CN102163850A - 风力发电并网的切换系统及方法 - Google Patents

风力发电并网的切换系统及方法 Download PDF

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苗玉杰
袁宁
王东
李一凡
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吴晓玲
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刘萌
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Abstract

本发明公开了一种风力发电并网的切换系统及方法，属于风力发电与电力电子技术领域，该风力发电并网的切换系统包括风电机组，所述风电机组包括风机，与所述风机同轴的发电机、变流器，所述风力发电并网的切换系统还包括：一开关，与所述变流器并联，用于在自身闭合时将所述发电机发出的电能并入电网中；风力发电并网的切换装置，用于测量所述风机的输出功率，并比较所述风机的输出功率与所述变流器的额定功率，根据比较结果断开或闭合所述开关。本发明实施例能够提高风能的利用效率。本发明的技术方案可以广泛应用在风力发电系统中。

Description

风力发电并网的切换系统及方法
技术领域
本发明涉及风力发电与电力电子技术领域，特别涉及一种风力发电并网的切换系统及方法。
背景技术
风能作为一种清洁的可再生能源，从70年代中期开始受到世界各国的重视，其中，直驱式永磁风力发电机组是风力发电发展的趋势。
目前，大型机组并网发电，已成为世界风能利用的主要形式。现有技术中，直驱式风力发电机组的并网变流器功率等级与发电机相当，发电机发出的电能全部通过变流器变换为频率、电压恒定的交流电馈入电网，并通过对电机侧变流器电流的控制而控制电磁转矩，使之实现最大功率输出。
如果外界没有风，风很小或风很大，风力发电机将停止运行，不能发电。在并网型风力发电系统中，风力发电突然停止，将对电网造成很大冲击，严重威胁电网的运行安全。当风机停止输出时，目前有采用并网发电和电网无功功率补偿一体化的方法，使逆变器单独对电网进行无功补偿，改善电能质量。当风机出力很小时，通过设置压缩空气储能系统的方法，为风能转换机构提供稳定的风力，保证风机的连续稳定发电，或者通过在发电机定子绕组分段抽头形成能够进行多级调整功率的发变电系统，稳定风机的输出。
但是在现有技术中，没有提出一种当风机出力很大时风能的更大利用办法。风机输入功率为
Figure GSA00000034082500011
其中ρ为空气密度，A为风机叶片扫掠面积，v为当前风速，风机输出功率则为
Figure GSA00000034082500012
其中Cp为风能利用系数，即风机将风能转化为机械能的效率，它与风速、风机的叶片转速、叶片直径和桨叶节距角有关，是叶尖速比λ和桨叶节距角β的函数。在桨叶节距角不变时，风能利用系数只与叶尖速比λ有关，因此，在某一风速下，调节风机转速，使其运行在最佳叶尖速比，就能获得最大风能利用系数Cpmax，达到最大风能捕获的目的。
为了在任意风速时刻均能捕获最大风能，发电机的转速必须与风速匹配，通常当风速小于额定风速时，可以通过变流器调节发电机的转速随风速变化，获得最大风能转换效率。但是当风速高于额定风速而低于风机切出风速时，现有技术需要调整风机桨叶节距角以调节馈入系统的风能，维持风机在额定功率运行，实际上此刻的风机可以输出更多能量，但是由于风力发电机或变流器额定功率的限制，导致该能量不能并入电网而白白损失，降低了风能的利用效率。如果研制更大功率的变流器以减小风速过高时能量的损失，则会增加系统成本和研制周期。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种风力发电并网的切换系统及方法，能够提高风能的利用效率。
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供技术方案如下：
一方面，提供一种风力发电并网的切换系统，包括风电机组，所述风电机组包括风机，与所述风机同轴的发电机、变流器，所述风力发电并网的切换系统还包括：
一开关，与所述变流器并联，用于在自身闭合时将所述发电机发出的电能并入电网中；
风力发电并网的切换装置，用于测量所述风机的输出功率，并比较所述风机的输出功率与所述变流器的额定功率，根据比较结果断开或闭合所述开关。
其中，所述风力发电并网的切换装置包括：
监测模块，用于测量所述风机的输出功率；
比较模块，用于比较所述风机的输出功率与所述变流器的额定功率；
处理模块，用于当所述风机的输出功率不大于所述变流器的额定功率时，断开所述开关，以使所述发电机发出的电能通过所述变流器并入电网中；当所述风机的输出功率大于所述变流器的额定功率时，闭合所述开关，以使所述发电机发出的电能通过所述开关并入电网中。
其中，所述风力发电并网的切换装置还包括：
调节模块，用于在所述处理模块闭合所述开关后，调节所述风机的叶尖速比，使所述发电机的转速保持不变；
增大模块，用于在所述处理模块闭合所述开关后，增大电网侧负载，以增大所述发电机的输出电流。
其中，所述变流器包括发电机侧三相电容、三相电感、三相最低充电电平(LCL)并网滤波电路、发电机侧三相脉冲宽度调制(PWM)全控变流器以及PWM网侧并网变流器。
其中，所述发电机侧三相PWM全控变流器为全控三相桥，由六个开关器件构成三相桥臂并联而成，功率开关器件均为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)；
所述PWM网侧并网变流器由三相全控桥构成，由六个开关器件构成三相桥臂并联组成，功率开关器件均为IGBT。
其中，所述风机与所述发电机的额定功率相同，所述变流器的额定功率小于所述风机的额定功率。
其中，所述风机的额定功率为3～5兆瓦，所述发电机的额定功率为3～5兆瓦，所述开关的额定功率为3～5兆瓦，所述变流器的额定功率为1～2兆瓦，所述发电机的额定转速为50赫兹。
其中，所述开关为可控硅开关。
本发明的实施例还提供了一种风力发电并网的切换方法，应用于风力发电并网的切换系统中，所述风力发电并网的切换系统包括风机，与所述风机同轴的发电机、变流器，以及与所述变流器并联的开关，所述风力发电并网的切换方法包括：
测量所述风机的输出功率；
比较所述风机的输出功率与所述变流器的额定功率；
当所述风机的输出功率不大于所述变流器的额定功率时，断开所述开关，以使所述风机发出的能量通过所述变流器并入电网中；
当所述风机的输出功率大于所述变流器的额定功率时，闭合所述开关，以使所述风机发出的能量通过所述开关并入电网中。
其中，所述当所述风机的输出功率大于所述变流器的额定功率时，闭合所述开关之后还包括：
调节所述风机的叶尖速比，使所述发电机的转速保持不变；
增大电网侧负载，以增大所述发电机的输出电流。
本发明的实施例具有以下有益效果：
上述方案中，当风机输出功率小于或等于变流器额定功率时，可以将开关断开，使得风机发出的能量全部通过变流器并网，能够提高风电机组并网的可靠性和运行效率，减小对电网和发电机的冲击，实现风电机组最佳稳定运行，并实现了快速功率传输；而当风机输出功率超过变流器额定功率时，则闭合开关，使变流器短路，以使风机发出的能量直接通过开关并入电网，能够最大限度地将风速升高后的能量通过发电机传送到网侧，增加风机的发电量，提高了风能的转换效率。
附图说明
图1为本发明实施例的风力发电并网的切换系统的结构示意图；
图2为本发明实施例的风力发电并网的切换装置的结构示意图；
图3为本发明实施例的风力发电并网的切换系统的另一结构示意图；
图4为本发明实施例的变流器结构示意图；
图5为本发明实施例的风力发电并网的切换方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的实施例要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明的实施例针对现有技术中风能的利用效率较低的问题，提供一种风力发电并网的切换系统及方法，能够提高风能的利用效率。
本发明实施例提供了一种风力发电并网的切换系统，如图1所示，该系统包括：
风机1，发电机2，变流器3，以及开关4、风力发电并网的切换装置8。
风机1和发电机2同轴连接，发电机2的输出连接变流器3和开关4，开关4与变流器3并联连接，用于在自身闭合时将发电机2发出的电能并入电网中；风力发电并网的切换装置8，用于测量风机1的输出功率，并比较风机1的输出功率与变流器3的额定功率，根据比较结果断开或闭合开关4。
其中，如图2所示，风力发电并网的切换装置8包括：
监测模块81，用于测量风机1的输出功率；
比较模块82，用于比较风机1的输出功率与变流器3的额定功率；
处理模块83，用于当风机1的输出功率不大于变流器3的额定功率时，断开开关4，以使发电机2发出的电能通过变流器3并入电网中；当风机1的输出功率大于变流器3的额定功率时，闭合开关4，以使发电机2发出的电能通过开关4并入电网中。
进一步地，风力发电并网的切换装置8还包括：
调节模块84，用于在处理模块83闭合开关4后，调节风机1的叶尖速比，使发电机2的转速保持不变；
增大模块85，用于在处理模块83闭合开关4后，增大电网侧负载，以增大发电机2的输出电流。
其中，风机1、发电机2以及开关4的额定功率相等，均大于变流器3的额定功率。
其中，风机1、发电机2以及开关4的额定功率可以均为3～5兆瓦，变流器3的额定功率可以为1～2兆瓦，低于风机的额定功率，发电机的额定转速可以设计在50赫兹。
其中，如图3所示，变流器3可以为三相全功率变流器，开关4可以为可控硅开关。下面以图3所示的风力发电并网的切换系统为例，对本发明的风力发电并网的切换系统的工作方法进行详细介绍：
当风速较小，低于额定风速时，风机1的输出功率小于或等于全功率变流器3的额定功率时，风力发电机2在风机1带动下发电，可控硅开关4处于断开状态，风力发电机2产生的电能通过三相全功率变流器3控制并入电网；此时风机1和风力发电机2都在额定功率以下运行，变流器3在小于或等于额定功率运行，风机1在低于额定风速运行，风力发电机2在额定转速运行；
当风速升高，风机1输出功率大于全功率变流器3的额定功率时，可控硅开关4闭合，使全功率变流器3短路，在风轮带动下发电的永磁同步风力发电机2通过可控硅开关4直接并入电网，此时通过调节变桨系统使发电机2转速保持不变，通过网侧调度中心调节负载增大发电机输出电流，将风机产生的能量传到电网。
如图4所示，变流器3包括电机侧三相电容5、三相电感6和三相最低充电电平(lowest charge level，以下简称LCL)并网滤波电路7，风力发电机2通过电缆连接到三相三角形连接的电容5，然后连接到三相电感6，三相电感6连接发电机侧三相脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，以下简称PWM)全控变流器，发电机侧三相PWM全控变流器并联一组平波电容后与PWM网侧并网变流器相连，PWM网侧并网变流器连接三相并网LCL电路的输入端，三相并网LCL电路的输出端与电网相连。
其中，发电机侧三相PWM全控变流器是全控三相桥，由六个开关器件构成三相桥臂并联而成，功率开关器件采用绝缘栅双极型晶体管(Insulated GateBipolar Transistor，以下简称IGBT)；PWM网侧并网变流器由三相全控桥构成，由六个开关器件构成三相桥臂并联组成，功率开关器件均为IGBT。
工作时，风机1带动风力发电机2发出三相频率及幅值都变化的交流电，经过发电机侧滤波电容滤波后进入发电机侧平波电感。平波电感既可以对三相电起到平波的作用，又可以与发电机侧全控变流器一起构成升压变流器，这样就可以使得风力发电机组在很大风速范围内按最佳功率运行，即使在较低风速下，全控变流器的升压控制也能保证直流母线电压的稳定，从而保证系统满足并网条件。由平波电感输出来的交流电经过发电机侧全控变流器的整流和直流侧滤波电容的滤波后，作为网侧并网变流器的直流母线直接馈电到网侧变流器。经过PWM控制的网侧变流器输出恒频恒幅与电网同相的三相准正弦交流电，满足并网条件，可直接并入低压电网。当风速很大风机1输出功率超过变流器3额定功率时，及时合上可控硅开关4，使风力发电机2的能量直接通过开关并入电网，此时需要同时调节变桨系统，调整风机的叶尖速比，使得发电机2保持额定转速不变，并通过网侧调度中心增大负载，以增加风力发电机2的电流而增大输出功率，将风机1产生的能量快速地最大限度地并入电网。
本实施例的风力发电并网的切换系统，当风机输出功率小于或等于变流器额定功率时，开关处于断开状态，风机发出的能量全部通过变流器并网，能够提高风电机组并网的可靠性和运行效率，减小对电网和发电机的冲击，实现风电机组最佳稳定运行，并实现了快速功率传输；而当风机输出功率超过变流器额定功率时，则闭合开关，使变流器短路，以使风机发出的能量直接通过开关并入电网，能够最大限度地将风速升高后的能量通过发电机传送到网侧，增加风机的发电量，提高了风能的转换效率。
本发明实施例还提供了一种风力发电并网的切换方法，应用于如图1所示的风力发电并网的切换系统中，如图5所示，该方法包括：
步骤501：测量风机1的输出功率；
步骤502：比较风机1的输出功率与变流器3的额定功率；
步骤503：判断风机1的输出功率是否大于变流器3的额定功率，若风机1的输出功率不大于变流器3的额定功率，转向步骤504；若风机1的输出功率大于变流器3的额定功率，转向步骤505；
步骤504：断开开关4，以使风机1发出的能量通过变流器3并入电网中；
步骤505：闭合开关4，以使风机1发出的能量通过开关4并入电网中。
其中，若风机1的输出功率大于变流器3的额定功率，步骤504之后还需要调节变桨系统，使风力发电机2的转速保持不变，并增大电网侧负载，以增大风力发电机2的输出电流，使得能够最大限度地将风速升高后的能量通过发电机传送到电网。
本实施例的风力发电并网的切换方法，当风机输出功率小于或等于变流器额定功率时，开关处于断开状态，风机发出的能量全部通过变流器并网，能够提高风电机组并网的可靠性和运行效率，减小对电网和发电机的冲击，实现风电机组最佳稳定运行，并实现了快速功率传输；而当风机输出功率超过变流器额定功率时，则闭合开关，使变流器短路，以使风机发出的能量直接通过开关并入电网，能够最大限度地将风速升高后的能量通过发电机传送到网侧，增加风机的发电量，提高了风能的转换效率。
所述方法实施例是与所述装置实施例相对应的，在方法实施例中未详细描述的部分参照装置实施例中相关部分的描述即可，在装置实施例中未详细描述的部分参照方法实施例中相关部分的描述即可。
本领域普通技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，包括如上述方法实施例的步骤，所述的存储介质，如：磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。
在本发明各方法实施例中，所述各步骤的序号并不能用于限定各步骤的先后顺序，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，对各步骤的先后变化也在本发明的保护范围之内。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种风力发电并网的切换系统，包括风电机组，所述风电机组包括风机，与所述风机同轴的发电机、变流器，其特征在于，所述风力发电并网的切换系统还包括：
一开关，与所述变流器并联，用于在自身闭合时将所述发电机发出的电能并入电网中；
风力发电并网的切换装置，用于测量所述风机的输出功率，并比较所述风机的输出功率与所述变流器的额定功率，根据比较结果断开或闭合所述开关。
2.根据权利要求1所述的风力发电并网的切换系统，其特征在于，所述风力发电并网的切换装置包括：
监测模块，用于测量所述风机的输出功率；
比较模块，用于比较所述风机的输出功率与所述变流器的额定功率；
处理模块，用于当所述风机的输出功率不大于所述变流器的额定功率时，断开所述开关，以使所述发电机发出的电能通过所述变流器并入电网中；当所述风机的输出功率大于所述变流器的额定功率时，闭合所述开关，以使所述发电机发出的电能通过所述开关并入电网中。
3.根据权利要求1所述的风力发电并网的切换系统，其特征在于，所述风力发电并网的切换装置还包括：
调节模块，用于在所述处理模块闭合所述开关后，调节所述风机的叶尖速比，使所述发电机的转速保持不变；
增大模块，用于在所述处理模块闭合所述开关后，增大电网侧负载，以增大所述发电机的输出电流。
4.根据权利要求1所述的风力发电并网的切换系统，其特征在于，所述变流器包括发电机侧三相电容、三相电感、三相最低充电电平(LCL)并网滤波电路、发电机侧三相脉冲宽度调制(PWM)全控变流器以及PWM网侧并网变流器。
5.根据权利按要求4所述的风力发电并网的切换系统，其特征在于，所述发电机侧三相PWM全控变流器为全控三相桥，由六个开关器件构成三相桥臂并联而成，功率开关器件均为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)；
所述PWM网侧并网变流器由三相全控桥构成，由六个开关器件构成三相桥臂并联组成，功率开关器件均为IGBT。
6.根据权利要求1所述的风力发电并网的切换系统，其特征在于，所述风机与所述发电机的额定功率相同，所述变流器的额定功率小于所述风机的额定功率。
7.根据权利要求6所述的风力发电并网的切换系统，其特征在于，所述风机的额定功率为3～5兆瓦，所述发电机的额定功率为3～5兆瓦，所述开关的额定功率为3～5兆瓦，所述变流器的额定功率为1～2兆瓦，所述发电机的额定转速为50赫兹。
8.根据权利要求1所述的风力发电并网的切换系统，其特征在于，所述开关为可控硅开关。
9.一种风力发电并网的切换方法，应用于风力发电并网的切换系统中，其特征在于，所述风力发电并网的切换系统包括风机，与所述风机同轴的发电机、变流器，以及与所述变流器并联的开关，所述风力发电并网的切换方法包括：
测量所述风机的输出功率；
比较所述风机的输出功率与所述变流器的额定功率；
当所述风机的输出功率不大于所述变流器的额定功率时，断开所述开关，以使所述风机发出的能量通过所述变流器并入电网中；
当所述风机的输出功率大于所述变流器的额定功率时，闭合所述开关，以使所述风机发出的能量通过所述开关并入电网中。
10.根据权利要求9所述的风力发电并网的切换方法，其特征在于，所述当所述风机的输出功率大于所述变流器的额定功率时，闭合所述开关之后还包括：
调节所述风机的叶尖速比，使所述发电机的转速保持不变；
增大电网侧负载，以增大所述发电机的输出电流。
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