CN105162376A

CN105162376A - 一种双馈风电机组发电机控制方法及发电机

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Publication number: CN105162376A
Application number: CN201510602579.3A
Authority: CN
Inventors: 唐建平; 王宝归; 陈世超; 臧晓笛; 王靛; 王立鹏; 阮向艳; 袁莹; 李音泉; 郭凯平
Original assignee: CSR Zhuzou Institute Co Ltd
Current assignee: CRRC Zhuzhou Institute Co Ltd
Priority date: 2015-09-21
Filing date: 2015-09-21
Publication date: 2015-12-16
Anticipated expiration: 2035-09-21
Also published as: CN105162376B

Abstract

本发明公开了一种双馈风电机组发电机的控制方法，在双馈风电机组发电机的正常发电状态时，实时检测发电机的运行转速；当发电机的转速低于预设最低发电转速时，发电机的定子三相绕组从正常运行时的三角形连接切换至星形连接继续进行发电。本发明还公开了一种双馈风电机组发电机，定子三相绕组与公共电网相连，转子三相绕组与变流器的输出端相连，定子三相绕组中设有用于将定子三相绕组的连接方式在星形和三角形之间切换的切换开关，切换开关在双馈风电机组发电机的转速低于预设最低发电转速时，将定子三相绕组的连接方式从正常运行的三角形连接切换至星形连接。本发明的控制方法及发电机均具有可提高发电机在低速段的发电量等优点。

Description

一种双馈风电机组发电机控制方法及发电机

技术领域

本发明主要涉及风力发电技术领域，特指一种双馈风电机组发电机控制方法及发电机。

背景技术

目前，风电机组关键技术指标为发电性能和可靠性，而发电性能作为风电机组运营商最为关心的指标，直接影响风电机组的市场前景；由于双馈风电机组受到变流器额定输出电压及容量的限制，其正常运行转速范围较窄，导致其在低风速段不能运行或者运行效率很低；对于现有定子绕组结构的双馈异步发电机，其通过定子接触器直接与电网连接，在整个正常运行转速区间内，定子绕组连接型式始终保持不变(D连接型式或Y连接型式)，为此，当发电机转速较低的时候，由于转差率较大，使发电机转子电压超过变流器最大输出电压的能力，导致变流器失去对发电机的控制能力，引起风电机组保护停机。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种操作简便、可增大发电机的正常运行转速范围，提高双馈风电机组在低风速区间段发电量的双馈风电机组发电机控制方法，并相应提供一种结构简单的双馈风电机组发电机。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种双馈风电机组发电机的控制方法，包括以下步骤：

S01、在双馈风电机组发电机的正常发电状态时，实时检测发电机的运行转速；

S02、当发电机的转速低于预设最低发电转速时，发电机的定子三相绕组从正常运行时的三角形连接切换至星形连接继续进行发电。

作为本发明的进一步改进：

所述发电机的定子三相绕组处于正常运行时的三角形连接状态时，预设最低发电转速n＝n_minD+Δn，其中n_minD为定子三相绕组处于三角形连接状态时的最低发电转速，Δn为转速余量值，10r/min<Δn<50r/min，其中n_minD＝2·n_s-n_max，n_s为发电机的同步转速，n_max为发电机的最大运行转速。

在步骤S02中，在发电机的定子三相绕组处于星形连接状态时，当发电机的运行转速n≥n_minD+Δn₁时，将定子三相绕组再由星形连接切换到三角形连接，其中10r/min<Δn₁<50r/min，Δn₁-Δn>20r/min。

在步骤S02中，在发电机的定子三相绕组处于星形连接状态时，当发电机的运行转速n≤n_minY+Δn₂时，停止发电机的运行，进入同步并网状态；其中n_minY为发电机在定子三相绕组处于星形连接状态时的最低发电转速，Δn₂为转速余量值，10r/min<Δn₂<50r/min，其中

n_{\min Y} = (1 + \sqrt{3}) \cdot n_{s} - \sqrt{3} \cdot n_{m a x} .

本发明相应的公开了一种双馈风电机组发电机，包括定子三相绕组和转子三相绕组，所述定子三相绕组与公共电网相连，所述转子三相绕组与变流器的输出端相连，其特征在于，所述定子三相绕组中设有用于将定子三相绕组的连接方式在星形和三角形之间切换的切换开关，所述切换开关在双馈风电机组发电机的转速低于预设最低发电转速时，将定子三相绕组的连接方式从正常运行的三角形连接切换至星形连接。

作为上述发电机的进一步改进：

所述切换开关包括五个反并联半导体器件，分别为D1、D2、D3、D4、D5，其中D4连接定子三相绕组的U相与V相，所述D5连接V相与W相，所述D1连接U相的首端和V相的末端，所述D2连接V相的首端和W相的末端，所述D3连接W相的首端与U相的末端；所述D1、D2、D3处于导通状态而D4、D5处于断开状态时，所述定子三相绕组处于三角形连接状态；当所述D1、D2、D3处于断开状态而D4、D5处于导通状态时，所述定子三相绕组处于星形连接状态。

所述反并联半导体器件为反并联晶闸管。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的双馈风电机组发电机控制方法，当发电机的转速处于低速区间时，将发电机的定子三相绕组从三角形连接切换至星形连接，降低发电机低转速区间的转子电压，确保在低转速区间内变流器对发电机的控制能力，从而增大发电机的正常运行转速范围，提高双馈风电机组在低风速区间段的发电量。本发明的双馈风电机组发电机同样具有以上方法所述的优点，而且结构简单、操作简便、易于实现。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

图2为本发明的发电机的结构示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示，本实施例的双馈风电机组发电机的控制方法，包括以下步骤：

本发明的双馈风电机组发电机控制方法，当发电机的转速处于低速区间时，将发电机的定子三相绕组从三角形连接切换至星形连接，降低发电机低转速区间的转子电压，确保在低转速区间内变流器对发电机的控制能力，从而增大发电机的正常运行转速范围，提高双馈风电机组在低风速区间段的发电量。

本实施例中，发电机的定子三相绕组处于正常运行时的三角形连接状态时，预设最低发电转速n＝n_minD+Δn，其中n_minD为定子三相绕组处于三角形连接状态时的最低发电转速，Δn为转速余量值，10r/min<Δn<50r/min，其中

n_minD＝2·n_s-n_max

n_s为发电机的同步转速，n_max为发电机的最大运行转速。

本实施例中，在步骤S02中，在发电机的定子三相绕组处于星形连接状态时，当发电机的运行转速n≥n_minD+Δn₁时，将定子三相绕组再由星形连接切换到三角形连接，其中10r/min<Δn₁<50r/min，Δn₁-Δn>20r/min；当发电机的运行转速n≤n_minY+Δn₂时，停止发电机的运行，进入同步并网状态；其中n_minY为发电机在定子三相绕组处于星形连接状态时的最低发电转速，Δn₂为转速余量值，10r/min<Δn₂<50r/min，其中

n_{\min Y} = (1 + \sqrt{3}) \cdot n_{s} - \sqrt{3} \cdot n_{m a x} .

下面结合实例对发电机进行定子三相绕组的连接方式切换以提高发电量的原理介绍如下：假设双馈风电机组发电机额定运行转速为n_N，同步转速为n_s，实际运行转速为n，最大运行转速为n_max(对于双馈风电机组发电机而言，n_max>n_s)，在定子绕组为D连接型式下，双馈发电机最小转速为n_minD，转子额定开路电压为U_roD，在定子绕组为Y连接型式下，双馈发电机最小转速为n_minY，转子额定开路电压为U_roY。

发电机定子绕组在D连接型式下的额定开路电压的选择为：

\frac{n_{m a x} - n_{s}}{n_{s}} \cdot U_{r o D} \leq U_{c g}

根据变流器输出电压能力最大利用原则：

则：

\frac{n_{m a x} - n_{s}}{n_{s}} \cdot U_{r o D} = U_{c g}

U_{r o D} = U_{c g} \cdot \frac{n_{s}}{n_{m a x} - n_{s}}

如果双馈风电机组整个运行转速区间内，发电机定子绕组连接型式保持D连接型式不改变的情况下，发电机允许运行转速为：

\frac{| n_{s} - n |}{n_{s}} \cdot U_{r o D} \leq U_{c g}

\frac{| n_{s} - n |}{n_{s}} \cdot U_{c g} \cdot \frac{n_{s}}{n_{m a x} - n_{s}} \leq U_{c g}

\frac{| n_{s} - n |}{n_{m a x} - n_{s}} \leq 1

2n_s-n_max≤n≤n_max

则双馈风电机组发电机允许运行的最低转速为：

n_minD＝2·n_s-n_max

当发电机转速n≤n_minD时，由于此时转子所需的控制电压超过变流器最大输出电压U_cg，如果不改变发电机绕组连接型式，则双馈风电机组发电机超出变流器的控制范围而停机。

为了增大双馈风电机组正常运行转速范围，提高风电机组在低风速区段内的发电量，当发电机转速n≤n_minD时，通过控制定子绕组各个连接晶闸管的通断状态，将发电机定子绕组结构由D连接型式更改为Y连接型式，来降低发电机的转子工作电压到变流器最大输出电压U_cg以下，确保发电机在低速区间内受变流器的控制，使发电机正常运行转速区间增大。

发电机定子绕组由D型连接更改为Y型连接后，其定子绕组额定相电压降低倍，同时，发电机转子额定开路电压也降低倍，即则在此情况下，风电机组允许运行转速范围为：

\frac{n_{s} - n_{\min Y}}{n_{s}} \cdot U_{r o Y} \leq U_{c g}

\frac{n_{s} - n_{\min Y}}{n_{s}} \cdot \frac{U_{c g}}{\sqrt{3}} \cdot \frac{n_{s}}{n_{m a x} - n_{s}} \leq U_{c g}

\frac{n_{s} - n_{\min Y}}{n_{m a x} - n_{s}} \leq \sqrt{3}

n_{\min Y} &GreaterEqual; (1 + \sqrt{3}) \cdot n_{s} - \sqrt{3} \cdot n_{m a x}

则：在发电机定子绕组为Y型连接的情况下，发电机的最低运行转速为：

n_{\min Y} = (1 + \sqrt{3}) \cdot n_{s} - \sqrt{3} \cdot n_{m a x}

由于n_max>n_s，则n_minY<n_minD。

本发明还公开了一种双馈风电机组发电机，包括定子三相绕组和转子三相绕组，如图2所示，其中U1U2、V1V2、W1W2分别为发电机定子三相绕组，K、L、M分别为发电机转子三相绕组，L1、L2、L3表示三相公共电网，发电机定子三相绕组直接与其相连，K1、L1、M1表示机侧变流器输出的三相电源，发电机转子三相绕组直接与其连接，定子三相绕组中设有用于将定子三相绕组的连接方式在星形和三角形之间切换的切换开关，切换开关在双馈风电机组发电机的转速低于预设最低发电转速时，将定子三相绕组的连接方式从正常运行的三角形连接切换至星形连接，从而降低发电机低转速区间的转子电压，确保在低转速区间内变流器对发电机的控制能力，增大发电机的正常运行转速范围，提高双馈风电机组在低风速区间段的发电量。

本实施例中，切换开关包括五个反并联半导体器件，分别为D1、D2、D3、D4、D5，其中D4连接定子三相绕组的U相与V相，D5连接V相与W相，D1连接U相的首端和V相的末端，D2连接V相的首端和W相的末端，D3连接W相的首端与U相的末端；D1、D2、D3处于导通状态而D4、D5处于断开状态时，定子三相绕组处于三角形连接状态；当D1、D2、D3处于断开状态而D4、D5处于导通状态时，定子三相绕组处于星形连接状态。本实施例中的反并联半导体器件为半控半导体器件(如晶闸管)，也可以为全控半导体器件(如IGBT、IGCT、IEGT等)。

本实施例中，发电机的切换开关可以与发电机集成在一起，也可以独立于发电机之外；发电机的定子绕组可以直接连接至公共电网，也可以通过断路器或接触器等开关器件连接至电网。

本发明的双馈风电机组发电机结合上述的控制方法后的具体工作过程如下：

假设D1～D5的开关逻辑分别为S1～S5，其中1代表导通；0代表断开。

首先，风机处于等风状态，当风速达到切入风速时，S1＝1、S2＝1、S3＝1、S4＝0、S5＝0，机侧变流器进入控制程序一段，同时启动风电机组，进入同步并网状态；同步成功后，风电机组进入发电状态；在发电状态时，当发电机的转速n≤n_minD+Δn，此时S1＝0、S2＝0、S3＝0、S4＝1、S5＝1；即定子三相绕组进入星形连接，机侧变流器进入控制程序二段，风电机组正常运行；如n≥n_minD+Δn₁，即转速上升至一定速度，再切换至三角形连接，如n≤n_minY+Δn₂，停止发电机进入准备状态。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种双馈风电机组发电机的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的双馈风电机组发电机的控制方法，其特征在于，所述发电机的定子三相绕组处于正常运行时的三角形连接状态时，预设最低发电转速n＝n_minD+Δn，其中n_minD为定子三相绕组处于三角形连接状态时的最低发电转速，Δn为转速余量值，10r/min<Δn<50r/min，其中n_minD＝2·n_s-n_max，n_s为发电机的同步转速，n_max为发电机的最大运行转速。

3.根据权利要求2所述的双馈风电机组发电机的控制方法，其特征在于，在步骤S02中，在发电机的定子三相绕组处于星形连接状态时，当发电机的运行转速n≥n_minD+Δn₁时，将定子三相绕组再由星形连接切换到三角形连接，其中10r/min<Δn₁<50r/min，Δn₁-Δn>20r/min。

4.根据权利要求3所述的双馈风电机组发电机的控制方法，其特征在于，在步骤S02中，在发电机的定子三相绕组处于星形连接状态时，当发电机的运行转速n≤n_minY+Δn₂时，停止发电机的运行，进入同步并网状态；其中n_minY为发电机在定子三相绕组处于星形连接状态时的最低发电转速，Δn₂为转速余量值，10r/min<Δn₂<50r/min，其中

n_{\min Y} = (1 + \sqrt{3}) \cdot n_{s} - \sqrt{3} \cdot n_{m a x} .

5.一种双馈风电机组发电机，包括定子三相绕组和转子三相绕组，所述定子三相绕组与公共电网相连，所述转子三相绕组与变流器的输出端相连，其特征在于，所述定子三相绕组中设有用于将定子三相绕组的连接方式在星形和三角形之间切换的切换开关，所述切换开关在双馈风电机组发电机的转速低于预设最低发电转速时，将定子三相绕组的连接方式从正常运行的三角形连接切换至星形连接。

6.根据权利要求5所述的双馈风电机组发电机，其特征在于，所述切换开关包括五个反并联半导体器件，分别为D1、D2、D3、D4、D5，其中D4连接定子三相绕组的U相与V相，所述D5连接V相与W相，所述D1连接U相的首端和V相的末端，所述D2连接V相的首端和W相的末端，所述D3连接W相的首端与U相的末端；所述D1、D2、D3处于导通状态而D4、D5处于断开状态时，所述定子三相绕组处于三角形连接状态；当所述D1、D2、D3处于断开状态而D4、D5处于导通状态时，所述定子三相绕组处于星形连接状态。

7.根据权利要求6所述的双馈风电机组发电机，其特征在于，所述反并联半导体器件为反并联晶闸管。