CN102904408A

CN102904408A - 同步电机变极变速风力发电系统

Info

Publication number: CN102904408A
Application number: CN2011102128468A
Authority: CN
Inventors: 吴光宇
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-07-28
Filing date: 2011-07-28
Publication date: 2013-01-30

Abstract

本发明涉及一种同步电机变极变速风力发电系统的构成与控制策略，属于风力发电领域。本发明的目的是通过提供一种采用变极变速混合励磁同步发电机系统结构，加上相应控制策略的风力发电技术，在低转速的相对高风速区可根据风速、转速和桨叶角度的三角形关系来调节变桨角度来提高风能利用率，实现以较低成本获得良好风能利用率，提高风电机组年利用小时的目标。本发明通过采用一台的混合励磁可变极同步发电机、一套直流励磁装置，相应控制系统以及含有特殊控制策略的控制软件来实现。配上塔筒、风轮、变桨系统、偏航系统、传感器等其他电控系统，形成完整的风力发电机组，实现以较低成本获得良好风能利用率，提高风电机组性能的目标。本系统省去了变流器，降低了造价，提高了可靠性。

Description

同步电机变极变速风力发电系统

技术领域

本发明涉及一种同步电机变极变速风力发电系统的构成与控制策略，属于风力发电领域。

背景技术

绿色能源中，风能不仅储量大，可利用率高，而且便于大规模开发。我国可开发利用的风能资源陆地为2.53亿kW，近海7.5亿kW，合计10.03亿kW，仅次于俄罗斯和美国，居世界第三位。近年来，我国风力发电装机容量增加较快。国家能源局官员讲，到2020年我国风电总装机容量由30000MW提升到1亿kW。

当前国内外运行的可变速风电系统主要有两种，一种是永磁同步经变流器并网系统，另一种是双馈发电系统。永磁同步风力发电系统的风能利用较好，但由于其变流器容量必须与发电机容量相一致，而且永磁材料价格较高，因而系统成本也较高；而双馈风力发电系统的变流器容量为励磁容量，变流器成本低于直接并网变流器，因而较受欢迎，但风能利用率低，控制策略较为复杂，低电压穿越能力弱，在电网波动时容易脱网。而采用变极变速发电机则不需要变流器，因此系统成本较小，通过特殊的控制策略，可获得非常良好的风能利用率，并且在电网波动时能稳定发电，不易脱网。从而大大降低了大型风电系统的成本，同时提高了风电系统的可靠性。

发明内容

本发明的目的是通过提供一种采用混合励磁可变极变速同步发电机的风力发电系统结构，加上相应控制策略的风力发电技术，实现以较低成本获得良好风能利用率，提高风电机组性能的目标。

本发明通过采用一台混合励磁可变极同步发电机、一套直流励磁系统，相应控制系统以及含有特殊控制策略的控制软件来实现。配上塔筒、风轮、变桨系统、偏航系统、传感器等其他电控系统，形成完整的风力发电机组。

本发明的优点是：

1.不采用变流器，而采用直流励磁装置，系统成本大幅下降。

2.通过控制发电机变极，可在不同转速下使发电机恒定输出额定频率50HZ。

3.当电网发生波动时，可通过调节电励磁(低电压时强励)实现低电压穿越，不脱网稳定运行。

4.根据风速、转速和桨叶角度的三角形关系来调节变桨角度来提高风能利用率。

附图说明

图1是表示本发明的变极变速电机的电气原理图。

图2是本发明中变极变速电机高低转速转换的绕组接法。其中左侧接线图为电机低转速时的接法，右侧接线图为电机高转速时的接法。

图3是本发明中变极变速电机控制励磁电流方向使电机转子为6极模式。

图4是本发明中变极变速电机控制励磁电流方向使电机转子为4极模式。

具体实施方式

以下用附图详细说明本发明。

定义：WIND_SP----风速；P1----发电机的极对数6极；P2----发电机的极对数4极；N1----6极对应的转速1000r/min，N2----4极对应的转速1500r/min，P----发电机的额定功率；Pout----发电机的输出功率；F----发电机的额定频率。

本发明为可变极同步发电机结构，以1.5MW风力发电机组为例，发电机为4极/6极，发电机转速为1500转/1000转，额定频率为50HZ，发电机的转子采用混合励磁即永磁体加直流电励磁。系统配有发电机匹配的直流励磁系统、相应控制开关以及系统控制器和含有特殊控制策略的相应控制软件，配上塔筒、风轮、变桨系统、偏航系统、传感器等电控系统，形成完整的风力发电机组。

图1为变极变速发电机电气原理图，此发电机的转速分为2档，当风速在3-8m/s时，机组先空转运行至12r/min左右(根据齿轮箱变比，使电机转速为1000r/min)，然后控制系统控制空气开关QF并入三相电网，控制起动按钮SB2，交流接触器KM1线圈回路通电并自锁，KM1主触头闭合，为发电机接入三相电网，L1接U1、L2接V1、L3接W1；L2、V2、W2悬空。发电机在Δ接法下运行，如图2左侧接线图所示。同时控制转子励磁装置，通过调整励磁电流方向，使转子磁极如图3所示。此时，发电机P1＝6、N1＝1000r/min，发电机的输出频率F＝50Hz。此时根据风速、转速和桨叶角度的三角形关系来调节变桨角度提高风能利用率。

当风速上升至8.5-11m/s时，机组需要高速运行，则控制SB3按钮，SB3的常闭触点断开使接触器KM1线圈断电，KM1主触头断开使U1、V1、W1与三相电源L1、L2、L3脱离。其辅助常闭触头恢复为闭合，为KM2线圈回路通电准备。同时接触器KM2线圈回路通电并自锁，其常开触点闭合，将定子绕组三个首端U1、V1、W1连在一起，并把三相电网L1、L2、L3引入接U2、V2、W2，KM2的辅助常开触点断开，防KM1误动。此时发电机在YY接法下运行，如图2右侧接线图所示。同时控制转子励磁装置，通过调整励磁电流方向，使转子磁极如图4所示。此时发电机P2＝4，N2＝1500r/min，此时发电机的输出频率F＝50Hz。当风速下降至7.5m/s以下时，机组切换回低速状态。

当风速超过额定风速11m/s时，仍使机组运行在4极，1500转状态，控制系统通过调节变桨，降低风能利用率，使机组保持在额定功率1.5MW下运行，直到切出风速25m/s，机组进入停机状态。

控制策略如下：

1)当3m/s＜＝WIND_SP＜8时，风力发电机起动运行，控制发电机定子侧并网开关，发电机在Δ接法下运行，如图2左侧接线图所示。同时控制励磁电流方向使P1＝6极，转子磁极如图3所示，此时N1＝1000r/min，P＝50HZ发电机输出功率为Pout。此时各开关的状态为：QF为闭合状态，KM1为吸合状态，其他开关均为开断状态。同时根据风速、转速和桨叶角度的三角形关系来调节变桨角度提高风能利用率。

2)当风速上升，8.5m/s＜＝WIND_SP＜11m/s时，将机组切换至高速运行状态，切换定子侧并网开关，使发电机在YY接法下运行，如图2右侧接线图所示。同时控制励磁电流方向使P2＝4极，转子磁极如图4所示。此时N2＝1500r/min，P＝50HZ，发电机输出功率为Pout。此时各开关的状态为：QF为闭合状态，KM2为吸合状态，其他开关均为开断状态。当风速降低时，WIND＜7.5m/s后，控制系统控制机组切换回低速运行模式。

3)当11＜＝WIND_SP＜25m/s，机组仍运行在高速状态。P2＝4极，N2＝1500r/min，P＝50HZ控制系统控制变桨，降低风能利用率，使Pout＝P。此时各开关的状态为：QF为闭合状态，KM2为吸合状态。其他开关均为开断状态。

4)当WIND_SP＞25m/s，风力发电机切出，系统停机。此时各开关的状态为：所有开关均为断开状态。

Claims

1.一种风力发电装置，具有一台变极变速混合励磁同步发电机，与发电机相匹配的直流励磁装置。发电机轴通过增速器或直接与风轮联结，加上相应开关和控制策略，配上塔筒、风轮、变桨系统、偏航系统、传感器等及其他电控系统，构成风力发电系统。其特征在于：

发电机变极变速是指通过改变同步发电机定子和转子的极对数来达到不同转速下(双速或三速的有级变速)保持输出上网频率恒定(如中国电网频率为50HZ)。混合励磁是指永磁体励磁和电励磁混合，当电励磁为零时则为永磁电机，当无永磁体时则为纯电励磁电机。

2.如权利要求1所述的风力发电装置，其特征在于：

风机采用混合励磁，采用永磁体和直流励磁装置。

风速较小时控制系统控制发电机的磁极数较多，转速较低，功率相应较小。

风速较大时控制系统控制发电机的磁极数较少，转速较高，功率相应较大。

发电机在不同转速下分别与网侧额定电压和频率相等。

3.如权利要求1所述的风力发电装置配置的控制器中装有特殊控制软件，并通过权利要求3所示装置实现本发明所要求的控制策略，其特征在于：

在风速比较小时，控制发电机磁极变多，转速较低，可直接并网，输出随着机组功率变化而变化，功率相应较低。

当风速较大时，控制发电机磁极变少，转速较高，可直接并网，输出随着机组功率变化而变化，功率相应较大。

4.根据风速、转速和桨叶角度的三角形关系调节变桨角度来提高风能利用率。