CN102185336A

CN102185336A - 风力发电设备

Info

Publication number: CN102185336A
Application number: CN2011101160146A
Authority: CN
Inventors: 潘迪; 托马斯安东尼立波
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-05-06
Filing date: 2011-05-06
Publication date: 2011-09-14

Abstract

风力发电设备，包括使用独立绕组的永磁同步交流风力发电机（1），在发电机三相绕组的一端串联连接二极管整流器（2），二极管整流器直流端与网侧逆变器（3）的直流母线连接，二极管整流器作为发电机与直流母线间的能量转换元件，将发电机的交流电能转化为直流电能；发电机三相绕组的另一端串联接入补偿电压源逆变器（5）；在网侧逆变器和补偿电压源逆变器之间还串联有可注入电路的电压幅值和相位的控制器（7）；网侧逆变器的交流输出端与并网变压器（4）连接，并网变压器与电网连接。本发明在保证风力捕捉性能的基础上可降低电力电子逆变器成本，提高发电机利用效率。

Description

风力发电设备

技术领域

本发明涉及应用电力电子变频及并网技术以及电机控制技术的风力发电设备技术领域。

背景技术

风能是目前运用最广的可再生清洁能源之一。为提高风力捕捉性能，目前大功率的风力发电系统多为变速双馈风力发电系统。双馈异步发电机的定子侧直接或通过变压器与电网连接，转子测与电力电子变频器相连接，从而控制转子侧的频率、电流幅值及相位，达到控制发电机，捕捉最大风能等目的。电力电子变频器由整流器和逆变器组成，中间通过直流母线连接，配有滤波电容。这种风力发电系统的优点在于电力电子变频器的额定功率通常只有整个发电系统额定功率的百分之三十。但是由于转子侧电路需要通过滑环与电力电子变频器连接，增加了系统维护成本，同时也降低了系统的可靠性。另外，异步电机功率密度相对较低，同样功率的异步发电机建设及安装成本要高于同步发电机特别是永磁同步发电机。

由于上述问题，运用永磁同步发电机和全功率电力电子变频器的大功率风力发电系统越来越受到关注。这种系统采用效率更高的永磁同步发电机从而达到更高的发电效率降低风机建设安装成本。其中有些系统还通过增加发电机电极数的设计减少加速齿轮的级数，甚至彻底避免使用加速齿轮箱从而降低损耗、增强系统可靠性。但是这种系统需要昂贵的全功率电力电子变频器。一种降低变频器成本的方法是不使用背靠背（back-to-back）的两个全可控电压源变频器，而使用二极管整流器替代发电机测的可控变频器。由于二极管整流器不可控，如果要实现发电机控制和优化风能捕捉，必须在二极管整流器和直流母线之间增加一个直流升压变换器（boost converter）。虽然在拓扑结构上升压变换器只是用了一个电力电子开关器件，但是在实际的系统中，升压变换器串联于系统中，必须按照全功率来设计。因而拓扑中的开关器件在实际中常常需要通过多个开关器件串、并联来实现。另外，基于二极管整流器的风力发电系统，由于交流测电压不可控，发电功率经常会小于发电机的额定功率。也就是说需要安装在风机塔顶的发电机不能得到充分利用，既浪费了电机生产如稀土磁铁，磁钢及铜等材料，又无谓地增加了风机塔的建设成本。因此，这种运用二极管整流器的风力发电系统并没有在大功率风力发电中得到广泛的运用。

发明内容

为了克服传统的全功率可控电力电子变频器风力发电系统和二极管整流器加直流升压变换器风力发电系统的缺点，本发明提出了一种风力发电设备，旨在保证风力捕捉性能的基础上大大降低电力电子逆变器成本，提高发电机利用效率，解决传统使用二极管整流器的风力发电设备发电机利用率低的问题。

本发明的目的通过如下技术方案实现。

风力发电设备，包括使用独立绕组的永磁同步交流风力发电机，在发电机三相绕组的一端串联连接二极管整流器，二极管整流器直流端与网侧逆变器的直流母线连接，二极管整流器作为发电机与直流母线间的能量转换元件，将发电机的交流电能转化为直流电能；发电机三相绕组的另一端串联接入补偿电压源逆变器；在网侧逆变器和补偿电压源逆变器之间还串联有可注入电路的电压幅值和相位的控制器；网侧逆变器的交流输出端与并网变压器连接，并网变压器与电网连接。

本发明在二极管整流器交流侧上还可以并联连接滤波器。

本发明所述二极管整流器为使用两电平的整流器或多变频的二极管整流器。

本发明所述补偿电压源逆变器为电压源电力电子变频器。

本发明所述网侧逆变器为全控的两电平逆变器或多电平逆变器。

本发明在串联补偿逆变器的直流母线上连接有储能元件。

本发明在保证风力捕捉性能的基础上可大大降低电力电子逆变器成本，提高发电机利用效率，解决传统使用二极管整流器的风力发电设备发电机利用率低的问题。

下面结合说明书附图进一步阐述本发明内容。

附图说明

图1为本发明示意图；

图2为本发明的基于两电平整流器和逆变器的实例电路图；

图3为本发明补偿变压器工作相量示意图；

图4为本发明与恒转速风机配合使用实例的控制方法示意图；

图5为本发明与变转速风机配合使用实例的控制方法示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明风力发电设备，包括使用独立绕组的永磁同步交流风力发电机1，在发电机1三相绕组的一端串联连接二极管整流器2，二极管整流器2直流端与网侧逆变器3的直流母线连接，二极管整流器3作为发电机1与直流母线间的能量转换元件，将发电机的交流电能转化为直流电能；发电机1三相绕组的另一端串联接入补偿电压源逆变器5；在网侧逆变器3和补偿电压源逆变器5由控制器7控制；网侧逆变器3的交流输出端与并网变压器4连接，并网变压器4与电网连接。可选的滤波器6与二极管整流器2并联连接。网侧逆变器3可采用与传统风力发电设备相同的逆变器。本发明所使用独立绕组的永磁同步交流发电机与普通交流发电机的区别在于电机的三相绕组没有连接在一起的中性点，每一相的绕组间是电隔离的。这种电机并不需要特殊的设计，只是在生产过程中减少了一道将三相绕组的一端连接在一起的生产工序。本发明运用二极管整流器作为发电机和直流母线间的功率转换元件，而且在二极管整流器和直流母线之间并不需要直流升压变换器达到控制发电机发电量和直流母线电压的目的。二极管整流器并不局限于使用六个二极管的两电平整流器2，也可以是多变频的二极管整流器。本实施例优选两电平整流器。本发明运用远低于额定功率的电压源电力电子变频器作为补偿逆变器与发电机串联连接，变频器所处的位置在拓扑上相当于传统发电机的中性点的位置。补偿逆变器直接与发电机连接，并不需要通过变压器或者滤波器连接。补偿逆变器并不进行有功功率转换，而是通过向发电机注入无功功率达到改变发电机工作点从而控制发电机发电量的目的。通过运用串联的补偿逆变器，可以提高发电机利用效率，解决传统基于二极管整流器的风力发电系统中存在的发电功率低于发电机额定功率的问题，从而提高材料使用效率，降低风力发电系统的生产和建设成本。本发明在电网侧使用全控的电压源逆变器。根据实际运用的需求，全控的电压源逆变器可以是两电平逆变器也可以是多电平逆变器，本实施例优选两电平逆变器。通过使用全控的网侧逆变器，可以实现在电网侧与电网同步无缝连接，同时可以合理控制溃入电网的有功及无功功率，帮助提高电网的稳定性。

本发明采用独立绕组的交流发电机1，在三相绕组的一端使用低成本的二极管整流器2作为发电机1与网侧逆变器3的直流母线8间的能量转换元件，将发电机的交流电能转化为直流电能。控制器7控制补偿逆变器5串联注入电路的电压幅值和相位。通过控制补偿逆变器5与发电机1电流垂直方向的电压，可以控制发电机的发电功率，从而实现最佳的风能捕捉。另外，通过控制与电流同向或相反方向的电压可以控制补偿直流母线电容9的电压。补偿变频器5的额定视在功率按照发电机的无功功率选择，因此其额定视在功率可以比传统的全控逆变器小很多。需要指出的是，传统的风力发电变频器中，发电机测逆变器必须按照视在功率的最大情况设计。然而本发明的风力发电设备，只有二极管整流器2必须按照有功功率的最大情况考虑，而补偿逆变器5可以比无功功率的最大情况小。如果补偿逆变器5不足以提供最佳风能捕捉情况时发电机1需要的无功功率，只会使发电机1输出功率减小，而并不会使系统损坏。

本发明的网侧逆变器3将直流母线的电能转化为交流电能并通过并网变压器4将电能输送到电网。网侧逆变器3的有功和无功功率可以有控制器7独立控制，在电网需要的时候可以提供无功功率稳定电网电压。

本发明的风力发电设备，除了可以运用于定速风力发电系统以外，还可以运用于可调速风力发电系统。在发电机转速可变的情况下，通过控制发电机的功率及转矩，风机的桨叶速度可以配合最佳叶尖速转速比从而实现最大风能捕捉。

本发明正常运行并不一定需要使用滤波器6。但是在二极管整流器与发电机连接处加入被动或者主动滤波器可以降低发电机电流中的谐波，从而减小电机损耗和转矩脉动。

本发明还可以在串联补偿逆变器的直流母线上连接如电池的储能元件10。通过控制补偿逆变器与电流方向相同和相反的变量，可以在储能元件10与发电机1和电网之间实现电能交换。当发电机所发出电功率超过电网的需要时，可以将多余的能量储存在储能元件10中。反之，当发电机所发出的电功率不足以满足电网的需要时，可以将储能元件中储存的电能通过发电机1绕组、二极管整流器2和网侧逆变器3，输送到电网中满足用电需要。

图2为本发明的基于两电平整流器和逆变器的实例。交流发电机1三相绕组的一段接入使用六个二极管的两电平二极管整流器2，二极管整流器2的直流侧与直流母线电容8并联连接。发电机1三相绕组的另一端与两电平补偿逆变器5串联连接，补偿逆变器5的直流侧与补偿直流母线电容9并联。网侧逆变器3与直流母线电容8并联，网侧逆变器3的交流侧与并网逆变器4连接。并网逆变器4与电网连接。本实例中没有使用储能设备。

图3为本发明中补偿逆变器5的工作相量示意图，图中使用无凸极性的发电机作为实例。当补偿电压滞后发电机电流时，补偿为电容性。相反的，当补偿变压超前于发电机电流，补偿为电感性。图3a为无补偿状态。若补偿逆变器电压相量完全抵消发电机阻抗压降时为图3b所示的最优补偿，此时发电机工作在最大转矩电流比（maximum torque per amp, MTPA）状态，发电机的绕组电阻性损耗最小。当补偿为图3c所示的电容性时，发电机输出功率增加，如果风机转速可变，此时因为发电机转矩增加，风机转速会降低。当补偿为图3d所示的电感性时，发电机输出功率减小。如果风机转速可变，此时因为发电机转矩减小，风机转速会升高。

如图4和图5所示，本发明的风力发电设备的控制器需要检测发电机电流的相位。补偿变压器控制器在电流同步坐标系下。补偿逆变器5的控制器7根据发电机电流矢量决定注入电压。注入电压与发电机电流垂直的分量用于控制发电机的发电功率，与发电机电流同向的分量用于控制补偿逆变器5的补偿直流母线电容9的电压。控制器将电流同步坐标系下的补偿电压转换回静止三相坐标系。PWM调制器用于产生电力电子开关器件的门级信号。

如图5所示，当使用变转速风机时，可以在功率内控制环的基础上再加入转速控制外环，实现风机转速控制。风机转速的命令可以根据风速和风机设计产生，从而达到最大功率捕捉。

Claims

1.风力发电设备，其特征在于，包括使用独立绕组的永磁同步交流风力发电机（1），在发电机（1）三相绕组的一端串联连接二极管整流器（2），二极管整流器（2）直流端与网侧逆变器（3）的直流母线连接，二极管整流器（2）作为发电机（1）与直流母线间的能量转换元件，将发电机的交流电能转化为直流电能；发电机（1）三相绕组的另一端串联接入补偿电压源逆变器（5）；在网侧逆变器（3）和补偿电压源逆变器（5）之间还串联有可注入电路的电压幅值和相位的控制器（7）；网侧逆变器（3）的交流输出端与并网变压器（4）连接，并网变压器（4）与电网连接。

2.根据权利要求1所述的风力发电设备，其特征在于，在二极管整流器（2）上并联连接有滤波器（6）。

3.根据权利要求1或2所述的风力发电设备，其特征在于，所述二极管整流器（2）为使用六个二极管的两电平整流器或使用更多二极管的多变频的二极管整流器。

4.根据权利要求1所述的风力发电设备，其特征在于，所述补偿电压源逆变器（5）为电压源电力电子变频器。

5.根据权利要求1所述的风力发电设备，其特征在于，所述网侧逆变器（3）为全控的两电平逆变器或多电平逆变器。

6.根据权利要求1所述的风力发电设备，其特征在于，在串联补偿逆变器的直流母线上连接有储能元件（10）。