CN106058913B - 一种风力发电机组及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机组，包括控制单元、变流器、双馈发电机组和开关单元，双馈发电机组的定子中每相绕组中的绕组单元的首尾两端均引出发电机本体外部，并经开关单元连接至工频电网，转子则与变流器连接，控制单元分别与双馈发电机组和开关单元相连、用于根据风况或双馈发电机组的工作状态控制开关单元的切换状态以改变定子三相绕组的连接方式。本发明的发电机组具有结构简单、发电效率高等优点。本发明的风力发电机组的控制方法，控制单元根据风况以及双馈发电机组的状态，控制开关单元的切换，改变三相绕组的连接方式以适用于不同的工况。本发明的控制方法具有操作简便、易于实现等优点。

Description

一种风力发电机组及控制方法

技术领域

本发明主要涉及风力发电技术领域，特指一种风力发电机组及控制方法。

背景技术

风电机组是将风能转化为电能的装备。自然风的风速通常在一个较大的范围内变化，为了从自然风中获取更多的能量，叶尖旋转的速度与风机的转速之比要满足一定的函数条件，这要求风电机组必须变速运行。

从这个角度思考风电机组，风电机组的电气系统实际上是以变频调速为核心的电传动系统，是电力电子变流器与发电机的集成系统，是发电系统与电网的集成系统。而更高的传动效率、更宽的调速范围、更经济的调速成本，是电气传动系统永恒追求的目标。而目前的双馈发电机组，定子绕组连接方式固定，但由于定子直接连接到电网，而电网电压固定，相对固定的铁损在小功率运行时所占比例大，因此小功率运行时效率差。

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，本发明提供一种结构简单、操作简便、功能全面、发电效率高的风力发电机组，并相应提供一种操作简便的控制方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种风力发电机组，包括控制单元、变流器、双馈发电机组和叶轮，所述双馈发电机组与叶轮机械连接，所述双馈发电机组的转子与变流器连接，还包括开关单元，所述双馈发电机组的定子中每相绕组中的绕组单元的首尾两端均引出发电机本体外部，并经开关单元连接至工频电网，所述控制单元分别与双馈发电机组和开关单元相连、用于根据风况或双馈发电机组的工作状态控制开关单元的切换状态以改变定子三相绕组的连接方式，所述定子三相绕组的连接方式包括三相绕组的星-三角形和/或每相绕组中多个绕组单元之间的串并联。

作为上述技术方案的进一步改进：

每相绕组中包括两组绕组单元，分别为U1-U1＇、U2-U2＇、V1-V1＇、V2-V2＇、W1-W1＇和W2-W2＇，所述开关单元包括第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3、第四开关K4和第五开关K5，所述U1-U1＇的U1端、V1-V1＇的V1端，W1-W1＇的W1端分别连接至工频电网且通过第五开关连接至U2、V2、W2端，所述U2、V2、W2端经第二开关后与U1＇、V1＇、W1＇端相连，所述U1＇、V1＇、W1＇端经第三开关分别与U2＇、V2＇、W2＇端相连，所述U2＇、V2＇、W2＇端经第一开关后短接，所述U2＇、V2＇、W2＇端经第四开关分别与V1、W1、U1端相连。

本发明还公开了一种基于如上所述的风力发电机组的控制方法，包括以下步骤：

S01、将双馈发电机组定子中三相绕组中的各绕组单元的首尾两端均引出至发电机本体外部，并经开关单元连接至工频电网；

S02、控制单元根据风况以及双馈发电机组的状态，控制开关单元的切换，改变三相绕组的连接方式以适用于不同的工况，所述三相绕组的连接方式包括三相绕组的星-三角形切换和/或各相绕组中绕组单元之间的串并联切换。

作为上述技术方案的进一步改进：

当K1、K2闭合，K3、K4、K5断开时，定子的三相绕组星形连接且各相绕组中绕组单元相互串联；当K2、K4闭合， K1、K3、K5断开时，定子的三相绕组三角形连接且各相绕组中绕组单元相互串联；当K1、K3、K5闭合，K2、K4断开时，定子的三相绕组星形连接且各相绕组中绕组单元相互并联；当K3、K4、K5闭合，而K1、K2断开时，定子的三相绕组三角形连接且各相绕组中绕组单元相互并联。

在步骤S02中，控制单元根据风速以及双馈发电机组的运行功率来控制开关单元的切换。

所述三相绕组的连接方式包括任意两种连接方式的组合、或任意三种连接方式的组合、或四种连接方式的组合。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的风力发电机组，通过开关单元的状态切换，能够提升风电机组在不同风速阶段的发电效率；改变双馈电机定子绕组的连接形式，拓展双馈风电机组的调速范围，实现更低的风速下并网发电，同时配合整机的空气动力特性，提升风能利用系数Cp，从风能中提取更多的能量输入；通过减少发电机与变流器构成的调速系统的损耗，提升当前双馈机组在低风速段的发电效率，提升风电机组的发电量。本发明的开关单元结构简单、操作简便且易于实现。本发明的风力发电机组的控制方法不仅具有如上风电机组所述的优点，而且操作简便。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的开关单元结构示意图。

图3为本发明在单绕组单元时的开关单元的结构示意图。

图4为本发明工作模式2和4切换时的开关单元的结构示意图。

图5为本发明工作模式3和1切换时的开关单元的结构示意图。

图中标号表示：1、叶轮；2、双馈发电机组；3、变流器；4、滤波单元；5、开关单元；6、控制单元；7、并网单元。

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至图5所示，本实施例的风力发电机组，包括控制单元6、变流器3、双馈发电机组2和叶轮1，双馈发电机组2与叶轮1机械连接，双馈发电机组2的定子连接至工频电网（或通过并网单元7连接至工频电网），转子连接至变流器3，双馈发电机组2的定子中每相绕组中的绕组单元的首尾两端均引出发电机本体外部，并经一开关单元5连接至并网单元7，再连接至工频电网，其中开关单元5与双馈发电机组2之间设置有滤波单元4，控制单元6分别与双馈发电机组2和开关单元5相连、用于根据风况或双馈发电机组2的工作状态控制开关单元5的切换状态以改变定子三相绕组的连接方式，定子三相绕组的连接方式包括三相绕组的星形或三角形、以及每相绕组中多个绕组单元之间的串或并联。本发明的风力发电机组，通过开关单元5的状态切换，能够提升风电机组在不同风速阶段的发电效率；改变双馈电机定子绕组的连接形式，拓展双馈风电机组的调速范围，实现更低的风速下并网发电，同时配合整机的空气动力特性，提升风能利用系数Cp，从风能中提取更多的能量输入；通过减少发电机与变流器3构成的调速系统的损耗，提升当前双馈机组在低风速段的发电效率，提升风电机组的发电量。

本实施例中，每相绕组中包括两组绕组单元，分别为U1-U1＇、U2-U2＇、V1-V1＇、V2-V2＇、W1-W1＇和W2-W2＇，开关单元5包括第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3、第四开关K4和第五开关K5，U1-U1＇的U1端、V1-V1＇的V1端，W1-W1＇的W1端分别连接至工频电网且通过第五开关连接至U2、V2、W2端，U2、V2、W2端经第二开关后与U1＇、V1＇、W1＇端相连，U1＇、V1＇、W1＇端经第三开关分别与U2＇、V2＇、W2＇端相连，U2＇、V2＇、W2＇端经第一开关后短接，U2＇、V2＇、W2＇端经第四开关分别与V1、W1、U1端相连。在具体应用中，可只采用其中两种连接方式的组合、或者三种连接方式的组合，此开关单元结构简单、易于实现。

本发明还公开了一种基于如上所述的风力发电机组的控制方法，包括以下步骤：

S01、将双馈发电机组2定子中三相绕组中的各绕组单元的首尾两端均引出至发电机本体外部，并经开关单元5连接至工频电网；

S02、控制单元6根据风况（风速）以及双馈发电机组2的状态（功率），控制开关单元5的切换，改变三相绕组的连接方式以适用于不同的工况，三相绕组的连接方式包括三相绕组的星-三角形切换和/或各相绕组中绕组单元之间的串并联切换。

本发明的风力发电机组的控制方法根据风速，智能重构发电机-变流器3运行特性，实现全范围最优运行，提高系统效率；拓展系统调速范围，实现低风速段的最优Cp运行，提升机组获取风能的效率；系统特性与运行功率相匹配，减少谐波，提升功率因素，提升全范围运行特性。

本实施例中，当开关单元5中的K1、K2闭合，K3、K4、K5断开时，定子的三相绕组星形连接且各相绕组中绕组单元相互串联；当K2、K4闭合， K1、K3、K5断开时，定子的三相绕组三角形连接且各相绕组中绕组单元相互串联；当K1、K3、K5闭合，K2、K4断开时，定子的三相绕组星形连接且各相绕组中绕组单元相互并联；当K3、K4、K5闭合，而K1、K2断开时，定子的三相绕组三角形连接且各相绕组中绕组单元相互并联，以下提供几种工作模式的应用以及控制过程：

工作模式1：如检测到风速小，或机组需要工作在小功率状态下，控制单元6发出信号，控制开关单元5的K1、K2吸合，K3、K4、K5断开，此时定子的三相绕组星形连接且各相绕组中绕组单元相互串联；K1、K2吸合成功后，将反馈信号送入控制单元6，控制单元6将此时发电机的等值模型参数传给变流器3，变流器3根据设置的电机等值模型参数，控制发电机运行。此时，发电机的铁损较额定工况时降低很多，发电机的效率得到提升；变流器3的励磁电流也降低很多，变流器3的运行效率得到提升，风电机组的发电效率得到提升；同时，发电机-变流器3系统的调速范围扩大，提高了风电机组的Cp；在以上因素共同作用下，风电机组的发电量得到提升。当风速升高到一定值并且该风速维持一段时间后，控制单元6控制开关单元5进行模式转换；或者当风速高于某个阀值后，控制单元6控制开关单元5无迟滞向其它模式转换。

工作模式2：如检测到风速增大，或机组需要在大些的功率状态下运行，控制单元6发出信号，控制位于开关单元5内的K2、K4吸合，而K1、K3、K5断开，此时定子的三相绕组三角形连接且各相绕组中绕组单元相互串联；K2、K4吸合成功后，将反馈信号送入控制单元6，控制单元6将此时发电机的等值模型参数传给变流器3，变流器3根据设置的电机等值模型参数，控制发电机运行。此时，发电机的铁损较额定工况时降低很多，发电机的效率得到提升；变流器3的励磁电流也降低，变流器3的运行效率得到提升，风电机组的发电效率得到提升；同时，发电机-变流器3系统的调速范围扩大，提高了风电机组的Cp；在以上因素共同作用下，风电机组的发电量得到提升。当风速升高到一定值并且该风速维持一段时间后，控制单元6控制开关单元5进行模式转换；或者当风速高于某个阀值后，控制单元6控制开关单元5无迟滞进行转换；同理，当风速降低到某个值并且持续某段时间，控制单元6控制开关单元5进行模式转换，或者当风速低于某阀值，控制单元6控制开关单元5进行无时间迟滞转换。

工作模式3：如检测到风速进一步增大，或机组需要在再大些的功率状态下运行，控制单元6发出信号，控制位于开关单元5内的K1、K3、K5吸合，而K2、K4断开，此时定子的三相绕组星形连接且各相绕组中绕组单元相互并联；K1、K3、K5吸合成功后，将反馈信号送入控制单元6，控制单元6将此时发电机的等值模型参数传给变流器3，变流器3根据电机等值模型参数，控制发电机运行。当风速升高到一定值并且该风速维持一段时间后，控制单元6控制开关单元5进行模式转换；或者当风速高于某个阀值后，控制单元6控制开关单元5无迟滞进行转换；同理，当风速降低到某个值并且持续某段时间，控制单元6控制开关单元5进行模式转换，或者当风速低于某阀值，控制单元6控制开关单元5进行无时间迟滞转换。

工作模式4：如检测到风速再增大，或机组需要在更大些的功率状态下运行，控制单元6发出信号，控制位于开关单元5内的K3、K4、K5吸合，而K1、K2断开，此时定子的三相绕组三角形连接且各相绕组中绕组单元相互并联；K3、K4、K5吸合成功后，将反馈信号送入控制单元6，控制单元6将此时发电机的等值模型参数传给变流器3，变流器3根据重置后的等值参数，控制发电机运行，此时发电机可以运行到额定功率下，在较大功率下，可以获得最佳运行效率。当风速升高到一定值并且该风速维持一段时间后，控制单元6控制开关单元5进行模式转换；或者当风速高于某个阀值后，控制单元6控制开关单元5无迟滞进行转换；同理，当风速降低到某个值并且持续某段时间，控制单元6控制开关单元5进行模式转换，或者当风速低于某阀值，控制单元6控制开关单元5进行无时间迟滞转换。

本实施例中，风电机组的控制系统根据风况及自身运行条件，自动在上述四种工作模式间切换，使电机特性与运行状态达到最优匹配，以获得最高效率。另外，如果每相绕组中只有一组绕组单元（或者虽有多个绕组单元，但多个绕组单元并联）时，则开关单元5可简化为如图3所示的结构，只由K1和K4组成，K2、K3、K5可简化为导线。另外如果只在工作模式2和工作模式4之间进行切换，则开关单元5可以简化为如图4所示，只由只由K2、K3和K5组成，K1、K4可简化为导线；如仅在工作模式3和工作模式1之间转换的情况，则开关单元5内部的电路连接可以简化为如图5所示的结构，只由K2、K3和K5组成，K1、K4可简化为导线；如果在三种工作模式之间切换，按图2所示的开关组件进行切换。

本实施例中，在进行模式切换时，如当风速或运行功率高于某个值a，且持续一个时间段b后，机组进行模式切换；当风速或运行功率低于某个值c且持续一个时间段d后，机组进行模式切换；或者，当风速或功率高于某个值e，机组立即进行模式切换（没有人为设置的延迟时间）；当风速或功率低于某个值f，机组立即进行模式切换（没有人为设置的延迟时间），其中e＞a，f＜c。另外当运行模式改变后，控制单元6通过通讯将电机参数传给变流器3，变流器3进行参数重置后进运行控制；或者开关单元5将反馈信号送入变流器3，变流器3自动进行参数重置；或者将代码送入变流器3，变流器3根据代码进行参数重置；或者变流器3采用不依赖电机参数（或对电机参数依赖性小）的控制算法运行。

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 (2)

1.一种风力发电机组，包括控制单元（6）、变流器（3）、双馈发电机组（2）和叶轮（1），所述双馈发电机组（2）与叶轮（1）机械连接，所述双馈发电机组（2）的转子与变流器（3）连接，其特征在于，风力发电机组还包括开关单元（5），所述双馈发电机组（2）的定子中每相绕组中的绕组单元的首尾两端均引出发电机本体外部，并经开关单元（5）连接至工频电网，所述控制单元（6）分别与双馈发电机组（2）和开关单元（5）相连、用于根据风况或双馈发电机组（2）的工作状态控制开关单元（5）的切换状态以改变定子三相绕组的连接方式，所述定子三相绕组的连接方式包括三相绕组的星-三角形和每相绕组中多个绕组单元之间的串并联，具体为：定子三相绕组星形连接且各相绕组中绕组单元相互串联；定子三相绕组三角形连接且各相绕组中绕组单元相互串联；定子三相绕组星形连接且各相绕组中绕组单元相互并联；定子三相绕组三角形连接且各相绕组中绕组单元相互并联；所述风况为风速；所述双馈发电机组的工作状态为运行功率；

每相绕组中包括两组绕组单元，分别为U1-U1＇、U2-U2＇、V1-V1＇、V2-V2＇、W1-W1＇和W2-W2＇，所述开关单元（5）包括第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3、第四开关K4和第五开关K5，所述U1-U1＇的U1端、V1-V1＇的V1端，W1-W1＇的W1端分别连接至工频电网且通过第五开关连接至U2、V2、W2端，所述U2、V2、W2端经第二开关后与U1＇、V1＇、W1＇端相连，所述U1＇、V1＇、W1＇端经第三开关分别与U2＇、V2＇、W2＇端相连，所述U2＇、V2＇、W2＇端经第一开关后短接，所述U2＇、V2＇、W2＇端经第四开关分别与V1、W1、U1端相连。

2.一种基于如权利要求1所述的风力发电机组的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S01、将双馈发电机组（2）定子中三相绕组中的各绕组单元的首尾两端均引出至发电机本体外部，并经开关单元（5）连接至工频电网；

S02、控制单元（6）根据风况以及双馈发电机组（2）的状态，控制开关单元（5）的切换，改变三相绕组的连接方式以适用于不同的工况，所述三相绕组的连接方式包括三相绕组的星-三角形切换和各相绕组中绕组单元之间的串并联切换；

在步骤S02中，控制单元（6）根据风速以及双馈发电机组（2）的运行功率来控制开关单元（5）的切换；

如检测到风速小，或机组需要工作在小功率状态下时，K1、K2闭合，K3、K4、K5断开，定子的三相绕组星形连接且各相绕组中绕组单元相互串联；如检测到风速增大，或机组需要在大些的功率状态下运行，K2、K4闭合， K1、K3、K5断开，定子的三相绕组三角形连接且各相绕组中绕组单元相互串联；如检测到风速进一步增大，或机组需要在再大些的功率状态下运行，K1、K3、K5闭合，K2、K4断开，定子的三相绕组星形连接且各相绕组中绕组单元相互并联；如检测到风速再增大，或机组需要在更大些的功率状态下运行，K3、K4、K5闭合，K1、K2断开，定子的三相绕组三角形连接且各相绕组中绕组单元相互并联。