CN103280834B - 一种风力发电的变速恒频与储能的装置 - Google Patents

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一种风力发电的变速恒频与储能的装置，通过控制器发出控制信号调节励磁电源、电机侧断路器、并网开关及监测装置、功率变换器、离合器一和离合器二，控制风力发电系统的工作模式，达到风力发电的变速恒频及飞轮储能的目的。同时提供了完成上述功能的风力发电的变速恒频与储能的装置，本发明采用了机械式变频变压器，同时将飞轮储能装置与发电系统有机地集成于一体，容易实现低电压穿越，简化了系统的硬件结构，提高了效率和可靠性。

Description

一种风力发电的变速恒频与储能的装置
技术领域
本发明涉及一种变速恒频与储能的装置，尤其适用于一种风力发电的变速恒频与储能的装置。
背景技术
随着能源需求的增加，环境恶化日益加剧，风力发电系统作为绿色能源得到了大力推广应用。由于风能不可以控制，而且风场中又容易出现强阵风，传统的恒速恒频风力发电系统存在风能利用率低和风力机机械部位承受冲击极大，容易损坏等缺点。变速恒频风力发电系统可以克服了上述缺点，因此，变速恒频风力发电系统是目前的研究重点。目前使用的变速恒频风力发电系统有双馈发电系统、风力发电机结合全功率变频器系统，这些变速恒频风力发电系统一方面需要大功率的变频器，制造和维护成本较高，另一方面低电压穿越能力较弱。另外，风能的不可控和突变，使得风力发电系统对电网的冲击很大。可以增加储能装置来消除风力发电系统对电网的冲击。因此，急需一种具有储能功能的变速恒频风力发电系统。
发明内容
技术问题：本发明的目的是克服已有技术中的不足之处，提出一种结构简单、变速恒频和储能的风力发电控制装置。
技术方案：本发明的风力发电的变速恒频与储能的方法，利用风能监测装置对风速和风向信号进行监测，利用机侧电网信号检测装置对变频变压电机的输出侧电网状态进行监测，利用并网开关及监测装置对三相交流电网侧状态进行检测，并将状态信息发送给控制器，控制器根据风能监测装置、机侧电网信号检测装置、并网开关及监测装置发送的状态信号和功率变换器发送的状态信号，进而进入风力发电与并网、风力发电与储能、风力发电与储能发电、储能发电四种工作模式，具体步骤如下：
a.当风能监测装置和并网开关及监测装置发送到控制器的状态信号在预设值范围内时，工作模式处于风力发电与并网模式，此时控制器发出控制信号，控制电机侧断路器和离合器一闭合，离合器二断开，控制器向励磁电源发送信号，通过控制励磁电源调节同步发电机的输出电压和输出无功功率；同时控制器向功率变换器发送控制信号，并通过控制功率变换器调节永磁同步电机拖动变频变压电机的旋转速度，使变频变压电机的输出电压频率恒定与通过并网开关及监测装置监测到的三相交流电网频率一致，从而使电压等级与三相交流电网匹配，并网开关及监测装置闭合进行并网发电；
b. 当风能监测装置发送到控制器的风能信号与预设值对比偏大，或并网开关及监测装置监测到三相交流电网超过设定负荷时，判断当前风力为强风力发电过剩，工作模式处于风力发电与储能模式，控制器发出控制信号控制电机侧断路器、离合器一和离合器二闭合，同时控制励磁电源调节同步发电机的输出电压和输出无功功率，控制器通过控制功率变换器调节永磁同步电机拖动变频变压电机的旋转速度，使变频变压电机的输出电压频率恒定与通过并网开关及监测装置监测到的三相交流电网频率一致，从而使电压等级与三相交流电网匹配；控制器控制离合器二闭合，使永磁同步电机拖动飞轮储能装置旋转，将过剩电能转换成机械能存储；
c. 当风能监测装置发送到控制器的风能信号与预设值对比偏小，或并网开关及监测装置监测到三相交流电网小于设定负荷时，工作模式处于风力发电与储能发电模式，控制器发出控制信号控制电机侧断路器闭合、离合器一闭合和离合器二闭合，控制器通过控制励磁电源调节同步发电机的输出电压和输出无功功率，控制器控制离合器二的变速比，调节飞轮储能装置拖动永磁同步电机和变频变压电机的旋转速度，使变频变压电机的输出电压频率恒定与通过并网开关及监测装置监测到的三相交流电网频率一致，并使电压等级与三相交流电网匹配，同时永磁同步电机作为发电机将飞轮储能装置的机械能转换为电能，通过功率变换器和变频变压电机并网输出；
d. 当风能监测装置发送到控制器的风能信号与预设值对比过低，风力机停止工作，本装置工作在储能发电模式，控制器发出控制信号断开离合器一、闭合离合器二、断开电机侧断路器，由飞轮储能装置拖动永磁同步电机旋转发电运行，控制器通过控制功率变换器和离合器二使变频变压电机的输出电压频率恒定与通过并网开关及监测装置监测到的三相交流电网频率一致，电压等级与三相交流电网匹配。
本发明实现上述方法的风力发电的变速恒频与储能的装置，包括相互连接的风力机侧子系统、变速恒频与储能子系统、三相交流电网侧子系统和控制器，所述的风力机侧子系统包括风能监测装置和风力机，风力机同轴连接有同步发电机，同步发电机上设有励磁电源，同步发电机的定子绕组上设有电机侧断路器；所述的变速恒频与储能子系统包括与电机侧断路器连接的变频变压电机和功率变换器，功率变换器上连接有永磁同步电机，变频变压电机经变频变压电机转轴顺序连接有离合器一和永磁同步电机，永磁同步电机经永磁同步电机转轴连有离合器二，离合器二经飞轮转轴连接有飞轮储能装置；所述的三相交流电网侧子系统包括与变频变压电机顺序连接的机侧电网信号检测装置、并网开关及监测装置和三相交流电网；所述控制器分别与励磁电源、电机侧断路器、机侧电网信号检测装置、并网开关及监测装置、功率变换器、离合器一、离合器二和风能监测装置相连接。
所述的变频变压电机包括变频变压电机定子铁芯和变频变压电机转子铁芯，变频变压电机定子铁芯上设有变频变压电机定子绕组，变频变压电机定子绕组与机侧电网信号检测装置相连接，变频变压电机转子铁芯上设有变频变压电机转子绕组，变频变压电机转子绕组连接有滑环与电刷装置，滑环与电刷装置与电机侧断路器相连接。
有益效果：本发明采用了机械式变频变压电机，同时实现了变速恒频发电和变压器的功能，机械式变频变压电机的容量大，能够满足大功率风力发电系统的要求，当电网电压跌落时，对系统中功率变换器影响不大，容易实现低电压穿越；本装置将飞轮储能装置与发电系统整合一体，其中的永磁同步电机一方面作为变频变压器的驱动电机，另一方面又作为飞轮储能装置的驱动电机或者发电电机，简化了系统的硬件结构，提高了效率和可靠性；具有变速恒频和储能功能，一方面提高了风力发电的效率，另一方面消除了由于风能波动造成风力发电对电网的冲击，提高了风力发电系统接入电网的稳定性。
附图说明
图1 风力发电的变速恒频与储能装置的系统图；
图2变频变压电机的结构图；
图中：1-风力机；2-同步发电机；3-励磁电源；4-电机侧断路器；5-变频变压电机；6-机侧电网信号检测装置； 7-并网开关及监控装置；8-三相交流电网； 9-功率变换器； 10-离合器一；11-永磁同步电机；12-离合器二；13-飞轮储能装置；14-控制器；15-变频变压电机转轴；16-永磁同步电机转轴；17-飞轮转轴；18-风能监测装置；5-1-变频变压电机定子铁芯；5-2-变频变压电机定子绕组；5-3-变频变压电机转子铁芯；5-4-变频变压电机转子绕组；5-5-滑环与电刷装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施例做进一步描述：
本发明的风力发电的变速恒频与储能的方法，通过风能监测装置18对风速和风向信号进行监测，机侧电网信号检测装置6对变频变压电机5的输出侧电网状态进行监测，并网开关及监测装置7对三相交流电网8侧状态进行检测，控制器14根据风能监测装置18、机侧电网信号检测装置6、并网开关及监测装置7监测的状态信号和功率变换器9的状态信号，控制风力发电系统进入风力发电与并网、风力发电与储能、风力发电与储能发电、储能发电四种工作模式：
当风能监测装置18和并网开关及监测装置7发送到控制器14的状态信号在预设范围内，本装置工作在风力发电与并网模式，控制器14发出控制信号控制电机侧断路器4闭合、离合器一10闭合和离合器二12断开。控制器14通过发出控制信号控制励磁电源3调节同步发电机2的输出电压和输出无功功率；控制器14通过控制功率变换器9调节永磁同步电机11拖动变频变压电机5的旋转速度，使变频变压电机5的输出电压频率恒定与三相交流电网8频率一致，电压等级与三相交流电网8匹配。
当风能监测装置18发送到控制器14的风能信号与预设值对比偏大，并网开关及监测装置7监测到三相交流电网8负荷小，从而判断出当前风力强风力发电过剩，本装置工作在风力发电与储能模式，控制器14发出控制信号控制电机侧断路器4闭合、离合器一10闭合和离合器二12闭合。控制器14通过发出控制信号控制励磁电源3调节同步发电机2的输出电压和输出无功功率；控制器14通过控制功率变换器9调节永磁同步电机11拖动变频变压电机5的旋转速度，使变频变压电机5的输出电压频率恒定与三相交流电网8频率一致，电压等级与三相交流电网8匹配； 控制器14控制离合器二12闭合，使永磁同步电机11拖动飞轮储能装置13旋转，将过剩电能转换成机械能存储。
当风能监测装置18发送到控制器14的风能信号与预设值对比偏小，或并网开关及监测装置7监测到三相交流电网8负荷大时，本装置工作在风力发电与储能发电模式，控制器14发出控制信号控制电机侧断路器4闭合、离合器一10闭合和离合器二12闭合。控制器14通过控制励磁电源3调节同步发电机2的输出电压和输出无功功率；控制器14控制离合器二12的变速比，调节飞轮储能装置13拖动永磁同步电机11和变频变压电机5的旋转速度，使变频变压电机5的输出电压频率恒定与三相交流电网8频率一致，电压等级与三相交流电网8匹配；同时永磁同步电机11作为发电机将飞轮储能装置13中的机械能转变成电能，通过功率变换器9和变频变压电机5并网输出； 
当风能监测装置18发送到控制器14的风能信号与预设值对比过低，风力机1停止工作，本装置工作在储能发电模式，控制器14发出控制信号断开离合器一10、闭合离合器二12、断开电机侧断路器4，由飞轮储能装置13拖动永磁同步电机11旋转发电运行，控制器14通过控制功率变换器9和离合器二12使变频变压电机5的输出电压频率恒定与三相交流电网8频率一致，电压等级与三相交流电网8匹配。
如图1所示，一种风力发电的变速恒频与储能的装置，它包括相互连接的风力机侧子系统、变速恒频与储能子系统、三相交流电网侧子系统和控制器14，所述的风力机侧子系统包括风能监测装置18，风力机1，风力机1同轴连接有同步发电机2，同步发电机2上设有励磁电源3，同步发电机2的定子绕组上连接电机侧断路器4，变速恒频与储能子系统包括与电机侧断路器4连接的变频变压电机5和功率变换器9，与功率变换器9连接的永磁同步电机11，变频变压电机5上设有变频变压电机转轴15，变频变压电机转轴15顺序连接有离合器一10、永磁同步电机11的永磁同步电机转轴16、离合器二12、飞轮转轴17和飞轮储能装置13；三相交流电网侧子系统包括与变频变压电机5顺序连接的机侧电网信号检测装置6、并网开关及监测装置7和三相交流电网8；所述控制器14分别与励磁电源3、电机侧断路器4、机侧电网信号检测装置6、并网开关及监测装置7、功率变换器9、离合器一10、离合器二12和风能监测装置18相连接。
其中：滑环与电刷装置5-5由固定在变频变压电机转轴15上的三个滑环、固定在变频变压电机5定子上的三相电刷和刷架等组成。机侧电网信号检测装置6由三相电压互感器、三相电流互感器、信号检测变送电路组成；并网开关及监测装置7由一个六氟化硫断路器、三相电压互感器、三相电流互感器、控制信号接收器和信号检测变送电路组成；飞轮储能装置13由安放在一个真空壳体中的高速飞轮转子、轴、轴承及其支承系统、真空泵组成；控制器14由高速CPU芯片（DSP）、数据存储单元、数据采集转换单元、数据接收发送单元等组成；风能监测装置18由风速传感器、方向传感器和信号检测变送电路组成；
如图2所示，变频变压电机5包括变频变压电机定子铁芯5-1和变频变压电机转子铁芯5-3，变频变压电机定子铁芯5-1上设有变频变压电机定子绕组5-2，变频变压电机定子绕组5-2与机侧电网信号检测装置6相连接，变频变压电机转子铁芯5-3上设有变频变压电机转子绕组5-4，变频变压电机转子绕组5-4连接有滑环与电刷装置5-5，滑环与电刷装置5-5与电机侧断路器4相连接。
工作原理：风力机1驱动同步发电机2发电，其输出频率随风速的改变而变化，即同步发电机2输出频率变化的交流电压，该交流电压经过变频变压电机5调整就可以转换为频率恒定（与电网频率50Hz相同）的交流电压，然后并网输送给三相交流电网8。励磁电源3为同步发电机2提供励磁电流，通过它可以调节同步发电机2的励磁电流，从而调整同步发电机2输出电压大小和输出无功功率大小，以满足并网发电的要求。
由变频变压电机5、永磁同步电机11、功率变换器9和控制器14组成了风力发电的变速恒频调节子系统。其中变频变压电机5由变频变压电机定子铁芯5-1、变频变压电机定子绕组5-2、变频变压电机转子铁芯5-3、变频变压电机转子绕组5-4和滑环与电刷装置5-5组成，变频变压电机定子绕组5-2通过机侧电网信号检测装置6和并网开关及监控装置7与三相交流电网8连接，变频变压电机转子绕组5-4通过电机侧断路器4与同步发电机2定子绕组连接。控制器14通过功率变换器9控制永磁同步电机11驱动变频变压电机5的旋转速度。
如果同步发电机2定子输出电压的频率为fr(等于变频变压电机转子电压频率)，三相交流电网8的频率为fs，变频变压电机定子绕组5-2的匝数为Ns,绕组系数为kws，变频变压电机转子绕组5-4的匝数为Nr,绕组系数为kwr，由电机学知识可知，变频变压电机定子绕组5-2和变频变压电机转子绕组5-4之间可以实现交流电能的传输，并且变频变压电机定子绕组5-2相电压Us和变频变压电机转子绕组5-4相电压Ur满足关系为：
                                        （1）
当风速变化引起同步发电机2转速变化，励磁电源3为同步发电机2提供励磁电流维持恒定时，同步发电机2输出到变频变压电机转子绕组5-4的电压Ur与频率fr成正比变化，由公式（1）可知道，通过变频变压电机5就将同步发电机2的输出电压转换到与三相交流电网8相同的电压等级，以满足并网发电的要求。当需要调整同步发电机2输出电压大小和输出无功功率大小，以满足并网发电的要求时，可以通过调节同步发电机2的励磁电源3励磁电流来实现。 
由电机学知识可知，极对数为pp的变频变压电机5稳定运行时它转子的转速nr必须满足公式（2），即：
（2）
因此，当同步发电机2输出电压频率fr变化时，控制器14通过功率变换器9控制永磁同步电机11驱动变频变压电机5的旋转速度，使变频变压电机5旋转速度满足公式（2）的转速，这样变频变压电机定子绕组5-2感应出的电势频率就会恒定，与连接的三相交流电网8频率保持相同，实现了风力发电的变速恒频的能量传输。
由飞轮储能装置13、永磁同步电机11、功率变换器9和控制器14组成了风力发电的飞轮储能子系统。当控制器14接收到风能过剩和电网负荷变小的信号时，通过控制永磁同步电机11驱动飞轮储能装置13将电能转化为机械能储存；当控制器14接收到风能不足或电网负荷增大的信号时，飞轮储能装置13驱动永磁同步电机11发电，将存储的机械能转化为电能输出。这样可以解决由于风能波动造成风力发电对电网的冲击问题。

Claims (2)

1.一种风力发电的变速恒频与储能的装置，其特征在于：它包括相互连接的风力机侧子系统、变速恒频与储能子系统、三相交流电网侧子系统和控制器（14），所述的风力机侧子系统包括风能监测装置（18）和风力机（1），风力机（1）同轴连接有同步发电机（2），同步发电机（2）上设有励磁电源（3），同步发电机（2）的定子绕组上设有电机侧断路器（4）；所述的变速恒频与储能子系统包括与电机侧断路器（4）连接的变频变压电机（5）和功率变换器（9），功率变换器（9）上连接有永磁同步电机（11），变频变压电机（5）经变频变压电机转轴（15）顺序连接有离合器一（10）和永磁同步电机（11），永磁同步电机（11）经永磁同步电机转轴（16）连有离合器二（12），离合器二（12）经飞轮转轴（17）连接有飞轮储能装置（13）；所述的三相交流电网侧子系统包括与变频变压电机（5）顺序连接的机侧电网信号检测装置（6）、并网开关及监测装置（7）和三相交流电网（8）；所述控制器（14）分别与励磁电源（3）、电机侧断路器（4）、机侧电网信号检测装置（6）、并网开关及监测装置（7）、功率变换器（9）、离合器一（10）、离合器二（12）和风能监测装置（18）相连接。
2.根据权利要求1所述的风力发电的变速恒频与储能的装置，其特征在于：所述的变频变压电机（5）包括变频变压电机定子铁芯（5-1）和变频变压电机转子铁芯（5-3），变频变压电机定子铁芯（5-1）上设有变频变压电机定子绕组（5-2），变频变压电机定子绕组（5-2）与机侧电网信号检测装置（6）相连接，变频变压电机转子铁芯（5-3）上设有变频变压电机转子绕组（5-4），变频变压电机转子绕组（5-4）连接有滑环与电刷装置（5-5），滑环与电刷装置（5-5）与电机侧断路器（4）相连接。
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