CN101710720B - 半直驱亚中速笼型转子交-交变频风力发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种半直驱亚中速笼型转子交-交变频风力发电系统，该系统包括n个由笼型转子异步发电机单元、三相交-交变流器、Y延边联结升压变压器、可调自激励电容组和统一时间基准单元控制器构成的结构相同子系统，其中笼型转子异步发电机单元分别与三相交-交变流器和可调自激励电容组连接，三相交-交变流器与Y延边联结升压变压器连接，统一时间基准单元控制器的输出端分别接三相交-交变流器和可调自激励电容组的输入端，n个统一时间基准单元控制器通过统一时间基准光纤网相互连接，其中n为自然数。本发明减少了故障率、成本低、结构简单、降低风电成本，提高稳定性和机组利用率。

Description

半直驱亚中速笼型转子交-交变频风力发电系统

技术领域

本发明涉及一种半直驱亚中速笼型转子交-交变频风力发电系统，其包括亚中速笼型多极异步电机、单级行星齿轮增速器、电力电子变流器、Y延边联结升压变压器、统一时间基准的DSP控制器和谐波自治。

背景技术

风电成本和故障率“双高”问题日益突出。早期进口的大型风电机组单机总投资高达3000万元。国产化后，某200MW风电场共投资18亿元，按1.5MW平均计算单机投资约1300万元，基本上是火电厂的两倍。永磁机为了与低速风轮配合，2MW永磁机组已做成60极，体积十分庞大，仅发电机售价就高达450万元。双馈机组利用率小于95％。即每百台机组中有着多于5台的机组故障停运，这个数目随着时间的推移还在继续增长，其主要原因在于高速齿轮箱故障率太高。

风电技术难度要比大型火电厂容易得多，“双高”问题充分表明其技术路线不尽合理。昂贵的永磁机未能全部取消齿轮传动环节，动力链上三个变桨系统及偏航系统的齿轮变速器依然存在。双馈机组齿轮箱中的高速级齿轮在高达32转每秒的速度下长期连续运转，故障率自然会高。永磁机定子和双馈机转子均属有源，对PWM变流技术提出挑战，目前无论是进口还是国产变流器的稳定性均不理想。PWM技术还要求增强永磁机定子和双馈机转子的绝缘。双馈机虽励磁功率小，但其特有的过同步点调速不稳定性对齿轮箱带来额外冲击。

笼型异步发电机定子励磁属无源性质，在亚中速下运行时，使用国产可控硅交-交变流器即可解决问题，且稳定性好。我国在绿色风电领域不宜全部进口IGBT或大功率IPM半成品，因电动机变频调速行业已经并正在大批进口而且严重依赖IGBT。

发明内容

技术问题：本发明要解决的技术问题是针对现有技术的问题提出一种半直驱亚中速笼型转子交-交变频风力发电系统，使用技术成熟、价格低廉的国产异步电机，不用高速齿轮箱，配置国产普通晶闸管三相交-交变流器，在不改变风电场主拓扑前提下、不用传统滤波器、使用风电场10KV升压变压器硬件和控制器软件双重“分布移相”技术自治谐波。

技术方案：本发明半直驱亚中速笼型转子交-交变频风力发电系统，其特征在于该系统包括n个由笼型转子异步发电机单元、三相交-交变流器、Y延边联结升压变压器、可调自激励电容组和统一时间基准单元控制器构成的结构相同子系统，其中笼型转子异步发电机单元分别与三相交-交变流器和可调自激励电容组连接，三相交-交变流器与Y延边联结升压变压器连接，统一时间基准单元控制器的输出端分别接三相交-交变流器和可调自激励电容组的输入端，n个统一时间基准单元控制器通过统一时间基准光纤网相互连接，其中n为自然数。

所述笼型转子异步发电机单元由单级行星齿轮变速器与发电机集成，所述单级行星齿轮变速器的太阳轮与发电机共轴，单级行星齿轮变速器的输出轴即行星架大轴与风轮的轮毂直接相连。

所述发电机为极数大于2的笼型异步电动机，额定电压690-3000V，额定转速为同步速的1/3～1/2，额定频率为12-20Hz。

所述三相交-交变流器由三个单相晶闸管交-交变流器输出Y形联结而成，单相晶闸管交-交变流器变流器输出直接与发电机定子输出相连，单相晶闸管交-交变流器的三相输出端直接与Y延边联结升压变压器的输入端相连。

所述单相晶闸管交-交变流器还采用IGBT或矩阵变流器模块实现。

Y延边联结升压变压器由多个风电场升压变压器构成，风电场升压变压器的主绕组和延边绕组匝数及其连结方式由“对称矢量法”确定，移项范围超过±30°；风电场升压变压器分成若干组，各组变压器的“硬件分布移相”相互错开以消除有关谐波。

所述可调自激励电容组由多个固态继电器串接定子励磁电容组构成的可调自激励单元构成，固态继电器分别与笼型转子异步发电机单元和统一时间基准单元控制器连接。

统一时间基准单元控制器由型号为TMS320F28335的DSP芯片构成。

有益效果：

1、发电机、变速器和变流器等主要设备均得到间化，也无需直流电解电容和软启动器，系统成本大为降低，经核算约为现有价格的一半，即实施本方案后建设一个风电场所需费用可建两个风电场。

2、不用高速齿轮箱，无滑环，发电机结构简单，变流器由鲁棒性高的晶闸管构成，系统可靠，故障率低，机组利用率提高。

3、电机绝缘无特殊要求。

4、系统损耗少，效率高。

5、谐波治理不需额外投资。

6、在现有切入风速3.5m/s和并网风速4m/s基础上，可进一步降低切入风速和并网风速，因此适当增大风轮直径可在低风速区更好地利用风能；调速范围比双馈机增大；另硬件平台及软件策略能保证机组调节平稳，机械系统冲击减少，延长使用寿命。

7、有利于国内电机、行星齿轮变速器、晶闸管从而IGBT制造业的发展。

8、有利于将来风电产品大批量出口，解决产能过剩问题。

附图说明

图1是本发明子系统示意图。

图2是半直驱亚中速笼型转子交-交变频风力发电系统示意图。

图3是单相交-交变流器示意图。

图4是发电机单元示意图。

图5是Y延边联结升压变压器示意图。

图6是可调自激励电容器组示意图。

图7是对称矢量法，(a)三相矢量图，(b)A相矢量放大图

以上图中有：发电机单元11、n1，发电机定子111，与发电机共轴的太阳轮112，行星齿轮113，叶片114，单相交-交变流器121、122、123，n21、n22、n23，Y延边联结升压变压器13、n3，可调自激励电容器组14、n4，单元控制器15、n5。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明半直驱亚中速笼型转子交-交变频风力发电系统，包括n个由笼型转子异步发电机单元1、三相交-交变流器2、Y延边联结升压变压器3、可调自激励电容组4和统一时间基准单元控制器5构成的结构相同子系统，其中笼型转子异步发电机单元1分别与三相交-交变流器2和可调自激励电容组4连接，三相交-交变流器2与Y延边联结升压变压器3连接，统一时间基准单元控制器5的输出端分别接三相交-交变流器2和可调自激励电容组4的输入端，n个统一时间基准单元控制器5通过统一时间基准光纤网相互连接，其中n为自然数。

采用普通笼型多极异步电动机作风力发电机，所述电动机的极数大于2。电磁设计作相应改变，使其额定转速约为同步速的1/3～1/2。发电机与单级行星齿轮变速器集成为发电机单元11，其变速器的输出轴与风轮的轮毂直接相连。三个单相交-交变流器121、122、123至n21、n22、n23星形(Y)联结后的三相输出与发电机单元11至n1定子三相输出直接相连；三个单相交-交变流器121、122、123至n21、n22、n23各自的三相输入端分别与升压变压器13至n3的对应三相副绕组连接，升压变压器13至n3的高压侧接至10KV母线；发电机单元11至n1与交-交变流器121、122、123至n21、n22、n23之间并联有可投切自激励电容组14至n4；统一时间基准单元控制器15至n5连至交-交变流器121、122、123至n21、n22、n23的驱动电路和可投切自激励电容组14至n4，并通过现场总线、风电场光纤网及北斗导航系统与后台机、塔基控制器、机舱控制器和远方控制系统相连。

本发明中发电机的工作状态与电动机变频调速的差别在于在不同风速下、变流器自适应改变输出频率、使发电机始终工作在超同步发电状态，并按叶尖速比、沿着最佳风能利用曲线运行。与电动机变频调速不同，正常运行时变流器中的无功功率和有功功率双向流动，即处于逆变状态，有功功率从发电机流向电网；发电机的励磁无功功率主要由可调自激励电容器组14实现，不足部分由电网提供，换言之部分无功功率从电网流向发电机。只有在特殊情况下才像电动机变频调速那样由电网向发电机同时提供有功功率和无功功率。

晶闸管型三相交-交变流器成本低，可靠性高。所以本方案不走双馈机组技术路线，采用结构简单的笼型电机并将变流器直接接在发电机的定子侧。该方案的优点是没有滑环，无需软启动器，当电网发生故障时变流器的隔离作用使其低电压穿越(LVRT)能力优于双馈机组。该方案中的发电机属于单独运行的异步发电机，其定子励磁不必全部从电网获取，主要由装置14通过切换自激励电容器组实现，并由单元控制器15按V/F规律统一控制，不足容量部分由变流器承担。

交-交变流器是成熟技术，对发电机绝缘无特殊要求，但其输出上限频率不能高于电网频率的1/3～1/2。因本方案的发电机转速及其额定频率正好与此匹配，所以交-交变流器输出上限频率低并无影响。IGBT国产化后也可使用IGBT变流器。

晶闸管交-交变流器的主要问题是谐波，直流输电换流站中针对可控晶闸管谐波的滤波装置投资很高，幸运的是风电场不必如此。其实各种交流电机气隙磁场和定子绕组的电枢反应磁势并非标准正弦，发电机之所以能够输出比较完美的正弦电压是因为绕组采取了分布和短距措施，可见“空间分布”可以抑制谐波。风电场拥有上百台风电机组，在某种意义上讲这就是一种最典型的“空间分布”，本方案正是利用这一特点使晶闸管交-交变流器产生的谐波互相抵消。

双馈机组转子频率不高，原则上交-交变流器也可用于双馈机，事实上过去我国绕线式电动机转子变频调速就是用交-交变流器实现的。因转差功率较小，双馈机改用交-交变流器后节约的成本有限，也不能解决双馈机过同步点调速不稳定问题，何况双馈机的主要问题在于大功率下高速齿轮箱的成本和故障率。永磁机的额定频率一般只有11-12Hz左右，理论上也可使用交-交变流器以节约成本，不过变流器只占永磁机成本的一小部分。永磁机定子和双馈机转子均属有源，无论使用何种变流器均存在先天性同步控制不稳定问题(永磁机整流+斩波升压型变流器除外)。此外，PWM变流器的输出需要L-C载频滤波器。电感大有利于控制稳定，但其压降增大因而影响机组出力。电感小不影响机组出力，但控制稳定性变差还要提高发电机绝缘水平，并同时引起发电机的载频啸叫和振动。

切断变流器后，永磁机定子和双馈机转子均会有电动势，是有势源。本方案使用笼型异步电动机作发电机，切断变流器后发电机不会再有电压，属无源系统，变流器无需考虑双电源的同步问题，发电机并网运行稳定性大为提高。

每个部分的具体实施方式如下：

1、如图4所示发电机单元实施方式。笼型转子异步发电机额定电压690-3000V，额定频率12-20Hz，12-18极，额定转速125-250rpm。单级行星齿轮变速器的速比一般取6∶1-12∶1，低速比时太阳轮112的直径可适当增大，如行星齿轮直径较小在保证对称性的前提下可在原有三个行星齿轮113基础上适当增加行星齿轮数目以保证机械强度和运行稳定性。变速器的太阳轮与发电机共轴，变速器的输出轴即行星架大轴与风轮的轮毂直接相连。一级行星齿轮变速器用高挡数控机床精密加工。具体参数需考虑国家电机标准的修订、齿轮厂以及风轮直径随高、低风速区变化从而叶尖速比发生变化等因素。

2、发电机通过三相交-交变流器接至四圈(即图5中的m＝3)升压变压器13至n3，三相交-交变流器由三组结构相同、相位触发互差120°的单相交-交变频电路121、122、123至n21、n22、n23的输出分别Y形联结而成，单相交-交变频电路由逆向并联的双三相桥构成。三相交-交变频电路用晶闸管实现，一般采用无环流控制方式。针对不同发电机容量，晶闸管的参数选择及其串并联均压、均流措施按常规原则进行。发电机容量很大时，定子绕组采用双Y形结构，并配置两套对等的三相交-交变流器系统，升压变压器则相应采用七圈式结构(即图5中的m＝6)。

统一时间基准单元控制器15至n5主要由多片TMS320F28335等高性能DSP构成，控制器主要控制变流器121至122、123至n21、n22、n23，也同时控制发电机出口的可调自激励电容组14至n4。控制器视发电机额定电压的高低通过导线或光纤连到变流器和可调励磁电容组，并通过现场总线或风电场光纤网与塔基控制器、机舱控制器和后台机通讯，风电场所有单元控制器15至n5通过光纤网互连从而获得统一时间基准，无人值班风电场各单元控制器15至n5及其后台机通过北斗导航卫星或光纤与远方控制设备进行通信。

变流器正常处于逆变状态，有功功率和无功功率双向流动，有功功率从发电机流向电网，无功功率则从电网流向发电机。统一时间基准单元控制器15至n5的主要任务是根据风速大小及最佳风能利用系数曲线适时更改变流器的输出频率和输出电压幅值，控制发电机在任意转速下始终运行在超同步状态。这种控制策略不但稳定性高，还可以使切入风速和并网风速降低，既能减少启停冲击又能多发电。

Y形联结输出的三相交-交变流器在发电机回路中无三次谐波电流通道，用梯形波输出控制方式即所谓的“交流偏置”方式改善输入功率因数，并将变流器输出电压提高15％。当需要输出低电压时，则退出梯形波输出控制模块。

3、因有变流器隔离，发电机相当于独立运行的发电机，为减少三相交-交变流器的负担，发电机交流励磁的主要部分由发电机出口的可调自激励电容器组14、n4完成，励磁电容由固态继电器进行投切，固态继电器则由统一时间基准单元控制器15至n5按V/F规律统一控制。电容器组仅实现阶梯变化式励磁，不足容量部分由变流器承担，并实现无功功率平稳调节。如图6所示。

4、变流器使用晶闸管虽可降低成本、提高可靠性，但谐波问题较为严重。变流器的总输入电流由三个单相交-交变流器的输入电流合成而得，有些谐波分量互相抵消，使得变流器总谐波分量大为减少。由于风电场的风电机组为数众多，采用晶闸管交-交变流器，风电场的总谐波将十分明显，为电网所不能接受。为此，本方案将风电场所有升压变压器设计成多绕组Y延边联结方式，具体用“对称矢量法”予以实现。

四圈升压变压器13至n3有一个△形联结的高压三相绕组和三个Y延边联结的三相副绕组，对于双Y定子绕组发电机和双变流器系统，则用七圈升压变压器即一个△形联结的高压三相绕组和六个Y延边联结的三相副绕组。Y延边联结变压器副绕组电压移相是利用风电场发电机众多与分布特点，将有关10KV变压器的次级相位错开从而达到抑制谐波之目的。Y延边联结有多种方式，鉴于风电场发电机组的数量很大，交-交变流器产生的谐波也很复杂，故提出Y延边联结移相的系统方法即所谓的“对称矢量法”。

“对称矢量法”设计的基本思想是将连接在同一台高压变压器(如10KV/220KV变压器)上的所有10KV变压器分成若干组，按与电机分布绕组相似的谐波抑制计算方法确定每组变压器需要移相的角度。所谓“对称矢量法”就是将一半变压器组程度不同地往超前方向移相，另一半则对称地向滞后方向移相，合成电压等效于没有移相。

具体实施方式如图7所示，以某组变压器副方绕组的三相电压A₀、B₀、C₀为参考，A₁、B₁、C₁表示某组变压器副方绕组的三相电压超前一个角度δ，A₂、B₂、C₂表示某组变压器副方绕组的三相电压滞后一个角度δ。首先画出A₀，再以A₀为半径画一个圆，以超前δ画出A₁，以滞后δ画出A₂，作DA₁反向平行于B₀，作DA₂反向平行于C₀。再按三相对称性以同样方法完成B相和C相的作图。

A₁的相位超前参考电压A₀一个δ角，A₁的幅值与A₀相等。A₁等于A₀的大部OD加上B₀反相后的一小部分DA₁，因∠ODA₁＝120°，又因δ和A₁的幅值已知，所以可用正弦定理求出DA₁和OD的幅值，从而求出有关绕组的匝数。具体实现过程是先在变压器B相铁心上绕制一个与DA₁成正比的附加线圈，再在A相铁心上绕制一个与OD成正比的主线圈，最后将B相铁心上的附加线圈反极性后与A相铁心上的主线圈串联，所得电压的相位和幅值即为所求。同理，B₁等于B₀的大部加上C₀反相后的一部分，C₁等于C₀的大部加上A₀反相后的一部分，具体实现方法与A₁相同。A₂的相位滞后参考电压A₀一个δ角，与A₁不同的是A₂等于A₀的大部OD加上C₀反相后的一部分DA₂，即∠ODA₂＝120°，其余操作同上。

“对称矢量法”适用于任意分组和任意角度的移相。方法的核心是反平行矢量作图，原则是钝三角形的钝角始终是120°，其目的在于用正弦定理求解，该法同样适用于矫正功率因数时出现的矢量组不对称情况。与变频调速普遍使用的△延边联结法不同，对称矢量法Y延边联结方式不受±30°的限制，此外所有副方绕组只需采用同一线径的导线，编组计算也非常方便。顺便指出，△延边联结法并不是我国专利。

5、如图3晶闸管三相交-交变流器产生的谐波包括输出电压谐波和输入电流谐波，输出电压谐波影响发电机，输入电流谐波影响电网。

交-交变流器的输出电压对发电机绝缘的影响比永磁机和双馈机普遍采用的IGBT变流器小得多，因IGBT变流器的SPWM方波只经过一个小电感就基本上全部施加在发电机绝缘上。此外，交-交变流器输出电压谐波主要影响发电机的发热，只需加强发电机的通风设计，实际上IGBT变流器的载频谐波也加在电机上，同样存在额外发热问题。

交-交变流器输入电流中的谐波如不治理，任其流入电网，将影响电能质量，从而对电网中所有设备产生不良影响。交-交变流器输入电流谐波与晶闸管可控整流电路类似，差别在于其幅值和相位被DSP控制器随风速变化的低频正弦信号所调制，与晶闸管可控整流电路相比又增加了低频正弦调制旁频，因此比直流输电中的谐波复杂。

三次谐波及其倍数谐波不用考虑，因Y延边联结变压器的高压侧绕组接成△形，消除了三次谐波及其倍数谐波的影响。谐波治理的复杂性在于低频正弦调制信号的频率及其幅值是不断变化的，采用直流输电换流站传统滤波器方案不但投资高，效果也不理想。本方案不走直流输电换流站高成本谐波治理的技术路线，而是充分利用风电场发电机为数众多的分布特点，采用对称矢量法Y延边联结升压变压器13至n3的“硬件分布移相”方案和统一时间基准单元控制器15至n5的变流器错相触发“软件分布移相”方案实现谐波治理。

“硬件分布移相”方案将风电场接在同一高压变压器(如10KV/220KV变压器)上的所有10KV升压变压器13，...，n3分成若干组，根据剩余谐波治理的计算结果，对各组Y延边联结变压器的副方电压用“对称矢量法”进行移相，使剩余谐波基本上相互抵消。为简化设计，同一组变压器移相角度相同，不同组的变压器之间设置相差。一般移相角度都很小，所以增加的费用比传统滤波器要少得多。“硬件分布移相”方案的优点是不额外增加风电场控制系统软件的复杂程度。

“软件分布移相”方案统一时间基准单元控制器15，...，n5的变流器错相触发由DSP单元控制器的软件实现，依靠风电场现场总线网、光纤网或无线网形成同一时间基准。交-交变流器(121、122、123)，...，(n21、n22、n23)的统一时间基准错相触发是根据风电场谐波计算结果错开各变流器的触发时间从而使谐波相互抵消。风电场机组众多，软件内部一般分层分组进行。“软件分布移相”仅增加风电场控制系统软件的复杂程度，基本上不增加硬件费用。“软件分布移相”方案的另一个优点是在风速变化从而低频正弦调制信号随之变化的情况下，能自动优化谐波治理效果。

风电场可以单独使用“硬件分布移相”方案，也可单独使用“软件分布移相”方案，或者两种方案同时使用。风电场一般还应配置SVC和SVG。

Claims (6)

1.一种半直驱亚中速笼型转子交-交变频风力发电系统，其特征在于该系统包括n个由笼型转子异步发电机单元(1)、三相交-交变流器(2)、Y延边联结升压变压器(3)、可调自激励电容组(4)和统一时间基准单元控制器(5)构成的结构相同子系统，其中笼型转子异步发电机单元(1)分别与三相交-交变流器(2)和可调自激励电容组(4)连接，三相交-交变流器(2)与Y延边联结升压变压器(3)连接，统一时间基准单元控制器(5)的输出端分别接三相交-交变流器(2)和可调自激励电容组(4)的输入端，n个统一时间基准单元控制器(5)通过统一时间基准光纤网相互连接，其中n为自然数。

2.根据权利要求1所述的半直驱亚中速笼型转子交-交变频风力发电系统，其特征在于：所述笼型转子异步发电机单元(1)由单级行星齿轮变速器与发电机集成，所述单级行星齿轮变速器的太阳轮与发电机共轴，单级行星齿轮变速器的输出轴即行星架大轴与风轮的轮毂直接相连。

3.根据权利要求2所述的半直驱亚中速笼型转子交-交变频风力发电系统，其特征在于：所述发电机为极数大于2的笼型异步电动机，额定电压690-3000V，额定转速为同步速的1/3～1/2，额定频率为12-20Hz。

4.根据权利要求1所述的半直驱亚中速笼型转子交-交变频风力发电系统，其特征在于Y延边联结升压变压器(3)由多个风电场升压变压器构成，风电场升压变压器的主绕组和延边绕组匝数及其连结方式由“对称矢量法”确定，移相范围超过±30°；风电场升压变压器分成若干组，各组变压器的“硬件分布移相”相互错开以消除有关谐波。

5.根据权利要求1所述的半直驱亚中速笼型转子交-交变频风力发电系统，其特征在于所述可调自激励电容组(4)由多个固态继电器串接定子励磁电容组构成的可调自激励单元构成，固态继电器分别与笼型转子异步发电机单元(1)和统一时间基准单元控制器(5)连接。

6.根据权利要求1所述的半直驱亚中速笼型转子交-交变频风力发电系统，其特征在于统一时间基准单元控制器(5)由型号为TMS320F28335的DSP芯片构成。 

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