CN102522777A

CN102522777A - 一种风力发电机组

Info

Publication number: CN102522777A
Application number: CN2011104442623A
Authority: CN
Inventors: 刘红; 闵泽生; 陈建国; 蒋驰雷
Original assignee: Sichuan Dongfang Electric Autocontrol Engineering Co ltd; DEC Dongfang Turbine Co Ltd
Current assignee: Sichuan Dongfang Electric Autocontrol Engineering Co ltd; DEC Dongfang Turbine Co Ltd
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2012-06-27

Abstract

一种风力发电机组，其特征在于，包括至少一台直驱同步风力发电机和至少一台双馈感应风力发电机，一台并网变流器，每一直驱同步风力发电机和每一双馈感应风力发电机均配有各自的机侧变流器，将其发电机发出的低频交流电流整流成直流电流，所有风力发电机的变流器的输出端共同并联在并网变流器输入端的直流母线上，将所有直流电流汇流，由并网变流器将汇流后的直流电流逆变成工频交流电流，并入电网。

Description

一种风力发电机组

技术领域

本发明涉及到风力发电领域，综合目前流行的直驱同步电机和双馈感应电机两类风力发电机，以更好地把风能转化为电能。

背景技术

变速恒频风力发电机较定速风力发电机能更好地利用风能。变速恒频风力发电机就是指一方面电机要根据不同飞风速运行在不同的转速，另一方面还要保证入网电流的频率始终为工频。在风力发电领域中，定速风力发电机逐渐被变速恒频风力发电机取代。随着风电技术的发展，目前双馈感应风力发电机和直驱同步风力发电机（其结构见图2）作为变速恒频风力发电机的两个代表占据了主要的风电市场。这两种机型各具优缺点。

直驱同步风力发电机的优点是：不需故障率比较高、容易带来噪声和机械损耗的齿轮箱，容易维护；转速调节范围宽，没有极限切入风速的限制，能适应低风速的情况；与电网间通过全功率变流器进行隔离，具有较好的电网故障穿越能力。这些优点正好是双馈风力发电机的缺点，因此，目前直驱同步风力发电机被业界公认为很有前景的一种风力发电机。

然而，直驱风力发电机也有一些方面是不及双馈感应电机的。其不足之处主要体现在：其所发电能全部都需要通过变流器才能进入电网，全功率的变流器不仅本身价格昂贵，功率器件的开关损耗大，而且入网电流全是开关器件调制出来，因此谐波成分也很多（如图4所示），需要更先进的控制技术或需要附加价格昂贵的滤波器；与电网间仅通过一个VSR相连，该VSR一方面要承担传送有功功率的任务，即维持直流母线电压的稳定，另一方面还要应对电网提出的电压调整、无功支撑等任务，由于单个VSR的过流能力不可能很强，调节能力也相当有限，很难满足电网的这些要求。

双馈感应风力发电机在几年前曾一度占主要风电市场，其关键的优势在于：仅需要转差功率的变流器，能“以小搏大”，降低了变流器的成本；具有更灵活的功率因素和电网电压调节能力，不仅可以通过网侧变流器调节无功，也可以通过机侧调节无功，以及稳定定子电压。但是，它需要大功率的齿轮箱，可维护性差，需要较高的切入风速，并且在风速过高、电网电压跌落或电压不平衡时，转子将感应较高的端电压而容易损耗变流器的功率管（双馈电机定子电流波形见图5，双馈变流器满功率运行功率管温升曲线见图6 ）。

从以上分析可知，直驱同步风力发电机和双馈感应风力发电机各具优缺点。本发明旨在设计一种直驱同步电机和双馈感应电机互补的风力发电系统，尽可能地综合直驱和双馈的一些优点，而弥补相互的不足，能更好地把风能转化为电能。

发明内容

本发明的目的，是提供一种直驱同步电机与双馈感应电机互补的风力发电机组，其技术方案是：

该机组配有LC滤波器，该LC滤波器的一端连接并网变流器的输出端，另一端连接电网，所述工频交流电流经LC滤波器滤波后，再并入电网。

该机组配有直流链电容，该直流链电容并接在并网变流器输入端的直流母线上。

每一直驱同步风力发电机均配有du/dt滤波器，该du/dt滤波器的一端连接同步发电机的定子绕组，另一端连接该直驱同步风力发电机变流器的输入端；每一双馈感应风力发电机均配有du/dt滤波器，该du/dt滤波器的一端连接感应发电机的转子绕组，另一端连接该双馈感应风力发电机变流器的输入端。

所述直驱同步风力发电机的总装机功率约等于双馈感应风力发电机的总装机功率。

所述直驱同步风力发电机和双馈感应风力发电机在风场相间布置，使两种风力发电机的受风量及发出的电功率大致相当。

本发明的技术效果如下：

1、开关损耗降低，发电效率提高。由于双馈电机需要吸收的功率与永磁电机发出的功率可以在直流侧抵消，这样为并网变流器降低了大概两倍转差功率的负担。变流器的功率器件工作在高频开关状态，其热损耗是不容忽视的。功率器件的热损耗是限制器件功率做大的最难以克服的问题之一，即便目前很多厂家采样先进的调制技术，先进的散热技术，也常在大功率时遇到瓶颈。附图6给出目前某风场大规模使用的一款变流器的高低温试验结果，各模块温升基本上都30度以上。温升和发热很容易损坏价格昂贵的功率器件。采用直驱同步电机和双馈感应电机功率互补控制技术，在双馈电机亚同步工作时，降低了2倍转差功率的能量交换。就按0.2的转差率计算，5%的开关损耗计算，在亚同步状态下可以降低整个双馈风机容量的2%的热损耗，这是非常可观的。

2、需要硬件较少，具有成本优势。对比附图1和附图2可知，该系统与发出同等功率的直驱和双馈分别发电的系统相比，减少一个VSR、一个直流电容阵等电气设备，降低了系统成本和变流器的体积。如果单独设计一台双馈风机系统和一台直驱同步风机系统，最少要4个VSR。在大功率逆变器价格昂贵的今天，这样的节省是可观的。另外，LC滤波回路、断路器等保护回路等器件也可以节省一些。当然，在电气元件方面，需要考虑直驱与双馈互补系统所要使用的电缆是否会比单独发电的系统会多。这一点可以通过将双馈风机和直驱风机装得比较近来避免，一般风资源比较丰富的地方，一两百米内装两台风机完全是可行的。

3、控制灵活度增加，电网适应性变强。该系统3个VSR共母线连接，比单独的双馈或直驱风机系统多了一个可控元件，控制自由度多了一个，互补控制性增强。电网适应性增强主要体现在两个方面。第一，处理电网故障的能力增强。如技术方案中所述，在电网故障时，3个VSR可以互相配合，共同为电网提供有功和无功支持的同时又能避免能量的无处释放而损害发电系统。第二，入网电流的谐波含量会降低。下表一为某型号双馈风力发电机入网电网的谐波测试数据。同步转速为1500rpm，从表中可看出，越是亚同步越是谐波含量高，这是因为亚同步时入网电流的成分中并网变流器占据得多而定子入网电流少。并网变流器的入网电流是由开关调制出来，谐波含量较高，如附图4所示，而定子电流是旋转磁场感应的电压产生的电流，电机电感较大而谐波电流就小，如附图5所示。这里提出的直驱同步与双馈感应互补的发电机正好可以做到在亚同步状态下入网电流主要经过定子，而甚少经过并网变流器，因此可以降低入网电流的谐波。

表1、某型号1.5MW双馈风力发电机入网电流的谐波测试

Figure 2011104442623100002DEST_PATH_IMAGE002

总之，该系统具有不少优点，需要在实际开发和应用中进一步的挖掘和提高。

附图说明

图1直驱同步电机与双馈感应电机互补风力发电机组结构图。

图2直驱同步电机与双馈感应电机独立风力发电系统结构图。

图3-1并网变流器 VSR1直流电压控制原理图。

图3-2直驱侧VSR2功率控制原理图。

图3-3双馈侧VSR3功率控制原理图。

图4并网变流器入网电流波形。

图5双馈电机定子电流波形。

图6双馈变流器满功率运行功率管温升曲线。

具体实施方式

下面以一台直驱同步电机与一台双馈感应电机互补的风力发电机组为例，详细说明本发明。

参见图1，机组包括一台直驱同步风力发电机PMSG和一台双馈感应风力发电机DFIG，一台LC滤波器，一台并网变流器VSR1，一组直流链电容C；所述LC滤波器的一端连接并网变流器VSR1的输出端，另一端连接电网，所述直流链电容C并接在并网变流器VSR1输入端的直流母线上；直驱同步风力发电机和双馈感应风力发电机均配有各自的机侧变流器VSR2、VSR3，将其发电机发出的低频交流电流整流成直流电流，所有风力发电机的变流器的输出端共同并联在并网变流器输入端的直流母线上，将所有直流电流汇流，由并网变流器将汇流后的直流电流逆变成工频交流电流，再经LC滤波器滤波，并入电网。

直驱同步风力发电机配有L滤波器（du/dt滤波器），该L滤波器的一端连接同步发电机的定子绕组，另一端连接该直驱同步风力发电机变流器的输入端；双馈感应风力发电机配有L滤波器（du/dt滤波器），该L滤波器的一端连接感应发电机的转子绕组，另一端连接该双馈感应风力发电机变流器的输入端。

图1中其它部件是：KM1为VSR1并网接触器，KM2为直流软启充电接触器，KM3为双馈并网接触器。QF1和QF2为断路器。

根据本发明的基本思路，直驱同步风力发电机和双馈感应风力发电机可多台并联，只要两种机型的总功率基本平衡，并在风场可相间布置，使两种风力发电机的受风量及发出的电功率大致相当，即可获得很好的互补效果。

该机组由直驱同步电机风力发电系统与双馈感应风力发电系统经过组合和优化而成。限于篇幅，涉及到它们单独的各部件的设计就不详细讲解了，参见这两类风力发电机主流的机型设计即可。这里仅考虑这两种风力发电机如何组合的问题。

（1）布置与安装。两台风机应间隔合适的距离进行安装。以风轮半径35米的1.5MW双馈风机和风轮半径40米的1.5MW直驱同步风力发电机为例，两台风机需相距75米以上。主控和变桨系统应每台都有，放在机舱上。变流器系统由3个VSR做成，放在其中一台风机的塔筒底下。

（2）主要元器件的选型。与直驱同步电机相连的逆变器按直驱同步电机的全功率选型，与双馈电机转子相连的逆变器按双馈电机允许工作的最大转差功率选型。并网逆变器及其前端LC滤波器和直流母线电容按直驱电机的全功率加上双馈电机的最大转差功率选型。

（3）启停机流程。直驱与双馈互补风力发电系统电气连接图如图1所示。三个VSR共用直流母线。图中KM1为VSR1并网接触器，KM2为直流软启充电接触器，KM3为双馈并网接触器。启机时，先闭合主断路器QF1，然后闭合直流软启充电接触器KM2，待充电到一定电压，闭合KM1，启动VSR1的控制，进行直流调制，使得直流电压稳定在一定值。然后分别根据风速情况开启直驱电机或双馈电机。开启直驱电机需闭合断路器QF2，开启VSR2的功率控制。开启双馈电机需首先通过VSR3控制定子的端电压与电网电压完全一致，再合上KM3，利用VSR3进行双馈电机定子的功率控制。停机时，先变桨使得直驱或双馈电机的转速降低，到切出转速时，封锁VSR2和VSR3，待直驱电机定子电流低于值断开QF1，待双馈电机定子电流低于一定值断开并网接触器KM3，然后封锁并网逆变器VSR1，最后跳开断路器QF1。

直驱、双馈、电网之间的互补控制技术之实现

变流器系统的控制是通过VSR1，VSR2, VSR3 三个电压源型整流／逆变器实现。每个VSR需要一块数字信号处理器（DSP）芯片，进行信号的采样、处理、以及产生PWM调制信号。

并网变流器VSR1的DSP芯片所需要采样的模拟信号有电网三相电压、逆变器出口端的三相电流，直流母线电压。通过控制直流母线电压达到间接功率控制的目的。VSR1采用内环电流控制和外环直流链电压控制的双闭环PI控制策略。采样矢量控制方法，三相电压和电流通过Park变换，变换到电网电压定向的dq坐标系中。在电网电压定向下，实现了直流电压控制和无功功率控制的解耦。内环d轴电流的给定由直流电压环的PI输出提供，而q轴电流的给定由所需发出的无功功率决定。根据控制电压，采用空间矢量脉冲宽度调制（SVPWM）技术，DSP芯片发出调制信号，控制网侧IGBT的开关占空比。并网变流器VSR1的控制原理图如图3-1所示。

直驱侧变流器VSR2的DSP芯片需要采样的模拟信号有定子三相电流，定子三相电压（或根据转速估计出来），转子转速。采用内环电流控制和外环定子功率控制的双闭环PI控制策略。矢量空间采用转子磁链定向，实现定子有功功率和定子磁链的解耦控制。内环q轴电流的给定由功率环的PI输出提供，而d轴电流的给定设定为零，或按无功功率的需要进行给定。外环有功功率的给定由主控根据最近功率曲线决定。功率环的反馈为发电机定子发出的功率。根据控制电压，采用SVPWM技术，DSP芯片发出调制信号，控制机侧IGBT的开关占空比。直驱侧变流器VSR2的控制原理图如图3-2所示。

双馈侧变流器VSR3也采用内环电流控制和外环定子功率控制的双闭环PI控制策略。矢量空间采用定子电压定向，实现定子有功功率和无功功率的解耦控制。内环d轴电流的给定由功率环的PI输出提供，而q轴电流的给定设定为零或按电网的无功需要给定。外环有功功率的给定由主控据功率曲线折算到定子侧的值决定。功率环的反馈为发电机定子发出的功率。根据控制电压，采用SVPWM技术，DSP芯片发出调制信号，控制机侧IGBT的开关占空比。直驱侧变流器VSR2的控制原理图如图3-3所示。

通过三个VSR的分别控制，实现了直驱、双馈、电网间的功率互补控制。当双馈电机的转子需要吸收功率时，直驱电机发到直流母线上的功率可以补给双馈电机的转子，然后通过双馈电机的定子绕组传到电网。当双馈电机转子发出过多的功率到直流母线上时，直驱电机可将自己发出的功率控制得小些，使得直驱电机的转速上升，把直流母线上的能量转化为直驱转子上的动能。总之，该系统可以根据工况灵活控制直驱、双馈、电网间的功率，以达到期望的效果。

本发明的双馈感应风力发电机与一般双馈电机相比，最好做成亚同步转速下发出功率比较高的。为避免多级高速齿轮箱的故障，该电机转轴经一个齿轮与风机叶片相连即可。定子三相线路通过并网接触器KM3与电网三相线路相连（之间装一断路器起保护作用）。双馈感应电机的转子三相线路经过一个机端过电压抑制滤波器（du/dt滤波器）与VSR3相连，该滤波器为电机驱动中常用的，为了防止电压在电缆线路中反射而产生电机端过电压。VSR3负责给双馈感应电机转子励磁，调节励磁电流的频率以适应电机在不同的转速下运行，跟踪功率曲线，实现最大风力利用。

直驱同步电机转子可为永磁体或者由励磁绕组提供励磁，极对数宜多些，转子轴半径宜大些，这样转动惯量大，可以存储一定的动能。定子三相绕组经一个du/dt滤波器与逆变器VSR2相连。VSR2负责控制直驱同步电机跟踪最佳功率曲线。

并网变流器VSR1负责控制中间的直流母线电压。直驱同步电机定子发出的能量传递到直流母线，双馈感应电机在超同步速时转子回馈转差能量也传递到直流母线，因此直流母线电容阵的选型以及VSR1前端LC滤波器的选型宜按两者之和选取。

直驱、双馈、电网间的互补控制技术

对于变流器系统的控制，包括并网变流器VSR1，同步侧逆变器VSR2，双馈侧逆变器VSR3各需要一块控制电路板，另外还需要一块通讯板负责协调三个VSR之间的通信，以及负责和两台风机主控之间的通信。

3个VSR均采用矢量控制，电压和电流瞬时采样信号经坐标变换到dq坐标系下进行解耦控制。并网变流器采用电网电压定向，实现直流电压控制和无功功率控制的解耦；同步侧逆变器采用转子磁链定向，实现同步电机有功功率和磁链的解耦控制；双馈侧逆变器采用定子电压定向，实现定子发出有功和无功的解耦控制。

正常运行时，VSR2，VSR3分别实现在不同风速实下的最佳功率跟踪。风速较小时，启动同步电机。等到双馈电机的切入风速时，启动双馈电机，双馈电机转子需要的功率直接由直流母线提供，也就是说可以由同步电机发出的功率而来。也就是说，同步电机所发出的全功率，一部分经过双馈电机的转子传递到定子再入网，多余的部分才通过并网变流器VSR1进入电网。双馈电机的定子一方面发出双馈电机本身吸收的风能，另一方面也发出部分同步电机吸收的风能。另外，双馈电机的定子还可以更加电网需要发出无功功率。风速过大时，同步电机和双馈电机都工作在较高的转速，双馈电机的定子和并网变流器同时向电网输出功率。总之，通过3个逆变器的互相配合，灵活地实现变速恒频风力发电的功能。

在电网出现故障时，如电网电压突然跌落或电网电压突然抬升等，双馈电机定子发不出很大的功率，剩余功率可以经过直流母线逆变到同步电机的转子动能上，或在直流母线上并联卸能装置将能量消耗。并网逆变器和同步电机处理电网故障的能力比较强，双馈电机由于定子直接与电网相连，定子磁链会发生震荡而导致电流的震荡过程。双馈电机在故障穿越能力上的不足正好可以由同步电机和并网变流器来提供帮助。

Claims

1. 一种风力发电机组，其特征在于，包括至少一台直驱同步风力发电机和至少一台双馈感应风力发电机，一台并网变流器，每一直驱同步风力发电机和每一双馈感应风力发电机均配有各自的机侧变流器，将其发电机发出的低频交流电流整流成直流电流，所有风力发电机的变流器的输出端共同并联在并网变流器输入端的直流母线上，将所有直流电流汇流，由并网变流器将汇流后的直流电流逆变成工频交流电流，并入电网。

2.如权利要求1所述的风力发电机组，其特征在于，该机组配有LC滤波器，该LC滤波器的一端连接并网变流器的输出端，另一端连接电网，所述工频交流电流经LC滤波器滤波后，再并入电网。

3.如权利要求1所述的风力发电机组，其特征在于，该机组配有直流链电容，该直流链电容并接在并网变流器输入端的直流母线上。

4.如权利要求1所述的风力发电机组，其特征在于，每一直驱同步风力发电机均配有du/dt滤波器，该du/dt滤波器的一端连接同步发电机的定子绕组，另一端连接该直驱同步风力发电机变流器的输入端；每一双馈感应风力发电机均配有du/dt滤波器，该du/dt滤波器的一端连接感应发电机的转子绕组，另一端连接该双馈感应风力发电机变流器的输入端。

5.如权利要求1所述的风力发电机组，其特征在于，所述直驱同步风力发电机的总装机功率约等于双馈感应风力发电机的总装机功率。

6.如权利要求5所述的风力发电机组，其特征在于，所述直驱同步风力发电机和双馈感应风力发电机在风场相间布置，使两种风力发电机的受风量及发出的电功率大致相当。