CN102738829A - 一种变频控制风力发电系统的拓扑结构和控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变频控制风力发电系统的拓扑结构和控制方法，包括有与风轮机连接的三相发电机和与电网连接的并网变压器，所述三相发电机定子三相发电绕组输出端与并网变压器之间连接有双PWM变频器和并网开关，所述双PWM变频器和并网开关为并联电路连接结构，所述风力发电系统拓扑结构还包括有控制器和电量检测模块。本发明的目的是根据不同的功率段控制变频器在逆变并网与静止无功发生器模式之间进行切换运行，提供了一种结构简单、造价相对低廉，使用分段控制的变频控制风力发电系统的拓扑结构和控制方法。
Description
[技术领域]
本发明涉及的是一种适用于变速运行的风力发电机系统的拓扑结构和控制方法，主要运用在感应式异步发电机、永磁或电励磁式同步发电机上。本发明尤其适用于海上风电系统。
[背景技术]
大功率风力发电系统普遍采用的是变速变桨距控制技术，即随着风速的大小变化，采用不同的桨距角和叶轮速度，从而达到对风能的最大可能获取并保证大风时的风机安全的控制策略。在低风速段使用定桨距、变转矩、变转速运行，而在高风速段采用变桨距、定转矩、近似定转速运行。在传动链上划分有带大增速比的高速电机结构、小增速比的中速电机准直驱或半直驱结构，以及无齿轮箱的直驱低速电机结构。随着生产制造的实践和技术发展，风机叶轮直径不断增加，发电功率也随之增加。
伴随风电的大功率化、规模化发展，并网送出型日渐成为主流的风力发电系统。目前在用的发电系统拓扑结构方案主要有三种：100kW~800kW等级的异步发电机直接并网发电，兆瓦级的双馈感应电动机配套部分功率变频器并网发电和变速电机配套全功率变频器并网发电。下面简述这三种发电原理的差别。
A.异步感应式发电机：发电原理如图5-6所示，图5中motor是电动机曲线，generator是异步发电机曲线，在风轮机被风吹动，通过齿轮箱让异步发电机的转子转速n超过发电机定子旋转磁场的同步转速n0时，进入超同步发电运行状态，其转矩与转差n-n0近似成正比，从而实现在一个近似不变的转速范围里，自动调节发电功率，且能实现自动稳定。该方案在功率调节运行时需要从电网吸收大量的无功功率，因而早期的风场要为此配套昂贵而复杂的无功补偿系统，以平衡发电需要的无功功率稳定电网电压。该方案发电转速范围太窄，在低风速时不能运行在最佳翼尖速比下，导致系统效率不高，动态无功控制能力很弱，速度较慢，目前正在淡出市场。
B.双馈式感应发电机采用一个绕线转子，通过变频器控制转子电流的大小和相位，进行交流励磁，实现定子、转子双路馈出能量，可在变速条件下，定频并网，如图7所示。该方案的优点是配套的变频器功率小，在变速范围自1000rpm到2000rpm的情况下，变频器只要并网功率的四分之一即可，在电力电子技术不很成熟的情况下，是一种很好的解决方案。特别是变频器的功率小，使得总体的发电效率得到提高。但是在新的电网接入标准下，诸如低电压穿越LVRT或故障穿越FRT，该方案很难满足全部要求，对电网故障时的支持能力弱。它有变频器廉价的优势，但是存在电机转子需要一个大电流的电刷和滑环配电，维护工作量大。
C.全功率变频器配套异步电机或同步电机的方案是将风力发电机发出的变压、变频的交流电通过变换成直流再经稳压而后逆变成交流电并网。该方案可以满足严苛的电网接入条件和LVRT要求，但是需要的变频器容量要大于风机并网输出总功率，设备造价高。同时在小功率输出时，往往谐波绝对值偏大，且因全部电能均要经过电力电子变换带来了系统总效率的损失。
寻找一种变频器廉价，又能满足电网接入条件，系统可靠性高的电路拓扑结构，一直是广大风电研究者的努力目标。
[发明内容]
本发明克服了前述技术的不足，提供了一种结构简单、造价相对低廉，使用分段控制的变频控制风力发电系统的拓扑结构和控制方法，其根据不同的功率段控制变频器在逆变并网与静止无功发生器模式之间进行切换运行，其既适合于岸上型也适合海上型风力发电机，适用于并网型也适用于离网型，同时也可推广应用到其它基于发电机的分布式能源系统，如舰船设备上的柴电混合动力系统的柴油发电机设备等。
为实现前述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种变频控制风力发电系统的拓扑结构，包括有与风轮机7连接的三相发电机6和与电网4连接的并网变压器5，所述三相发电机6定子三相发电绕组输出端与并网变压器5之间连接有基于全控功率器件构成共用母线结构的能量双向流动的脉宽调制控制的双PWM变频器1，所述双PWM变频器1为三相输入输出结构，所述双PWM变频器1两端并联有基于机械开关配合晶闸管或带同步开关功能的并网开关2，所述双PWM变频器1包括有顺次连接的电机侧变频器11和电网侧变频器12，所述电机侧变频器11输入端各线与并网开关2输入端各线对应连接后与三相发电机6三相发电绕组输出端对应连接，所述电网侧变频器12输出端各线与并网开关2输出端各线对应连接后连接在并网变压器5上，所述风力发电系统拓扑结构还包括有用于控制双PWM变频器1逆变并网或者运行在静止无功发生器模式的控制器3，所述控制器3分别与双PWM变频器1控制门极、并网开关2控制端连接，所述控制器3上还连接有用于检测发电机输出的三相电流电压、并网开关2靠电机侧三相电流和并网变压器5二次侧三相电流电压的电量检测模块31。
作为优化，所述双PWM变频器1为基于全控器件如IGBT、IGCT或GTO的两电平双PWM变频器。
作为优化，所述双PWM变频器1为基于全控器件如IGBT、IGCT或GTO的三电平双PWM变频器。
所述并网开关2包括有第一晶闸管21、第二晶闸管22、断路器23，所述第一晶闸管21门极、第二晶闸管22门极和断路器23控制端分别与控制器3连接，所述第一晶闸管21与第二晶闸管22反并联后与断路器23并联连接。
一种变频控制风力发电系统的控制方法，包括有如下步骤：
电量检测模块31实时检测发电机输出的三相电流电压、并网开关2靠电机侧三相电流和并网变压器5二次侧三相电流电压，控制器3计算有功无功，并控制并网开关的通断和双PWM变频器在不同功率段下工作模式的切换；
低风速小功率段，控制器3控制并网开关(2)断开，电机侧变频器11以全功率力矩控制方式进行风轮机的最佳尖速比控制运行获取最大风能，将发电机变速运行得到的变压变频的交流电能转化成直流电能；电网侧变频器12把该直流电能变化成定频、定压交流电送入电网；
高风速大功率段，控制器3控制并网开关2闭合，由发电机的三相发电绕组输出端直接输出，实现异步感应发电机的超同步运行或永磁、电励磁同步发电机的同步并网运行，所有发电机的有功通过并网开关2直接送入电网；而被并网开关2短路并网到并网变压器5二次侧的电机侧变频器11和电网侧变频器12实现并联运行，控制器3控制该双PWM变频器1运行在追踪电网电压的静止无功发生器模式进行风电单机的无功调节。
本发明的有益效果是：
1、使用本发明所示的电路结构，可以让风力发电系统使用结构简单，制造容易的通用型鼠笼转子异步电机，可大大降低风电设备制造成本，但是又可以获得与全功率变频几乎一致的转速使用范围，从而提高系统发电效率；
2、使用本发明可以使用准直驱和高速永磁机，从而减少设备的重量，减少风机系统造价，不但具有全功率系统的最大功率跟踪可能性，还因为在大功率部分使用了电机直接并网，提高了总的发电效率，与全功率变频器并网相比，设备造价大大降低；
3、使用本发明可以使永磁发电机系统只担负有功输出任务，而变频器系统可以提供比全功率变频更宽的无功调节范围，增强风电场的单机无功操作能力，对风电接入稳定性提供更多支撑；
4、使用本发明配套的异步发电机，可以使用低转子电阻结构，提高发电机部分的效率，且在电机异步并网的大功率段，运行在静止无功发生器模式下的变频器可以提供接近三分之二额定容量的无功励磁，超过了异步发电的无功需求，还可以外送约六分之一容量的无功给电网提供支撑，减少了风电场的无功配置需求；
5、本发明的拓扑结构与双馈发电系统采用同样形式和容量的变频器，但是不需电机采用滑环结构，也不需要电机使用绕线转子，却能提供比双馈更宽的转速使用范围，从而可以让风机更多运行在最佳翼尖速比的高效率下，能在更低的系统造价基础上，获得更好的风机功率曲线
6、使用本发明，可以让海上风电系统，使用高速永磁发电机、低转子电阻鼠笼转子异步电机，在满足苛刻的并网规则条件下，获得较低的安装成本和使用、维护成本，提升海上风电的竞争力。
[附图说明]
图1是本发明的电路结构示意图。
图2是本发明使用的两电平双PWM变频器示意图。
图3是本发明使用的三电平双PWM变频器示意图。
图4是本发明使用的并网开关电路结构图。
图5是异步发电机原理图。
图6是异步发电机并网电路结构图。
图7是双馈异步发电机并网电路结构图。
图8是全功率不控整流变频器并网电路结构图。
图9是全功率双PWM变频器并网电路结构图。
图10是本发明与一般方法的功率曲线对比。
图11是某型叶片不同桨距角和翼尖速比下的风能利用系数。
图12是本发明的控制方法逻辑框图。
[具体实施方式]
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步详细的描述：
本发明如图1所示，一种变频控制风力发电系统的拓扑结构，其特征在于包括有与风轮机7连接的三相发电机6和与电网4连接的并网变压器5，所述三相发电机6定子三相发电绕组输出端与并网变压器5之间连接有基于全控功率器件构成共用母线结构的能量双向流动的脉宽调制控制的双PWM变频器1，所述双PWM变频器1为三相输入输出结构，所述双PWM变频器1两端并联有基于机械开关配合晶闸管或带同步开关功能的并网开关2，所述双PWM变频器1包括有顺次连接的电机侧变频器11和电网侧变频器12，所述电机侧变频器11输入端各线与并网开关2输入端各线对应连接后与三相发电机6三相发电绕组输出端对应连接，所述电网侧变频器12输出端各线与并网开关2输出端各线对应连接后连接在并网变压器5上，所述风力发电系统拓扑结构还包括有用于控制双PWM变频器1逆变并网或者运行在静止无功发生器模式的控制器3，所述控制器3分别与双PWM变频器1控制门极、并网开关2控制端连接。
所述控制器3上连接有用于检测发电机转速和发电系统有功无功的电量检测模块31，取得三相发电机6输出端的三相电压u1、电流i1，并网开关2的三相电流i2，并网变压器5的三相电压u3、电流i3，通过这些参数的检测，可以求得三相发电机6的输出功率，双PWM变频器1的有功、无功和并网的有功、无功等参数。
风力发电机叶轮获得的风能按以下公式计算：
式中Cp为风能利用系数，A为扫风面积，υ为风速。某型叶片在不同桨距角下的设计Cp值，如图11所示的风能利用系数与翼尖速比传坐标图，图中是浆角自0度到20度变化对风能系统的影响，根据该曲线簇，可以求得永磁发电机配套全功率变频器条件下，使用最大风能获取控制策略，在不同风速时的功率，即风机功率曲线，如图10的线b所示，针对此功率曲线，本发明使用的变频器容量只要额定值的三分之一即可。本实施例假若原来的全功率变频器配套此风机需要3000kW/3300kVA，本发明使用的双PWM变频器1仅需要1000kW/1100kVA。
本实施例中指定在发电机输出的有功低于1000kW时为低风速小功率段，这时并网开关2处于断开位置，发电机前端输出电路输出端6接到电机侧变频器11上，经过“全功率”变换并网，获得与一般全功率变频器并网一样的性能。从图10可以看到，1000kW涵盖了8.5m/s以下的风速范围，这是一年中大约三分之二时间以上的风速。
本实施例中指定在发电机输出的有功功率大于1000kW时为高风速大功率段，控制器3的电压电流检测模块31实时监测到功率的变化，将双PWM变频器电路1中的电机侧变频器11和电网侧变频器12切换到并联追踪电网电压，而后闭合并网开关2，并网开关2使用软投切或者同步机械开关同步投切的方式将发电机定子直接接入电网，此时异步机会运行在超同步状态，永磁机或电励磁同步机将运行在同步状态，以普通发电机形式直连电网送电，变桨距系统会自动随风的大小调节桨距角，满足功率控制的需要。控制器3的电量检测模块31仍在实时监测电机的电压、电流和并网的电压电流，并通过调节算法控制此时并联在网上的电机侧变频器11和电网侧变频器12运行在静止无功发生器模式，总容量相当于2200kVA，调节异步发电所需的无功或按风场调度指令进行单机的无功调节，即使异步发电机的功率因数低到0.82，也可以满足就地补偿的需要。
当风机功率自高向低回落时，为了防止系统振荡，可以选择下切入功率为800kW，这样一个滞环宽度200kW的控制策略，可以满足系统稳定运行的需要，如图12所示的控制逻辑框图，本发明的大、小功率段是人为设定的，通常大、小功率分界点设置在系统容量的三分之一处比较合适。
与双馈机中应用的变频器不同的是，本发明使用的双PWM变频器1连接于发电机的定子而不是转子，它起的作用不是励磁器，而是在低风速小功率时候作为“全功率”变频使用，满足低风速段的最佳翼尖速比控制运行和最大风能获取，可以获得比双馈机宽得多的叶轮运行速度范围。对发电机而言，不再需要电刷和滑环，可以降低维护工作量。在高风速大功率段，该双PWM变频器1两端被并网开关2短路，使得其前后端运行在相同的模式下，即追踪电网电压的静止无功发生器模式，英文称STATCOM或SVG模式。在连接电抗器不大的情况下，可以实现无功功率的快速调节。通过电量检测模块31的电压和电流检测，使用Park变换等方法，可以在10ms内快速、无级响应无功需求，比之并联电容器的开关投切电容器SC、晶闸管投切电容器TSC以及采用晶闸管投切/控制电抗器TSR/TCR的SVC静止无功补偿器方案，均快速而直接。
在大功率段因为发电机的功率不再需要变频器调理直接送入电网，在采用永磁或电励磁同步发电机时，系统可以省掉变频器的损耗，提高总的效率约4%左右。而对于异步电动机，此时由于需要提供部分无功，在变频器里仍存在一定损耗，但与全功率变频相比较，因为变频器仅三分之一容量，效率仍可提高2.7%左右，如图10的线a所示，效率提高等效于多送出了有功功率到电网。
本发明对于电励磁同步发电机，在高速段单纯靠发电机已经可以满足电网对无功的要求，使用了并联的STACOM变频器后，可以提供更多的无功功率支撑给风电场的电网系统，或者运行在欠励磁的节电模式，以降低励磁消耗。
如图2、图3所示，本发明所使用的变频器可以基于全控器件如IGBT、IGCT或GTO的两电平双PWM变频器，也可以是三电平双PWM变频器，只要具有公用母线特征，加以适当的控制即可满足本发明所述电路拓扑的要求。
如图4所示，本发明实施实例采用的并网开关2为基于机械开关配合晶闸管的复合开关，在低风速模式切换到高风速模式时，并网开关2要合闸，此时先导通两个反并联的晶闸管，实现电路的软接通，由控制器3触发电路完成零电压接通，而后接通机械开关如断路器23，因机械开关的低内阻自动旁路晶闸管；而在高风速模式切换到低风速模式时，先给晶闸管触发脉冲，实现其导通，而后打开机械开关，电流转移到晶闸管上，再关闭晶闸管的触发脉冲，实现零电流关断。在不频繁切换时也可由一般的长寿命机械开关来完成。并网开关2断开以后，双PWM变频器1自动进入全功率模式，电机侧进行力矩控制，转化电能到直流侧，电网侧变频器12把转化后的直流功率逆变上网。
随着电网对风机接入的要求越来越高，风机的LVRT低电压穿越功能变得越来越重要。本系统与双馈式风机比较起来，虽然都使用感应发电机，但是满足LVRT对于本发明来说较为容易，在高速段不但电机本身可以向电网提供短时的有功支撑，变频器运行在STATCOM或SVG模式下，可以提供足够的无功支撑；而在低速段，其具有相似于其它全功率变频模式的风机的特性，能提供风机所发电力接近的无功支撑。
对于海上型风机而言，本发明所涉及的系统具有电机方面的高可靠、低成本，在变频器方面也仅需双馈发电机相似的变频器，因而具有较低的造价、较小的安装体积与重量，易于实现系统冗余设计。同比直驱和半直驱乃至高速永磁系统或电励磁系统所需的全功率变频，其容量是本发明所述系统需要的变频器的三倍，本发明造价相对低廉，更加适合大规模的风电应用。
Claims (5)
1.一种变频控制风力发电系统的拓扑结构，其特征在于包括有与风轮机（7）连接的三相发电机（6）和与电网（4）连接的并网变压器（5），所述三相发电机（6）定子三相发电绕组输出端与并网变压器（5）之间连接有基于全控功率器件构成共用母线结构的能量双向流动的脉宽调制控制的双PWM变频器（1），所述双PWM变频器（1）为三相输入输出结构，所述双PWM变频器（1）两端并联有基于机械开关配合晶闸管或带同步开关功能的并网开关（2），所述双PWM变频器（1）包括有顺次连接的电机侧变频器（11）和电网侧变频器（12），所述电机侧变频器（11）输入端各线与并网开关（2）输入端各线对应连接后与三相发电机（6）三相发电绕组输出端对应连接，所述电网侧变频器（12）输出端各线与并网开关（2）输出端各线对应连接后连接在并网变压器（5）上，所述风力发电系统拓扑结构还包括有用于控制双PWM变频器（1）逆变并网或者运行在静止无功发生器模式的控制器（3），所述控制器（3）分别与双PWM变频器（1）控制门极、并网开关（2）控制端连接，所述控制器（3）上还连接有用于检测发电机输出的三相电流电压、并网开关（2）靠电机侧三相电流和并网变压器（5）二次侧三相电流电压的电量检测模块（31）。
2.根据权利要求1所述的一种变频控制风力发电系统的拓扑结构，其特征在于所述双PWM变频器（1）为基于全控器件如IGBT、IGCT或GTO的两电平双PWM变频器。
3.根据权利要求1所述的一种变频控制风力发电系统的拓扑结构，其特征在于所述双PWM变频器（1）为基于全控器件如IGBT、IGCT或GTO的三电平双PWM变频器。
4.根据权利要求1所述的一种变频控制风力发电系统的拓扑结构，其特征在于所述并网开关（2）包括有第一晶闸管（21）、第二晶闸管（22）、断路器（23），所述第一晶闸管（21）门极、第二晶闸管（22）门极和断路器（23）控制端分别与控制器（3）连接，所述第一晶闸管（21）与第二晶闸管（22）反并联后与断路器（23）并联连接。
5.一种变频控制风力发电系统的控制方法，其特征在于包括有如下步骤：
电量检测模块（31）实时检测发电机输出的三相电流电压、并网开关（2）靠电机侧三相电流和并网变压器（5）二次侧三相电流电压，控制器（3）计算有功无功，并控制并网开关的通断和双PWM变频器在不同功率段下工作模式的切换；
低风速小功率段，控制器（3）控制并网开关(2)断开，电机侧变频器（11）以全功率力矩控制方式进行风轮机的最佳尖速比控制运行获取最大风能，将发电机变速运行得到的变压变频的交流电能转化成直流电能；电网侧变频器（12）把该直流电能变化成定频、定压交流电送入电网；
高风速大功率段，控制器（3）控制并网开关（2）闭合，由发电机的三相发电绕组输出端直接输出，实现异步感应发电机的超同步运行或永磁、电励磁同步发电机的同步并网运行，所有发电机的有功通过并网开关（2）直接送入电网；而被并网开关（2）短路并网到并网变压器（5）二次侧的电机侧变频器（11）和电网侧变频器（12）实现并联运行，控制器（3）控制该双PWM变频器（1）运行在追踪电网电压的静止无功发生器模式进行风电单机的无功调节。
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