CN104269884A - 双模式并网方法、控制装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双模式并网方法、控制装置及系统，其中，该双模式并网方法包括：检测风力发电机所处的当前风速；判断检测到的当前风速是否小于预设的切换速度，若当前风速小于预设的切换速度，则启用全功率整流同步并网模式向电网馈电；若当前风速大于或等于所述切换速度，则启用异步双馈并网模式向电网馈电。因此，通过实施本发明的双模式并网方法、控制装置及系统，能够提高风能利用率。

Description

双模式并网方法、控制装置及系统

技术领域

本发明涉及风电技术领域，特别涉及一种双模式并网方法、控制装置及系统。

背景技术

风力发电是风能利用的主要方式，近年来，风电技术和风电产业发展迅猛，但迄今国内外风力发电技术的开发多注重于5-6级风电场，对风力相对较小的内陆城市的风能利用问题尚疏于研究。必须注意到，虽然高风速风场最适宜风力发电，但多分布在偏远地区，长距离的电力输送存在困难，而且随着风电场的开发，受地域的限制，高风速风力发电场的选址也将越来越困难。

本申请的发明人调查发现，很多大城市及其周边电力负荷集中，且位于低风速区(年平均风速不超过5.8m/s)，这样看来，开发适合低风速风力发电的大型风力发电机(组)，将会很好地利用风能资源，而且能大大降低风力发电的单位成本，对调整能源结构具有重要意义。

但又经本申请的发明人研究发现，风力发电机在低风速工况下风能利用效率较低，主要原因如下：

随着风能利用技术的不断发展，世界范围内开发出了多种形式的风力发电机，其中变速恒频双馈风力发电机因风轮可以变速运行，通过调节发电机转子电流的大小频率和相位，从而实现转速的调节，可在很宽的风速范围内保持近乎恒定的最佳叶尖速比进而实现追求风能最大转换效率，同时又可以启用一定的控制策略灵活的调节系统的有功与无功功率，抑制谐波，减少损耗，提高系统效率，因而成为目前国际上风力发电方面的研究热点和必然发展趋势。

然而，变速恒频双馈异步发电机(组)在调速范围上存在限制，原因如下：

根据最佳叶尖速比的定义可知：

$V_{\∞}=\frac{\mathrm{\πdn}}{60{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{opt}}}$

其中，λ_opt为最佳叶尖速比，d为风轮直径，n为电机转速，V_∞为风速。

根据双馈异步电机转差率可知：

n＝n₁(1-S)

其中，n₁为发电机同步转速。

另外，根据电机种类不同，可以设置转差率为±k％，这样，则有n_min＝(1-k％)n₁≤n≤(1+k％)n₁＝n_max，于是得出：

$V_{\min }=\frac{\mathrm{\πd}\·n_{\min }}{60\·{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{opt}}}\≤V_{\∞}\≤\frac{\mathrm{\πd}\·n_{\max }}{60\·{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{opt}}}=V_{\max }$

由此可以看出，变速恒频双馈异步发电机(组)在调速范围上确实存在限制。在低风速区，当风速低于V_min时，风机不能以最佳叶尖速比运行。以风轮直径82m的变速恒频双馈风力发电机为例，当风速3m/s时，发电机在最低运行转速下叶尖速比高达16，远高于最佳叶尖速比(一般为8左右)，导致风能利用系数Cp低下。

在高风速区，风速大于V_max时，也同样存在无法达到最佳叶尖速比，进而致使风能利用系数Cp低下的情况。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的之一在于提出一种双模式并网方法，能够提高风能利用率。

其中，该双模式并网方法包括：检测风力发电机所处的当前风速；判断检测到的当前风速是否小于预设的切换速度，若所述当前风速小于所述切换速度，则启用全功率整流同步并网模式向电网馈电；若所述当前风速大于或等于所述切换速度，则启用异步双馈并网模式向电网馈电。

可选地，在一些实施例中，所述切换速度大于或等于发电机的风速最小调节值其中，λ_opt为最佳叶尖速比，d为风轮直径，n_min为发电机最小转速。

可选地，在一些实施例中，所述切换速度替换为切换功率；所述当前风速替换为当前发电机功率。

可选地，在一些实施例中，所述切换功率大于或等于发电机的风速最小调节值所对应的发电机功率。

相应地，为实现上述方法，本发明实施例的另一目的在于提供一种双模式并网控制装置，以提高风能利用率。其中，该双模式并网控制装置包括：检测单元，用于检测风力发电机所处的当前风速；判断单元，用于判断检测到的当前风速是否小于预设的切换速度；处理单元，用于在所述当前风速小于所述切换速度时，启用全功率整流同步并网模式向电网馈电，在所述前风速大于或等于所述切换速度，启用异步双馈并网模式向电网馈电。

可替换地，为实现上述方法，本发明实施例的再一目的在于提供一种双模式并网控制装置，以提高风能利用率。其中，该双模式并网控制装置包括：检测单元，用于检测发电机的当前功率；判断单元，用于判断检测到的当前功率是否小于预设的切换功率；处理单元，用于在所述当前功率小于所述切换功率时，启用全功率整流同步并网模式向电网馈电，在所述前功率大于或等于所述切换功率，启用异步双馈并网模式向电网馈电。

本发明的实施例又一目的在于提出一种双模式并网系统，该双模式并网系统包括：风力发电机及馈电线路，所述风力发电机的发电机通过所述馈电线路与电网连接；前述任一种双模式并网控制装置，用于控制所述发电机向所述电网馈电的馈电线路。

可选地，在一些实施例中，所述馈电线路上设置有网侧变压器、变流器及励磁装置；其中，所述发电机的定子连接有第一、第二馈电线路，其中，所述第一馈电线路经第一开关与所述网侧变压器连接；所述第二馈电线路经第二开关与所述变流器连接，所述变流器与所述网侧变压器连接；所述发电机的转子连接有第三、第四馈电线路，其中，所述第三馈电线路经第三开关与所述变流器连接；所述变流器与所述网侧变压器连接；所述第四馈电线路经第四开关与所述励磁装置连接；其中，所述双模式并网控制装置用于控制所述第一、第二馈电线路以及第三、第四馈电线路的通断。

可选地，在一些实施例中，所述馈电线路上设置有：网侧变压器、变流器及励磁装置；其中，所述发电机的定子经第一换向开关分别连接有第一、第二馈电线路连接；所述第一馈电线路与所述网侧变压器连接，所述第二馈电线路经所述变流器与所述网侧变压器连接；所述发电机的转子经第二换向开关分别连接有第三、第四馈电线路，所述第三馈电线路经所述变流器与所述网侧变压器连接，所述第四馈电线路与所述励磁装置连接；其中，所述双模式并网控制装置用于控制所述第一换向开关及所述第二换向开关的连接线路。

可选地，在一些实施例中，所述风力发电机包括：风轮、风机主轴、齿轮箱及发电机；所述风机主轴连接风轮、齿轮箱及发电机，并装载主轴制动器；其中，所述发电机为双馈异步发电机；和/或，所述变流器具有变流器控制器，用于控制所述变流器的工作状态。

相对于现有技术，本发明各实施例具有以下优点：

本发明各实施例提出的双模式并网方法及系统，通过预先设置一切换速度/功率，然后，将检测到的当前风速/功率与切换速度/功率比较，来确定并网模式，在当前风速/功率小于预设的切换速度/功率时启用全功率整流同步并网模式，而当前风速/功率大于或等于预设的切换速度/功率时启用异步双馈并网模式向电网馈电，从而避免变速恒频双馈异步发电机存在调速范围限制的问题，使整机在低风速工况下风能利用效率得以提升，进而提高全年发电量。

附图说明

构成本发明实施例一部分的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的双模式并网方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的另一双模式并网方法的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的双模式并网系统的线路原理示意图；

图4为本发明实施例提供的双模式并网系统的另一线路原理示意图；

图5为本发明实施例提供的叶尖速比与风速的关系示意图；

图6为本发明实施例提供的风能利用系数与风速的关系示意图；

图7为本发明实施例提供的发电机功率与风速的关系示意图。

附图标记说明

1    齿轮箱

2    主轴制动器

3    第一开关

4    网侧变压器

5    电网

6    变流器

7    变流器控制器

8    第二开关

9    第三开关

10   励磁装置

11   第四开关

12   发电机

13   第一换向开关

14   第二换向开关

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图，对本发明的各优选实施例作进一步说明：

方法实施例

针对变速恒频双馈异步发电机存在调速范围限制问题，导致风能利用系数Cp低下的问题，下面实施例提出一种双模式并网方法。

参照图1，其示出了本实施例的双模式并网方法的流程。本实施例中，在进行并网馈电之前，预先设置切换速度，作为判断采用何种方式并网的判断基准。如图1所示，该双模式并网方法包括以下步骤：

S100：检测风力发电机所处的当前风速。

S102：判断检测到的当前风速是否小于预设的切换速度，若当前风速小于预设的切换速度，则执行S104；否则，若当前风速大于或等于预设的切换速度，执行S106。

S104：启用全功率整流同步并网模式向电网馈电。

S106：启用异步双馈并网模式向电网馈电。

上述实施例中，切换速度大于或等于发电机的风速最小调节值其中，λ_opt为最佳叶尖速比，d为风轮直径，n_min为发电机最小转速。

其中，根据公式可知，风轮直径d的不同，使得调速范围V_min与V_max相应变化，因此不同的风机类型可具有不同的调速范围，不同的电机具有不同的额定风速，这样，可通过选取适当风轮直径d，使风力发电机叶片长度满足V_max大于发电机的额定风速，进而通过V_max确定V_min，从而根据V_min得到切换速度V_切，一般情况下，可取V_切＝V_min，以尽量提高风能利用效率。

上述实施例中涉及的是一种双模式并网方法，通过预先设置一切换速度，然后，将检测到的当前风速与预设的切换速度比较，来确定并网模式，在当前风速小于预设的切换速度V_切时启用全功率整流同步并网模式，而当前风速大于或等于预设的切换速度V_切时启用异步双馈并网模式向电网馈电，从而避免变速恒频双馈异步发电机存在调速范围限制的问题，使整机在低风速工况下风能利用效率提升高达2倍以上，全年发电量可提高10％以上。

可选地，与上述实施例中采用切换速度作为判断基准的并网方式可替换的是，采用切换功率作为采用何种并网方式的判断基准，也就是，将切换速度替换为切换功率，当前风速替换为当前发电机功率。

这样，在进行并网馈电之前，预先设置切换功率，作为判断采用何种方式并网的判断基准。参照图2所示，该双模式并网方法包括以下步骤：

S200：检测发电机的当前功率。

S202：判断检测到的当前功率是否小于预设的切换功率，若当前功率小于预设的切换功率，则执行S204；否则，若当前功率大于或等于预设的切换功率，执行S206。

S204：启用全功率整流同步并网模式向电网馈电。

S206：启用异步双馈并网模式向电网馈电。

上述实施例中，切换功率大于或等于发电机的风速最小调节值V_min对应的发电机功率P_min，其中，风速最小调节值其中，λ_opt为最佳叶尖速比，d为风轮直径，n_min为发电机最小转速。

上述实施例中，采用双模式并网方法，通过预先设置一切换功率，然后，将检测到的发电机的当前功率与预设的切换功率比较，来确定并网模式。在当前功率小于预设的切换功率P_切时启用全功率整流同步并网模式，而当前功率大于或等于预设的切换功率P_切时启用异步双馈并网模式向电网馈电，从而避免变速恒频双馈异步发电机存在调速范围限制的问题。另外，采用对应风速最小调节值设置切换功率作为判断基准，通过检测当前功率实现并网模式的确定，更加方便，易于实现。

需要说明的是，上述切换速度/功率，可预先设置，也可以在控制或运行过程中，进行设置、调节或修正，本发明其他各实施例也可采用如此方式，不作限制。

装置实施例

为实现上述方法，此处提出一种双模式并网控制装置。

本实施例中，该双模式并网控制装置包括：检测单元、判断单元和处理单元。其中：

检测单元用于检测当前风速；

判断单元用于判断检测到的当前风速是否小于预设的切换速度；

处理单元用于在所述当前风速小于所述切换速度时，启用全功率整流同步并网模式向电网馈电，在所述前风速大于或等于所述切换速度，启用异步双馈并网模式向电网馈电。

与上述实施例可替换的是，此处，提出另一种双模式并网控制装置，该双模式并网控制装置包括：检测单元、判断单元和处理单元。其中：

检测单元用于检测当前功率；

判断单元用于判断检测到的当前功率是否小于预设的切换功率；

处理单元用于在所述当前功率小于所述切换功率时，启用全功率整流同步并网模式向电网馈电，在所述前功率大于或等于所述切换功率，启用异步双馈并网模式向电网馈电。

上述实施例中，采用双模式并网方法，预先设置切换速度V_切或切换功率P_切，切换速度V_切大于或等于V_min，切换功率大于或等于V_min对应的发电机功率P_min。判断单元将检测单元检测到的当前速度/功率与切换速度/功率比较，处理单元来确定并网模式，从而解决变速恒频双馈异步发电机存在调速范围限制的问题，提高风能利用率。进一步说明如下：

当风力发电机检测到风速低于预设的切换速度V_切时，或发电机功率低于预设的切换功率P_切时，启用全功率整流同步并网模式：发电机转子与变流器断开，同时与励磁装置连接，通过励磁装置励磁。发电机定子与电网断开，同时与变流器连接，通过变流器整流后向电网馈电。

当风力发电机检测到风速大于或等于预设的切换速度V_切时，或发电机功率大于或等于预设的切换功率P_切时，启用异步双馈并网模式：发电机转子与励磁装置断开，同时与变流器连接，由变流器向转子励磁，并对励磁电流的幅值、励磁频率和相位进行调节。定子与变流器断开，同时与电网连接，直接向电网馈电。

系统实施例

针对变速恒频双馈异步发电机存在调速范围限制问题，以致风能利用率低下的问题，下面实施例提出一种双模式并网系统。

参照图3和图4，其分别为双模式并网系统的原理线路示意图。

本实施例中，该双模式并网系统包括：风力发电机、馈电线路、以及前述任一实施例提出的双模式并网控制装置。

其中，风力发电机的发电机12通过馈电线路与电网5连接。双模式并网控制装置用于控制所述馈电线路的并网模式。风力发电机包括风轮、风机主轴、齿轮箱1、发电机12等部件。其中，风机主轴连接风轮、齿轮箱1与发电机12，并装载主轴制动器2。发电机12经馈电线路与电网5连接。前述实施例中所述的任一种双模式并网控制装置可设置于发电机12中，用于控制发电机12向电网5馈电的馈电线路。

需要说明的是，发电机12可为双馈异步发电机。可选的是，变流器6具有变流器控制器7，用于控制变流器6的工作状态。

如图3所示，作为一种可选的实施方式，上述馈电线路中可设置有网侧变压器4、变流器6及励磁装置10。其中，发电机12的定子连接有第一、第二馈电线路，其中，第一馈电线路经第一开关3与网侧变压器4连接。第二馈电线路经第二开关8与变流器6连接，变流器6与网侧变压器4连接。双馈异步发电机12的转子连接有第三、第四馈电线路，其中，第三馈电线路经第三开关9与变流器6连接。变流器6与网侧变压器4连接。第四馈电线路经第四开关11与励磁装置10连接。

其中，双模式并网控制装置用于控制第一、第二馈电线路以及第三、第四馈电线路的通断。控制装置根据检测到的当前风速与切换速度的判断结果，进行并网模式的选择，进一步处理过程如下：

如图3所示，风机主轴连接风轮、齿轮箱1与发电机12并装载主轴制动器2，发电机12为双馈异步发电机，发电机定子端与两条线路连接，一条经第一开关3与网侧变压器4连接，另一条经第二开关8与变流器6连接，变流器6由变流器控制器7控制工作状态；转子也与两条线路连接，一条经第三开关9与变流器连接，另一条经第四开关11与励磁装置10连接。

设定切换速度为V_切，当检测到风速小于预设的切换速度V_切时，第一开关3与第三开关9断开，第二开关8与第四开关11闭合，发电机转子通过励磁装置10励磁，定子经变流器6向电网5馈电。

当检测到风速大于或等于预设的切换速度V_切时，第二开关8与第四开关11断开，第一开关3与第三开关9闭合，发电机转子由变流器励磁产生恒频电势向电网5馈电，定子直接向电网馈电。

如图4所示，作为另一种可选的实施方式，上述馈电线路中可设置有：网侧变压器4、变流器6及励磁装置10。其中，双馈异步发电机12的定子经第一换向开关13分别连接有第一、第二馈电线路连接。第一馈电线路与网侧变压器4连接，第二馈电线路经变流器6与网侧变压器4连接。双馈异步发电机12的转子经第二换向开关14分别连接有第三、第四馈电线路，第三馈电线路经变流器6与网侧变压器4连接，第四馈电线路与励磁装置10连接。

其中，双模式并网控制装置用于控制第一换向开关13及第二换向开关14的连接线路。

上述可选实施例中，以检测当前功率代替检测当前风速，并且用第一换向开关13及第二换向开关14分别代替第一开关3、第二开关8及第三开关9、第四开关11，不仅提升了风能利用率，而且使得双模式并网系统更为简化，便于操作。

参照图5-7，其分别示出了采用上述各实施例所述的双模式分段并网(浅色线条表示)与双馈模式并网(深色线条表示)的性能参数对比结果。如图5所示，分别示出了双模式分段并网与双馈模式并网下，叶尖速比与风速的关系。如图6所示，分别示出了双模式分段并网与双馈模式并网下，风能利用系数Cp与风速的关系。如图7所示，分别示出了双模式分段并网与双馈模式并网下，发电机功率与风速的关系。

基于前述各实施例，在上述双模式并网系统中，设定切换速度或切换功率，通过将检测风速与切换速度比较，或将检测功率与切换功率比较来确定并网模式。其中，切换速度大于或等于V_min，切换功率大于或等于V_min对应的发电机功率P_min；变流器容量满足V_切或P_切以下工况时，电机定子的整流。

当检测风速小于预设的切换速度，或检测功率小于预设的切换功率时，启用全功率整流同步并网模式；当检测风速大于或等于预设的切换速度，或检测功率大于或等于预设的切换功率时，时启用异步双馈并网模式。进一步说明如下：

1)在全功率整流同步并网模式下，电机转子与变流器断开，同时与励磁装置连接，通过励磁装置励磁。定子与电网断开，同时与变流器连接，通过变流器整流后向电网馈电。

2)在异步双馈并网模式下，电机转子与励磁装置断开，同时与变流器连接，由变流器向转子励磁，并对励磁电流的幅值、励磁频率和相位进行调节。定子与变流器断开，同时与电网连接直接向电网馈电。

因此，采用本发明各实施例提供的双模式并网方案，将避免变速恒频双馈异步发电机存在调速范围限制的问题，使整机在低风速工况下风能利用效率提升高达2倍以上，全年发电量可提高10％以上。本发明提供的技术方案功率特性明显优于传统双馈并网模式的功率特性。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，例如，双模式并网控制装置中的处理单元、判断单元和检测单元可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。所述存储装置为非易失性存储器，如：ROM/RAM、闪存、磁碟、光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双模式并网方法，其特征在于，该方法包括：

检测风力发电机所处的当前风速；

判断检测到的当前风速是否小于预设的切换速度；

若所述当前风速小于所述切换速度，则启用全功率整流同步并网模式向电网馈电，若所述当前风速大于或等于所述切换速度，则启用异步双馈并网模式向电网馈电。

2.根据权利要求1所述的双模式并网方法，其特征在于，所述切换速度大于或等于发电机的风速最小调节值其中，λ_opt为最佳叶尖速比，d为风轮直径，n_min为发电机最小转速。

3.根据权利要求1所述的双模式并网方法，其特征在于：

所述切换速度替换为切换功率；

所述当前风速替换为当前发电机功率。

4.根据权利要求3所述的双模式并网方法，其特征在于，所述切换功率大于或等于发电机的风速最小调节值所对应的发电机功率。

5.一种双模式并网控制装置，其特征在于，包括：

检测单元，用于检测风力发电机所处的当前风速；

判断单元，用于判断检测到的当前风速是否小于预设的切换速度；

处理单元，用于在所述当前风速小于所述切换速度时，启用全功率整流同步并网模式向电网馈电，在所述前风速大于或等于所述切换速度，启用异步双馈并网模式向电网馈电。

6.一种双模式并网控制装置，其特征在于，包括：

检测单元，用于检测发电机的当前功率；

判断单元，用于判断检测到的当前功率是否小于预设的切换功率；

处理单元，用于在所述当前功率小于所述切换功率时，启用全功率整流同步并网模式向电网馈电，在所述前功率大于或等于所述切换功率，启用异步双馈并网模式向电网馈电。

7.一种双模式并网系统，其特征在于，包括：

风力发电机及馈电线路，所述风力发电机的发电机(12)通过所述馈电线路与电网(5)连接；

权利要求5或6所述的双模式并网控制装置，用于控制所述馈电线路的并网模式。

8.根据权利要求7所述的双模式并网系统，其特征在于，所述馈电线路上设置有网侧变压器(4)、变流器(6)及励磁装置(10)；其中：

所述发电机(12)的定子连接有第一、第二馈电线路，其中，所述第一馈电线路经第一开关(3)与所述网侧变压器(4)连接；所述第二馈电线路经第二开关(8)与所述变流器(6)连接，所述变流器(6)与所述网侧变压器(4)连接；

所述发电机(12)的转子连接有第三、第四馈电线路，其中，所述第三馈电线路经第三开关(9)与所述变流器(6)连接；所述变流器(6)与所述网侧变压器(4)连接；所述第四馈电线路经第四开关(11)与所述励磁装置(10)连接；

其中，所述双模式并网控制装置用于控制所述第一、第二馈电线路以及第三、第四馈电线路的通断。

9.根据权利要求7所述的双模式并网系统，其特征在于，所述馈电线路上设置有：网侧变压器(4)、变流器(6)及励磁装置(10)；其中：

所述发电机(12)的定子经第一换向开关(13)分别连接有第一、第二馈电线路连接；所述第一馈电线路与所述网侧变压器(4)连接，所述第二馈电线路经所述变流器(6)与所述网侧变压器(4)连接；

所述发电机(12)的转子经第二换向开关(14)分别连接有第三、第四馈电线路，所述第三馈电线路经所述变流器(6)与所述网侧变压器(4)连接，所述第四馈电线路与所述励磁装置(10)连接；

其中，所述双模式并网控制装置用于控制所述第一换向开关(13)及所述第二换向开关(14)的连接线路。

10.根据权利要求8或9所述的双模式并网系统，其特征在于：

所述风力发电机包括：风轮、风机主轴、齿轮箱(1)及发电机(12)；所述风机主轴连接风轮、齿轮箱(1)及发电机(12)，并装载主轴制动器(2)；其中，所述发电机(12)为双馈异步发电机；和/或，

所述变流器(6)具有变流器控制器(7)，用于控制所述变流器(6)的工作状态。