CN104092235A - 一种双馈发电机组交、直流并网系统及方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双馈发电机组交、直流并网系统及方法与应用，包括测量控制模块、原动机及其传动与增速模块、双馈异步发电机、发电机侧变流器、电网侧整流器、能源转换模块、交流电网；由于双馈发电机组在超同步运行时其定子输出的有功功率基本恒定，进而双馈风力发电机定子侧可以在较为宽广的转速范围内输出基本恒定的有功功率。本发明专利可以降低转速波动时双馈异步发电机组输出功率对电网的影响，甚至可以使双馈异步发电机组作为电网的基本电源，提高电网运行的稳定性；而转子输出的功率则转化为其他形式储存或消耗掉。本系统技术手段简便易行、成本低廉、易于实现，具有突出的技术效果，可广泛应用于风力、水力或者火力发电场等。

Description

一种双馈发电机组交、直流并网系统及方法与应用

技术领域

本发明涉及风力、水力或者火力发电技术领域，尤其涉及一种双馈发电机组交、直流并网系统及方法与应用。

背景技术

双馈式异步发电机向电网输出的功率由两部分组成，即直接从定子输出的功率和转子经变频器输出的功率。

例如风力机的机械速度是允许随着风速而变化的。通过对发电机的控制使风力机运行在最佳叶尖速比，从而使整个运行速度的范围内均有最佳功率系数。当发电机的转速低于气隙旋转磁场的转速时，发电机处于亚同步速运行，为了保证发电机发出的频率与电网频率一致，需要变频器向发电机转子提供正相序励磁，给转子绕组输入一个其旋转磁场方向与转子机械方向相同的励磁电流，此时，转子的制动转矩与转子的机械转向相反，转子的电流必须与转子的感应反电动势反方向，转差率减小，定子向电网馈送电功率，而变频器向转子绕组输入功率；当发电机的转速高于气隙旋转磁场的转速时，发电机处于超同步速运行，为了保证发电机发出的频率与电网频率一致，需要给转子绕组输入一个其旋转磁场方向与转子机械方向相反的励磁电流，此时变频器向发电机转子提供负相序励磁，以加大转差率，变频器从转子绕组吸收功率；当发电机的转速等于气隙旋转磁场的转速时，发电机处于同步速运行，变频器应向转子提供直流励磁，此时，转子的制动转矩与转子的机械转向相反，与转子感生电流产生的转矩同方向，定子和转子都向电网馈送电功率。风力发电的弃风是由于当地电网接纳能力不足和风电不稳定等自身特点导致的部分风电场风机暂停，弃风限电问题导致的风电场运行经济性下降，弃风限电的主要原因是并网难题，风电出力不稳定，需要其他电源为其提供无偿调峰服务，需建设抽水蓄能、燃气发电等调峰、调频电源，在调峰容量紧缺时，弃风限电特别严重，优化规划电源结构和电网布局，扩大风电消纳市场，还需要通过科技创新，推动风电生产和消费的协调。

与风力发电相似，水力发电中的水轮机也可以根据所在工况下的工作水头、流量等参数通过双馈异步发电机实现变速运行以提高水轮机的运行效率，改善运行状况。

发明内容

本发明的目的在于降低风速波动或水轮机工作水头及流量变化时双馈异步发电机组输出功率对电网的影响，提供一种双馈发电机组交、直流并网系统及方法与应用；将定子绕组输出的较稳定的功率直接并入交流电网，可使双馈异步发电机组作为电网的基本电源，提高电网运行的稳定性；而转子输出的功率则转化为其他形式的能源储存或消耗掉。

本发明通过下述技术方案实现：

一种双馈发电机组交、直流并网系统，包括测量控制模块、原动机及其传动与增速模块、双馈异步发电机、发电机侧变流器、直流母线、能源转换模块、电网侧整流器、交流母线、升压变压器、交流电网；

所述测量控制模块依次连接原动机及其传动与增速模块、双馈异步发电机、交流母线、升压变压器、交流电网；

所述发电机侧变流器依次连接直流母线、电网侧整流器；

所述能源转换模块还与直流母线连接；

所述发电机侧变流器还与双馈异步发电机连接，所述电网侧整流器还与交流母线连接。

发电机侧变流器连接双馈异步发电机的转子励磁绕组；所述交流母线连接双馈异步发电机的定子绕组。

所述原动机包括风力发电机、水力发电机或者火力发电机。

上述双馈发电机组交、直流并网系统的运行方法如下，

一：测量控制模块，测量双馈异步发电机的转速，并根据双馈异步发电机的转速，确定双馈异步发电机的运行状态；

二：测量控制模块用于控制发电机侧变流器的频率、幅值与相位参数，实现双馈异步发电机的有功、无功解耦控制；

三：原动机及其传动与增速模块，将动能、势能转换为机械能，并通过传动与增速模块提高双馈异步发电机的转速，或不经增速直接驱动双馈异步发电机；

四：双馈异步发电机将机械能转换为电能，双馈异步发电机的定子线圈输出的交流电能，直接送到交流电网；

五：当双馈异步发电机运行于超同步状态时，将双馈异步发电机的转子绕组输出的交流电经发电机侧变流器整流为直流输出到直流母线，供给能源转换模块，将电能转换为热能或氢气能；

六：当双馈异步发电机运行于同步状态时，电网侧整流器将电网交流电整流为直流输出到直流母线，发电机侧变流器将直流母线的直流电压输出到双馈异步发电机的转子励磁绕组；

七：当双馈异步发电机运行于亚同步状态时，电网侧整流器将电网交流电整流为直流输出到直流母线，发电机侧变流器将直流母线的直流电压转换为低频交流输出到双馈异步发电机的转子励磁绕组；

八：电网侧整流器将交流电网输入的交流电转换为直流电输出直流母线，为同步及亚同步状态的双馈异步发电机提供励磁，并稳定直流母线电压；

九：直流母线为发电机侧变流器、电网侧整流器及能源转换模块提供能量流动通道；

十：能源转换模块将发电机侧变流器及电网侧整流器输出的电能转化为热能、氢气能储存或消耗。

双馈发电机组交、直流并网系统的应用：

当应用于无刷双馈发电机时，双馈异步发电机的定子线圈对应于无刷双馈发电机的功率绕组，双馈异步发电机的转子线圈对应于无刷双馈发电机的控制绕组；或者，

当应用于风力、水力或者火力发电场中的多台双馈异步发电机并联运行时，每台双馈异步发电机各配一台发电机侧变流器、测量控制模块、原动机及其传动与增速模块，双馈发电机定子绕组连接公共的交流母线、发电机侧变流器连接公共的直流母线，电网侧整流器、能源转换模块及升压变压器可共用。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：

本发明系统及运行方法，根据双馈异步发电机的运行状态，将发动机定子线圈输出较稳定的有功功率并入交流电网，而将发电机功率波动较大的转子线圈输出功率送到水电解槽或供热等能源转换模块，将其转化为其他形式的能源储存或消耗掉，如用于风力发电场时，可降低风速波动时风力发电机组定子输出功率对电网的影响，甚至可以使双馈风力发电机组作为电网的基本电源，提高电网运行的稳定性；而应用于水力发电时可提高水轮机的能源转换效率，改善水轮机的运行工况

本发明系统及运行方法，技术手段简便易行、成本低廉、易于实现，具有突出的技术效果。

本发明可广泛应用于风力、水力或者火力发电场。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。

实施例

如图1所示。本发明双馈发电机组交、直流并网系统，包括测量控制模块、原动机及其传动与增速模块、双馈异步发电机、发电机侧变流器、直流母线、能源转换模块、电网侧整流器、交流母线、升压变压器、交流电网；

所述测量控制模块依次连接原动机及其传动与增速模块、双馈异步发电机、交流母线；

所述发电机侧变流器依次连接直流母线、电网侧整流器；

所述能源转换模块还与直流母线连接；

所述发电机侧变流器还与双馈异步发电机连接，所述电网侧整流器还与交流母线、直流母线连接。

发电机侧变流器连接双馈异步发电机的转子励磁绕组；所述交流母线连接双馈异步发电机的定子绕组。

所述原动机包括风力发电机、水力发电机或者火力发电机。

上述双馈发电机组交、直流并网系统的运行方法如下，

一：测量控制模块，测量双馈异步发电机的转速，并根据双馈异步发电机的转速，确定双馈异步发电机的运行状态；当采用风力发电机时，双馈异步发电机在额定转速以下运行时，使风力发电机的风轮工作在最大风能追踪状态，当双馈异步发电机运行于额定转速以上时，输出最大功率；

二：测量控制模块用于控制发电机侧变流器的频率、幅值与相位等参数，实现双馈异步发电机的有功、无功解耦控制；

三：原动机及其传动与增速模块，将动能、势能转换为机械能，并通过传动与增速模块提高双馈异步发电机的转速，或不经增速直接驱动双馈异步发电机；

四：双馈异步发电机将机械能转换为电能，双馈异步发电机的定子线圈输出的交流电能，直接送到交流电网；

五：当双馈异步发电机运行于超同步状态时，将双馈异步发电机的转子绕组输出的交流电经发电机侧变流器整流为直流输出到直流母线，供给能源转换模块，将电能转换为热能或氢气能等其他形式的能源；

六：当双馈异步发电机运行于同步状态时，电网侧整流器将电网交流电整流为直流输出到直流母线，发电机侧变流器将直流母线的直流电输出到双馈异步发电机的转子励磁绕组；

七：当双馈异步发电机运行于亚同步状态时，电网侧整流器将电网交流电整流为直流输出到直流母线，发电机侧变流器将直流母线的直流电转换为低频交流电输出到双馈异步发电机的转子励磁绕组；

八：电网侧整流器将交流电网输入的交流电转换为直流电输出到直流母线，为同步及亚同步状态的双馈异步发电机转子线圈提供励磁，并稳定直流母线电压，也可在电网负荷较低时从电网吸收功率输出到能源转换模块，填充电网电谷负荷；

九：直流母线为发电机侧变流器、电网侧整流器及能源转换模块提供能量流动通道；

十：能源转换模块将发电机侧变流器及电网侧整流器输出的电能通过电阻、水电解槽等转化为热能、氢气能等其他形式的能源储存或消耗。

双馈发电机组交、直流并网系统的应用如下：

当应用于无刷双馈发电机时，双馈异步发电机的定子线圈对应于无刷双馈发电机的功率绕组，双馈异步发电机的转子线圈对应于无刷双馈发电机的控制绕组；或者，

当应用于风力、水力或者火力发电场中的多台双馈异步发电机并联运行时，每台双馈异步发电机各配一台发电机侧变流器、测量控制模块、原动机及其传动与增速模块，双馈发电机定子绕组连接公共的交流母线、发电机侧变流器连接公共的直流母线，电网侧整流器、能源转换模块及升压变压器可共用。

如上所述，便可较好地实现本发明。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种双馈发电机组交、直流并网系统，其特征在于：

包括测量控制模块、原动机及其传动与增速模块、双馈异步发电机、发电机侧变流器、直流母线、能源转换模块、电网侧整流器、交流母线、升压变压器、交流电网；

所述测量控制模块依次连接原动机及其传动与增速模块、双馈异步发电机、交流母线；

所述发电机侧变流器依次连接直流母线、电网侧整流器；

所述能源转换模块还与直流母线连接；

所述发电机侧变流器还与双馈异步发电机连接，所述电网侧整流器还与交流母线、直流母线连接。

2.根据权利要求1所述的双馈发电机组交、直流并网系统，其特征在于：发电机侧变流器连接双馈异步发电机的转子励磁绕组；所述交流母线连接双馈异步发电机的定子绕组。

3.根据权利要求1所述的双馈发电机组交、直流并网系统，其特征在于：所述原动机包括风力发电机、水力发电机或者火力发电机。

4.权利要求1至3中任一项所述双馈发电机组交、直流并网系统的运行方法，其特征在于如下：

一：测量控制模块，测量双馈异步发电机的转速，并根据双馈异步发电机的转速，确定双馈异步发电机的运行状态；

二：测量控制模块用于控制发电机侧变流器的频率、幅值与相位参数，实现双馈异步发电机的有功、无功解耦控制；

三：原动机及其传动与增速模块，将动能、势能转换为机械能，并通过传动与增速模块提高双馈异步发电机的转速，或不经增速直接驱动双馈异步发电机；

四：双馈异步发电机将机械能转换为电能，双馈异步发电机的定子线圈输出的交流电能，直接送到交流电网；

五：当双馈异步发电机运行于超同步状态时，将双馈异步发电机的转子绕组输出的交流电经发电机侧变流器整流为直流输出到直流母线，供给能源转换模块，将电能转换为热能或氢气能；

六：当双馈异步发电机运行于同步状态时，电网侧整流器将电网交流电整流为直流输出到直流母线，发电机侧变流器将直流母线的直流电输出到双馈异步发电机的转子励磁绕组；

七：当双馈异步发电机运行于亚同步状态时，电网侧整流器将电网交流电整流为直流输出到直流母线，发电机侧变流器将直流母线的直流电转换为低频交流电输出到双馈异步发电机的转子励磁绕组；

八：电网侧整流器将交流电网输入的交流电转换为直流电输出到直流母线，为同步及亚同步状态的双馈异步发电机转子线圈提供励磁，并稳定直流母线电压；

九：直流母线为发电机侧变流器、电网侧整流器及能源转换模块提供能量流动通道；

十：能源转换模块将发电机侧变流器及电网侧整流器输出的电能转化为热能、氢气能储存或消耗。

5.双馈发电机组交、直流并网系统的应用，其特征在于：

当应用于无刷双馈发电机时，双馈异步发电机的定子线圈对应于无刷双馈发电机的功率绕组，双馈异步发电机的转子线圈对应于无刷双馈发电机的控制绕组；或者，

当应用于风力、水力或者火力发电场中的多台双馈异步发电机并联运行时，每台双馈异步发电机各配一台发电机侧变流器、测量控制模块、原动机及其传动与增速模块，双馈发电机定子绕组连接公共的交流母线、发电机侧变流器连接公共的直流母线，电网侧整流器、能源转换模块及升压变压器可共用。