CN103066622B - 一种新型双馈风力发电机组及其运行方式 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新型双馈风力发电机组，包括双馈变流器、风机及其定子回路和转子回路，所述定子回路上设置有短路开关。新型双馈风力发电机组的运行方式，包括以下两种具体形式：鼠笼运行模式：将定子回路与电网的连接断开，定子回路上短路开关闭合，转子回路产生的电能通过双馈变流器转换输出至电网；双馈运行模式：将定子回路与电网的连接恢复，定子回路上短路开关断开，定子回路产生的电能直接输出至电网，转子回路产生的电能通过双馈变流器转换输出至电网。本发明可以改善双馈风力发电机组在低风速段的功率曲线、提高了低风速段的发电量，同时增强了双馈风力发电机组的低穿越能力。本发明具有成本低、控制简单和易于实现等优点。

Description

一种新型双馈风力发电机组及其运行方式

技术领域

本发明涉及清洁能源技术领域，具体是一种新型的双馈风力发电机组及其运行方式的设计方案。

背景技术

随着中国风电的迅速发展，装机容量的大幅增加，风资源较好的地区已基本开发完毕，目前的风电业主对开发弱风地区的要求越来越强烈。对于目前大量运行的双馈风力发电机组而言，发电机的运行范围取决于发电机开口电压和双馈变流器的耐压和容量，一般都在同步转速±33%之间，例如典型的1.5MW4极风机转速范围一般为1000～2000rpm。在这个转速范围内，发电量和风机转速相关。这就使得风速较低的情况下，如果风机转速不能达到并网转速，则发电机不能并网发电。另外，如图1所示，从叶片的Cp曲线和双馈风力发电机的功率曲线可以看出：风力发电机组在风机转速略高于1000rpm时，并没有运行在最佳Cp值点。

在这种趋势下，双馈风力发电机组在低风速段的发电量不如直驱风力发电机组的缺点愈发明显。但从成本角度考虑，双馈风力发电机组仍有很大优势，如何将双馈风力发电机组的成本优势和直驱机组的低风优势结合起来，成为风电机组下一步的发展热点。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种新型双馈风力发电机组及其运行方式，可以提高双馈机组在低风速段的功率曲线、提高低风速段的发电量，同时增强了机组的低穿越能力。

本发明所采用的技术方案是：

一种新型双馈风力发电机组，包括双馈变流器、风力发电机和电网，风力发电机的定子回路直接与电网连接，风力发电机的转子回路通过双馈变流器与电网连接；所述定子回路上设置有短路开关，短路开关闭合时，定子回路短路、仅转子回路连接进入电网；短路开关断开时，定子回路和转子回路均连接进入电网。

一种新型双馈风力发电机组的运行方式，所述新型双馈风力发电机组包括双馈变流器、风力发电机和电网，风力发电机的定子回路直接与电网连接，风力发电机的转子回路通过双馈变流器与电网连接，所述定子回路上设置有短路开关；该新型双馈风力发电机组的运行方式包括以下两种具体形式：

鼠笼运行模式：将定子回路与电网的连接断开，定子回路上短路开关闭合，转子回路产生的电能通过双馈变流器转换输出至电网；

双馈运行模式：将定子回路与电网的连接恢复，定子回路上短路开关断开，定子回路产生的电能直接输出至电网，转子回路产生的电能通过双馈变流器转换输出至电网。

所述双馈风力发电机组的两种运行方式的切换过程由实时风速、风机的实时转速和实时功率三个控制参数控制。

所述双馈风力发电机组的两种运行方式的切换过程由实时风速控制时：

设定v为实时风速、v0为风力发电机组鼠笼运行模式的切入风速，v1为风力发电机组双馈运行模式的切入风速，v2为风力发电机组从双馈运行模式到鼠笼运行模式的切入风速；

当v>v0时，风力发电机组切换到鼠笼运行模式起机运行；在鼠笼运行模式下、当v>v1时，风力发电机组切换到双馈运行模式；

当v>v1时，风力发电机组直接以双馈运行模式起机运行；在双馈运行模式下、当v<v2时，风力发电机组切换到鼠笼运行模式；

其中：风机额定风速>v1>v2>v0；运行过程中，风机的实时转速n和实时功率P小于额定值，作为辅助控制。

所述双馈风力发电机组的两种运行方式的切换过程由转子实时转速控制时：

设定n为风机的实时转速、n0为风机鼠笼运行模式的切入转速，n1为风机双馈运行模式的切入转速，n2为风机从双馈运行模式到鼠笼运行模式的切入转速；

当n>n0时，风力发电机组切换到鼠笼运行模式起机运行；在鼠笼运行模式下、当n>n1时，风力发电机组切换到双馈运行模式；

当n>n1时，风力发电机组直接以双馈运行模式起机运行；在双馈运行模式下、当n<n2时，风力发电机组切换到鼠笼运行模式；

其中：风力发电机同步转速>n1>n2>n0；运行过程中，实时风速v和风机的实时功率P小于额定值，作为辅助控制。

所述双馈风力发电机组的两种运行方式的切换过程由实时功率控制时：

设定P为风机的实时功率、P0为风机鼠笼运行模式的切入功率，P1为风机双馈运行模式的切入功率，P2为风机从双馈运行模式到鼠笼运行模式的切入功率；

风力发电机组以鼠笼运行模式起机运行，如P<P0则停机；在鼠笼运行模式下、当P>P1时，风力发电机组切换到双馈运行模式；

在双馈运行模式下、当P<P2时，风力发电机组切换到鼠笼运行模式，如P<P0则停机；

其中：鼠笼运行模式下风机的最大功率>P1>P2>P0；运行过程中，实时风速v和风机的实时转速n小于额定值，作为辅助控制。

本发明所产生的有益效果是：

本发明提供一种新型的双馈风力发电机组及其运行方式的设计方案，可以改善双馈风力发电机组在低风速段的功率曲线、提高了低风速段的发电量，同时增强了双馈风力发电机组的低穿越能力。本发明具有成本低、控制简单和易于实现等优点。

附图说明

图1为现有技术的双馈风力发电机Cp曲线；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明以实时风速为主导控制时的控制流程图。

具体实施方式

如图1～3所示，本发明是一种新型双馈风力发电机组，包括双馈变流器、风力发电机和电网，风力发电机的定子回路直接与电网连接，风力发电机的转子回路通过双馈变流器与电网连接。定子回路上设置有短路开关及其切换装置，短路开关为接触器或断路器等，本具体实施方式中，短路开关是一个短路接触器QF3。短路开关（短路接触器QF3）闭合时，定子回路短路、仅转子回路连接进入电网；短路开关（短路接触器QF3）断开时，定子回路和转子回路均连接进入电网。

短路开关的切换装置包括测控单元、运算单元和执行单元，测控单元测量风力发电机组的实时参数（实时风速、风机的实时转速或风机的实时发电功率）、并将其发送至运算单元，运算单元内存储有设定参数（风速设定值、风机的转速设定值或风机的发电功率设定值），并将其与相应的实时参数（实时风速、风机的实时转速或风机的实时发电功率）比较运算，将计算结果对应的执行信号发送至执行单元。

本发明提供了一种新型双馈风力发电机组的运行方式，为了将低转速区即低风速段的风能利用起来，并且能够运行在风力发电机组最佳Cp曲线上。该新型双馈风力发电机组的运行方式包括鼠笼运行模式和双馈运行模式两种具体形式，由定子回路上的短路开关切换。具体的：

鼠笼运行模式：将定子回路与电网的连接断开，转子回路产生的电能通过双馈变流器转换输出至电网。风机的状态如下：短路接触器QF3闭合、定子回路短路，转子回路出口断路器KM1M闭合、定子接触器QF1M断开，即定子回路与电网的连接断开，此时，仅转子回路产生的电能输入电网。这时双馈发电机相当于一个鼠笼异步电机，发电机将风机机械功率转换为电功率，通过双馈变流器接入到电网。双馈变流器相当于风力发电机的全功率变流器。维持风机在低转速运行时的发电，使风机转速跟随当前风速下的最佳Cp点，从而提高风力发电机组的发电量。此时，双馈变流器将发电机从电网隔离，风力发电机组具有更强的电网适应性，更强的低电压穿越能力。

双馈运行模式：当风机转速高于双馈并网转速时，将定子回路与电网的连接恢复，定子回路产生的电能直接输出至电网，转子回路产生的电能通过双馈变流器转换输出至电网。风机的状态如下：短路接触器QF3断开，定子接触器QF1M闭合、即定子回路与电网恢复连接，定子回路和转子回路产生的电能并网发电。风力发电机组切换到正常双馈发电运行模式，具体的：定子回路产生的电能直接接入电网，转子回路产生的电能通过双馈变流器接入电网。随着风速上升，叶轮跟随最佳Cp点的转速也会上升，此时风力发电机组通过双馈运行模式也能够达到最佳Cp点，发电机进入常规双馈状态运行。

上述双馈风力发电机组的两种运行方式的切换过程由实时风速、风机转子的实时转速和实时功率三个控制参数控制。具体的：

1、双馈风力发电机组的两种运行方式的切换过程由实时风速控制时：

设定v为实时风速、v0为风力发电机组鼠笼运行模式的切入风速，v1为风力发电机组双馈运行模式的切入风速，v2为风力发电机组从双馈运行模式到鼠笼运行模式的切入风速；

当v>v0时，风力发电机组切换到鼠笼运行模式起机运行；在鼠笼运行模式下、当v>v1时，风力发电机组切换到双馈运行模式；

当v>v1时，风力发电机组直接以双馈运行模式起机运行；在双馈运行模式下、当v<v2时，风力发电机组切换到鼠笼运行模式；

其中：风机额定风速>v1>v2>v0；运行过程中，风机的实时转速n和实时功率P小于额定值，作为辅助控制。

2、双馈风力发电机组的两种运行方式的切换过程由转子实时转速控制时：

设定n为风机的实时转速、n0为风机鼠笼运行模式的切入转速，n1为风机双馈运行模式的切入转速，n2为风机从双馈运行模式到鼠笼运行模式的切入转速；

当n>n0时，风力发电机组切换到鼠笼运行模式起机运行；在鼠笼运行模式下、当n>n1时，风力发电机组切换到双馈运行模式；

当n>n1时，风力发电机组直接以双馈运行模式起机运行；在双馈运行模式下、当n<n2时，风力发电机组切换到鼠笼运行模式；

其中：风力发电机同步转速>n1>n2>n0；运行过程中，实时风速v和风机的实时功率P小于额定值，作为辅助控制。

3、双馈风力发电机组的两种运行方式的切换过程由实时功率控制时：

设定P为风机的实时功率、P0为风机鼠笼运行模式的切入功率，P1为风机双馈运行模式的切入功率，P2为风机从双馈运行模式到鼠笼运行模式的切入功率；

风力发电机组以鼠笼运行模式起机运行，如P<P0则停机；在鼠笼运行模式下、当P>P1时，风力发电机组切换到双馈运行模式；

在双馈运行模式下、当P<P2时，风力发电机组切换到鼠笼运行模式，如P<P0则停机；

其中：鼠笼运行模式下风机的最大功率>P1>P2>P0；运行过程中，实时风速v和风机的实时转速n小于额定值，作为辅助控制。

下面以双馈风力发电机组的两种运行方式的切换过程由实时风速控制为例具体说明新型双馈风力发电机组的运行方式，即风速为主导控制的具体流程：

1)风机自检。

2)测控单元监测实时风速、并将该实时风速v发送至运算单元，运算单元将该实时风速v与风力发电机组双馈运行模式的切入风速v1进行比较：如果v≥v1、则风力发电机组直接以双馈运行模式起机运行；如果v<v1、则进入下一步。

3)运算单元将该实时风速v与风力发电机组鼠笼运行模式的切入风速v0进行比较：如果v≥v0、则风力发电机组直接以鼠笼运行模式起机运行；如果v<v0、则停机。

4)风力发电机组在鼠笼运行模式工作时，测控单元继续监测实时风速预存、并将该实时风速v发送至运算单元，运算单元将该实时风速v与风力发电机组双馈运行模式的切入风速v1进行比较：如果v≤v1、则风力发电机组继续在鼠笼运行模式运行，如果v＞v1、则风力发电机组切换双馈运行模式运行。

5)风力发电机组在双馈运行模式工作时，测控单元继续监测实时风速预存、并将该实时风速v发送至运算单元，运算单元将该实时风速v与风力发电机组从双馈运行模式到鼠笼运行模式的切入风速v2进行比较：如果v<v2、则风力发电机组切换至鼠笼运行模式运行，如果v≥v2、则风力发电机组继续以双馈运行模式运行。

由风机的转子实时转速或发电功率控制的具体流程与上述流程类似，就不一一繁述。

Claims (4)

1.一种双馈风力发电机组的运行方式，所述双馈风力发电机组，包括双馈变流器、风力发电机和电网，风力发电机的定子回路直接与电网连接，风力发电机的转子回路通过双馈变流器与电网连接；所述定子回路上设置有短路开关，短路开关闭合时，定子回路短路、仅转子回路连接进入电网；短路开关断开时，定子回路和转子回路均连接进入电网；该双馈风力发电机组的运行方式包括鼠笼运行模式和双馈运行模式这两种具体形式；其特征在于：所述短路开关是一个短路接触器，短路开关的切换装置包括测控单元、运算单元和执行单元，测控单元测量风力发电机组的实时参数：实时风速、风机的实时转速或风机的实时发电功率，并将上述实时参数发送至运算单元；运算单元内存储有设定参数：风速设定值、风机的转速设定值或风机的发电功率设定值，并将该设定参数与相应的实时参数比较运算，将计算结果对应的执行信号发送至执行单元；

所述鼠笼运行模式：将定子回路与电网的连接断开，定子回路上短路开关闭合，转子回路产生的电能通过双馈变流器转换输出至电网；双馈变流器维持风机在低转速运行时的发电，使风机转速跟随当前风速下的最佳Cp点，同时，双馈变流器将发电机从电网隔离；

双馈运行模式：将定子回路与电网的连接恢复，定子回路上短路开关断开，定子回路产生的电能直接输出至电网，转子回路产生的电能通过双馈变流器转换输出至电网；随着风速上升，叶轮跟随最佳Cp点的转速也会上升，此时风力发电机组通过双馈运行模式也能够达到最佳Cp点，发电机进入常规双馈状态运行。

2.根据权利要求1所述的双馈风力发电机组的运行方式，其特征在于：所述双馈风力发电机组的两种运行方式的切换过程由实时风速控制时：

设定v为实时风速、v0为风力发电机组鼠笼运行模式的切入风速，v1为风力发电机组双馈运行模式的切入风速，v2为风力发电机组从双馈运行模式到鼠笼运行模式的切入风速；

当v>v0时，风力发电机组切换到鼠笼运行模式起机运行；在鼠笼运行模式下、当v>v1时，风力发电机组切换到双馈运行模式；

当v>v1时，风力发电机组直接以双馈运行模式起机运行；在双馈运行模式下、当v<v2时，风力发电机组切换到鼠笼运行模式；

其中：风机额定风速>v1>v2>v0；运行过程中，风机的实时转速n和实时功率P小于额定值，作为辅助控制。

3.根据权利要求1所述的双馈风力发电机组的运行方式，其特征在于：所述双馈风力发电机组的两种运行方式的切换过程由转子实时转速控制时：

设定n为风机的实时转速、n0为风机鼠笼运行模式的切入转速，n1为风机双馈运行模式的切入转速，n2为风机从双馈运行模式到鼠笼运行模式的切入转速；

当n>n0时，风力发电机组切换到鼠笼运行模式起机运行；在鼠笼运行模式下、当n>n1时，风力发电机组切换到双馈运行模式；

当n>n1时，风力发电机组直接以双馈运行模式起机运行；在双馈运行模式下、当n<n2时，风力发电机组切换到鼠笼运行模式；

其中：风力发电机同步转速>n1>n2>n0；运行过程中，实时风速v和风机的实时功率P小于额定值，作为辅助控制。

4.根据权利要求1所述的双馈风力发电机组的运行方式，其特征在于：所述双馈风力发电机组的两种运行方式的切换过程由实时功率控制时：

设定P为风机的实时功率、P0为风机鼠笼运行模式的切入功率，P1为风机双馈运行模式的切入功率，P2为风机从双馈运行模式到鼠笼运行模式的切入功率；

风力发电机组以鼠笼运行模式起机运行，如P<P0则停机；在鼠笼运行模式下、当P>P1时，风力发电机组切换到双馈运行模式；

在双馈运行模式下、当P<P2时，风力发电机组切换到鼠笼运行模式，如P<P0则停机；

其中：鼠笼运行模式下风机的最大功率>P1>P2>P0；运行过程中，实时风速v和风机的实时转速n小于额定值，作为辅助控制。