CN101257275A - 一种单馈同步风力发电机组 - Google Patents

Abstract

一种单馈同步风力发电机组，属风力发动机技术领域，用于解决风力发电问题。其技术方案是：它由发电机、主断路器、主变压器和逆变器组成，所述发电机的转子与风轮直接连接，定子的输出端依次经主断路器和主变压器接电网，所述逆变器的输出端接发电机的转子线圈，逆变器的输出信号是频率等于电网频率减去转子的机械转动频率与转子极对数的乘积的差的正弦波。同现有风力发电机相比，本发明不仅结构简单、制造成本低，而且提高了能量转换效率。

Description

一种单馈同步风力发电机组

技术领域

本发明涉及一种利用风能发电的发电机组，属风力发动机技术领域。

背景技术

随着全球化学能源的日益枯竭，风力发电越来越受到人们的重视。目前风力发电机主要有永磁发电机和异步发电机两大类型。

永磁发电机是在转子上安装有永久磁铁，发电机的转子旋转时，其旋转磁场切割定子绕组就会在发电机定子上产生电压。

风力发电机的桨叶转速一般都很低，这就要求永磁发电机不仅要具有相当多的极对数，而且还要在发电机转子与风轮之间设置增速齿轮箱，以提高发电机的旋转频率(低频发电效率是很低的)。永磁发电机的极对数多，使得发电机组的径向尺寸和高空平台尺寸都比较大，因而风塔支柱结构的受力很大，这会导致塔身结构的投资增大；增速齿轮箱的重量往往重达数十吨，它不仅会降低发电机的效率，而且其磨损问题还会影响发电机的使用寿命。永磁发电机的转速完全取决于风轮的转速，因而发电机所输出的交流电的频率完全取决于当时的风速，不可能与电网的频率相等(为异步发电)。因此，必须先利用“交-直-交”变流设备将发电机输出的电能转换为50赫兹的交流电，才能并网发电。由于变流器总容量必须等于或大于发电机容量，大大增加了发电机的制造成本。此外，永磁材料在长期运行中不可避免地存在退磁的问题，高空充磁或更换磁极也是一件十分麻烦的事情。

异步发电机通常也需要增速齿轮箱，如目前国内外最为流行的采用“异步双馈”发电方案的异步发电机。异步发电机依靠定子与转子旋转磁场的滑差传递能量，发电机输出的交流电频率也与电网不同，因此也必须使用“交-直-交”变流设备将发电机输出的电能转换为50赫兹的交流电。所谓“双馈”，就是转子除了要向发电机转子提供一定的励磁能量之外，在发电机高速运行时，还可以依靠变流设备将发电机定子与转子的滑差能量通过励磁侧的变流设备送到电网。这可以减小发电机定子侧主变流设备的设计和制造容量，是十分经济合理的，但是加上励磁侧变流器的容量，总容量比永磁式的还要大，而且要定子和转子侧两套控制系统。

综上所述，无论是永磁发电机还是异步发电机，都存在着结构复杂、制造成本高、能量转换效率低的缺点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足、提供一种结构简单、制造成本低、能量转换效率高的的单馈同步风力发电机组。

本发明所述问题是以下述技术方案实现的：

一种单馈同步风力发电机组，由发电机F、主断路器K1、主变压器ZB和逆变器NB组成，所述发电机F的转子与风轮直接连接，定子的输出端依次经主断路器K1和主变压器ZB接电网，所述逆变器NB的输出端接发电机F的转子线圈，逆变器NB的输出信号是正弦波，其频率等于工频频率减去风轮的机械转动频率与转子极对数的乘积再除以60后所得商的差；所述发电机的转子绕组和定子绕组的绕组结构相同。

上述单馈同步风力发电机组，在所述逆变器NB与发电机F之间增设励磁电机L，所述励磁电机L的转子与发电机F的转子同轴固定连接，且两转子的线圈相连接，励磁电机L的定子线圈接逆变器NB的输出端。

上述单馈同步风力发电机组，所述逆变器NB的供电电源由励磁变压器LT和整流器ZL组成，所述励磁变压器LT的原边线圈经励磁断路器K2接电网，副边线圈经整流器ZL接逆变器NB。

上述单馈同步风力发电机组，所述整流器ZL为晶闸管或IGBT组成的三相调压整流桥，所述逆变器NB为调频和调相逆变器，整流器ZL和逆变器NB的控制器由发电机端电压、网侧电压和主变压器ZB输出电流三个反馈量控制。

本发明的发电机转子与风轮直接连接，省去了笨重的增速齿轮箱，既降低了成本，又提高了能量转换效率；利用逆变器向转子提供调频调压调相位的控制信号，使发电机与电网同步发电，发电机定子输出的能量可以直接(经过升压变压器)送入电网，省去大功率(发电机全容量)变流器，仅用一台小容量(励磁)变流器就可控制发电机的运行，不仅控制器的调节方法简单，而且减少了制造成本；使用励磁电机给发电机转子提供励磁电流，可省去滑环和碳刷，在降低维护工作量的同时，提高了设备的使用寿命。同现有风力发电机相比，本发明不仅结构简单、制造成本低，而且提高了能量转换效率。

附图说明

图1是本发明的电原理图；

图2是本发明主回路的等效电路图；

图3是相关电压、电流向量之间的关系图。

图中各标号为：F、发电机，K1、主断路器，ZB、主变压器，K2、励磁断路器，LT、励磁变压器，ZL、整流器，NB、逆变器，L、励磁电机，CT1、CT2、电压互感器，CT、电流互感器，δ、功率角，Xd、发电机的纵轴电抗，Xt、主变压器电抗，

发电机电势，

电网电压，主变压器二次侧电压，

发电机电流，

发电机电势与电网电压的差，有功电流，

无功电流。

文中所用符号：fz、向转子供电的电源频率，P、转子极对数，nd、转子发出的旋转磁场相对于定子的转速(同步转速)，nj、转子的机械转速；nz、转子旋转磁场相对于转子自身的转速，f、发电机发出的频率，Δf、励磁变频器与电网的频率差。

具体实施方式

风力发电机组作为一个成套设备而言是一个系统，它可以分为风轮桨叶、轮毂、变桨距装置、主轴和轴承、高速制动系统、连轴器和增速齿轮箱、偏航总成、机舱底盘、发电机、电力电子设备，外罩、塔筒等部分。但是从能量转换的观点看，风力发电只是将风能先通过机械装置转换为机械能，然后通过发电机将机械能转换为电能。本专利涉及的范围仅限于发电机的机械能转换为电能的环节。

本发明的风力发电机转子上不采用直流励磁或永久磁铁(在原理上直流励磁相当于永久磁铁)，而是采用交流励磁(这一点与通常的双馈风力发电机相似)；但是发电机的转子回路在功能上只是从机端(网侧)变压器取能，通过整流器先将交流电整流成直流电(“交-直”)，然后将直流电通过逆变器转换为交流电(“直-交”)，给转子提供一个“适当”频率的三相正弦交流电源，在这里该能源的流动方向是单方向的，即电能只需要考虑从机端变压器通过“交-直-交”变流器送到转子，而没有从转子侧将能量反馈到电网的运行状态，即转子能量的流动方向是单方向的(“单馈”)，这一特征是与永磁和双馈风力发电的根本区别之一。

送到转子侧的交流电源频率(频率在50赫兹以下)是可变的，本发明的关键是控制其频率(包括幅值和相位角)，使得定子发出的交流电源与电网完全同步，因此定子侧无需大功率“交-直一交”变流设备，即发电机定子可以通过升压变压器直接并网，这一特征是与永磁和双馈风力发电根本区别之二。

向发电机转子供电的交流电源其频率是可变的，最高频率为50赫兹；最低频率应该保证在发电机最高转速状态下，定子感应出来的电压也是50赫兹。由于变流器输出频率始终在50赫兹附近(略低于50赫兹)，变流器的调频调压范围比较窄，相对于一般变频器更为简单，但是其中的相位控制是普通变频器所不具备的，这一特征是与上述永磁和双馈风力发电根本区别之三。

本发明为直驱式(无增速齿轮箱)风力发电，因为转子在正常运行条件下的机械转速本来就很低(相对于旋转磁场的转速要求)，如果忽略转子的机械转速，对于变频器而言最高频率输出50赫兹已经足够。目前频率为零至50赫兹的调频调压逆变器已经成为常规产品，因此本专利使用直驱式发电不仅仅是理论上可行的，而且在技术上也已经完全成熟。

利用转子提供调频调压调相位的综合技术(有别于普通的异步电动机调速)，不仅可以取消齿轮箱(直驱式)，做到低速发电机与电网同步发电的目的，而且依靠控制一台小容量(励磁)变流器达到控制发电机全部运行情况(包括有功和无功的调节)的目的，这也是与上述永磁和双馈风力发电根本区别之四。

本发明的工作原理：

实施本发明的关键是通过调节转子电源的频率、电压、和相位控制发电机定子的各种运行状态。

对转子进行三相正弦交流供电，在转子上一定会产生一个与电源频率相应的旋转磁场，转速取决于极对数和电源频率。相对于转子自身的旋转磁场转速为nz：

nz＝(fz×60)/P

其中：fz为向转子供电的电源频率；

P为转子极对数。

定义转子旋转磁场的旋转方向与转子的机械运动方向为同方向，这样转子旋转磁场切割定子的相对速度为两者之和。转子发出的旋转磁场相对于定子的转速为nd：

则nd＝nj+nz

其中：nj为转子的机械转速；

nz为转子旋转磁场相对于转子自身的转速。

控制的要点是nd的旋转磁场相对于定子而言要绝对与电网同步，而且在相位上也紧紧地咬合上，这样发电机在电气原理上就如同一台同步发电机，所以称为单馈“同步”发电。

为了保证发电机与电网同步，发电机发出的电源频率应该为50赫兹。

假定风力发电机定子上三相绕组与通常的火力发电与水力发电一样设计，而转子的三相绕组与通常的异步电动机定子绕组一样设计(指绕组的展开图的设计是一样的，而具体“结构”上，发电机绕组是布置在环形铁心的内侧，而电动机绕组则布置在转子铁心的外缘。)，极对数为P。

发电机发出的频率(f)当然等于同步转速(nd)乘以极对数(P)被60除，f＝(nd×P)/60，其中，F为同步频率(50赫兹)。

因为nd＝nj+nz；而且转子的机械转速相对于转子旋转磁场的转速是很低的，即nd≈nz。所以提供转子的交流电源频率也很接近50赫兹。

由于发电机转子的机械转动，所以转子由于交流励磁而产生的围绕转子自身的旋转磁场的转速可以减少一个转子的机械转速的量，这个转速差可以转换为励磁变频器应该减少的(与50赫兹相比)频率差(Δf)。

Δf＝(nj×P)/60。

对于通常火电厂的汽轮发电机而言，它的励磁是直流励磁，极对数为一(直流励磁使转子形成具有一个N极和一个S极的磁铁)，定子绕组为三相，而发电机的转子是依靠汽轮机驱动的，转子磁极产生的磁力线切割定子绕组而发电。因为要求发电机的频率等于50赫兹，所以发电机的转速应该等于60秒/分×50赫兹＝3000转/分。

在发电机转子上镶嵌有三相交流绕组，绕组的分布如同普通异步电动机的定子那样，假定极对数设计为三，那么只要旋转磁场(相对于定子而言)的转速等于1000转/分，定子上就会产生50赫兹的正弦波。如果直驱式转子的机械运动相对于定子为20转/分，那么我们令转子产生一个相对于转子自身而言为1000-20＝980(转/分)的旋转磁场，即逆变器的输出信号的频率为980×3/60＝49(赫兹)。此时对于定子而言，其旋转磁场还是1000转/分，所以发电机定子输出的三相交流电的频率还是等于50赫兹。

反过来说，如果当时风力发电机风叶的转速为20转/分，本专利为直驱式(不用增速齿轮箱)，那么发电机转子的机械转速也是20转/分，相应的Δf＝(nj×P)/60＝1，其中nj＝20，P＝3，所以Δf＝1。所以提供一组50-1＝49(赫兹)的三相交流电就能够让定子发出50赫兹的交流电了。其余依此类推。

由于本发明原理上的需要，发电机的转子绕组必须设计成和定子绕组相似的绕组结构，这样在转子上如果接入三相交流电源，可以保证在转子上产生一个与电源频率相应的旋转磁场(定义旋转方向应该与转子的机械运动方向相同)，控制的要点是转子旋转磁场相对于定子是基本不变，保证定子发出的电源频率为50赫兹与电网频率同步，其效果就如同普通的同步发电机。这是对发电机在结构上的要求。

在原理的叙述上，本发明运用了“转速”这个词，但是在控制技术上，我们运用的是控制转子电源的频率、相位和电压。

参见图1，从发电机F的定子输出端经过主断路器K1接通主变压器ZB，将电能送入电网。发电机转子绕组的能量由电网经过励磁断路器K2接通励磁变压器LT，经过整流器ZL(由IGBT组成的三相桥)整流成直流电源，再由逆变器NB将直流逆变成交流励磁电源。励磁电机L的定子线圈接逆变器NB的输出端，励磁电机L的转子给发电机F的转子提供励磁电流。控制器通过电压互感器PT1、PT2和电流互感器CT采集发电机F的端电压和网侧电压的幅值、频率和相位以及发电机电流信号，并控制整流器ZL和逆变器NB的运行。

控制整流电源主要为了调压；让逆变器只负责变频和调节相位。从原则上讲，整流电路用二极管(不控)也是可行的，全部调节工作均由逆变电路来完成，但是这样就加重了逆变器控制系统设计的复杂性，影响快速性和控制精度。

普通的交流变频就是调频调压的，但是不调相。为了逆变电路控制系统设计的合理性，把直流母线电压(整流器输出到逆变器输入)的控制让给整流器完成，无论使用晶闸管或IGBT完成稳压闭环控制都是一件极简单的事情，这样逆变器的控制系统只要管理交流电压的调频和调相(发电机端电压和电网电压的相位)。

在原理上改变交流电压幅值，不但会影响发电机输出的无功功率，同时也要影响到发电机输出的有功功率，同样的道理，改变发电机与电网间的相位角δ，不但影响发电机输出的有功功率，同时也影响到发电机输出的无功功率(从图3可以看得出)。因此我们的控制是用两个控制手段(调压和调相位角)同时控制一个对象(发电机)的两个目标(发电机的有功和无功)。

但是发电机的功率角实际上是不能直接检测到的，要通过图2间接运算得到，这样就使得调节器的设计比较复杂而且误差比较大。

所以本发明提出“更为直接的方法”。即：

用控制逆变器输出的交流电压幅值这一手段(实际上本发明的设计是控制整流器的输出电压，即逆变器输入的电源电压，达到控制逆变器输出交流电压的幅值的目的)，单一地控制发电机向电网送出的无功功率。用控制逆变器输出电压与电网电压之间的相位角(并网前用来控制发电机频率)这一手段(因为纵轴电抗隐含在发电机内部，根本无法直接测量功率角δ，但是我们知道δ角永远是和机端电压与电网电压之间的相角成正比的这一物理关系)，单一地控制发电机向电网送出的有功功率。因为发电机的有功和无功是电厂的控制的目标，用它作为反馈量当然是最直观和方便的。

无功闭环(目标是发电机的无功)用发电机电压Ug(这就是参数)作为手段；有功闭环(目标是发电机的有功)用发电机的功率角δ(这就是参数)作为手段。如果用解耦的方法，那么根据图3可以导出有功功率P和Ug，以及无功功率Q和δ的计算公式。

目前交流变频技术已经十分普及和成熟，本专利无须描述。与双馈风力发电的区别是本专利的转子绕组能量只需单方向传递，其中整流器ZL可以是晶闸管也可以是IGBT组成的三相桥，逆变部分的拓扑与双馈风力发电完全相同，但是双馈风力发电方案中转子绕组的能量是要求双向传递的，因此逆变器就比较复杂，容量也比较大。

本专利发电机从起励到并网的主要控制过程如下：

在风力足够大的情况下，发电机励磁能量先取自电网，通过励磁变压器获得电能，由控制器控制整流器和逆变器，调整发电机励磁绕组电源的频率、相位和电压幅值，使得发电机定子输出的频率、相位、电压和电网的频率、相位、电压符合并网条件。

所谓“并网条件”，即发电机端电压经过升压变压器后略高于电网电压，以保证发电机在并网瞬间发电机向电网送出无功而不是吸收无功；发电机频率略微高于电网频率，而且相位略超前一点，以保证发电机在并网瞬间发电机向电网送出有功而不是吸收有功。这种并网方式与一般火力发电厂或水电站是完全一样的，因此控制器的设计在技术上没有困难。

并网前发电机端电压的幅值、频率和相位取自发电机端的电压互感器PT1，而网侧电压的幅值、频率和相位(与发电机不同步)取自网侧的电压互感器PT2。因为发电机与网不同步，需要这些量作为反馈，通过调节器调节交流励磁电源。以发电机的端电压(经过升压变压器)略高于网侧电压、频率相同、相位略超前与电网，作为并网条件。

升高逆变电源的幅值可以提高发电机端电压，反之亦然。

提高逆变电源的频率可以提高发电机的频率，反之亦然。

并网条件：

微调逆变器的频率，在发电机频率高于网侧0.1Hz左右，而且发电机相位略超前于电网(考虑断路器合闸时间)，同时发电机(经过升压变压器)端电压略高于网侧电压时(考虑并网瞬时发电机向电网送出无功而不造成无功冲击。合闸主断路器实现并网。

这种并网的方式与普通火电厂或水电站完全相同，但是控制原理根本不同。

图2标明了发电机内电势、发电机机端电压和发电网电压之间的相互关系，它们之间有发电机纵轴电抗和主变压器电抗相联结，并网后它们的电压、电流的辐值和相位关系表示在图3中(当然频率不相等只发生在并网以前)。

从图2和图3可见，发电机输出的有功功率与发电机电势和电网电压夹角δ的正弦成正比例，δ为功率角。Xd是发电机的纵轴电抗(由发电机制造参数决定)，通常标明在发电机铭牌上，也可以通过测量方法求得，Xt是主变压器电抗。

由图2可见：

$\stackrel{\·}{E}-\stackrel{\·}{U_{\mathrm{net}}}=\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{U};$

$\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{U}/(\mathrm{Xd}+\mathrm{Xt})={\stackrel{\·}{I}}_f.$

上述的量都是向量。

在

向量上的投影就是有功电流，

在

向量的垂直方向投影就是无功电流。有功电流乘以网侧电压就是有功功率；无功电流乘以网侧电压就是无功功率。

简而言之，如果我们要调节发电机输出的无功功率，首先调节发电机的内电势(相当于调节水电站或火电站的直流励磁)，达到要求的无功输出，然后修正一下有功输出；如果我们要调节发电机输出的有功功率，首先调节发电机内电势与电网的相角，即调节功率角δ(相当于调节水电站或火电站的水闸门或汽门)，达到要求的有功输出，然后修正一下无功输出，参见图3。

我们知道Xd在物理上是隐含在发电机内部的，所以在并网后一旦发电机有电流

通过，Xd上就有电压降，我们就测量不到真正的E和δ，这一点要特别注意。我们能够测到的只是主变压器二次侧电压Ug，但是我们在已知Xd和Xt的条件下，根据图2的网络，完全可以间接求出

和δ。

本专利推荐的是一种更为直接的控制方式。

考虑到发电机已经并网，发电机输出的有功和无功在网侧的有功和无功传感器上均可直接得到反馈，所以不必经过计算间接得到。但是δ的值还是要密切注意的，防止在风力过小的情况下企图输出大的有功功率，否则δ大到不适当的位置将导致发电机与电网失步，这是绝对不允许的。根据风速的大小控制发电机的功率角在合理范围内运行，不但可以保证风力发电机不失步，而且可以使风力发电机组达到最佳运行状态，尽可能地多发电。

此外，控制角的控制还应该考虑电力系统在小震荡情况下，发电机具有对电网的阻尼功能，使得整个风场的电力系统具有良好的系统稳定性能。

当风速低于一定范围，发电机应该与电网先解列，然后停机。

根据风速反馈，在低风速时发电机输出的有功和无功已经很小，发电机应该停止运行。停机前应该先降低发电机电势(减少无功输出)和减小运行的功率角，使发电机输出的有功和无功功率降低到零，然后切断主断路器，使发电机与电网解列，最后降低发电机转子的励磁电压到零。最后停机和切断励磁变压器的电源。

发电机同轴带有一台励磁电机，励磁电机的定子和转子都有三相交流绕组，我们外部变流器控制其励磁电机的定子，励磁电机转子(发电)直接向主发电机转子供电，这样控制励磁电机的定子可以间接控制主发电机电压的幅值、频率和相位。

取消滑环和碳刷是一个优点，增加一台励磁电机是一个缺点。但是增加了励磁电机，变流设备从向主发电机转子供电，改为向励磁电机定子供电，变流设备的容量大大地减小了，又是带来好处的。具体工程设计应该做经济技术比较。

总体来讲，当机组容量不大时，可以不要励磁电机组，当主发电机容量很大时，用励磁电机组是一个好的选择。

Claims (4)

1、一种单馈同步风力发电机组，其特征是，它由发电机(F)、主断路器(K1)、主变压器(ZB)和逆变器(NB)组成，所述发电机(F)的转子与风轮直接连接，定子的输出端依次经主断路器(K1)和主变压器(ZB)接电网，所述逆变器(NB)的输出端接发电机(F)的转子线圈，逆变器(NB)的输出信号是正弦波，其频率等于工频频率减去风轮的机械转动频率与转子极对数的乘积再除以60后所得商的差；所述发电机的转子绕组和定子绕组的绕组结构相同。

2、根据权利要求1所述单馈同步风力发电机组，其特征是，在所述逆变器(NB)与发电机(F)之间增设励磁电机(L)，所述励磁电机(L)的转子与发电机(F)的转子同轴固定连接，且两转子的线圈相连接，励磁电机(L)的定子线圈接逆变器(NB)的输出端。

3、根据权利要求1或2所述单馈同步风力发电机组，其特征是，所述逆变器(NB)的供电电源由励磁变压器(LT)和整流器(ZL)组成，所述励磁变压器(LT)的原边线圈经励磁断路器(K2)接电网，副边线圈经整流器(ZL)接逆变器(NB)。

4、根据权利要求3所述单馈同步风力发电机组，其特征是，所述整流器(ZL)为由晶闸管或IGBT组成的三相调压整流桥，所述逆变器(NB)为调频和调相逆变器，整流器(ZL)和逆变器(NB)的控制器由发电机端电压、网侧电压和主变压器(ZB)输出电流三个反馈量控制。

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