CN102157962A - 一种基于风力发电机组的互补发电系统及并网调试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于风力发电机组的互补发电系统，其包括风力发电机组、功率补偿装置，风力发电机组和功率补偿装置并联运行向负载供电，风力发电机组根据所述功率补偿装置输出电压的频率和相位调节自身输出电压的频率和相位，以使风力发电机组和功率补偿装置输出电压的频率和相位一致，功率补偿装置根据风力发电机组输出功率调节自身输出功率，以使风力发电机组和功率补偿装置输出功率之和与负载平衡。本发明提供的互补发电系统，不必使用储能装置，且输出功率电压稳定，波动小，电能质量高。此外，还提供一种风力发电机组的并网调试方法，采用该方法可在电网建设与风机吊装不同步时对风力发电机组进行调试，从而减少了调试时间和人力物力投入。

Description

一种基于风力发电机组的互补发电系统及并网调试方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术，尤其涉及一种基于直驱永磁同步风力发电机组的互补发电系统，以及一种风力发电机组并网调试方法。

背景技术

随着石油、煤等非可再生资源的消耗和环保意识的提高，人们已越来越重视可再生能源的应用。其中，风能作为一种清洁的可再生能源，在全球节能减排工作中的地位日益重要，相应地，作为风能向电能转换装置的风力发电机组也已得到越来越多的重视和发展。

在实际应用中，由于风力大小以及方向总是不断变化的，因此，在风力发电机组工作过程中，其输出功率就会相应地产生波动。这种情况下，为了确保风柴互补发电系统输出功率稳定，人们在实际应用中常使柴油发电机与风力发电机并联运行而组成风柴互补发电系统来供电。这样，一方面可以确保系统输出功率的稳定，另一方面，由于风力发电机组与柴油发电机组协同工作，共同向负载输出功率，因而降低了柴油发电机组的功率输出，在充分利用风能的同时节省燃油。

在现有的风柴互补发电系统中，风力发电机组和柴油发电机组发出的交流电经过整流，变换为直流电存入蓄电池内，再经过逆变器将直流电逆变为交流电供给负载。然而，由于现有风柴互补发电系统中的蓄电池储能容量相对较小以及储能效率相对较低，因而上述结构的风柴互补发电系统仅限于小型风力发电机组的应用。若将其直接应用于大型风力发电机组，由于大型风力发电机组输出功率大，诸如蓄电池的储能装置已不能满足要求，因此，目前还没有大型风力发电机组与柴油发电机组互补运行的实例，尤其是直驱永磁同步风力发电机组与柴油发电机组的互补运行。

此外，大型风力发电机组主要应用于并网运行；然而，在实际应用中，风力发电机组的吊装与电网建设并不同步，如果电网建设较慢，则需要等到电网建设完成之后才能对风力发电机组进行并网调试，以确定风力发电机组各部分是否能正常稳定运行，以及是否能满足并网运行的要求，从而延长了风电建设项目完成的时间，降低了工作效率，并且增加了风机制造厂家的人力与物力的投入，增加了成本。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述问题，提供一种基于风力发电机组的互补发电系统，其不必使用储能装置，且输出功率电压稳定，波动小，电能质量高。此外，本发明还提供一种风力发电机组的并网调试方法，采用该方法可在电网建设与风机吊装不同步时对风力发电机组进行调试，从而减少了调试时间和人力物力投入。

为此，本发明提供了一种基于风力发电机组的互补发电系统，其包括风力发电机组、功率补偿装置，所述风力发电机组和功率补偿装置并联运行向负载供电，所述风力发电机组根据所述功率补偿装置输出电压的频率和相位调节自身输出电压的频率和相位，以使所述风力发电机组和所述功率补偿装置输出电压的频率和相位一致，所述功率补偿装置根据所述风力发电机组输出功率调节自身输出功率，以使所述风力发电机组和所述功率补偿装置输出功率之和与负载平衡。

其中，还包括检测单元，所述检测单元检测所述功率补偿装置的输出功率，并将检测信号发送给所述功率补偿装置，所述功率补偿装置根据所述检测信号调节自身输出功率。

其中，所述检测单元检测所述功率补偿装置输出电压的频率和相位，并将检测信号发送给风力发电机组，所述风力发电机组根据所述检测信号调节自身输出电压的频率和相位，以使所述风力发电机组和所述功率补偿装置输出电压的频率和相位一致。

其中，所述风力发电机组包括依次连接的直驱永磁同步风力发电机、机侧变流器和网侧变流器，所述网侧变流器与所述负载相连接。

其中，所述网侧变流器根据所述柴油发电机组输出电压的频率和相位，调节所述风力发电机组输出电压的频率和相位，以使所述风力发电机组和功率补偿装置输出电压的频率和相位一致。

其中，所述功率补偿装置为柴油发电机组。

其中，所述柴油发电机组包括依次连接的柴油机、传动系统和同步电机，所述同步电机与所述负载相连接。

其中，所述同步电机包括用于调节所述柴油发电机组输出电压的励磁系统。

其中，所述柴油机包括用于调节所述柴油机频率的调速系统。

此外，本发明还提供了一种风力发电机组的并网调试方法，其包括下述步骤：1)启动功率补偿装置，待所述功率补偿装置达到预定电压及频率时，使所述功率补偿装置与模拟负载连接，并手动为所述功率补偿装置配载，所述功率补偿装置用于模拟电网电压，其输出电压的频率和相位与电网电压的频率和相位相同；2)待所述功率补偿装置和模拟负载稳定运行后，检测所述功率补偿装置输出电压的幅值、频率和相位；3)根据所述功率补偿装置输出电压的幅值、频率和相位节所述风力发电机组输出电压的频率和相位，以使所述风力发电机组和所述功率补偿装置输出电压的频率和相位一致，待所述风力发电机组和所述功率补偿装置的输出电压同步后，使所述风力发电机组与模拟负载连接，所述风力发电机组和功率补偿装置并联向所述模拟负载供电，完成并网；4)检验所述风力发电机组的参数是否满足要求，以及各部分运行是否正常。

其中，所述功率补偿装置为柴油发电机组。

采用本发明提供的基于风力发电机组的互补发电系统具有如下有益效果：

本发明提供的基于风力发电机组的互补发电系统，由于风力发电机组根据功率补偿装置输出电压的相位和频率调节自身输出电压的频率和相位，使这二者输出电压的频率和相位一致，因此容易满足并网条件，并且功率补偿装置可根据风力发电机组的输出功率调节自身输出功率，因而可维持二者输出功率之和与负载的平衡。

在本发明的优选实施方式中，所述功率补偿装置为柴油发电机组，并且采用永磁直驱同步风力发电机组来组成风柴互补发电系统，永磁直驱同步风力发电机组通过交直交变流器与柴油发电机组相连，全功率变流器实时检测柴油发电机组输出电压，将此电压信号作为变流器调制的同步信号，以确保风力发电机组输出交流电满足并网条件，由于全功率变流器自身具有很强的调节能力，并网时对柴油发电机组的冲击小，且风机输出电流谐波小，电能质量高，并且永磁直驱风力发电机组没有齿轮箱，故障率较低，降低了维护成本。

采用本发明提供的风力发电机组的并网调试方法具有如下有效效果：

本发明提供的风力发电机组并网调试方法，采用功率补偿装置模拟电网电压，模拟负载模拟电网负载，将待调试的风力发电机组与所述功率补偿装置和模拟负载连接，并调节其输出电压，使风力发电机组输出电压的频率和相位和功率补偿装置输出电压的频率和相位相同，以满足并网条件，从而检验风力发电机组是否能够并网运行，因此采用本发明提供的风力发电机组并网调试方法可在风机吊装与电网建设不同步时，也可对风力发电机组进行调试，检验风机各部分的运行，从而节省了风机制造厂家的人力与物力投入。

附图说明

图1为本发明基于风力发电机组的互补发电系统结构框图；

图2为本发明基于风力发电机组的互补发电系统的详细结构图；

图3为本发明风力发电机组并网测试流程图；

图4为本发明风力发电机组并网测试接线原理图。

具体实施方式

为使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的基于风力发电机组的互补发电系统以及风力发电机组的并网调试方法进行详细说明。

请一并参阅图1和图2，本发明提供的基于风力发电机组的互补发电系统，包括风力发电机组1、功率补偿装置2和检测单元4。风力发电机组1和功率补偿装置2并联运行，向电网负载3输出电能，检测单元4检测风力发电机组的输出功率P₁并将检测信号发送给功率补偿装置2，功率补偿装置2根据该信号调节自身输出功率P₂，以维持风力发电机组输出功率P₁和功率补偿装置输出功率P₂之和与负载P₃的平衡。

其中，功率补偿装置2可以是诸如柴油发电机组、太阳能发电装置或者二者组合的功率输出装置；由于柴油发电机组发展较成熟，所以在实际应用中优选地采用柴油发电机组。

下面以柴油发电机组为例说明本发明提供的基于风力发电机组的互补发电系统，即风柴互补发电系统。

由于随着风速的提高或降低，风力发电机的出力也相应地增大或减少，因此风力发电组1输出功率是随机变化的；为了保证风力发电机组1和柴油发电机组2’能够向负载稳定输出功率，需要检测单元4实时检测风力发电机组的输出功率P₁并将检测到的功率信号发送给柴油发电机组2’，柴油发电机组2’根据这个功率信号，通过IS-NT控制模块调节自身转速改变出力，维持风力发电机组输出功率P₁和柴油发电机组输出功率P₂之和与负载消耗功率P₃平衡。

如图2所示，风力发电机组1包括依次连接的直驱永磁同步风力发电机、机侧变流器和网侧变流器，机侧变流器将直驱永磁同步风力发电机输出的交流电转换为直流电，并将其输送给网侧变流器；网侧变流器将所述直流电转换为交流电供负载使用，而且检测单元4实时检测柴油发电机组2’输出电压，将该电压信号作为网侧变流器调制的同步信号，网侧变流器以该电压信号为基准，变换机侧变流器输出的直流电，以使风力发电机组1输出的交流电符合并网条件，即风力发电机组1输出的交流电与柴油发电机组2’输出的交流电的电压频率及相位相同，从而使风力发电机组1与柴油发电机组2’可并网运行。

由上述机侧变流器和网侧变流器组成的全功率变流器自身具有很强的调节能力，因此在风力发电机组1与柴油发电机组2’并网时对柴油发电机组2’的冲击小，并且永磁直驱同步风力发电机组输出电流谐波小，电能质量高。此外，直驱永磁同步风力发电机没有齿轮箱，故障率较低，因此提高了风柴互补发电系统的稳定性，并且降低了维护成本。

需要说明的是，虽然在本实施例中设置有用于检测风力组1发电机输出功率，以及柴油发电机组输出电压的频率和相位的检测单元，但是在实际应用中，也可在风力发电机组和柴油发电机组分别设置相应的检测装置，其效果与本实施例提供的检测单元相似。

请再次参阅图2’，柴油发电机组2’包括依次连接的柴油机、传动系统和同步电机，其中，同步电机包括有励磁系统，柴油机包括有调速器；柴油机将内能转化为机械能并通过传动系统带动同步电机运转，将所述机械能转换为电能，并输出至负载供其使用。

如前所述，风力发电组1的输出电压是根据柴油发电机组的输出电压进行调节的，因此本发明提供的风柴互补发电系统输出的交流电，其电压和频率由柴油发电机确定的。由于在稳定运行电网中，必须维持频率和电压的稳定，因此柴油发电机组2’必须确保其输出电压和频率稳定，在本发明提供的风柴互补发电系统中，柴油发电机组2’通过励磁系统和调速器分别维持柴油发电机输出电压和频率的恒定。具体地，通过柴油机的调速器控制柴油机的燃油效率，从而使柴油机产生适当的接卸转矩带动同步电机，发出满足负载要求的功率，同时维持电网频率恒定；并且根据柴油发电机组输出端的反馈电压和给定的电压信号，励磁系统通过其所包括的电压调节器控制励磁系统输出相应的励磁电流，维持柴油发电机端电压稳定。

如前所述，柴油发电机组2’通过励磁系统和调速器控制电压和频率，并且根据风力发电机组1的输出功率调节自身的功率，以维持风力发电机组输出功率与柴油发电机组输出功率之和与负载的平衡，因此在本发明提供的风柴互补发电系统中，功率调节和动态平衡仅依靠柴油发电机组2’的调节系统，而没有额外的调节控制装置。

大型风力发电机组主要用于并网运行，然而在实际应用中，风力发电机组的吊装与电网建设并不同步，为了对用于并网发电的风力发电机组进行及时调试，以确定风力发电机组各部分是否能正常稳定运行，以及是否能满足并网运行的要求，本发明还提供了一种调试设备，其基本构成为功率补偿装置和模拟负载，所述电网模拟所述功率补偿装置用于模拟电网电压，其输出电压的频率和相位与电网电压的频率和相位相同，所述模拟负载用于模拟电网负载。

此外，本发明还提供了一种风力发电机组并网调试方法，请参阅图3，其为本发明风力发电机组并网调试原理图。如图所示，在步骤是S 1中，启动功率补偿装置，并为其配载，具体过程如下：启动功率补偿装置，待所述功率补偿装置达到预定电压及频率时，使所述功率补偿装置与模拟负载连接，并手动为所述功率补偿装置配载，其中，所述功率补偿装置用于模拟电网电压，其输出电压的频率和相位与电网电压的频率和相位相同。

接着在步骤S2中，检测所述功率补偿装置输出电压的幅值、频率和相位，具体过程如下：待所述功率补偿装置和模拟负载稳定运行后，使检测单元与所述功率补偿装置和模拟负载连接，并检测所述功率补偿装置输出电压的幅值、频率和相位。

然后在步骤S3中，进行风机发电机组的并网，具体过程如下：根据所述功率补偿装置输出电压的幅值、频率和相位节所述风力发电机组输出电压的频率和相位，以使所述风力发电机组和所述功率补偿装置输出电压的频率和相位一致，待所述风力发电机组和所述功率补偿装置的输出电压同步后，使所述风力发电机组与模拟负载连接，所述风力发电机组和功率补偿装置并联向所述模拟负载供电，完成并网。

最后，在步骤S4中，检验所述风力发电机组的参数是否满足要求，以及各部分运行是否正常，以确定风力发电机组是否能够并网运行。其中，在实际应用中，可使用柴油发电机组作为所述功率补偿装置，当然也可使用其他能模拟电网输出电压的装置，如模拟电路等

下面以柴油发电机组为例说明本分发明提供的风力发电机组的并网测试方法。

例如，如果要对1.5MW风力发电机组进行并网调试，可采用250KW柴油发电机组和300KW模拟负载组成所述调试设备，将风力发电机组与此调试设备连接与，其并网测试接线测试原理图参见图4，其并网测试过程如下：

1)K1、K2、K3开关处于断开位置，确定测试所用设备的所有保护装置、设定值正确无误和可靠动作；

2)当开始测试时，按下柴油发电组机组启动按钮，待柴油发电机组频率、电压达到额定值时，闭合开关K3，柴油发电机组和模拟负载运行；手动给柴油发电机组配载，达到柴油发电机组的50％，使模拟负载的功率为110KW(柴油发电机组最大有功输出能力为220KW)；

3)柴油发电机组和模拟负载稳定运行后，闭合开关K2，检测变压器的高压侧电压幅值和频率信号，在正常范围之内，闭合开关K1，风机网侧变流器跟踪变压器高压侧(即柴油发电机组输出的电压信号)的电压幅值、频率及相序，在完全同步后闭合风机自身断路器K，风机完成并网，此时风机的输出功率接近于零，因此对柴油发电机的冲击也非常小；

当并网完成后，风机变桨系统控制叶片角度使吸收的风能渐渐增大，风机的输出功率也将随之提高。随着风速的提高或降低，风力发电机的出力也相应地增大或减少。而当风力机发出有功功率变化时，柴油发电机改变出力始终维持两者之和与负荷之间的平衡，实现这个系统的稳定运行。实际运行过程中，风力发电机运行在限功率状态，最大输出功率为200kw，随着风速的提高或降低，风力发电机的出力也相应地增大或减少。而当风力机发出有功P风变化时，柴油发电机改变出力始终维持两者之和与负荷之间的平衡，最终使模拟负载的用电由柴油发电机组和风电机组共同提供，在风力发电机组和柴油发电机组共同向模拟负载供电的过程中，可测试风力发电机的参数是满足要求，以及检验风力发电机的各部分是否运行正常，以确定风力发电机组是否满足能够并网运行。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种基于风力发电机组的互补发电系统，其特征在于，包括风力发电机组、功率补偿装置，所述风力发电机组和功率补偿装置并联运行向负载供电，所述风力发电机组根据所述功率补偿装置输出电压的频率和相位调节自身输出电压的频率和相位，以使所述风力发电机组和所述功率补偿装置输出电压的频率和相位一致，所述功率补偿装置根据所述风力发电机组输出功率调节自身输出功率，以使所述风力发电机组和所述功率补偿装置输出功率之和与负载平衡。

2.如权利要求1所述的基于风力发电机组的互补发电系统，其特征在于，还包括检测单元，所述检测单元检测所述功率补偿装置的输出功率，并将检测信号发送给所述功率补偿装置，所述功率补偿装置根据所述检测信号调节自身输出功率。

3.如权利要求2所述的基于风力发电机组的互补发电系统，其特征在于，所述检测单元检测所述功率补偿装置输出电压的频率和相位，并将检测信号发送给风力发电机组，所述风力发电机组根据所述检测信号调节自身输出电压的频率和相位，以使所述风力发电机组和所述功率补偿装置输出电压的频率和相位一致。

4.如权利要求1-3任意一项所述的基于风力发电机组的互补发电系统，其特征在于，所述风力发电机组包括依次连接的直驱永磁同步风力发电机、机侧变流器和网侧变流器，所述网侧变流器与所述负载相连接。

5.如权利要求4所述的基于风力发电机组的互补发电系统，其特征在于，所述网侧变流器根据所述柴油发电机组输出电压的频率和相位，调节所述风力发电机组输出电压的频率和相位，以使所述风力发电机组和功率补偿装置输出电压的频率和相位一致。

6.如权利要求1-3任意一项所述的基于风力发电机组的互补发电系统，其特征在于，所述功率补偿装置为柴油发电机组。

7.如权利要求6所述的基于风力发电机组的互补发电系统，其特征在于，所述柴油发电机组包括依次连接的柴油机、传动系统和同步电机，所述同步电机与所述负载相连接。

8.如权利要求7所述的基于风力发电机组的互补发电系统，其特征在于，所述同步电机包括用于调节所述柴油发电机组输出电压的励磁系统。

9.如权利要求7所述的基于风力发电机组的互补发电系统，其特征在于，所述柴油机包括用于调节所述柴油机频率的调速系统。

10.一种风力发电机组的并网调试方法，其特征在于，包括下述步骤：

1)启动功率补偿装置，待所述功率补偿装置达到预定电压及频率时，使所述功率补偿装置与模拟负载连接，并手动为所述功率补偿装置配载，所述功率补偿装置用于模拟电网电压，其输出电压的频率和相位与电网电压的频率和相位相同；

2)待所述功率补偿装置和模拟负载稳定运行后，检测所述功率补偿装置输出电压的幅值、频率和相位；

3)根据所述功率补偿装置输出电压的幅值、频率和相位节所述风力发电机组输出电压的频率和相位，以使所述风力发电机组和所述功率补偿装置输出电压的频率和相位一致，待所述风力发电机组和所述功率补偿装置的输出电压同步后，使所述风力发电机组与模拟负载连接，所述风力发电机组和功率补偿装置并联向所述模拟负载供电，完成并网；

4)检验所述风力发电机组的参数是否满足要求，以及各部分运行是否正常。

11.如权利要求10所述的风力发电机组的并网调试方法，其特征在于，所述功率补偿装置为柴油发电机组。

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