3.基于权利要求2所述风力发电机无刷励。
6、磁系统的主、副励磁系统的切换方法，其特 征在于，电网无故障状态下，由主励磁系统单独为风力发电机(3)的励磁绕组提供励磁电 压，主、副励磁系统切换方法包括以下步骤： 步骤一、监测主励磁系统为风力发电机(3)的励磁绕组提供的励磁电压； 步骤二、将主励磁系统的励磁电压与风力发电机(3)的额定励磁电压进行比较， 步骤三、判断主励磁系统的励磁电压与风力发电机(3)的额定励磁电压的比较结果； 当主励磁系统的励磁电压与风力发电机(3)的额定励磁电压相等时，执行步骤四；当 主励磁系统的励磁电压低于风力发电机(3)的额定励磁电压时，表明电网发生故障，断开 主励磁系统，执行步骤五； 步骤四、控制主励磁系统接入，由。
7、主励磁系统单独为风力发电机(3)的励磁绕组提供 励磁电压；然后再返回执行步骤一； 步骤五、控制副励磁系统接入，由副励磁系统单独为风力发电机(3)的励磁绕组提供 励磁电压，然后执行步骤六； 步骤六、判断主励磁系统的励磁电压是否上升到等于风力发电机(3)的额定励磁电 压，判断结果为是，表明电网故障消除，断开副励磁系统，返回执行步骤四；判断结果为否， 返回执行步骤五。 权 利 要 求 书CN 102790571 A 1/4页 3 风力发电机无刷励磁系统及主、 副励磁系统的切换方法 技术领域 0001 本发明涉及风力发电机无刷励磁系统及主、副励磁系统的切换方法，属于电机领 域。 背景技术 0002 随。
8、着风力发电机单机容量不断增大与风电规模的不断提高，如何使风力发电机更 加稳定、高效的运行成为了当前研究的热门话题。当电网发生故障引起电压骤降时，若将风 电机组从系统切除，会导致风电机组承担的功率份额缺失，造成系统潮流的大幅变化，带来 系统稳定问题。但是，若不切除风电机组，电网故障引起的并网点电压跌落会给风电机组带 来一系列暂态过程，如过电压、过电流或转速升高等，严重危害风机本身及其控制系统的安 全运行。所以实现低电压穿越技术成为风力发电亟待解决的问题。 发明内容 0003 本发明目的是为了解决现有风力发电不能实现低电压穿越技术的问题，提供了一 种风力发电机无刷励磁系统及主、副励磁系统的切换方法。
9、。 0004 本发明所述风力发电机无刷励磁系统，风力发电机通过机侧变流器和网侧变流器 将产生的电能回馈给电网，风力发电机无刷励磁系统包括主励磁系统和副励磁系统，主励 磁系统和副励磁系统交替工作， 0005 主励磁系统包括BUCK变换器和控制器，BUCK变换器的直流输入侧与网侧变流器 输入侧的直流母线相连，BUCK变换器的直流输出侧连接控制器的主励磁输入端，接控制器 的励磁输出端连接风力发电机的励磁绕组； 0006 副励磁系统包括永磁同步发电机和PWM整流器，永磁同步发电机随风力发电机同 轴转动，永磁同步发电机的交流输出端与PWM整流器的交流输入端相连，PWM整流器的直流 输出端连接控制器的副励。
10、磁输入端。 0007 控制器包括监测模块、比较模块和开关模块，监测模块监测主励磁系统供给风力 发电机的励磁绕组的励磁电压，并将监测到的励磁电压发送给比较模块，比较模块将所述 励磁电压与风力发电机的额定励磁电压进行比较，将比较结果发送给开关模块，当比较结 果为所述励磁电压与风力发电机的额定励磁电压相等时，开关模块控制主励磁系统接入， 由主励磁系统单独为风力发电机的励磁绕组提供励磁电压；当比较结果为所述励磁电压 低于风力发电机的额定励磁电压时，开关模块控制副励磁系统接入，由副励磁系统单独为 风力发电机的励磁绕组提供励磁电流，且当所述励磁电流达到风力发电机的额定励磁电流 时，开关模块控制主励磁系统重。
11、新接入，由主励磁系统单独为风力发电机的励磁绕组提供 励磁电压。 0008 基于所述风力发电机无刷励磁系统的主、副励磁系统的切换方法，电网无故障状 态下，由主励磁系统单独为风力发电机的励磁绕组提供励磁电压，主、副励磁系统切换方法 包括以下步骤： 说 明 书CN 102790571 A 2/4页 4 0009 步骤一、监测主励磁系统为风力发电机的励磁绕组提供的励磁电压； 0010 步骤二、将主励磁系统的励磁电压与风力发电机的额定励磁电压进行比较， 0011 步骤三、判断主励磁系统的励磁电压与风力发电机的额定励磁电压的比较结果； 0012 当主励磁系统的励磁电压与风力发电机的额定励磁电压相等时，执行。
12、步骤四；当 主励磁系统的励磁电压低于风力发电机的额定励磁电压时，表明电网发生故障，断开主励 磁系统，执行步骤五； 0013 步骤四、控制主励磁系统接入，由主励磁系统单独为风力发电机的励磁绕组提供 励磁电压；然后再返回执行步骤一； 0014 步骤五、控制副励磁系统接入，由副励磁系统单独为风力发电机的励磁绕组提供 励磁电压，然后执行步骤六； 0015 步骤六、判断主励磁系统的励磁电压是否上升到等于风力发电机的额定励磁电 压，判断结果为是，表明电网故障消除，断开副励磁系统，返回执行步骤四；判断结果为否， 返回执行步骤五。 0016 本发明的优点：电网电压跌落情况，快速的切换主、副励磁系统，避免风力发。
13、电机 出现失磁现象，确保风力发电机稳定运行，不出现脱网现象。电网电压稳定时，风力发电机 正常运行，主励磁系统从电网获取励磁电压，副励磁系统的永磁同步发电机空载运行，不产 生励磁电流。电网跌落时，主励磁系统断开，副励磁系统接入，提供励磁电流，实现低电压穿 越功能。同时为电网补偿无功功率，实现对电网的无功功率支撑。在电网出现波动的情况 下，风力发电机能保持不间断地并网运行。 附图说明 0017 图1是本发明所述风力发电机无刷励磁系统的结构示意图； 0018 图2是主、副励磁系统切换的原理框图； 0019 图3是实施方式三所述主、副励磁系统切换方法流程图。 具体实施方式 0020 具体实施方式一：下。
14、面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述风力发电机无 刷励磁系统，风力发电机3通过机侧变流器2和网侧变流器1将产生的电能回馈给电网，其 特征在于，风力发电机无刷励磁系统包括主励磁系统和副励磁系统，主励磁系统和副励磁 系统交替工作， 0021 主励磁系统包括BUCK变换器7和控制器6，BUCK变换器7的直流输入侧与网侧变 流器1输入侧的直流母线相连，BUCK变换器7的直流输出侧连接控制器6的主励磁输入端， 接控制器6的励磁输出端连接风力发电机3的励磁绕组； 0022 副励磁系统包括永磁同步发电机4和PWM整流器5，永磁同步发电机4随风力发电 机3同轴转动，永磁同步发电机4的交流输出端与PWM整流。
15、器5的交流输入端相连，PWM整 流器5的直流输出端连接控制器6的副励磁输入端。 0023 永磁同步发电机4包括转子和定子。转子由转子铁芯和稀土永磁体构成。定子由 定子铁芯和定子绕组构成。转子铁芯通过机械配合固定在风力发电机3的转轴上，随轴转 动。 说 明 书CN 102790571 A 3/4页 5 0024 永磁同步发电机4的定子绕组有三个出线端，这三个出线端接PWM整流器5输入 端，将永磁同步发电机5发出的三相交流电整流成两相直流电，然后再经过控制器6与风力 发电机3的励磁绕组相连，供给风力发电机3转子励磁。 0025 具体实施方式二：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进。
16、 一步说明，控制器6包括监测模块6-1、比较模块6-2和开关模块6-3，监测模块6-1监测主 励磁系统供给风力发电机3的励磁绕组的励磁电压，并将监测到的励磁电压发送给比较模 块6-2，比较模块6-2将所述励磁电压与风力发电机3的额定励磁电压进行比较，将比较结 果发送给开关模块6-3，当比较结果为所述励磁电压与风力发电机3的额定励磁电压相等 时，开关模块6-3控制主励磁系统接入，由主励磁系统单独为风力发电机3的励磁绕组提供 励磁电压；当比较结果为所述励磁电压低于风力发电机3的额定励磁电压时，开关模块6-3 控制副励磁系统接入，由副励磁系统单独为风力发电机3的励磁绕组提供励磁电流，且当 所述励磁电。
17、流达到风力发电机3的额定励磁电流时，开关模块6-3控制主励磁系统重新接 入，由主励磁系统单独为风力发电机3的励磁绕组提供励磁电压。 0026 比较结果只有上述两种，不存在励磁电压大于风力发电机3的额定励磁电压的情 况。 0027 具体实施方式三：下面结合图3说明本实施方式，基于实施方式二所述风力发电 机无刷励磁系统的主、副励磁系统的切换方法，电网无故障状态下，由主励磁系统单独为风 力发电机3的励磁绕组提供励磁电压，主、副励磁系统切换方法包括以下步骤： 0028 步骤一、监测主励磁系统为风力发电机3的励磁绕组提供的励磁电压； 0029 步骤二、将主励磁系统的励磁电压与风力发电机3的额定励磁电压进。
18、行比较， 0030 步骤三、判断主励磁系统的励磁电压与风力发电机3的额定励磁电压的比较结 果； 0031 当主励磁系统的励磁电压与风力发电机3的额定励磁电压相等时，执行步骤四； 当主励磁系统的励磁电压低于风力发电机3的额定励磁电压时，表明电网发生故障，断开 主励磁系统，执行步骤五； 0032 步骤四、控制主励磁系统接入，由主励磁系统单独为风力发电机3的励磁绕组提 供励磁电压；然后再返回执行步骤一； 0033 步骤五、控制副励磁系统接入，由副励磁系统单独为风力发电机3的励磁绕组提 供励磁电压，然后执行步骤六； 0034 步骤六、判断主励磁系统的励磁电压是否上升到等于风力发电机3的额定励磁电 压，。
19、判断结果为是，表明电网故障消除，断开副励磁系统，返回执行步骤四；判断结果为否， 返回执行步骤五。 0035 步骤一中监测主励磁系统为风力发电机3的励磁绕组提供的励磁电压，即是BUCK 变换器7输出端的电压。 0036 根据电网电压跌落情况，快速的切换主、副励磁系统。避免风力发电机出现失磁现 象，确保风力发电机3的稳定运行，不出现脱网现象。电网稳定时，风力发电机3正常运行， 主励磁系统从电网获取励磁电压，副励磁系统的永磁风力发电机空载运行，不产生励磁电 流。电网跌落时，主励磁系统断开，副励磁系统接入，提供励磁电流，实现低电压穿越功能。 同时为电网补偿无功功率，实现对电网的无功功率支撑。电网恢复正常时，主励磁系统恢复 说 明 书CN 102790571 A 4/4页 6 工作，副励磁保持空载运行。 说 明 书CN 102790571 A 1/3页 7 图1 说 明 书 附 图CN 102790571 A 2/3页 8 图2 说 明 书 附 图CN 102790571 A 3/3页 9 图3 说 明 书 附 图CN 102790571 A 。