CN102723739A - 风力发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种风力发电系统，包括叶轮（10）；交流发电装置（20），通过叶轮（10）驱动，交流发电装置（20）发出的交流电输送至电网（100）；直流发电装置（30），与交流发电装置（20）同轴地设置，直流发电装置（30）发出的直流电中至少一部分直流电转换为交流电并输送至电网（100）。本发明的风力发电系统，由交流发电设备和直流发电设备两部分组成，在额定风速下共同向电网输出稳定的交流电能，且在电网瞬态波动时对发电环节有良好的调节能力；在低风速时机组可以仅由直流发电设备馈电，因此机组可以在更宽的风速范围内运行，风能的利用效率高，更适合大容量风力发电机组。

Description

风力发电系统

技术领域

本发明涉及风力发电领域，更具体地，涉及一种风力发电系统。

背景技术

现有技术中，风力发电系统多采用双馈式、永磁同步式或电励磁同步式发电。

双馈式风力发电系统包括用于加速的大型齿轮箱，一台双馈发电机和30%左右容量的变频器。双馈式风力发电系统是目前主流的风力发电系统型式，技术比较成熟，可维护性强，市场认可率高。随着人们对风力发电发展要求，风电系统单机容量越来越大，若采用高速系统，则对齿轮箱的要求过高，因此，超大容量系统采用低速系统方案可行性更高，而双馈式电机在低速时效率偏低，不适宜低速系统。

永磁同步式与电励磁同步式风力发电系统相似，一般采用直驱式结构，发电机接全功率变频器后向电网发送电压和频率稳定的电能。包括永磁同步式或电励磁同步式发电装置的直驱式系统，可以取消齿轮箱，使传动链缩短，减小故障点。采用全功率变频器向电网发电，实现了发电装置与电网的更友好连接，提高了运行稳定性。由于永磁体存在不稳定性和价格上的因素，成为永磁同步系统发展的制约。尽管在世界范围内超大容量风力发电机的发展趋势仍存在分歧，但同步系统采用励磁绕组，内部磁场可以调节，且稳定性要高于永磁式，会成为超大容量风电系统的首选。因此，如何提高大容量风力发电系统（尤其是电励磁同步发电系统）的运行效率，特别是提高低风速下的运行效率，降低运行成本，以及在更宽的风速范围内获取风能，成为大容量风力发电系统市场化时需要解决的主要技术问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种风能利用率高、运行风速范围较宽的风力发电系统。

本发明提供一种风力发电系统，包括：叶轮；交流发电装置，通过叶轮驱动，交流发电装置发出的交流电输送至电网；直流发电装置，与交流发电装置同轴地设置，直流发电装置发出的直流电中至少一部分直流电转换为交流电并输送至电网。

进一步地，交流发电装置发出的三相交流电经机侧整流器转换为直流电，经过直流母排流入网侧逆变器和变压器输送至电网；直流发电装置发出的直流电中至少一部分直流电经过直流调压装置调压后输送至直流母排。

进一步地，交流发电装置与直流发电装置共用一根主轴和/或共用一套定子外壳。

进一步地，交流发电装置包括交流发电机励磁装置；直流发电装置为交流发电机励磁装置提供励磁电流。

进一步地，直流发电装置包括N套转子绕组，N=k+1，k为大于或等于1的自然数，N套转子绕组中的一套绕组为交流发电机励磁装置提供励磁电流，其它各套绕组输出的直流电经直流调压装置调压后输送至直流母排。

进一步地，直流调压装置包括电力电子升压装置，电力电子升压装置包括控制输送至直流母排的直流电压值的boost电路。

进一步地，直流调压装置包括升压变压器和/或滤波环节。

进一步地，直流发电装置包括直流发电机励磁装置，直流发电机励磁装置输出可调节的励磁电流。

进一步地，直流发电装置采用直流电励磁或者采用永磁体与直流电励磁的混合励磁。

进一步地，交流发电装置为电励磁同步交流发电装置或者永磁同步交流发电装置。

根据本发明的风力发电系统，由于在设置交流发电装置的同时设置了直流发电装置，并将直流发电装置发出的至少一部分直流电转换为交流电后馈送至电网，在额定风速下共同向电网输出稳定的交流电能，且在电网瞬态波动时对发电环节有良好的调节能力；在低风速时机组可以仅由直流发电设备馈电，因此机组可以在更宽的风速范围内运行，风能的利用效率高，更适合大容量风力发电机组。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的风力发电系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1所示，本实施例中涉及的是一种大功率变速恒频风力发电系统。该风力发电系统的能量传输链包括叶轮10、电励磁同步交流发电装置20、多相直流发电装置30、直流调压装置70、高压整流逆变器和变压器60等。

叶轮10在风能的作用下旋转并驱动交流发电装置20转动，交流发电装置20发出的三相交流电输送至电网100。直流发电装置30与交流发电装置20同轴设置，直流发电装置30发出的直流电的至少一部分转换为交流电输送至电网100。

由于在风力发电系统中同时设置了交流发电装置20和直流发电装置30，并且直流发电装置30的容量级别、体积都较交流发电装置20的要小。从而在额定风速下交流发电装置和直流发电装置共同向电网输出稳定的交流电能，且在电网瞬态波动时对发电环节有良好的调节能力；在低风速时，风力发电系统可以通过断开机侧变频器40的主开关，断开交流发电装置20与电网100之间的连接，只由直流发电装置30向电网100馈电，当风速提高到一定值，控制风力发电系统机侧变频器40的主开关，使交流发电装置20和直流发电装置30一起向外发电，提高了风能的利用率，可以在更宽的风速范围内获取风能。

如图1所示，在本实施例中具体地，高压整流逆变器包括与交流发电装置20容量相匹配的机侧整流器40，与交流发电装置20和直流发电装置30总容量相匹配的网侧逆变器50，以及设置于机侧整流器40和网侧逆变器50之间的直流母排120。交流发电装置20发出的交流电经定子输出电缆110输送至机侧整流器40转换为直流电经过直流母排120流入网侧逆变器50，直流发电装置30发出的直流电经直流调压装置70调压后，经直流电缆130输送至直流母排120，直流母排120的直流电输入网侧逆变器50转换为交流电，进入交流电缆140并经变压器60形成电压、频率稳定的三相交流电馈送至电网100。

本发明不限制交流发电装置20的转轴与叶轮10的连接方式。但是本实施例中优选地，交流发电装置20的主轴80与叶轮10之间不设置齿轮箱，而是采用直接连接的方式进行连接。更优选地是，交流发电装置20和直流发电装置30共用一根主轴80和/或共用一套定子外壳90。本实施例的风力发电系统由于采用了以上形式的直驱式结构，由叶轮10吸收的风能直接传递到交流发电装置20和直流发电装置30，减小了传动链长度，减少故障易发点，一方面可以降低风力发电系统运行的故障率，另一方面也没有了齿轮箱的能量损失，提高了能量传递效率。

交流发电装置20主要包括接三相输出的定子绕组21、转子22和转子励磁绕组23三个部分。交流发电装置20作为风力发电系统的主要馈电环节，随风速的变化发出频率、幅值变化的高压交流电能，并连接到与交流发电装置20同容量的机侧整流器40，整流成稳定的高压直流电能到直流母排120。

该交流发电装置20包括交流发电机励磁装置24，采用直流电励磁。交流发电机励磁装置24采用了旋转的励磁转换器的形式，励磁转换器固定在主轴80上并与主轴80同步旋转，因此，励磁转换器与交流发电装置20的转子22保持相对静止。该交流发电机励磁装置24的输入端为由直流发电装置30提供的交流电，输出端输出直流电并输送至交流发电装置20的励磁绕组23，提供交流发电装置20的励磁电能。

本实施例的风力发电系统中，交流发电机励磁装置24和提供励磁电能的直流发电装置30的转子31保持相对静止，无电刷装置连接，形成交流发电装置20的转子22、励磁转换器和直流发电装置30的转子31的一体式结构，因此固定方式简单牢固，无相对位移，结构紧凑。

本实施例的多相直流发电装置30包括N套转子绕组，N=k+1，k为大于或等于1的自然数，N套转子绕组中的一套为交流发电机励磁装置24提供交流电，以对励磁绕组23提供励磁电流，其他转子绕组经过换向器34和电刷转换成多相直流电，输送到直流调压装置70。

本实施例的直流发电装置30还包括定子32、直流发电机励磁装置33、换向器34和电刷。本实施例中的直流发电装置30一方面可以充分利用直流发电装置30的调压性能，通过调节直流发电机励磁装置33和控制以直流调压装置70来稳定输出的直流电压，从而稳定直流母排120的电压值；另一方面，直流发电装置30稳定直流母排120电压，可以降低机侧整流器40的容量，节省成本。

通过控制直流调压装置70，可以调节输入直流母排120的直流电压的幅值，调节直流母排120的电压的非正常变化，有效稳定直流母排120的电压值，并向直流母排120馈电。

本实施例中，直流调压装置70的作用是调节、提高直流发电装置30中N套转子绕组中除为交流发电机励磁装置24提供交流电的一套转子绕组以外的其他各套转子绕组输出的直流电压，并调节到直流母排120所需的电压级别。直流调压装置70包括boost电路，利用boost电路控制输送至直流母排120的直流电压值。若机组电压级别高达一定值时，直流调压装置70还可以使用升压变压器。同时，直流调压装置70还可以通过滤波环节，减小直流发电机的纹波系数，使直流输出平稳。

本实施例的风力发电系统，还可以通过调节直流发电机励磁装置33的励磁电流，来调节进入交流发电装置20的励磁绕组23的直流励磁电流，从而调节交流发电装置20内的磁场强度，进而控制交流发电装置20发出交流电的幅值和功率因数。可以采用优化算法实现直流发电机励磁装置33励磁电流的调节，从而有效提高交流发电装置20发出交流电能的效率（特别是在低风速工况下）。

本实施例的风力发电系统中，交流发电装置20优选地采用3.3kV及以上电压级别输出。由于电压输出级别较高，在输出容量相同的情况下，可降低交流发电装置温升。

在另一个未示出的实施例中，电励磁同步交流发电装置20可以采用永磁式同步交流发电机替代，这样可以省略交流发电机励磁装置24，直流发电装置发出的直流电可以全部馈送至电网，但永磁式同步交流发电装置内的电磁场不可以调节。

另外，直流发电装置20的定子绕组21还可以采用永磁体与直流电励磁混合励磁的方案，这样可以提高电机功率密度，缩小电机体积，又可以有效调节直流输出电压。

从以上的描述中可以看出，本发明上述的实施例采用电励磁同步交流发电装置与多相直流发电装置相配合，实现了如下技术效果：

在额定风速下交流发电装置和直流发电装置共同向电网输出稳定的交流电能，且在电网瞬态波动时对发电环节有良好的调节能力。

在低风速时，风力发电系统可以断开交流发电装置与电网之间的连接，只由直流发电装置向电网馈电，当风速提高到一定值时，控制风力发电系统，使交流发电装置和直流发电装置一起向外发电，这样切入风速低、利用风速范围大，低风速时系统效率高，提高了风能的利用率，特别是在低风速下风能的利用率，与单纯采用交流发电装置相比，可在更宽的风速范围内运行，向电网馈送更多的电能。

全容量的逆变器，可以实现电网友好连接，提高故障穿越能力，在电网瞬态波动时有良好的调节能力，适合大容量系统。

采用直驱结构，使交、直流发电装置一体化连接，固定方式简单牢固，结构紧凑，传动链缩短，减小故障隐患点，适合大容量系统。

通过调节励磁，可以实现交流电的调压、调功率因数，且直流发电装置良好的调压性能，可以稳定系统运行。

另外，采用高压输出，输出电压级别高，可降低电机温升。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种风力发电系统，包括：

叶轮（10）；

交流发电装置（20），通过所述叶轮（10）驱动，所述交流发电装置（20）发出的交流电输送至电网（100）；

直流发电装置（30），与所述交流发电装置（20）同轴地设置，所述直流发电装置（30）发出的直流电中至少一部分直流电转换为交流电并输送至所述电网（100）。

2.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，

所述交流发电装置（20）发出的三相交流电经机侧整流器（40）转换为直流电，经过直流母排（120）流入网侧逆变器（50）和变压器（60）输送至所述电网（100）；

所述直流发电装置（30）发出的直流电中所述至少一部分直流电经过直流调压装置（70）调压后输送至所述直流母排（120）。

3.根据权利要求1或2所述的风力发电系统，其特征在于，所述交流发电装置（20）与所述直流发电装置（30）共用一根主轴（80）和/或共用一套定子外壳（90）。

4.根据权利要求2所述的风力发电系统，其特征在于，

所述交流发电装置（20）包括交流发电机励磁装置（24）；

所述直流发电装置（30）为所述交流发电机励磁装置（24）提供励磁电流。

5.根据权利要求4所述的风力发电系统，其特征在于，所述直流发电装置（30）包括N套转子绕组，N=k+1，k为大于或等于1的自然数，所述N套转子绕组中的一套绕组为所述交流发电机励磁装置（24）提供励磁电流，其它各套绕组输出的直流电经所述直流调压装置（70）调压后输送至所述直流母排（120）。

6.根据权利要求2所述的风力发电系统，其特征在于，所述直流调压装置（70）包括电力电子升压装置，所述电力电子升压装置包括控制输送至所述直流母排（120）的直流电压值的boost电路。

7.根据权利要求2所述的风力发电系统，其特征在于，所述直流调压装置（70）包括升压变压器和/或滤波环节。

8.根据权利要求1或2所述的风力发电系统，所述直流发电装置（30）包括直流发电机励磁装置（33），所述直流发电机励磁装置（33）输出可调节的励磁电流。

9.根据权利要求8所述的风力发电系统，其特征在于，所述直流发电装置（30）采用直流电励磁或者采用永磁体与直流电励磁的混合励磁。

10.根据权利要求1或2所述的风力发电系统，其特征在于，所述交流发电装置（20）为电励磁同步交流发电装置或者永磁同步交流发电装置。

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