CN104935005A - 一种双馈式变流器系统及双馈式风力发电机组停机方法 - Google Patents

一种双馈式变流器系统及双馈式风力发电机组停机方法 Download PDF

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Abstract

一种双馈式变流器系统及双馈式风力发电机组，系统包括变流器、主断路器、转子侧开关和网侧保护装置，与该系统配套的双馈发电机转子绕组、定子绕组匝比大于1，变流器机侧变换器通过转子侧开关连接发电机转子绕组，网侧变换器连接定转子支路电气汇集点，主断路器连接在电气汇集点靠近的主电路上，网侧保护装置连接网侧变换器与电气汇集点；双馈式风力发电机组包括塔筒、风机、齿轮箱、双馈发电机、变压器、变桨装置、主控制器和上述双馈式变流器系统；停机方法包括在双馈发电机正常停机时，断开转子侧开关，维持主断路器闭合。本发明降低现有双馈式变流器系统及整个风力发电机组的建设成本，提高系统经济性；运行安全可靠，使用方便。

Description

一种双馈式变流器系统及双馈式风力发电机组停机方法
技术领域
本发明涉及一种用于风力发电的变流器系统的停机方法，还涉及使用该变流器系统的双馈式风力发电机组的停机方法。
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。兆瓦级风力发电机组主要有双馈式风力发电机组和全功率式风力发电机组。如图1所示，双馈式风力发电机组主要由塔筒(图中未示出)、风机、齿轮箱、双馈发电机、双馈式变流器系统、变压器、变桨装置和主控制器等组成。其中，变压器原方连接高压的外部电网，副方连接低压的内部电网，双馈发电机及变流器系统位于风机、齿轮箱和内部电网之间，是实现机电能量转换和控制的核心系统。
如图2所示为现有的双馈发电机及双馈式变流器系统。双馈发电机的转子轴与风机、齿轮箱机械连接，接受机械能，定子绕组、转子绕组均可馈送电能。双馈式变流器系统一般包含变流器，网侧熔断器FU2，定子接触器K1及主断路器QF0。其中变流器包括通过直流母线连接的机侧变换器和网侧变换器，负责处理双馈发电机转子支路上的功率。双馈发电机的定子绕组通过定子接触器K1连接至定转子支路电气汇集点，而双馈发电机的转子绕组则需通过变流器连接至定转子支路电气汇集点，定转子支路电气汇集点再通过主断路器QF0连接至双馈式风力发电机组的内部电网。一般地，双馈发电机正常运行的转速范围为同步转速的0.8到1.2倍之间，即滑差率为0.2至-0.2之间，极限运行的转速范围为同步转速的0.67到1.33倍之间，即滑差率为0.33至-0.33之间。根据双馈发电机的功率关系特性，即转子处理功率与定子处理功率的比率为其运行滑差率的绝对值，故变换器子系统需要处理的最大功率为系统总功率的1/4左右。同时，双馈发电机的转子端口电压与定子电压的比值，为转子绕组与定子绕组的变比和双馈发电机实际运行滑差率的绝对值的乘积。一般地，双馈发电机的转子绕组与定子绕组的变比为3:1左右。这样，在双馈发电机的极限运行的转速范围边界上(对应滑差率的绝对值一般为0.33)，双馈发电机的转子端口电压与定子电压的比值在1附近，即此时转子端口电压与定子电压即内部电网电压的数值相当。通常内部电网配置为额定值为690V的交流电，这样，变流器中的机侧变换器和网侧变换器所需处理的电压都在690V级别。上述设计，充分体现了双馈式风力发电机组相对于全功率式风力发电机组的经济性优势。
上述现有的双馈式变流器系统在双馈式风力发电机组停机时，定子支路上的定子接触器K1和主断路器QF0其中至少之一必需断开，否则由于连接至内部电网上的双馈发电机所处的大滑差状态(滑差率为1)引发的高转子电压(可达2100V)直接施加至变换器子系统，会损坏变换器子系统，甚至发生更严重的事故。因为部分风电场的风力状况波动较为频繁，这会导致风力发电机组频繁的启机、停机，而主断路器QF0往往存在有限的机械和电气动作次数限制，故主断路器QF0一般主要承担系统故障及检修时的保护功能，而定子接触器K1则承担风力发电机组正常启机、停机时的闭合、断开操作(此时冲击电流往往不大)。因接触器的动作次数限制比断路器会高出一个数量级以上，这样可保证系统的设计寿命。
上述现有的双馈式变流器系统在风电行业中已得到广泛应用，但其中的定子接触器K1，由于其额定电流较大，在工业上整体用量较小，生产成本往往较高，影响了双馈式变流器系统乃至整个双馈式风力发电机组的经济性。以2.0MW双馈发电机及变流器系统为例，一般需使用2100A的定子接触器，其售价目前大约在3万元人民币以上，而且大电流接触器相对于小电流接触器的允许动作次数更低。对于双馈式风力发电机组，由于变流器系统大多布置在塔基，而双馈发电机一般布置在机舱，其间往往相隔几十米，靠定子、转子电缆或导电轨连接。较长的定子、转子电缆或导电轨在现场容易发生短路，来自电网侧的短路电流会流经现有双馈发电机及变流器系统的定子支路，虽然前级配置有主断路器，但大的短路电流往往会在主断路器动作前就能造成定子接触器的烧结和损坏。
发明内容
本发明要解决的技术问题之一在于，提供一种双馈式变流器系统停机方法，克服现有定子接触器成本高、影响变流器系统乃至整个风力发电机组经济性以及定子接触器存在烧结和损坏风险的缺陷。
本发明要解决的技术问题之二在于，提供一种双馈式风力发电机组停机方法，克服现有定子接触器成本高、影响风力发电机组经济性以及定子接触器存在烧结和损坏风险的缺陷。
本发明解决其技术问题之一所采用的技术方案是：提供一种双馈式变流器系统停机方法，包括变流器、主断路器和网侧保护装置；
该变流器包括通过直流母线连接的机侧变换器和网侧变换器，该机侧变换器连接双馈发电机的转子绕组，该网侧变换器连接定转子支路电气汇集点；
该主断路器连接在定转子支路电气汇集点靠近内部电网一侧的主电路上；
该网侧保护装置连接在该网侧变换器与该定转子支路电气汇集点之间；
与所述双馈式变流器系统配套的双馈发电机的转子绕组与定子绕组的匝比大于1；
其特征在于，该双馈式变流器系统还包括转子侧开关，该转子侧开关连接在该机侧变换器与双馈发电机的转子绕组之间；
所述方法包括，在与所述双馈式变流器系统配套的双馈发电机停机过程中，断开所述转子侧开关，维持所述主断路器闭合。
在本发明的双馈式变流器系统停机方法中，所述网侧保护装置为断路器或熔断器；所述转子侧开关为接触器或晶闸管开关。
在本发明的双馈式变流器系统停机方法中，包括电容组，该电容组为星形接法或三角形接法，连接在所述定转子支路电气汇集点与双馈发电机的定子绕组之间的三相线路上或连接在所述双馈发电机的转子绕组与所述转子侧开关之间的三相线路上。
在本发明的双馈式变流器系统停机方法中，包括维持所述网侧变换器工作并输出容性无功电流，以帮助抵消所述双馈发电机的定子绕组索取的励磁电流。
本发明解决其技术问题之二所采用的技术方案是：提供一种双馈式风力发电机组停机方法，包括塔筒、风机、齿轮箱、双馈发电机、变流器系统、变压器、变桨装置和主控制器；该双馈发电机的转子绕组与定子绕组的匝比大于1；该变流器系统包括变流器、主断路器和网侧保护装置；
该变流器包括通过直流母线连接的机侧变换器和网侧变换器，该机侧变换器连接双馈发电机的转子绕组，该网侧变换器连接定转子支路电气汇集点；
该主断路器连接在定转子支路电气汇集点靠近内部电网一侧的主电路上；
该网侧保护装置连接在该网侧变换器与该定转子支路电气汇集点之间；
其特征在于，该双馈式变流器系统还包括转子侧开关，该转子侧开关连接在该机侧变换器与双馈发电机的转子绕组之间；
所述方法包括，在所述双馈发电机停机过程中，断开所述转子侧开关，维持所述主断路器闭合。
在本发明的双馈式风力发电机组停机方法中，所述网侧保护装置为断路器或熔断器；所述转子侧开关为接触器或晶闸管开关。
在本发明的双馈式风力发电机组停机方法中，包括电容组，该电容组为星形接法或三角形接法，连接在所述定转子支路电气汇集点与双馈发电机的定子绕组之间的三相线路上或连接在所述双馈发电机的转子绕组与所述转子侧开关之间的三相线路上。
在本发明的双馈式风力发电机组停机方法中，包括维持所述网侧变换器工作并输出容性无功电流，以帮助抵消所述双馈发电机的定子绕组索取的励磁电流。
实施本发明的双馈式变流器系统及双馈式风力发电机组停机方法，与现有技术比较，其有益效果是：
1.对于双馈式风力发电机组，在变流器系统中变流器的机侧变换器与双馈发电机的转子绕组之间设置转子侧开关，由于变流器需要处理的最大功率仅为系统总功率的1/4左右，故设置在双馈发电机的转子支路上的开关电流等级远小于设置在双馈发电机定子支路上的开关电流等级，使得本发明设置在发电机转子侧的开关价格要远低于设置在发电机定子侧的开关价格，从而降低现有变流器系统及整个风力发电机组的建设成本，提高系统经济性；以2.0MW双馈式变流器系统为例，其转子侧额定电流可达520A，可使用630A的转子接触器，其售价目前在0.5万元左右，而现有系统一般需采用的2100A的定子接触器的售价大约在3万元以上，而且小电流接触器相对大电流接触器的动作次数限制会更高，故其经济性是相当可观的；
2.对于双馈式风力发电机组，由于变流器系统大多布置在塔基，而双馈发电机一般布置在机舱，其间往往相隔几十米，靠定子、转子电缆或导电轨连接。较长的定子、转子电缆或导电轨在现场容易发生短路，来自电网侧的短路电流会流经现有双馈发电机及变流器系统的定子支路，虽然前级配置有主断路器，但大的短路电流往往会在主断路器动作前就能造成其烧结和损坏。而本发明设置在发电机转子侧的转子侧开关，在定子、转子电缆或导电轨发生短路时，不再流经电网侧的短路电流，而来自变流器的短路电流则受到机侧变换器和控制器的快速限流保护，故不会造成烧结或损坏，从而提升了系统的安全性和可靠性；
3.在双馈发电机停机过程中，断开所述转子侧开关，维持主断路器闭合，可在获得上述有益效果的同时，对部分风力状况波动较为频繁的风电场，在风力发电机组频繁的启机、停机过程中，可有效削弱对主断路器的动作需求，而主要由转子侧开关来执行闭合、断开操作。由于转子侧开关的动作次数限制比断路器会高出一个数量级以上，这样仍可保证系统的设计寿命；
4.当实施本发明提出的变流器系统及双馈式风力发电机组停机方法时，还可通过设置电容组、或采用维持网侧变换器工作并输出容性无功电流、或设置电容组同时采用维持网侧变换器工作并输出容性无功电流的方式，帮助抵消因维持主断路器闭合引发的双馈发电机的定子绕组索取的励磁电流，降低双馈风力发电机组停机后对电网的影响。
附图说明
图1是双馈式风力发电机组基本组成结构示意图。
图2是现有的双馈式变流器系统附加双馈发电机的结构示意图。
图3是本发明双馈式变流器系统附加双馈发电机的结构示意图。
图4是本发明双馈式变流器系统实施例一附加双馈发电机的结构示意图。
图5是本发明双馈式变流器系统实施例二附加双馈发电机的结构示意图。
图6是本发明双馈式变流器系统实施例三附加双馈发电机的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
本发明的双馈式变流器系统停机方法采用如下双馈式变流器系统实现：
如图3所示，该双馈式变流器系统包括变流器、主断路器10(QF0)、网侧保护装置16和转子侧开关12。与双馈式变流器系统配套的双馈发电机100的转子绕组与定子绕组的匝比大于1。
变流器包括通过直流母线14连接的机侧变换器13和网侧变换器15，该机侧变换器13连接双馈发电机100的转子绕组，网侧变换器15连接定转子支路电气汇集点11。
主断路器10连接在双馈发电机100的定转子支路电气汇集点11靠近内部电网一侧的主电路上。
网侧保护装置16连接在网侧变换器15与定转子支路电气汇集点11之间。
转子侧开关12连接在该机侧变换器与双馈发电机的转子绕组之间。
本发明的双馈式变流器系统停机方法包括：在与上述变流器系统配套的双馈发电机正常停机过程中，断开转子侧开关12，维持主断路器10(QF1)闭合。
实施例一
如图4所示，在本实施例中，转子侧开关12采用转子接触器121(K2)，网侧保护装置16采用网侧熔断器161。
通过动作转子接触器121，维持主断路器10闭合，可达到在双馈式风力发电机组正常启机、停机过程中消除双馈发电机大滑差状态可能引发的高感应电压对双馈式变流器系统中机侧变换器及网侧变换器的影响，削弱对主断路器10的动作需求。因接触器的动作次数限制一般远远大于断路器的动作次数限制，从而保证双馈发电机及变流器系统的设计寿命。
当然，在双馈式风力发电机组的正常停机过程中，也可根据应用特点(如现场风力较为稳定、风力发电机组无需频繁启停的风电场)每次都对主断路器10执行无条件的断开操作；或者系统可根据实际停机频率、停机持续时间或断路器动作次数记录等特征对主断路器10作选择性的断开操作。
在双馈式风力发电机组发生严重故障时，则一般需要对定子断路器10执行断开操作。
在其他实施例中，网侧熔断器161可以采用网侧断路器162代替。
为降低在双馈式风力发电机组停机时因维持主断路器10闭合所带来的双馈发电机的定子绕组索取励磁电流的负效应，可以保持网侧变换器维持运行，让其输出一定量的容性无功电流，以抵消双馈发电机的定子绕组索取的励磁电流。
实施例二
如图5所示，在本实施例中，转子侧开关12采用转子接触器121，网侧保护装置16采用网侧熔断器161。
在其他实施例中，网侧熔断器161可以采用网侧断路器162代替。
为降低在双馈式风力发电机组停机时因维持主断路器10闭合所带来的双馈发电机的定子绕组索取励磁电流的负效应，本实施例还设置有电容组17，该电容组采用星形接法，连接在定转子支路电气汇集点11与双馈发电机100的定子绕组之间的三相线路上。
将所述电容组17挂接在定转子支路电气汇集点11与双馈发电机100的定子绕组之间的三相线路上后所产生的容性电流设计为与所述双馈发电机定子侧励磁电流相当，这样，可以达到如下技术效果：双馈式风力发电机组正常停机后，断开转子接触器121，可保持主断路器10闭合，此时双馈发电机的定子绕组索取的励磁电流会被电容组产生的容性电流基本抵消，从而基本不对外部系统产生额外影响。
在其他实施例中，可以将上述电容组17连接在双馈发电机100的转子绕组与转子侧开关12之间的三相线路上，也能够实现降低双馈发电机的定子绕组索取励磁电流的负效应的效果。
此外，风力发电机组正常停机后，还可保持网侧变换器维持运行，让其输出一定量的容性无功电流，全部或部分取代上述电容组产生的容性电流，同样用于抵消双馈发电机的定子绕组索取的励磁电流。
在其它实施例中，还可以同时采用设置电容组17和保持网侧变换器维持运行，让其输出一定量的容性无功电流，两者的容性无功电流共同抵消双馈发电机的定子绕组索取的励磁电流。
在其他实施例中，星形接法的电容组17可以采用三角形接法的电容组代替。
如图6所示，在本实施例中，转子侧开关12采用转子晶闸管开关122(T2)，网侧保护装置16采用网侧熔断器162。
由于双馈发电机转子支路电流通常为定子侧支路电流的1/3左右，故采用由晶闸管反并联组成的三相双向开关，本实施例可达到与实施例一类似的技术效果和经济效益。
在其他实施例中，转子侧开关12可以采用其他可频繁动作的开关。
在其他实施例中，网侧熔断器162可以采用网侧断路器161代替。
在其他实施例中，也可设置电容组，电容组采用星形接法，连接在主断路器10与双馈发电机100的定子绕组之间的三相线路上。
在其他实施例中，星形接法的电容组可以采用三角形接法的电容组代替。
本发明的双馈式风力发电机组停机方法采用如下双馈式风力发电机组实现：该双馈式风力发电机组包括塔筒、风机、齿轮箱、双馈发电机、变流器系统、变压器、变桨装置和主控制器。塔筒、风机、齿轮箱、双馈发电机、变流器系统、变压器、变桨装置和主控制器的连接关系为现有技术，变流器系统采用上述双馈式变流器系统，其结构及其变换如上述，在此不再赘述。
本发明的双馈式风力发电机组停机方法包括，在上述双馈发电机正常停机过程中，断开转子侧开关12，维持主断路器10(QF1)闭合。
为降低在双馈式风力发电机组停机时因维持主断路器10闭合所带来的双馈发电机的定子绕组索取励磁电流的负效应，可以通过包括但不限于如下方式来降低该负效应：
1、设置电容组产生容性电流以抵消双馈发电机的定子绕组索取的励磁电流；
2、保持网侧变换器维持运行，让其输出一定量的容性无功电流以抵消双馈发电机的定子绕组索取的励磁电流；
3、同时采用设置电容组和保持网侧变换器维持运行，让其输出一定量的容性无功电流，两者的容性无功电流共同抵消双馈发电机的定子绕组索取的励磁电流。
具体结构和方法如本发明的双馈式变流器系统停机方法部分所述，在此不再赘述。

Claims (10)

1.一种双馈式变流器系统停机方法，包括变流器、主断路器和网侧保护装置；
该变流器包括通过直流母线连接的机侧变换器和网侧变换器，该机侧变换器连接双馈发电机的转子绕组，该网侧变换器连接定转子支路电气汇集点；
该主断路器连接在定转子支路电气汇集点靠近内部电网一侧的主电路上；
该网侧保护装置连接在该网侧变换器与该定转子支路电气汇集点之间；
与所述双馈式变流器系统配套的双馈发电机的转子绕组与定子绕组的匝比大于1；
其特征在于，该双馈式变流器系统还包括转子侧开关，该转子侧开关连接在该机侧变换器与双馈发电机的转子绕组之间；
所述方法包括，在与所述双馈式变流器系统配套的双馈发电机停机过程中，断开所述转子侧开关，维持所述主断路器闭合。
2.如权利要求1所述的双馈式变流器系统停机方法，其特征在于，所述网侧保护装置为断路器或熔断器；所述转子侧开关为接触器或晶闸管开关。
3.如权利要求1所述的双馈式变流器系统停机方法，其特征在于，包括电容组，该电容组为星形接法或三角形接法，连接在所述定转子支路电气汇集点与双馈发电机的定子绕组之间的三相线路上或连接在所述双馈发电机的转子绕组与所述转子侧开关之间的三相线路上。
4.如权利要求2所述的双馈式变流器系统停机方法，其特征在于，包括电容组，该电容组为星形接法或三角形接法，连接在所述定转子支路电气汇集点与双馈发电机的定子绕组之间的三相线路上或连接在所述双馈发电机的转子绕组与所述转子侧开关之间的三相线路上。
5.如权利要求1至4之一所述的双馈式变流器系统停机方法，其特征在于，包括维持所述网侧变换器工作并输出容性无功电流，以帮助抵消所述双馈发电机的定子绕组索取的励磁电流。
6.一种双馈式风力发电机组停机方法，包括塔筒、风机、齿轮箱、双馈发电机、变流器系统、变压器、变桨装置和主控制器；该双馈发电机的转子绕组与定子绕组的匝比大于1；该变流器系统包括变流器、主断路器和网侧保护装置；
该变流器包括通过直流母线连接的机侧变换器和网侧变换器，该机侧变换器连接双馈发电机的转子绕组，该网侧变换器连接定转子支路电气汇集点；
该主断路器连接在定转子支路电气汇集点靠近内部电网一侧的主电路上；
该网侧保护装置连接在该网侧变换器与该定转子支路电气汇集点之间；
其特征在于，该双馈式变流器系统还包括转子侧开关，该转子侧开关连接在该机侧变换器与双馈发电机的转子绕组之间；
所述方法包括，在所述双馈发电机停机过程中，断开所述转子侧开关，维持所述主断路器闭合。
7.如权利要求6所述的双馈式风力发电机组停机方法，其特征在于，所述网侧保护装置为断路器或熔断器；所述转子侧开关为接触器或晶闸管开关。
8.如权利要求6所述的双馈式风力发电机组停机方法，其特征在于，包括电容组，该电容组为星形接法或三角形接法，连接在所述定转子支路电气汇集点与双馈发电机的定子绕组之间的三相线路上或连接在所述双馈发电机的转子绕组与所述转子侧开关之间的三相线路上。
9.如权利要求7所述的双馈式风力发电机组停机方法，其特征在于，包括电容组，该电容组为星形接法或三角形接法，连接在所述定转子支路电气汇集点与双馈发电机的定子绕组之间的三相线路上或连接在所述双馈发电机的转子绕组与所述转子侧开关之间的三相线路上。
10.如权利要求6至9之一所述的双馈式风力发电机组停机方法，其特征在于，包括维持所述网侧变换器工作并输出容性无功电流，以帮助抵消所述双馈发电机的定子绕组索取的励磁电流。
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