CN102255334A - 风力发电机组智能单元矩阵并网技术及其专用设备 - Google Patents

Abstract

风力发电机组智能单元矩阵并网技术及其专用设备，属于风电并网技术领域。其特征在于风力发电机组通过三相桥式整流器整流后与蓄电池组连接，同时经直流母线与一组并联的自控发电单元机组连接，所述自控发电单元机组由电压继电器、直流电动机、交流发电机、复合无触点开关和限流电抗器连接构成，自控发电单元机组的输出端并入电网，蓄电池组为UPS不间断电源供电，UPS不间断电源通过给风力发电机组的偏航系统和电压继电器供电，UPS不间断电源还与中央控制台控制连接，直流母线上串接超载电流继电器。该并网技术实施后可使风机具有低电压穿越功能，大幅度提高风能利用效率，其成本低、效果好、耐用，能通过国家有关风电上网的严格标准。

Description

风力发电机组智能单元矩阵并网技术及其专用设备

技术领域

本发明属于大型风电并网技术领域，具体为风力发电机组智能单元矩阵并网技术及其专用设备。

背景技术

2010年全国由于风电场建设工期不匹配和风电不稳定等原因不能让风电上网，只能将风机停止发电即“弃风”，弃风的发电量超过60亿千瓦时。2011年2月24日、４月17日、4月24日和4月25日，我国甘肃省酒泉地区和河北省张家口地区分别发生了由电气设备故障引起的风机大规模脱网事故。在电监会对事故的通报中，已投运机组不具备低电压穿越能力被列在事故原因的第一位，一时间，大量关于我国风机低电压穿越存在问题的报道见诸报端，风力发电机、风电成为众人责难的对象。《首聚能源博览网》记者近日在风电发展最快的两个省区甘肃和内蒙采访发现，今年以来，一些风电基地不断发生风电机组脱网事故。而并网后的“弃风”现象日渐突出。2011年2月24日，中电酒泉风电公司桥西第一风电场出现电缆头故障，导致16个风电场598台风电机组脱网。国家电监会认为此次事故是近几年中国风电“对电网影响最大的一起事故”；4月17日，甘肃瓜州协合风电公司干河口西第二风电场因电缆头击穿，造成15个风电场702台机组脱网。同日，在河北张家口，国华佳鑫风电场也发生事故，644台风电机组脱网；4月25日，酒泉风电基地再次发生事故，上千台风机脱网。业内人士认为，集体“掉链子”的风机已经成为一把“双刃剑”。“伴随着风电并网容量不断增加，风电场开始进入事故高发期。”甘肃省电力公司风电技术中心主任汪宁渤说。“风电机组集中脱网，导致电网系统电压、频率大幅度波动，威胁到电力系统安全稳定运行。”据甘肃省电力公司介绍，截至4月底，酒泉风电基地风电场累计发生各类事故43次，其中发生风电机组脱网超过1000台、影响范围较大故障7次。除4月25日事故是电网事故波及到风电场以外，其他事故均是风电场事故影响到电网。记者了解到，风电发展较快的内蒙古、吉林、河北和甘肃等地先后发生过风电机组脱网事故。2008年4月，吉林白城的4个风电场风机跳闸。与此同时，记者采访获悉，在国家要求电网保障性收购风电后，多地出现“弃风”现象——并网风机发电上不了网。

现在的大型风力发电机组毫无例外的都是采用“电子变流器直接并网”方式，并且没有储存电能的能力，所以也没有“低电压穿越”能力，电子变流器方式，是将大功率的电力能源通过昂贵的大功率电子设备直接调制出“相似”或者是“模拟”的“正弦波”电能（此种相似或者模拟的所谓正弦波电能在示波器上可以清晰的看到波形是由极多的小尖刺组成的一条相似与正弦波的波形，其小尖刺就是多次谐波，由多种低中高频率的谐波组成，对电网污染很大，往往使众多的电子设备用户受影响，对高精尖等科研部门的电力用户影响更大）而非“标准正弦波”电能进行并网的。当风力发电机的总功率不大时这种并网方式对电网的影响是较小的，电网还能够消化和吸纳的，然而随着风力发电机组的突飞猛进的“大跃进”式发展，千万千瓦级风电场的迅速建成，其总功率容量达到十分巨大的程度。

据报道，我国最大型的风电场装机总容量（总功率）已经大到“陆上三峡”的发电量规模，达到千万千瓦级了，并且如此规模的风电已经规划了 8个风电场，单台风力发电机组最小也有1000千瓦（1兆瓦），一般是1.5兆瓦和2兆瓦机组，3兆瓦及更大型号的机组也已经加快研制，据说近期就能够面市。如此大的电力能量完全是依靠风能情况忽大忽小、时有时无，又以“不稳定、不可调”的状态并入电网，因为没有低电压穿越能力，在电网发生微小的故障时，就急速而且事前毫无征兆的大批量逃离电网，即“脱网”，给电网造成巨大的波动，导致电压、频率失稳，影响面特别巨大，这是任何电网都不能够承受和消纳的。在改造“低电压穿越”性能方面，“根据测算，一台风机要进行低电压穿越能力改造的最低价是50万元。”大唐新能源公司发展规划部副主任张新斌对《新能源导刊》记者说，如果按照这一数字测算，全国超过2万台风机所需的改造费用恐在百亿元以上。

总结以上的目前风力发电并网信息，我们认为当前的这种风力发电机组并网技术并不是最好的，众多的风机逃网事故证明这种技术至少还不完善，毋庸置疑，这些事故的发生说明此种模式（电子变流器模式）并不是一种可以做到十分安全十分稳定的技术，要达到安全可靠的水平，还有很长的研发之路要走。

电力作为基础能源已经发展了一百多年，时至今日已经是人类文明社会不可须臾离开的能源，其安全性和稳定性一直是最重要的问题，风能作为一种取之不尽用之不竭的新能源，绝对应该替代传统的化石能源登上一次能源的舞台，但是必须解决安全并网稳定并网的问题，如果不解决这个问题，尽管有良好的用心，美好的愿望其实都是于事无补的。所以如何将现有的并网模式进行突破性创新性的改造，应该提出更好的方法，下面介绍我们的这种并网技术的特点和优点。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于设计提供一种大型风力发电机组智能单元矩阵并网技术及其专用设备的技术方案，实施后可使风机具有低电压穿越功能，大幅度提高风能利用效率，使风机能够安全稳定运行，并且向电网输入“标准的正弦波”电能，解决了谐波污染电网问题。

所述的风力发电机组智能单元矩阵并网技术，其特征在于：风力发电机组发出的三相交流电通过三相桥式整流器整流后与蓄电池组连接进行充电，同时还经过直流母线与一组并联的自控发电单元机组连接，所述的自控发电单元机组由电压继电器、直流电动机、交流发电机、复合无触点开关和限流电抗器连接构成，自控发电单元机组的输出端并入电网，蓄电池组还输出一路电流为UPS不间断电源供电，UPS不间断电源通过电源线给风力发电机组的偏航系统和电压继电器供电，UPS不间断电源还与中央控制台控制系统连接，直流母线上串接超载电流继电器与风力发电机组的偏航调速机构连接，向其提供控制信号进行偏航调速，减少风力发电机组的出力，维持直流母线的电流在规定的范围内。

所述的风力发电机组智能单元矩阵并网技术，其特征在于：所述的三相桥式整流器采用大功率高电压硅整流二极管组成，选择匹配单个元件的最大型号的散热器，单个二极管的耐压≧1000V，电流≧200A，其设计容量为风力发电机组额定电流的3-5倍。

所述的风力发电机组智能单元矩阵并网技术，其特征在于：所述的蓄电池组为锂离子蓄电池、锂离子动力蓄电池、磷酸铁锂蓄电池、超级电容器、锂离子型大容量蓄电池中的一种或一种以上的组合，可以单独使用、也可以并联、串联或复联使用，蓄电池组的功率容量是风力发电机组额定容量的1/20-1/40。

所述的风力发电机组智能单元矩阵并网技术，其特征在于：所述的UPS不间断电源的容量为5-20千瓦。

所述的风力发电机组智能单元矩阵并网技术，其特征在于：所述的直流母线为可供风力发电机组额定电流的3-5倍长期通过的线排。

所述的风力发电机组智能单元矩阵并网技术，其特征在于：所述电压继电器的动作电压整定值为风力发电机组额定电压的85%-100%，整定规律是从第一个自控发电单元机组开始，后一个机组比前一个机组的动作整定值高1-100V，优选10-50V，更优选5-10V；电压继电器中的延时继电器设定数据是：1-180秒，优选10-50秒，更优选3-8秒。

所述的风力发电机组智能单元矩阵并网技术，其特征在于：所述电压继电器为普通机械式电压继电器、电子式电压继电器、智能型电压继电器、逻辑型电压继电器或高精度电压继电器。

所述的风力发电机组智能单元矩阵并网技术，其特征在于：所述电压继电器为直流型电压继电器或交流型电压继电器，工作电压范围220-1000V的直流电或者交流电。

所述的风力发电机组智能单元矩阵并网技术，其特征在于：所述的直流电动机为普通直流电动机、无刷直流电动机、无刷永磁直流电动机、盘式无刷直流电动机或盘式无刷永磁直流电动机；所述的交流发电机为普通交流同步发电机、无刷交流同步发电机、自励恒压硅整流同步交流发电机、永磁交流发电机或同步交流发电机；所述的复合无触点开关为交流接触器、直流接触器、无触点开关、晶闸管开关、自动负荷开关、复合式无触点开关或混合式无触点开关；所述的限流电抗器为空心式限流电抗器、铁芯式限流电抗器、电子式限流电抗器或智能型限流电抗器。

所述的风力发电机组智能单元矩阵并网的专用设备，其特征在于包括风力发电机组通过三相桥式整流器与蓄电池组连接，同时还经过直流母线与一组并联的自控发电单元机组连接，所述的自控发电单元机组由电压继电器、直流电动机、交流发电机、复合无触点开关和限流电抗器连接构成，自控发电单元机组的输出端并入电网，蓄电池组与UPS不间断电源电路连接，UPS不间断电源通过电源线给风力发电机组的偏航系统和电压继电器连接，UPS不间断电源还与中央控制台控制连接，直流母线上串接超载电流继电器，超载电流继电器与风力发电机组控制连接。

上述风力发电机组智能单元矩阵并网技术及其专用设备，实施后可使风机具有低电压穿越功能，大幅度提高风能利用效率，使风机能够安全稳定运行，并且向电网输入“标准的正弦波”电能，解决了谐波污染电网问题。本发明与当前使用的并网方式相比，具有成本低、效果好，耐用，可以长期无故障运行，能通过国家有关风电上网的严格标准。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明一组并联的自控发电单元机组的示意图；

图3为本发明的电压继电器工作整定值示意图；

图中：1-风力发电机组、2-三相桥式整流器、3-蓄电池组、4- UPS不间断电源、5-中央控制台、6-自控发电单元机组、601-电压继电器、602-直流电动机、603-交流发电机、604-复合无触点开关、605-限流电抗器、7-直流母线、8-超载电流继电器、9-第一个自控发电单元机组整定值的数据点、9-第一个自控发电单元机组整定值的数据点、9-第一个自控发电单元机组整定值的数据点、10-第二个自控发电单元机组整定值的数据点、11-第三个自控发电单元机组整定值的数据点、12-第四个自控发电单元机组整定值的数据点、13-第五个自控发电单元机组整定值的数据点、14-第六个自控发电单元机组整定值的数据点、15-第N个自控发电单元机组整定值的数据点。

具体实施方式

以下结合说明书附图1-3对本发明作进一步说明。

风力发电机组并网技术具体为：风力发电机组1发出的三相交流电通过三相桥式整流器2整流后与蓄电池组3连接进行充电，同时还经过直流母线7与一组并联的自控发电单元机组6连接，所述的自控发电单元机组6由电压继电器601、直流电动机602、交流发电机603、复合无触点开关604和限流电抗器605连接构成，自控发电单元机组6的输出端并入电网，蓄电池组3还输出一路电流为UPS不间断电源4供电，UPS不间断电源4通过电源线给风力发电机组1的偏航系统和电压继电器601供电，UPS不间断电源4还与中央控制台5控制连接，直流母线7上串接超载电流继电器8，超载电流继电器8与风力发电机组1控制连接。

所述的风力发电机组并网的专用设备，包括风力发电机组1，风力发电机组1通过三相桥式整流器2与蓄电池组3连接，同时还经过直流母线7与一组并联的自控发电单元机组6连接，所述的自控发电单元机组6由电压继电器601、直流电动机602、交流发电机603、复合无触点开关604和限流电抗器605连接构成，自控发电单元机组6的输出端并入电网，蓄电池组3与UPS不间断电源4电路连接，UPS不间断电源4通过电源线给风力发电机组1的偏航系统和电压继电器601连接，UPS不间断电源4还与中央控制台5控制连接，接受中央控制台的指令，直流母线7上串接超载电流继电器8，超载电流继电器8与风力发电机组1控制连接。

所述的风力发电机组1：是指能够独立发电的风力发电机组，如配置为励磁发电机和直驱永磁发电机的风力发电机组，配置异步发电机的风力发电机组，由于不能够产生含有功功率的电能，所以不能直接使用此项技术，需要进行改造，可以通过并联电容器或者更换转子的方式改造成有全功率输出的发电机，即含有有功功率和无功功率输出的发电机，双馈型风力发电机只要将转子线圈引入直流电即可。基本条件是：根据风能情况产生有功电能（含无功电能）即可，在低风速时能够产生达到额定电压的性能，如果低风速时电压过低（在风速5-10m/s范围）可加装一个小型升压变压器以提高电压，风速超过10m/s时即可切除，在中高风速时电压达到额定电压即可。在低风速时产生额定值的电压，可以大幅度的提高风能利用效率，现在的并网大型风力发电机组需要的额定风速都很高，一般风速是12-15m/s(米/秒）范围，实际上在5m/s风速时风机已经开始转动发电了，只是电压很低但还不能并网，因为风机达不到并网所需要的额定电压，只有达到≧10m/s风速时电压才达到额定值才能够并网，但这时输入到电网里的功率很小，大部分仅是输入“无功功率”。达到额定风速时电压会略高于电网电压，这时才能够全额输入电网（含有功功率与无功功率），如果在低风速（5-10m/s）达到额定的电压，就能够通过蓄电池的储能作用和稳压作用将这一部分风能利用起来，效率将大大提高。永磁直驱式风机在低风速时（5-10m/s）也是如此办理，风速高时切除这个“小型升压变压器”即可。因为我国的10m/s以上的风能资源很少，仅占8%，而5-10m/s的风速范围很大，占68%，能够将这部分中低风速利用起来的话，将大大的提高风能转化为电能的效率，初步估算也能够提高一半或者至少是1/3，意义巨大。本发明中所述的风力发电机组1在超过额定最大风速，需要调速或停机时主要采用“偏航方式”减少功率输出和停机（现在的大部分已经安装好的风力发电机组都有此功能），可以大大增加超过额定风速时的功率输出，大幅度的提高了风能利用效率，这也是一种最安全的调节方式，因为与储能蓄电池和智能发电单元机组有可靠的连接，所以即便偏航速度很慢，也能有充裕的时间很稳定的进行调节和控制，从而保证了风机不会“飞车”，偏航机构的驱动电力由UPS不间断电源4提供，可以可靠的保证此功能的执行，偏航动作信号由超载电流继电器8提供。

所述的三相桥式整流器2采用大功率高电压硅整流二极管组成，选择匹配单个元件的最大型号的散热器，单个二极管的耐压≧1000V，电流≧200A，其设计容量为风力发电机组1额定电流的5-6倍，这是因为风能中的风功率是按风速的3次方的比例增大的，当风速增大一倍时功率要增大8倍，当额定风速由12m/s增大到16m/s时功率将增大1倍以上，所以要使整流器有至少5倍于额定电流的整流电流能力，方可承担快速增大的功率电流，保证在20年内不会被超载发热损坏。

所述的蓄电池组3为锂离子蓄电池、锂离子动力蓄电池、磷酸铁锂蓄电池、超级电容器、锂离子型大容量蓄电池、锂离子蓄电池或超级电容器单独、并联、串联或复联构成；蓄电池组3在一组并联的自控发电单元机组6整个矩阵运行时充当一个超大型的“稳压器”的角色，但其容量是风力发电机组额定容量的1/20-1/40范围，如额定1000千瓦的风力发电机组1，则蓄电池组3的容量是50千瓦至25千瓦；风能资源好的地区可以采用1/40，较差的地区采用1/20，根据现场风能资源决定；这样可以大幅度的降低配置储能蓄电池的设备成本，并且大幅度提高并网的实际效率。另外，此蓄电池组3还要输出一路电流，为5-10千瓦容量的UPS不间断电源4供电，通过此UPS电源转化为精度高而稳定的正弦波交流电输出，供给各个自控发电单元机组6用电，因为UPS不间断电源4另外配置了蓄电池，所以可保证保证24小时不间断。这是供给全部风力发电机组的控制系统使用的电源，不受风力发电机组1的影响，无论风力发电机组1发电或者是不发电都是24小时连续供电的，此稳定的电能将为整个风力发电机组1的偏航系统和全部自控发电单元机组6提供稳定不间断的高精度电源，使整个机组的控制系统稳定安全又有切实的用电保证，风力发电机组1如果长期不使用或者是在维修状态此电源可以关闭。

蓄电池组3的容量并不是全部依靠蓄电池的储电容量进行全功率的电能转化并网的，这是不同于传统的全额定容量配置蓄电池并且通过电子变流器并网的设计理念的。蓄电池组3仅利用蓄电池的很小部分容量进行“储能”，大部分的容量进行“稳压”，使其在风力发电机组1输出功率电压大幅度波动时，直流母线7上的电压呈缓慢的波动状态，可以稳定安全的供发电单元组使用。

如图2所示，一组并联的自控发电单元机组6 ，也称智能矩阵发电单元组，蓄电池组3通过直流母线7与其并联，不但发挥了蓄电池组3的储能特点而且在向大电网并网输电时利用“智能矩阵发电单元组”的优良的自动调整功率的并网特性和多阵列的布置方式，随风力发电机组功率变化而自动的增、减发电单元组，达到最高效率最佳匹配的利用风能的目的。这就完全避免了全部风能仅靠蓄电池组3转化的弊病，如抗冲击、抗过载、抗短路等，自控发电单元机组6的超强的抗过载、抗干扰、抗短路、抗电磁干扰、抗电网故障的特性是大大优于传统电子变流器并网方式，另外也达到了“标准的正弦波”入网的特点，为电网的安全可靠打下牢固的基础，这也是我们这个发明的显著特点之一。

所述的直流母线7是指从风力发电机组1发出的三相交流电经过三相桥式整流器2变成直流电后，供直流电通过的电流较大的线排，拿1000千瓦的风力发电机组来说，额定满发时的电流有1449A，必须使此母线能够过载3-5倍的额定电流即必须能够长期通过3000A（24小时），短期通过最大7000A（5-10分钟）的电流，才能够保证输出最大的功率电能，其中串接了超载电流继电器8对其电流量进行测控，如果超过设定值时，就立即给风力发电机组1发出偏航信号，使其进入偏航状态，调整或者逐步减少输出电量的额定值，这也是本发明的特点之一。

第一个自控发电单元机组6是与直流母线7最先连接，通过吸收直流母线7的直流电使直流电动机602旋转并且带动同轴连接在一起的交流发电机603发电，并与相应的电压继电器601、复合无触点开关604、限流电抗器605一起实现与大电网的无火花无噪音的接通和断开，在正常运转时向电网输出“标准的正弦波”电能，在有故障时是依靠串联在交流发电机603输出端的限流电抗器605进行输出电流的限制，保证了自控发电单元机组6的正常运转，不超过交流发电机603的极限电流，如果发生交流发电机603的严重故障，如输出线烧断，交流发电机603不发电了，这时电网端的电流将会向交流发电机603倒流，极短时间就会损坏交流发电机603，此时限流电抗器605就起作用了，在整定的时间内可以自动动作，切断并网开关，使交流发电机603和电网都得到安全保护，也不会使故障继续扩大，有保护交流发电机603不受超额电流和瞬间超电压的冲击而造成损坏的特性，此特性是双向作用的，确保了并网的安全和机组的安全。

根据逻辑指令，第一个自控发电单元机组6是最先接通直流母线7而最后断开直流母线7的机组，是根据电压继电器601的设定实现这个目的的，根据风况的大小下面阐述智能矩阵发电单元组在不同风况时的运行情况：

在风机启动后到额定风速前的这段低风速区，将会有较小的电流充到蓄电池组3里面，蓄电池组3及与其并联的直流母线7电压未达到额定电压时第一个自控发电单元机组6并不工作，只有到直流母线7电压升高到略低于额定电压时（根据整定值）此电压继电器601才接通母线，第一个自控发电单元机组6就首先开始工作。

工作方式是，先接通直流电动机602转动，适当延时后当机组转速稳定时就自动合上复合无触点开关604与大电网连接，并网的方法是使用准同期并网方法，从而实现了无冲击柔和并网。

在额定风速时，直流母线7的电压达到额定值时第一个自控发电单元机组6就向电网输出额定功率的电能，输出的功率大小是与母线电压成正比的关系，也是与风力发电机组1的输出成正比的，即风速高时输入电网的功率就大，风速低时输入电网的功率就小，是自动调整功率输出的状态。

这种直流电动机602加交流发电机603的方式可以承受比额定值高15-30%甚至是50%的超功率、超电压、超电流输出而保证不出故障，这正是我们这种智能型并网技术的最大特点，在功率变化很大的风力发电机上实现了“平稳无冲击柔和理想的”高水平并网，并网后自动进行高效的功率输出调整，此种变流器也可以称为“电磁式变流器”与现在采用的“电子变流器”并网方式有本质的区别，这也是我们发明的最显著的特点之一。

在不断增加的风速中，其它的自控发电单元机组6根据不同的电压阶段自动陆续的投入到并网状态进行大幅度的功率调节，首先是第一个自控发电单元机组6并网，随着风速的增大母线电压将缓慢升高当达到第二个自控发电单元机组6的整定值时第二个自控发电单元机组6立即动作并入电网，如果母线电压又升高了达到略高于额定电压时，即第三个自控发电单元机组6的整定值时，第三个自控发电单元机组6就自动并网，如此类推，每台机组的并网电压设定值都比前一台机组高一点，这样就可以根据母线的电压情况使矩阵中的多个发电单元机组自动的按照设定好的先后次序进行并网或者是离网。

如果全部自控发电单元机组6都并网后母线电压仍然还在升高（全部发电单元的总合功率是按照风力发电机组的额定1.3-2.0倍设计的，因为是模块化的方式，可以方便的增加或者减少发电单元机组到需要的功率范围），就说明此时风力发电机组1已经超载了，超载电流继电器8会自动发出信号给风力发电机组1，使之进入偏航卸载调整状态，调整风力发电机的偏航角度卸去一部分负荷。

如果风速还在继续增大，就继续调整偏航角度使风力发电机组1的输出继续减少，当角度达到与来风方向呈90°-145°时就会全部卸载停机了，这种“连续柔性卸载和停机”方式是本发明的特点配合风力发电机组1产生的，也可以说为风力发电机组1的卸载、停机提供了一种新的“柔性的耗能制动”控制模式，可以避免风力发电机组1受到“硬性的”卸载调节方式的冲击（如：叶尖减速伞；全浆动浆距；叶片尖部动浆；液压刹车卸载方式等，这些方式都是“硬性的”卸载调节方式，会在“转动惯量力”的作用下使风机受损），确实是一种最好的风力发电机组调节和卸载方式，大大减少了风力发电机组1的故障发生率，延长了安全使用寿命，也是本发明提供的特点之一。

当风速逐步的减小时，上述的情况是反向进行的，因为整定的电压继电器601的动作值是一个比一个高，所以反向动作时随着母线电压的逐步降低，最后并网的机组最先退出并网，逐步的自动减少并网机组，达到风力发电机的输出电能与风能相平衡的状态。

如果是风力急速的减少，这些机组也会快速的做出反应，迅速的依次退出电网，但是第一个自控发电单元机组6因为整定的动作值最低，所以一直与电网并联，就是马上停风或者是风力发电机组突然损坏（如叶片断裂、发电机短路、输出主线击穿、瞬间雷击等极端事故）风力发电机组瞬间停止发电时，因为有蓄电池组3的支持作用，第一个自控发电单元机组6仍然会正常运转不受影响，这时可以立即向大电网的总调度台发出信号，需要紧急停机了，这时仅凭蓄电池组3内储存的电量足可以继续按照第一个自控发电单元机组6的额定功率坚持5-10分钟，这样就彻底的解决了“低电压穿越”问题。

另外，在联网运行时，如果发生诸如“电缆头故障”，电网电压波动时，因为有限流电抗器605的作用，限制了自控发电单元机组6的电流输出量和输入量，即便外界短路时，此自控发电单元机组6仍然会在限流电抗器605所限制的电流内继续向电网输出电能，起到稳定电网电压的良好作用。

上述的直流电动机602和交流发电机603是共轴式连接方式共同安装在一个底座上形成一个整体机组，并且配上电压继电器601，通过电压继电器601的吸合控制直流电动机602的开关使之运转并且使交流发电机603处在运转待命状态，延时后再接通复合无触点开关604使标准正弦波电能流过限流电抗器605后，以“准同期方式”平稳而柔和的并入电网。

所述电压继电器601为普通机械式电压继电器、电子式电压继电器、智能型电压继电器、逻辑型电压继电器或高精度电压继电器。所述电压继电器601为直流型继电器或交流型继电器，工作电压≦1000V。强雷暴地区首选机械式电压继电器，可以防止雷暴强电磁场的影响和破坏；信号是取自直流母线7的电压，电压继电器601本身的用电是由UPS不间断电源4提供的，供给继电器测量元件和吸合释放线圈，所以特别稳定、可靠。

遇到极端的情况，如：洪水、泥石流、龙卷风、强沙尘暴、台风袭击、雷暴击中时，机组的一部分（或者大部分）系统会被破坏，因为单元机组的各个部分都是有密切联系的平衡系统，系统中只要一个点受到破坏，立即会引起快速反应，立即自动停机，这样就保护了全部的设备完好。

另外，还可以由中央控制台5切断UPS不间断电源4向自控发电单元机组6的输出线，也可以实现立即脱离电网并立即停机的目的，是双回路保护机制，能够切实保护全部设备免受损坏。

所述的直流电动机602为普通直流电动机、无刷直流电动机、无刷永磁直流电动机、盘式无刷直流电动机或盘式无刷永磁直流电动机。

所述的交流发电机603为普通交流同步发电机、无刷交流同步发电机、自励恒压硅整流同步交流发电机、永磁交流发电机或同步交流发电机，交流发电机603有自动调整电压、功率功能的。而直流电动机转速和功率的变化是根据母线的电压自动进行的，这正是直流电动机的最基本的可以自动调节输出功率的特点，当母线电压升高时功率也随之自动增加，反之亦然，我们正是充分的发挥出直流电动机的这种基本特性，再加上智能化的调节程序，这样就达到了即安全可靠自动调整又简单方便成本低廉的状态，这也是本发明的特点之一。

所述的复合无触点开关604为：交流接触器、直流接触器、无触点开关、晶闸管开关、自动负荷开关、复合式无触点开关或混合式无触点开关是根据现场的需要组合而成的，形成“智能化的开关”。

所述的限流电抗器605为空心式限流电抗器、铁芯式限流电抗器、电子式限流电抗器或智能型限流电抗器也是根据现场的需要选择配合使用的。

每个自控单元发电机组6结构完全一样，都是设计成模块化的方式仅仅是每个机组的动作点整定值不同，可以任意互换，根据风力发电机组1的功率安排3组至N组不等，每个单元机组都是独立工作状态。所谓的逻辑控制都是通过整定电压继电器601的接通、断开动作点电压整定值方式达到自动并网与自动离网的状态，无须全部使用中央集中控制方式，这就大大的减少了整个控制设备的投资并且大大减少了故障点，简化了控制信号的数据量，保证了整个风力发电机组系统并网的安全与稳定，同时也大幅度降低了成本。

所述电压继电器601的动作电压整定值为风力发电机组额定电压的85%-100%。整定规律是从第一个自控发电单元机组6开始，后一个机组比前一个机组的动作整定值高1-100V，优选10-50V，更优选5-10V；一个比一个高一点，而断开的电压也是一个比一个高一点，形成一个自动控制的逻辑电路。电压继电器601中的延时数据是：1-180秒，优选10-50秒，更优选3-8秒。

简述逻辑控制过程：

风力发电机组1低风速阶段：5-10n/s阶段此时风速较低，如果蓄电池组3还没有充电到最低电压，那么就暂时不接通自控发电单元机组6的供电，此状态是由电压继电器601负责的，在达不到最低吸合电压点时就不接通，其电压控制点是由继电器根据设定好的，可以调节的动作电压设定的，电压继电器601在设定好的基础上，自动测量判断的。

当风力发电机组1达到额定风速正常发电时，在母线上并联的多台自控发电单元机组6自动跟随母线的电压进行并网或者离网，因为风力是随时变化的所以母线的电压也是随时变化的，但是由于蓄电池组3的稳定作用，母线电压不会大幅度的剧烈的波动，是平缓的变化的，投入自控发电单元机组6并网，实际上是将这种波动进一步的“平稳化”与当时的风能情况形成良好的匹配。

本发明除新颖的逻辑程序控制方法外，所采用的都是经过长期考验的技术成熟的电气工业的设备、器件，但是在每个部位都加上了智能化的控制系统，达到风力发电机组1（含发电单元控制继电器等）的整个系统及每个小部分都形成“智能化、程序化、逻辑化、自动化”的自我管理运行状态，配合创新的逻辑程序设定和自动管理模块化方式，达到了在保证安全稳定基础上的全自动无冲击并网，具有低电压穿越功能、有可靠的防止事故扩大化的功能，并且大幅度的提高了风力发电机组的整机风能转换效率，，使原先的1台风力发电机组变成1台半（按照输出功率）的风力发电机组，委实是一种少投入、产出大的改造现有风力发电机组的好技术方案。

按照此技术方案改造后的风力发电机组具有：耐用寿命长、成本低廉易推广、结构简单易改造，维修方便好管理，而且是向电网输出标准的正弦波电能的理想入网状态，如果能够得以大规模推广，可以彻底解决大型风力发电机组“并网难”问题，保证风力发电机组在20年的使用期间内安全平稳的运转加倍提供巨大的绿色能源。

因为是由多个自控发电单元机组6组成的阵列，每个单元都是严格的按所设定好的逻辑程序，分先后逐一的进行并网或者离网运行的，是按照逻辑规律进行工作的因此称为逻辑单元矩阵，这种独立的发电单元机组各自遵守自己的规定，执行自己的分内工作，遇到特别极端的情况，不但能够实行自我保护，又能够按照中央管理系统发出的极少信号指令进行快速执行，整个风力发电机组就像有智力一样，因此称为智能单元矩阵并网技术。

采用本发明所述并网技术，经济效益分析：

以1000千瓦风力发电机组为例，所配用的锂离子蓄电池组3为50千瓦功率容量，参考价格15万元；所配三相桥式整流器2和直流母线7为2200A规格，参考价格5万元；所配UPS不间断电源4为10千瓦规格参考价格3万元；所配自控发电单元机组6五组每组200千瓦功率规格，参考价每组1.5万元，共计7.5万元；总计为30.5万元。风能资源好的地区花费总计：23万元，蓄电池按照7.5万元计算。这比如前所述的计划的每台风力发电机组50万元的低电压穿越改造费约少一半，但是在保证安全可靠长寿命方面将是目前的电子变流器方式无可比拟的。

电子变流器据说是最好的，但是大量的事故证明并非如此，加之其价格昂贵又极易损坏，随着风力发电机组1的单个功率和总功率的越来越大，前景堪忧。本发明完全脱离了电子变流器的电能变流方式，而使用“技术成熟、结构简单、皮实耐用、物美价廉”的“电磁变流器”方式解决电能与电网的连接，使风电并网建立在安全牢靠的基础上，不但价格便宜，也是一种实实在在的具有低电压穿越功能的方式，可以有保证的应对电网的各种故障，更是向电网提供了“标准的正弦波”电能，为广大的用户（高端和低端用户）排除了“谐波污染”的潜在隐患，还为风力发电机组1提供了一种安全可靠的调速卸载方法，避免风机“飞车”故障，经济效益良好。

另外，在20年的使用期内，损耗的仅是几副轴承，价值极低几乎可以不计，其耐用、故障极少、维修方便、配件易得、设备器件成本低、安全使用周期特别长，是潜在的经济效益。整个系统所含的铜材、钢铁等均是无损的存在，20年完成使用期后仅卖废铜、废铁也还能够获得不菲的收益。

Claims (10)

1.风力发电机组智能单元矩阵并网技术，其特征在于：风力发电机组（1）发出的三相交流电通过三相桥式整流器（2）整流后与蓄电池组（3）连接进行充电，同时还经过直流母线（7）与一组并联的自控发电单元机组（6）连接，所述的自控发电单元机组（6）由电压继电器（601）、直流电动机（602）、交流发电机（603）、复合无触点开关（604）和限流电抗器（605）连接构成，自控发电单元机组（6）的输出端并入电网，蓄电池组（3）还输出一路电流为UPS不间断电源（4）供电，UPS不间断电源（4）通过电源线给风力发电机组（1）的偏航系统和电压继电器（601）供电，UPS不间断电源（4）还与中央控制台（5）控制系统连接，直流母线（7）上串接超载电流继电器（8）与风力发电机组（1）的偏航调速机构连接，向其提供控制信号进行偏航调速，减少风力发电机组（1）的出力，维持直流母线（7）的电流在规定的范围内。

2.如权利要求1所述的风力发电机组智能单元矩阵并网技术，其特征在于：所述的三相桥式整流器（2）采用大功率高电压硅整流二极管组成，选择匹配单个元件的最大型号的散热器，单个二极管的耐压≧1000V，电流≧200A，其设计容量为风力发电机组（1）额定电流的3-5倍。

3.如权利要求1所述的风力发电机组智能单元矩阵并网技术，其特征在于：所述的蓄电池组（3）为锂离子蓄电池、锂离子动力蓄电池、磷酸铁锂蓄电池、超级电容器、锂离子型大容量蓄电池中的一种或一种以上的组合，可以单独使用、也可以并联、串联或复联使用，蓄电池组（3）的功率容量是风力发电机组（1）额定容量的1/20-1/40。

4.如权利要求1所述的风力发电机组智能单元矩阵并网技术，其特征在于：所述的UPS不间断电源（4）的容量为5-20千瓦。

5.如权利要求1所述的风力发电机组智能单元矩阵并网技术，其特征在于：所述的直流母线（7）为可供风力发电机组（1）额定电流的3-5倍长期通过的线排。

6.如权利要求1所述的风力发电机组智能单元矩阵并网技术，其特征在于：所述电压继电器（601）的动作电压整定值为风力发电机组额定电压的85%-100%，整定规律是从第一个自控发电单元机组（6）开始，后一个机组比前一个机组的动作整定值高1-100V，优选10-50V，更优选5-10V；电压继电器（601）中的延时继电器设定数据是：1-180秒，优选10-50秒，更优选3-8秒。

7.如权利要求1所述的风力发电机组智能单元矩阵并网技术，其特征在于：所述电压继电器（601）为普通机械式电压继电器、电子式电压继电器、智能型电压继电器、逻辑型电压继电器或高精度电压继电器。

8.如权利要求1所述的风力发电机组智能单元矩阵并网技术，其特征在于：所述电压继电器（601）为直流型电压继电器或交流型电压继电器，工作电压范围220-1000V的直流电或者交流电。

9.如权利要求1所述的风力发电机组智能单元矩阵并网技术，其特征在于：所述的直流电动机（602）为普通直流电动机、无刷直流电动机、无刷永磁直流电动机、盘式无刷直流电动机或盘式无刷永磁直流电动机；所述的交流发电机（603）为普通交流同步发电机、无刷交流同步发电机、自励恒压硅整流同步交流发电机、永磁交流发电机或同步交流发电机；所述的复合无触点开关（604）为交流接触器、直流接触器、无触点开关、晶闸管开关、自动负荷开关、复合式无触点开关或混合式无触点开关；所述的限流电抗器（605）为空心式限流电抗器、铁芯式限流电抗器、电子式限流电抗器或智能型限流电抗器。

10.如权利要求1所述的风力发电机组智能单元矩阵并网的专用设备，其特征在于包括风力发电机组（1）通过三相桥式整流器（2）与蓄电池组（3）连接，同时还经过直流母线（7）与一组并联的自控发电单元机组（6）连接，所述的自控发电单元机组（6）由电压继电器（601）、直流电动机（602）、交流发电机（603）、复合无触点开关（604）和限流电抗器（605）连接构成，自控发电单元机组（6）的输出端并入电网，蓄电池组（3）与UPS不间断电源（4）电路连接，UPS不间断电源（4）通过电源线给风力发电机组（1）的偏航系统和电压继电器（601）连接，UPS不间断电源（4）还与中央控制台（5）控制连接，直流母线（7）上串接超载电流继电器（8），超载电流继电器（8）与风力发电机组（1）控制连接。

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