CN102522769B - 宽风速范围的混合励磁风力发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种宽风速范围的混合励磁风力发电系统，包括：风机、混合励磁发电机、全功率变流器、接触器、接触器控制器、励磁控制器、变桨控制器和主控制器。当混合励磁发电机的输出功率小于或等于全功率变流器的额定功率时，主控制器控制接触器断开以使混合励磁发电机的输出功率通过全功率变流器输出至电网。当混合励磁发电机的输出功率呈现出大于全功率变流器的额定功率的趋势时，主控制器分别通过励磁控制器和变桨控制器调整混合励磁发电机的输出电压幅值、输出频率和相位对应与电网的电压幅值、频率和相位相同，然后控制接触器吸合。本发明保证风力发电系统在各个风速下并网向外输送电能的能力。

Description

宽风速范围的混合励磁风力发电系统

技术领域

本发明涉及风力发电与电力电子技术领域，特别涉及一种宽风速范围的混合励磁风力发电系统。

背景技术

为实现哥本哈根气候会议上承诺的2020年减排40％-50％的目标，我国已进入低碳经济转型期。《可再生能源中长期发展规划》提出，到2020年可再生能源消费量占能源消费总量的比重达到15％。为实现这一目标，需大力发展风电，调整产业结构，建立起完善的风电装备制造体系。我国风能资源丰富，开发潜力超过25亿kV，风力发电受到国家产业政策的支持。据《“十二五”风力发电电器设备行业发展规划(草案)》，近年我国风电企业取得重大领域突破，风电设备制造业基本形成比较齐全的产业链。目前基本形成关键零部件的生产体系。其中发电机、叶片、齿轮箱的产业化发展进程较好，齿轮箱的产能扩展较为缓慢，控制系统和变流系统的发展相对滞后，尚不能完全满足国内风电产业发展的需求。

风电设备发展的主要趋势为：单机容量大型化，风力发电机组向着变桨距调节技术，发电机向着变速恒频发电技术发展。目前利用风能的方式主要是大型风电机组并网发电，一般市场上风力发电机的启动风速约为2.5m/s-4m/s，于风速12m/s-15m/s时达到额定的输出容量。当风速更高时，风力发电机的控制机构将电力输出稳定在额定容量左右，为避免过高的风速损坏发电机，大多于风速达20m/s-25m/s范围内停机。

恒速恒频机组的优点为控制简单，电机结实可靠，同时电气部分成本很低。然而，该机组由于发电机无法根据风速的大小调节转速，机组只能在一个风速值下实现最大风能捕获，无法在较宽风速范围内保证风能利用率；因为转速恒定，造成并网功率的脉动，影响电网稳定性，同时无法对网侧无功进行连续调节，并网电能质量较低。

变速恒频机组的优点为，首先能够实现风能的最大功率跟踪；其次，由风速脉动引起的功率变化可由发电机转子吸收，减小了轴承和齿轮箱等刚性元件的机械应力，并能有效抑制噪声；第三，电力电子装置的引入使得机组控制上更加灵活，能够满足网侧有功和无功控制、快速动态响应、高质量电能并网等要求。目前，主流的变速恒频机组可分为基于双馈感应发电机的齿轮驱动型机组和基于永磁同步发电机的直接驱动型机组两类。

如图1所示为现有技术的兆瓦级风机的输出功率与风速的关系曲线图，其中，曲线1为风机在额定功率的运行曲线，曲线2为风机运行的理想曲线。风机的额定功率为Pwe，发电机的额定功率为Pme，变流器额定功率为Pce，风机的传统目标功率为Pmin{Pme，Pce}，要求Pwe＞Pmin{Pme，Pce}，其中，Pmin{Pme，Pce}表示Pmin为Pme和Pce中的最小值。风机的切入风速为Vcut-in，传统目标风速为Vc，额定风速为Vr，切出风速为Vcut-out，传统目标风速由发电机和变流器允许的最小功率即风机传统目标功率Pmin{Pme，Pce}决定。当风机在传统目标功率Pmin{Pme，Pce}左右时，就能按照50Hz的额定转速运行，而从Pmin{Pme，Pce}到Pwe时风机一直保持50Hz额定转速运行。

现有技术的缺点是，当风速高于目标风速时，需要调整风机桨距角以调节馈入系统的风能，保持风机在传统目标功率运行，形成附图1曲线1。然而实际上此刻的风机可以输出更多能量，但是由于发电机或变流器额定功率的限制，导致该能量不能及时并入电网而白白损失，直接降低了风能的利用效率。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种具有可在宽风速范围内正常向外输送电能的混合励磁风力发电系统。

根据本发明实施例的宽风速范围的混合励磁风力发电系统，包括：风机；混合励磁发电机，所述混合励磁发电机与所述风机同轴相连，在所述风机的带动下产生三相交流电；全功率变流器，所述全功率变流器与所述混合励磁发电机相连，用于将所述混合励磁发电机产生的三相交流电转换为恒频、恒幅、且与电网同相的三相交流电；接触器，所述接触器与所述全功率变流器并联，用于将所述混合励磁发电机产生的三相交流电输入所述电网；接触器控制器，所述接触器控制器与所述接触器相连，用于对所述接触器进行控制；励磁控制器，所述励磁控制器与所述混合励磁发电机相连，用于调整所述混合励磁发电机的输出电压幅值与所述电网的电压幅值相同；变桨控制器，所述变桨控制器与所述风机相连，用于通过所述风机调整所述混合励磁发电机的输出频率和相位分别与所述电网的频率和相位相同；以及主控制器，所述主控制器分别与所述接触器控制器、所述励磁控制器和所述变桨控制器相连，其中，所述风机的额定功率大于所述混合励磁发电机的额定功率，所述接触器的额定功率大于所述全功率变流器的额定功率，且所述主控制器用于：当所述混合励磁发电机输出功率小于或等于所述全功率变流器的额定功率时，所述主控制器控制所述接触器断开以使所述混合励磁发电机的输出功率通过所述全功率变流器输出至所述电网；当所述混合励磁发电机输出功率呈现出大于所述全功率变流器的额定功率的趋势时，所述主控制器分别通过所述励磁控制器和所述变桨控制器调整所述混合励磁发电机的输出电压幅值、输出频率和相位对应与所述电网的电压幅值、频率和相位相同，且在所述混合励磁发电机的输出电压幅值、输出频率和相位对应与所述电网的电压幅值、频率和相位相同之后，控制所述接触器控制器以使所述接触器吸合。当所述混合励磁发电机输出功率大于所述全功率变流器的额定功率时，所述主控制器通过控制所述接触器控制器以使所述接触器吸合，以使所述混合励磁发电机的输出功率通过所述接触器输出至所述电网。

根据本发明实施例的宽风速范围的混合励磁风力发电系统，通过使用全功率变流器、励磁控制器和变桨控制器对风机输出的不同功率进行调整，保证风力发电系统在各个风速下并网向外输送电能的能力。此外，本发明的系统稳定性好，成本低廉且易于实现。

另外，根据本发明上述实施例的宽风速范围的混合励磁风力发电系统还可以具有如下附加的技术特征：

所述混合励磁发电机的额定功率大于所述接触器的额定功率。

所述混合励磁发电机为永磁和电励磁混合励磁的同步发电机。

当所述混合励磁发电机输出功率小于或等于所述全功率变流器的额定功率时，所述混合励磁发电机运行在变速恒频阶段。

当所述混合励磁发电机输出功率呈现出大于所述全功率变流器的额定功率的趋势，且所述接触器未吸合前，所述混合励磁发电机运行在由所述变速恒频向恒速恒频转换阶段。

当所述混合励磁发电机输出功率大于所述全功率变流器的额定功率，且所述接触器吸合后，所述混合励磁发电机运行在恒速恒频阶段。

在所述接触器吸合之后，且所述混合励磁发电机输出功率小于或等于所述全功率变流器的额定功率时，所述混合励磁发电机运行在恒速恒频向变速恒频转换阶段。

所述全功率变流器包括背靠背连接的电机侧变流器和网侧变流器，其中所述电机侧变流器与所述混合励磁发电机连接，所述网侧变流器与所述电网连接。

所述励磁控制器具体包括：励磁控制单元；励磁电源，用于在所述励磁控制单元的调节下，提供励磁电压；和功率单元，用于在所述励磁控制单元的调节下，实现所述混合励磁发电机的弱磁和增磁。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是现有技术的兆瓦级风机的输出功率与风速的关系曲线；

图2是本发明实施例的宽风速范围的混合励磁风力发电系统的示意图；

图3是根据本发明实施例的宽风速范围的混合励磁风力发电系统的并网运行流程图；以及

图4是根据发明实施例的混合励磁发电机的励磁控制器的励磁调节示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

图2为本发明实施例的宽风速范围的混合励磁风力发电系统的示意图。如图2所示，该混合励磁风力发电系统包括：风机1、混合励磁发电机2、全功率变流器3、接触器4、接触器控制器5、励磁控制器6、变桨控制器7和主控制器8。

混合励磁发电机2与风机1同轴相连，在风机1的带动下产生三相交流电。全功率变流器3与混合励磁发电机2相连，用于将混合励磁发电机2产生的三相交流电转换为恒频、恒幅、且与电网9同相的三相交流电。接触器4与全功率变流器3并联，用于将混合励磁发电机2产生的三相交流电输入电网9。接触器控制器5与接触器4相连，用于实现混合励磁风力发电机2的输出电压和电网9的电压的幅度、相位和频率的监测，并对接触器4进行控制。励磁控制器6与混合励磁发电机2相连，用于调整混合励磁发电机2的输出电压幅值与电网9的电压幅值相同。变桨控制器7与风机1相连，用于通过风机1调整混合励磁发电机2的输出频率和相位对应与电网9的频率和相位相同。主控制器8分别与接触器控制器5、励磁控制器6和变桨控制器7相连。其中，风机1的额定功率Pwe大于混合励磁发电机2的额定功率Pme，接触器4的额定功率Pse大于全功率变流器3的额定功率Pce。

当混合励磁发电机2的输出功率小于或等于全功率变流器3的额定功率时，主控制器8控制接触器4断开以使混合励磁发电机2的输出功率通过全功率变流器3输出至电网9，有效地提高风力发电系统并网的可靠性和运行效率，减小对电网和发电机的冲击，实现风力发电系统最佳稳定运行，并实现了快速功率传输。

当混合励磁发电机2的输出功率呈现出大于全功率变流器3的额定功率趋势时，主控制器8分别通过励磁控制器6和变桨控制器7调整混合励磁发电机的输出电压幅值、输出频率和相位对应与电网9的电压幅值、频率和相位相同，且在混合励磁发电机2的输出电压幅值、输出频率和相位对应与电网9的电压幅值、频率和相位相同之后，控制接触器控制器5以使接触器4吸合，使风机1发出的能量超过全功率变流器3的额定功率的部分通过接触器并入电网，提高风能的利用率，最大限度地实现全风速范围并网控制。

在本发明的一个实施例中，混合励磁发电机2的额定功率Pme可大于接触器4的额定功率Pse。

在本发明的一个实施例中，混合励磁发电机2为永磁和电励磁混合励磁的同步发电机。

在本发明的一个实施例中，全功率变流器3可为两个背靠背连接的三相桥式变流器，即连接混合励磁发电机2的电机侧变流器和连接电网9的网侧变流器。

具体地，在本发明的一些实施例中，励磁控制器9可包括励磁控制单元、励磁电源和功率单元。在励磁控制单元的调节下，励磁电源提供励磁电压，功率单元实现混合励磁发电机2的弱磁和增磁。

下面结合图1至图4详细描述本发明实施例的宽风速范围的混合励磁风力发电系统的工作过程。

图3为根据本发明实施例的宽风速范围的混合励磁风力发电系统的并网运行流程图。图4为根据发明实施例的混合励磁发电机的励磁控制器的励磁调节示意图。如图3所示，该混合励磁风力发电系统的运行包括以下步骤：

1)当混合励磁风力发电系统开始工作阶段，或从恒速恒频阶段断开接触器5后，混合励磁发电机2的输出功率Pm小于或等于全功率变流器3的额定功率Pce时，混合励磁发电机2在风机1的带动下发电，接触器5处于断开状态，电能通过全功率变流器3控制并入电网9。此阶段内，混合励磁风力发电系统运行在变速恒频阶段。

2)当混合励磁发电机2的输出功率Pm呈现出大于全功率变流器3的额定功率Pce的趋势时，控制励磁控制器6调节混合励磁发电机2的励磁，直至混合励磁发电机2的电压幅值与电网9的电压幅值相同，同时控制变桨控制器7调节混合励磁发电机2的输出电压的频率和相位直至混合励磁发电机2的输出电压的频率和相位对应与电网9的频率和相位相同，控制接触器控制器5使接触器4吸合，使混合励磁发电机2输出直接并网运行。此阶段内，混合励磁风力发电系统运行在从变速恒频向恒速恒频转换的阶段。

具体地，如图4所示，励磁控制器6的励磁调节包括以下步骤：

A)当混合励磁发电机2的输出电压幅值大于(网侧电压幅值+ΔU)，其中ΔU为预定的电压幅值偏差，或者混合励磁发电机2的输出电压幅值大于网侧电压幅值且呈上升趋势时，控制混合励磁发电机2的励磁装置弱磁工作以减小混合励磁发电机2的输出电压幅值使得混合励磁发电机2的输出电压幅值与电网电压幅值相同。如果励磁装置弱磁工作后，混合励磁发电机2的输出电压幅值仍大于网侧电压幅值，则调节变桨系统减小迎风面，直至混合励磁发电机2的输出电压幅值与电网电压幅值相同。

B)当混合励磁发电机2的输出电压幅值小于(网侧电压幅值-ΔU)，其中ΔU为预定的电压幅值偏差，或者混合励磁发电机2的输出电压幅值小于网侧电压幅值且呈下降趋势时，控制混合励磁发电机2的励磁装置增磁工作以增大混合励磁发电机2的输出电压幅值使得混合励磁发电机2的输出电压幅值与电网电压幅值相同。如果励磁装置增磁工作后，混合励磁发电机2的输出电压幅值仍小于网侧电压幅值，则调节变桨系统增大迎风面，直至混合励磁发电机2的输出电压幅值与电网电压幅值相同。

3)当混合励磁发电机2的输出功率Pm大于全功率变流器3的额定功率Pce，并且接触器4已经吸合，混合励磁发电机2输出并网运行时，混合励磁风力发电系统运行在恒速恒频阶段。

4)当接触器4已经吸合，但混合励磁发电机2的输出功率Pm小于全功率变流器3的额定功率Pce时，控制风机1降低输出功率，控制接触器控制器5断开接触器4。此阶段内，混合励磁风力发电系统运行在从恒速恒频向变速恒频转换的阶段。

上述1)、2)、3)、4)阶段循环运行。

综上，当风力发电系统开始工作时，风机1带动混合励磁发电机2发出三相频率及幅值都变化的交流电；交流电经过连接混合励磁发电机2的电机侧变流器的整流和直流侧滤波电容的滤波后，得到电压基本恒定的直流电，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交流电，满足并网条件，可直接并入电网9。

当风速很大，混合励磁发电机2输出功率Pm呈现出超过全功率变流器3的额定功率Pce趋势时，根据混合励磁发电机2输出电压幅值与电网9电压幅值的关系调节混合励磁发电机2的电励磁，直至混合励磁发电机2的输出电压幅值与电网9的电压幅值相同，调节变桨控制器7，直到混合励磁发电机2的输出电压频率和相位对应与电网9的频率和相位相同，吸合接触器4，使风机1捕获的能量直接通过接触器4并网，此时接触器4的输出功率为Pm。

当风速足够大，混合励磁发电机2输出功率Pm超过全功率变流器3的额定功率Pce时，且接触器4吸合，风机1捕获的能量直接通过接触器4并网，此时接触器4的输出功率为Pm。

当风速减小，检测到混合励磁发电机2输出功率Pm小于全功率变流器3的额定功率Pce时，控制混合励磁发电机2并网输出功率，逐渐降低并网功率，断开接触器4，逐步增大全功率变流器3的输出功率。过程中需要通过变桨控制器7调整混合励磁发电机2的电磁转矩，将风机1捕获的能量最大限度地快速并入电网9。

根据本发明实施例的宽风速范围的混合励磁风力发电系统，通过使用全功率变流器、励磁控制器和变桨控制器对风机输出的不同功率进行调整，保证风力发电系统在各个风速下并网向外输出电能的能力。此外，本发明的系统稳定性好，成本低廉且易于实现。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种宽风速范围的混合励磁风力发电系统，其特征在于，包括：

风机；

混合励磁发电机，所述混合励磁发电机与所述风机同轴相连，在所述风机的带动下产生三相交流电；

全功率变流器，所述全功率变流器与所述混合励磁发电机相连，用于将所述混合励磁发电机产生的三相交流电转换为恒频、恒幅、且与电网同相的三相交流电；

接触器，所述接触器与所述全功率变流器并联，用于将所述混合励磁发电机产生的三相交流电输入所述电网；

接触器控制器，所述接触器控制器与所述接触器相连，用于对所述接触器进行控制；

励磁控制器，所述励磁控制器与所述混合励磁发电机相连，用于调整所述混合励磁发电机的输出电压幅值与所述电网的电压幅值相同；

变桨控制器，所述变桨控制器与所述风机相连，用于通过所述风机调整所述混合励磁发电机的输出频率和相位对应与所述电网的频率和相位相同；以及

主控制器，所述主控制器分别与所述接触器控制器、所述励磁控制器和所述变桨控制器相连，其中，所述风机的额定功率大于所述混合励磁发电机的额定功率，所述接触器的额定功率大于所述全功率变流器的额定功率，且所述主控制器用于：

当所述混合励磁发电机输出功率小于或等于所述全功率变流器的额定功率时，所述主控制器控制所述接触器断开以使所述混合励磁发电机的输出功率通过所述全功率变流器输出至所述电网；

当所述混合励磁发电机输出功率呈现出大于所述全功率变流器的额定功率的趋势时，所述主控制器分别通过所述励磁控制器和所述变桨控制器调整所述混合励磁发电机的输出电压幅值、输出频率和相位对应与所述电网的电压幅值、频率和相位相同，且在所述混合励磁发电机的输出电压幅值、输出频率和相位对应与所述电网的电压幅值、频率和相位相同之后，控制所述接触器控制器以使所述接触器吸合；

当所述混合励磁发电机输出功率大于所述全功率变流器的额定功率时，所述主控制器通过控制所述接触器控制器以使所述接触器吸合，以使所述混合励磁发电机的输出功率通过所述接触器输出至所述电网。

2.如权利要求1所述的宽风速范围的混合励磁风力发电系统，其特征在于，所述混合励磁发电机的额定功率大于所述接触器的额定功率。

3.如权利要求1所述的宽风速范围的混合励磁风力发电系统，其特征在于，所述混合励磁发电机为永磁和电励磁混合励磁的同步发电机。

4.如权利要求1-3任一项所述的宽风速范围的混合励磁风力发电系统，其特征在于，当所述混合励磁发电机输出功率小于或等于所述全功率变流器的额定功率时，所述混合励磁发电机运行在变速恒频阶段。

5.如权利要求1-3任一项所述的宽风速范围的混合励磁风力发电系统，其特征在于，当所述混合励磁发电机输出功率呈现出大于所述全功率变流器的额定功率的趋势，且所述接触器未吸合前，所述混合励磁发电机运行在由变速恒频向恒速恒频转换阶段。

6.如权利要求1-3任一项所述的宽风速范围的混合励磁风力发电系统，其特征在于，当所述混合励磁发电机输出功率大于所述全功率变流器的额定功率，且所述接触器吸合后，所述混合励磁发电机运行在恒速恒频阶段。

7.如权利要求1-3任一项所述的宽风速范围的混合励磁风力发电系统，其特征在于，在所述接触器吸合之后，且所述混合励磁发电机输出功率小于或等于所述全功率变流器的额定功率时，所述混合励磁发电机运行在恒速恒频向变速恒频转换阶段。

8.如权利要求1所述的宽风速范围的混合励磁风力发电系统，其特征在于，所述全功率变流器包括背靠背连接的电机侧变流器和网侧变流器，其中所述电机侧变流器与所述混合励磁发电机连接，所述网侧变流器与所述电网连接。

9.如权利要求1所述的宽风速范围的混合励磁风力发电系统，其特征在于，所述励磁控制器具体包括：

励磁控制单元；

励磁电源，用于在所述励磁控制单元的调节下，提供励磁电压；和

功率单元，用于在所述励磁控制单元的调节下，实现所述混合励磁发电机的弱磁和增磁。

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