CN104600926A - 风力发电机组的发电机在线加热系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种风力发电机组的发电机在线加热系统和方法。该系统包括：发电机电流输入端，在第一状态时连接到被动整流变流器的输入端；无功电流补偿装置，在第二状态时连接到发电机电流输入端，用于对发电机提供无功补偿电流；直流电流输出端，在第一状态时连接到被动整流变流器的输出端。根据本发明的技术方案，在电机侧连接可拆卸的无功电流补偿装置，对电机动态提供无功补偿电流，实现使用被动整流全功率变流器的直驱风力发电机加热。

Description

风力发电机组的发电机在线加热系统和方法

技术领域

本发明涉及风力发电领域，尤其涉及一种适用于被动整流变流器的风力发电机组发电机在线加热系统和方法。

背景技术

作为清洁、可再生、有着巨大潜力的新能源，风力发电在全世界范围内获得了迅猛的发展。

风力发电机在潮湿的环境中长期运行，水汽会慢慢侵入到发电机内部，造成发电机绕组绝缘降低。发电机绝缘的降低增加了电机绕组发生绝缘击穿的可能性。

因此需要潮湿地区使用的风力发电机组具备加热除湿能力。通过加热除湿将侵入到发电机内部的水汽蒸发，恢复电机的绝缘，以保证机组安全。现有加热技术主要有以下两种：

传统方法是在电机端部安装加热、吹风装置。需要加热时，通过向电机绕组中吹送热风实现电机加热。但是这样需要增加一套加热、送风装置，成本较高。而且安装受制于电机端部结构，并不适用于所有电机。

另一种方法是在风力发电机组停机的情况下，向电机定子绕组电缆上接入低压电源。通过定子绕组通入大电流，利用电热效应对电机加热。但该方法需要增加额外的设备投资，且加热过程需要风力发电机组停机，且停机时间较长，风力发电机组一旦停机将严重影响风力发电机组发电量，另外发电机加热消耗的功率来自电网，这显然不是一个经济的做法。

直驱风力发电机组采用永磁发电机，发电机定子绕组连接机侧整流变流器，机侧整流变流器可使用主动整流变流器，或者被动整流变流器。被动整流变流器采用二极管整流器件将电机发出的交流电整流成直流电，其后一般连接一级Boost电路来控制发电机发出的有功功率。被动整流变流器因其应用广泛，功率器件成熟可靠，再加上成本低廉而被直驱风力发电机组所采用。其主电路拓扑如图1所示。

对于采用被动整流全功率变流器的直驱风力发电机而言，由于电机电流无法进行主动调节，因而无法以主动整流的方式提高电机定子电流来增加电机铜耗实现电机加热。

从以上分析可知，现有的风力发电机组加热除湿存在诸多技术局限性，尤其对于采用被动整流变流器的风力发电机组，既能够高效节能又能较不影响发电成为电机加热除湿的主要问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种风力发电机组的发电机在线加热系统和方法，以解决采用被动整流变流器的风力发电机组在线加热除湿问题。

根据本发明的第一方面，提供了一种风力发电机组的发电机在线加热系统，风力发电机组包括被动整流变流器，该系统包括：

发电机电流输入端，在第一状态时连接到被动整流变流器的输入端；

无功电流补偿装置，在第二状态时连接到发电机电流输入端，用于对发电机提供无功补偿电流；

直流电流输出端，在第一状态时连接到被动整流变流器的输出端。

根据本发明的第二方面，提供了一种风力发电机组的发电机在线加热方法，风力发电机组包括被动整流变流器，该方法包括步骤：

在第一状态时，将被动整流变流器的输入端连接到发电机电流输入端，将被动整流变流器的输出端连接到直流电流输出端；

在第二状态时，将无功电流补偿装置连接到发电机电流输入端，用于对发电机提供无功补偿电流。

与现有技术相比，根据本发明的技术方案，在电机侧连接可拆卸的无功电流补偿装置，对电机动态提供无功补偿电流，实现使用被动整流全功率变流器的直驱风力发电机加热。

附图说明

图1示出了现有技术中采用被动整流变流器的风力发电机组；

图2示意性地示出了根据本发明实施例的适用于被动整流变流器的风力发电机组发电机在线加热系统的示意图；

图3示意性地示出了根据本发明实施例的适用于被动整流变流器的风力发电机组发电机在线加热方法的流程图；

图4示出了根据本发明的加热系统的第一具体实施例的示意图；

图5示出了根据本发明的加热系统的第二具体实施例的示意图；

图6示出了根据本发明的加热系统的第三具体实施例的示意图。

附图标号说明：

110-被动整流变流器、112-被动整流变流器的输入端、114-被动整流变流器的输出端、120-发电机电流输入端、130-无功电流补偿装置、140-直流电流输出端。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步地详细说明。

为简单起见，以下描述中省略了本领域技术人员公知的某些技术特征。

本申请讨论的风力发电机组包括被动整流变流器110，如图2所示，根据本发明实施例的适用于被动整流变流器的风力发电机组发电机在线加热系统包括：

发电机电流输入端120，在第一状态时连接到被动整流变流器110的输入端112；

无功电流补偿装置130，在第二状态时连接到发电机电流输入端120，用于对发电机提供无功补偿电流；

直流电流输出端140，在第一状态时连接到被动整流变流器110的输出端114。

第一状态例如是发电机正常运行状态，第二状态例如是电机加热状态。优选地，无功电流补偿装置130是可拆卸的。

在一个实施例中，无功电流补偿装置130可以是主动整流变流器，在第二状态时，需要被动整流变流器110的输入端112从发电机电流输入端120断开，主动整流变流器的输出端连接到直流电流输出端140。主动整流变流器可以包括du/dt滤波器、IGBT主动整流电路和变流控制器。

在另一个实施例中，无功电流补偿装置130可以是无功补偿变流器。无功补偿变流器可以包括正弦波滤波器、IGBT主动整流电路和变流控制器。

在又一个实施例中，无功电流补偿装置130可以是磁控电抗器。

如图3所示，根据本发明的适用于被动整流变流器的风力发电机组发电机在线加热方法包括步骤：

在第一状态时(步骤S1)，将被动整流变流器的输入端连接到发电机电流输入端，将被动整流变流器的输出端连接到直流电流输出端；

在第二状态时(步骤S2)，将无功电流补偿装置连接到发电机电流输入端，用于对发电机提供无功补偿电流。

无功电流补偿装置可选用可拆除主动整流变流器，在第二状态时，将被动整流变流器的输入端从发电机电流输入端断开，将主动整流变流器的输出端连接到直流电流输出端。

无功电流补偿装置亦可选用可拆除无功补偿变流器。

无功电流补偿装置还可选用可拆除磁控电抗器。

下面详细说明在电机侧连接额外的主动整流变流器或者无功补偿变流器或者磁控电抗器等无功电流补偿装置对电机动态提供无功补偿电流，实现使用被动整流全功率变流器的直驱风力发电机加热的技术方案。

图4示出根据本发明的第一具体实施例，增加一套机侧主动整流变流器。机侧主动整流变流器由du/dt滤波器、IGBT主动整流电路和变流控制器构成。将电机与二极管被动整流电路间的交流电缆拆开连接至机侧主动整流变流器du/dt滤波器一端，du/dt滤波器另一端连接IGBT主动整流电路，IGBT主动整流电路直流正、直流负分别连接至被动整流变流器直流正和直流负，其连接拓扑如图所示。连接后，原来机侧被动整流变流器被隔离。电机发出的电能通过机侧主动整流变流器馈入到直流正和直流负母线。变流控制器接受风力发电机组主控制器的相应扭矩电流(有功电流)指令和加热电流(无功电流)指令来控制IGBT主动整流电路中IGBT开关管的动作从而控制流过发电机的电流。

图5示出根据本发明的第二具体实施例，增加一套机侧无功补偿变流器。机侧无功补偿变流器由正弦波滤波器510、IGBT主动整流电路520和变流控制器530组成。正弦波滤波器510一端与电机出线交流电缆相连，正弦波滤波器510另一端与IGBT主动整流电路520相连。IGBT主动整流电路520连接直流母线支撑电容522，其连接拓扑如图所示。连接后电机发出的有功功率通过原来机侧被动整流变流器输出，构成电机的有功支路。变流控制器530接受风力发电机组主控制器的相应加热电流(无功电流)指令来控制IGBT主动整流电路520中IGBT开关管的动作从而控制流过发电机的无功电流534，构成电机的无功支路。

一般的无功补偿变流器都连接的是电网，接收相应的无功电流指令来为电网提供相应的无功支撑。这里将电机当做一个小电网，变流控制器采集电机端三相交流电压532，用于电压信号的锁相，为变流器电流输出提供相位参考。采集直流母线支撑电容522电压测量536，通过从电机吸收有功和发出有功来维持电容电压的恒定。整个系统消耗很少的有功功率，剩下的电流余量用来产生无功电流，整个无功补偿变流器工作于无功补偿模式。

系统加热除湿流程如下：

1.连接机侧无功补偿变流器到电机绝缘降低的风力发电机组。连接包括，主电路的连接和通讯线的连接。

2.启动风力发电机组运行，叶片开始变桨来吸收更大的风能，叶轮带动发电机转速不断上升。

3.待发电机转速达到某一转速，风力发电机组主控制器启动机组原来的机侧被动整流变流器启动运行，启动完成后，机侧被动整流变流器开始控制电机有功。

4.风力发电机组主控制器启动额外连接的机侧无功补偿变流器启动运行，启动完成后机侧无功补偿变流器开始执行风力发电机组主控制器下发的加热电流(无功电流)指令。最终在机组运行状态下实现流过电机电流尽量保持最大，利用电机的铜损发热实现加热除湿。

5.待电机绝缘恢复后，停止机组运行，拆除机侧无功补偿变流器到风力发电机组的连接。启动风力发电机组正常运行。

图6示出根据本发明的第三具体实施例，增加一套机侧感性无功补偿磁控电抗器(magnetically controlled reactors)，全称是磁阀式可控电抗器，简称MCR。磁控电抗器的一端连接电机出线交流电缆相连，其连接拓扑如图所示。连接后电机发出的有功功率通过原来机侧被动整流变流器输出，构成电机的有功输出支路。变流控制器接受风力发电机组主控制器的相应加热电流(无功电流)指令来控制磁控电抗器投入电感的大小从而控制流过发电机的无功电流，构成电机的无功输出支路。

机侧主动整流变流器、机侧无功补偿变流器、机侧感性无功补偿磁控电抗器等可以做成方便移动的装置，在对某台风力发电机组进行加热除湿的时候，将这样的装置牵引到风力发电机组下面，方便的将出线与电机绕组相连，即可启动风力发电机组一边正常运行、一边加热除湿。待电机绝缘恢复，即可停机并拆除额外连接的设备。除去连接和拆除设备的时间，需要停止风力发电机组运行，其他时间风力发电机组可正常运行，几乎对风力发电机组的发电量不产生影响。

本申请的技术方案尤其适用于使用被动整流全功率变流器的直驱风力发电机加热。机侧增加额外的无功补偿装置，实现机侧无功电流的动态调节和控制，与原来的被动整流全功率变流器相配合确保机组小功率条件流过电机的电流为额定电流的大电流，增加电机的铜损耗，从而实现运行状态下的电机加热除湿功能，除去连接和拆除额外设备的时间，几乎不影响机组的正常发电，减少机组的发电量损失。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (13)

1.一种风力发电机组的发电机在线加热系统，所述风力发电机组包括被动整流变流器，其特征在于，所述加热系统包括：

发电机电流输入端，在第一状态时连接到所述被动整流变流器的输入端；

无功电流补偿装置，在第二状态时连接到所述发电机电流输入端，用于对发电机提供无功补偿电流；

直流电流输出端，在第一状态时连接到所述被动整流变流器的输出端。

2.根据权利要求1所述的加热系统，其特征在于，所述第一状态是发电机正常运行状态，所述第二状态是电机加热状态。

3.根据权利要求1所述的加热系统，其特征在于，所述无功电流补偿装置是可拆卸的。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的加热系统，其特征在于，所述无功电流补偿装置是主动整流变流器，在第二状态时，所述被动整流变流器的输入端从所述发电机电流输入端断开，所述主动整流变流器的输出端连接到所述直流电流输出端。

5.根据权利要求4所述的加热系统，其特征在于，所述主动整流变流器包括du/dt滤波器、IGBT主动整流电路和变流控制器。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的加热系统，其特征在于，所述无功电流补偿装置是无功补偿变流器。

7.根据权利要求6所述的加热系统，其特征在于，所述无功补偿变流器包括正弦波滤波器、IGBT主动整流电路和变流控制器。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的加热系统，其特征在于，所述无功电流补偿装置是磁控电抗器。

9.一种风力发电机组的发电机在线加热方法，所述风力发电机组包括被动整流变流器，其特征在于，所述加热方法包括步骤：

在第一状态时，将所述被动整流变流器的输入端连接到发电机电流输入端，将所述被动整流变流器的输出端连接到直流电流输出端；

在第二状态时，将无功电流补偿装置连接到所述发电机电流输入端，用于对发电机提供无功补偿电流。

10.根据权利要求9所述的加热方法，其特征在于，所述第一状态是发电机正常运行状态，所述第二状态是电机加热状态。

11.根据权利要求9或10所述的加热方法，其特征在于，所述无功电流补偿装置是可拆除主动整流变流器，在第二状态时，将所述被动整流变流器的输入端从所述发电机电流输入端断开，将所述主动整流变流器的输出端连接到所述直流电流输出端。

12.根据权利要求9或10所述的加热方法，其特征在于，所述无功电流补偿装置是可拆除无功补偿变流器。

13.根据权利要求9或10所述的加热方法，其特征在于，所述无功电流补偿装置是可拆除磁控电抗器。