CN101515721B - 带有功率镇定装置的10kv高压风电机组系统 - Google Patents

Abstract

带有功率镇定装置的10KV高压风电机组系统包括10KV高压风电机组(1)、升压变压器(2)、变流器(3)、COROVAC电感器(4)、功率镇定装置(5)，第一降压变压器(21)、第二降压变压器(22)；其中，10KV高压风电机组(1)的定子线圈通过10KV电网分别接第一降压变压器(21)、第二降压变压器(22)、升压变压器(2)的一端，升压变压器(2)的输出端接外部高压电网，第二降压变压器(22)的另一端接功率镇定装置(5)，第一降压变压器(21)的另一端接变流器(3)，变流器(3)的另一端通过电感器(4)接10KV高压风电机组(1)的转子线圈。本发明可解决若干关键技术，特别是风电稳定问题，同时大幅降低一次投资和后续维修成本。

Description

带有功率镇定装置的10KV高压风电机组系统

技术领域

本发明涉及风力发电中压可并联式大功率电力电子背靠背变流器，大型高温超导储能风电功率镇定装置，双馈风电机组专用升压变压器。

背景技术

我国东部沿海风能密度大、平均风力高、存在缺电不缺风的现状；因而我国计划以长三角浅海2000多平方公里的辐射沙洲为中心构建“中国绿色能源之都”，可以发展6000万～12000万千瓦装机容量的风电产业。“十一五”规划提出截至2010年江苏全省建成风电装机容量150万千瓦，占全国风电总装机容量的20％以上。

我国风电产业目前需要解决的问题颇多，主要表现在：

风电产业技术创新能力薄弱，缺乏自主知识产权的核心技术，设备大多依赖进口，技术更新赶不上国际步伐。风电功率大幅度波动问题是限制风电发展的另一个技术瓶颈，即使进口风电机组也远未达到令人满意的程度。风电对电网稳定性和电能质量的冲击与干扰已受到普遍关注，目前的对策是将风电控制在电网总电量的5％以下。

进口风电机组的一次投资和维修费用十分昂贵，影响了我国风电产业的后续发展。此外，目前国际市场上的风电机组出口电压大多为0.69KV或0.4KV，需要经过变压器升压才能并网，增加了额外费用，总之系统拓扑存在很大改进空间。

风电技术并非高新技术。由于磁场径向取向易于切割的永磁材料研制难度及国际专利的约束，永磁直驱风电机组的完全国产化尚需时日。但双馈机组应尽早实现国产化，并在设备研制和拓扑结构等方面尽快形成自主知识产权。

我国低压和10KV高压中型绕线式转子异步电动机的制造技术已经很成熟，业已形成系列产品和相关技术标准，大型电机的有关标准也正在制定之中，将现有技术应用于双馈风电机组无疑很有意义。

由于风能发电不稳定和不连续特点，需要开发和建设配套的电能储存装置来保证发电、供电的连续性和稳定性。现有储能方法有多种，发明专利ZL200410064779X提出一种液氮温区高温超导储能装置D-HT-SMES的核心技术，主要用于对电能质量要求较高的中小用户场合。该技术同样适用于抑制风电机组的功率波动，但风电场功率总量和波动幅度都很大，需要对此技术作出改进。

发明内容

技术问题：本发明要解决的问题是提出一种带有功率镇定装置的10KV高压风电机组系统，实现风电设备国产化，并解决进口风电设备电压低、投资高以及在实际运行中出现的大幅波动功率对电网的干扰问题。

技术方案：本发明带有功率镇定装置的10KV高压风电机组系统包括10KV高压风电机组、升压变压器、变流器、电感器、功率镇定装置，第一降压变压器、第二降压变压器；其中，10KV高压风电机组的定子线圈通过10KV电网分别接第一降压变压器、第二降压变压器、升压变压器的一端，升压变压器的输出端接外部高压电网，第二降压变压器的另一端接功率镇定装置，第一降压变压器的另一端接变流器，变流器的另一端通过电感器接10KV高压风电机组的转子线圈。

所述的功率镇定装置包括镇定器、逆变器、斩波器，镇定器中的高温超导线圈)接斩波器，斩波器的另一端通过逆变器接第二降压变压器。

所述的镇定器为一个高温超导磁体，其中，导引电磁铁的为空心的圆环状，在导引电磁铁的外部为铁砂，在导引电磁铁中设有杜瓦，在杜瓦中设有高温超导线圈，在杜瓦与高温超导线圈之间的空隙中有支撑件并充满液氮。

变流器作为异步电机转子回路四象限背靠背馈电器，采用FZ800R33KL2C-B5(3.3KV)或FZ400R65KF1(6.5KV)等型号中高压IGBT，变流器的控制器通过光纤与IGBT驱动模块相连。

电感器采用COROVAC等磁性材料作成转子侧载频滤波器，呈空心圆柱形棒式结构。

1、采用我国现有标准化10KV高压绕线型转子异步电动机(1)系列产品作风电场发电机组。采用10KV高压电机，省去变比0.69KV/10KV、容量与风力发电机组配套的变压器。也因发电机组的额定电流减小了约15倍，从塔顶至地面的下引线将随之节省大量有色金属。

这种高压机组在我国各类行业有着广泛长期的应用，在各类终端负荷中的性能最为优异。但在发电端负荷中的应用还不如人意，主要原因是发电端的电压一般高于额定电压5％，有时特别是夜间因无功过剩而更高。我国尚无专门针对发电端异步电动机的标准，因此将现有异步电机直接用于风力发电必须配备专用风电变压器。

采用现有异步电动机作为有着宽广调速要求的风力发电机，其机械强度值得关注。多极机在风电超同步范围内的机械强度一般都能保证，可适当增加电磁线圈的浸渍时间，加强绑扎、并注意增强滑环及碳刷支架的强度。

2、配备专用双馈风电机组升压变压器，变比一般取为10KV/220KV。配备高压升压变压器的主要目的是将风电场的电力送到较远的负荷中心，那里的系统容量比风电场所在的地方电网要大得多，因此对风电功率波动的容忍度也相应增加。

这种变压器在结构上无特殊之处，仅将现有标准从10.5KV/220KV改为10KV/220KV，目的在于解决发电端电机经常承受的过电压问题。

使用现有10KV高压电机，定子侧仅需解决上述过电压问题，无需其他特殊措施，更无变频电机在电磁线及槽绝缘等诸多方面的苛刻要求，问题的关键在于转子侧。

3、中压可并联式大功率四象限电力电子变流器，如图2所示。在风电场电系统部分，大功率电力电子变流器属于核心技术，研制成功与否直接影响风电国产化进程。其难点在于：无论处于超同步发电状态还是亚同步发电状态，无论何种功率流向及其功率大小如何变化，背靠背变流器在系统侧需与变化着的工频保持严格同步同时在转子侧从亚同步到超同步的大幅调速范围内与转子时变低频电势频率保持严格同步。变流器控制不当会在风力变化导致风电场功率波动的基础上再叠加一个新的不稳定分量，目前不少进口机组在这方面的技术并未达到令人满意的程度，关键在于变流器控制器的硬件设计、控制策略及软件的鲁棒性。

对于10KV高压风电机组的转子主要存在两个问题：一是转子电压属中压，一般在1500V左右。二是电力电子变流器对转子绝缘的影响。针对第一问题，为简化变流器拓扑结构，根据具体机组选用3.3KV或6.5KV等型号的IGBT予以解决。至于第二问题，因转子绝缘已按中压设计，并且电磁线等构件有着较大的绝缘裕度，又因变流器载波频率与转子频率之间的带宽较大，变流器转子侧不必进行繁杂滤波，而系统侧因有降压变压器则不再另行配置滤波器。

因变流器安装在塔顶，又考虑到滤波要求不很高，本专利的一个主要特点是变流器转子侧滤波器不采用常规的大电流线圈电感，而是采用COROVAC或类似磁性材料作成的空心圆柱形(或简称棒形)电感器。COROVAC的特点是易于加工，大电感小电阻，载流能力强，与传统的大电流线圈电感相比重量轻、体积小、成本低。

设计完善的变流器能有效地改善风电场的功率波动，与上述220KV远距离输电方案协同作用能较好地解决风电场的功率稳定问题。如问题仍然很突出，则配置下述高温超导储能风电功率镇定装置。

4、高温超导储能风电场功率镇定装置，如图3所示。

针对风电场功率波动大、变化剧烈等特点，对发明专利ZL200410064779X提供的液氮温区高温超导储能装置D-HT-SMES的核心技术进行实用性扩展。首先扩展储能容量，其次对线圈端部磁场导引电磁铁进行线形化处理，即上下电磁铁结合面留一定空间，结合面两侧磁铁环形外围还有经过专门设计的三角状环形开口。本专利的另一个主要特点是：由于将超导储能线圈直径扩至十几米甚至更大，线圈端部导引电磁铁在整个有效空间中只占很小一部分，为了改变储能主磁场通路的线性度、改善线圈端部漏磁场导引能力及提高整个磁体的储能容量，在磁体周围的对称空间中均用铁砂或类似导磁率可调磁性材料填满。磁体结构的有关尺寸、各种磁性材料的导磁系数及磁体有关部件的形状均决定于特定磁体容量。

有益效果：本发明的10KV高压风电机组系统省去从风电机组到10KV电网的升压变压器；节省机组输出下引线耗铜量；转子侧变流器拓扑清晰、可靠性高，满足风电从亚同步到超同步大范围调速要求；与现有永磁直驱机组相比可大幅减小变流器功率，减少主体投资和冷却系统投资；构成转子侧载频滤波器的COROVAC棒式电感，重量轻、体积小、成本低；还可减小风电场无功补偿装置容量；经测算与进口机组相比本专利可使每台2MW风电机组减少一次性投资约1000万元，同时拥有自主知识产权，并为国内电机行业拓开广泛市场。

本发明的风电专用、较远距离输电升压变压器和高温超导风电功率镇定器及变流器控制策略，在减小风电场功率波动提高稳定性方面大幅优先进口同类产品，这是我国独有专利技术。

此外，本发明的风电超导储能技术适用于一切需要大脉冲电源和稳态、动态储能场合，潜在应用不受限制。

附图说明

图1是本发明带有功率镇定装置的10KV高压风电机组系统示意图，

图2是中压可并联式大功率四象限电力电子变流器示意图，

图3是采用铁砂填充的高温超导储能装置纵截面示意图，

图4是采用铁砂填充的高温超导储能装置俯视示意图，

图5是采用铁砂填充的高温超导储能风电场功率镇定装置示意图。

以上的图中有：10KV高压风电机组1，升压变压器2，第一降压变压器21，第二降压变压器22，变流器3，电感器4，功率镇定装置5，镇定器51、逆变器52、斩波器53，铁砂6，导引电磁铁7，杜瓦8，高温超导线圈9，高温超导磁体10，支撑件和液氮11。

具体实施方式

带有功率镇定装置的10KV高压风电机组系统包括10KV高压风电机组1、升压变压器2、变流器3、电感器4、功率镇定装置5，第一降压变压器21、第二降压变压器22；其中，10KV高压风电机组1的定子线圈通过10KV电网分别接第一降压变压器21、第二降压变压器22、升压变压器2的一端，升压变压器2的输出端接外部高压电网，第二降压变压器22的另一端接功率镇定装置5，第一降压变压器21的另一端接变流器3，变流器3的另一端通过电感器4接10KV高压风电机组1的转子线圈。

所述的功率镇定装置5包括镇定器51、逆变器52、斩波器53，镇定器51中的高温超导线圈9接斩波器53，斩波器53的另一端通过逆变器52接第二降压变压器22。

所述的镇定器51为一个高温超导磁体10，其中，导引电磁铁7的为空心的圆环状，在导引电磁铁7的外部为铁砂6，在导引电磁铁7中设有杜瓦8，在杜瓦8中设有高温超导线圈9，在杜瓦8与高温超导线圈9之间的空隙中有支撑件和液氮11。

1、直接采用按现有标准生产的10KV高压绕线型转子异步电动机作为10KV高压风电机组1。如YR6303-4，额定功率2MW，额定电流137A，转子电压1500V，转子电流835A。此类机组满足当前国内风电市场的需要，更好更大机组的设计研制及相应的技术标准正在进行和制订。

制造厂可根据自身生产过程适当加强定子绝缘，但主要是将220KV高压较远距离输电升压变压器2的原方额定电压从10.5KV降为10KV。针对电网夜间无功补偿过剩导致系统电压过高情形，风电场控制装置应增加夜间自动切除风电场自备无功补偿装置功能。

转子绝缘裕度一般较大。在制造厂确认的前提下，简化滤波器设计，仅让变流器转子侧滤波器承担部分PWM脉冲的电压冲击。

2、10KV高压风电机组1转子电压在1500V左右，不采用1.7KV IGBT，避免拓扑结构复杂化。选用FZ800R33KL2C-B5或FZ400R65KF1等型号的IGBT组成拓扑结构清晰四象限背靠背变流器3。为进一步增大容量，变流器3采用可并联式结构。变流器3中IGBT驱动模块光纤接口与控制器通过光纤相连。风电机组各并联变流器之间的均流由软件实现。

10KV高压风电机组1出口电压经降压变压器引至变流器3，在变流器的另一侧经新型简易载频滤波器与电机转子滑环相连。降压变、变流器3和载频滤波器均与发电机一起安装在塔顶。

为了减少塔顶负荷、节约成本并缩小空间，用具有高电抗低阻值的COROVAC等磁性材料制成棒式电感4，构成转子侧载频滤波器。棒式电感为中空长圆柱形，以利散热并克服趋肤效应。变流器3在系统侧不另设滤波器，仅利用与其相连的降压变漏抗实现感-容滤波。

3、10KV高压风电机组1输出下引线用铝或铜排和高压绝缘子下引，导线周围加防护网，最后经断路器直接引至风电场10KV母线。整个风电场再经1台或多台10KV/220KV升压变压器(2)将电能输送至较远距离负荷中心。

4、风电场10KV电网可挂1台或多台高温超导储能风电功率镇定装置。10KV电压经降压变压器引至三相全桥逆变器，在逆变器直流侧经斩波器与超导线圈相连。超导储能磁体配备完善的控制、监测和保护设备，并设置备用液氮(LN₂)储存罐，以便及时对杜瓦补充液氮。

高温超导磁体10的直径从几米到几十米不等，甚至更大规模。高温超导线圈9、杜瓦8和漏磁场导引电磁铁7内腔的截面有三种形状：圆角矩形、圆形和椭圆形，实际装置的有关截面形状取决于具体应用，图3所示为圆角矩形之例。圆环形杜瓦8在现场实施焊接。高温超导线圈9端部漏磁场导引电磁铁7分上下两部分，沿径向将上下两部分均匀切割成若干块以利于现场安装。在导引电磁铁上下两部分结合面处留有一定空隙，并用环氧树脂板或类似低导磁材料填充。结合面两侧环形磁铁外围有环形三角开口。在余下的大范围对称空间中用铁砂6或类似导磁率可调磁性材料填满，铁砂导磁系数和颗粒大小由计算、混制和实测确定。铁砂主要来自磁铁矿和钢铁厂等。结合面空隙、三角开口和铁砂的目的在于改善磁场主磁路的线形度，最大限度地提高磁体的储存能量。高温超导线圈9端部导引电磁铁7和铁砂6的导磁系数及磁体总尺寸和各部分尺寸均取决于磁体规模，须经详细仿真计算后确定，关键点数据还需在安装调试过程中进一步实测。

Claims (2)

1.一种带有功率镇定装置的10KV高压风电机组系统，其特征在于该系统包括10KV高压风电机组(1)、升压变压器(2)、变流器(3)、电感器(4)、功率镇定装置(5)，第一降压变压器(21)、第二降压变压器(22)；其中，10KV高压风电机组(1)的定子线圈通过10KV电网分别接第一降压变压器(21)、第二降压变压器(22)、升压变压器(2)的一端，升压变压器(2)的输出端接外部高压电网，第二降压变压器(22)的另一端接功率镇定装置(5)，第一降压变压器(21)的另一端接变流器(3)，变流器(3)的另一端通过电感器(4)接10KV高压风电机组(1)的转子线圈；

所述的功率镇定装置(5)包括镇定器(51)、逆变器(52)、斩波器(53)，镇定器(51)中的高温超导线圈(9)接斩波器(53)，斩波器(53)的另一端通过逆变器(52)接第二降压变压器(22)；

所述的镇定器(51)为一个高温超导磁体(10)，其中，导引电磁铁(7)为空心的圆环状，在导引电磁铁(7)的外部为铁砂(6)，在导引电磁铁(7)中设有杜瓦(8)，在杜瓦(8)中设有高温超导线圈(9)，在杜瓦(8)与高温超导线圈(9)之间的空隙中有支撑件和液氮(11)。

2.根据权利要求1所述的带有功率镇定装置的10KV高压风电机组系统，其特征在于变流器(3)作为异步电机转子回路四象限背靠背馈电器，采用FZ800R33KL2C-B5或FZ400R65KF1型号的中、高压IGBT，变流器(3)的控制器通过光纤与IGBT驱动模块相连。

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