CN106160606B - 风力发电系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种风力发电系统和其控制方法在此公开。风力发电系统包含双馈式发电机、机侧变换器、网侧变换器和辅助变换器。双馈式发电机包含转子绕组和定子绕组。定子绕组耦接于电网。机侧变换器耦接于转子绕组。网侧变换器耦接于机侧变换器和电网之间。辅助变换器包含第一侧和第二侧。第一侧耦接于定子绕组。第二侧耦接于机侧变换器和网侧变换器之间。机侧变换器、网侧变换器和辅助变换器共用直流母线。本公开可有效改善双馈式风力发电系统在低风速时发电效率较低的情况。
Description
技术领域
本发明涉及一种风力发电系统，且特别涉及一种双馈式风力发电系统。
背景技术
近年来风力发电技术利用电力电子转换器(例如结合高级控制系统的交流/直流/交流转换器)让市电频率与机械转子频率能够互相解耦，使风力发电机组得以在变速状态下运转，因此变速风力发电机组在近几年有着显著的进展。
目前在百万瓦特(MW)级风力发电系统中，主要分为全功率风力发电系统和双馈式(Doubly-fed)风力发电系统。全功率风力发电系统主要包含由全功率发电机和全功率变换器组成的全功率风力发电机组。请参照图1，图1绘示了传统的一种全功率风力发电系统100的示意图。全功率风力发电系统100包含风机110、全功率发电机120、机侧变换器130、网侧变换器140、直流母线150。风机110耦接于全功率发电机120。发电机120的定子绕组121通过开关SW1耦接于机侧变换器130。机侧变换器130与网侧变换器140共用直流母线150。网侧变换器140则是通过开关SW2耦接于电网160。
风机110可通过叶轮111将风能转换为机械转距(叶轮转动惯量)，并且通过全功率发电机120转换为电能。发电机120输出的电能则通过机侧变换器130和网侧变换器140的转换传输至电网160。在全功率风力发电系统100中，机侧变换器130和网侧变换器140为全功率变换器。换句话说，机侧变换器和网侧变换器用以处理全部的输出功率。全功率发电机120可为永磁同步发电机、电励磁发电机或感应发电机等等。在传统的另一实施方式中，风机110还可通过齿轮箱(未绘示于图中)耦接于发电机120。齿轮箱可以将很低的叶轮转速变为很高的发电机转速。
全功率风力发电机组的优点是发电操作的范围宽、切入风速低且对电网的适应性好。然而，由于全功率发电机和全功率变换器的价格昂贵(例如：机侧变换器130和网侧变换器140采用大容量的变换器)，使得全功率风力发电机组的制作成本高。
另外，双馈式风力发电系统主要包含由双馈式感应发电机和双馈式变换器组成的双馈式风力发电机组。双馈式风力发电机组的优点是其设备的价格相较于全功率发电机组便宜许多，可降低成本。然而，双馈式风力发电机组的缺点是在低风速下发电效率较低，在低转速下损耗较大，并且变流器中电子器件耐压受发电机转速范围限制,使得发电运行范围窄。
因此，如何提供一种高效率且高性价比的风力发电系统，是业界亟待解决的问题。
发明内容
本发明的一个方面在于提供一种风力发电系统。风力发电系统包含双馈式发电机、机侧变换器、网侧变换器和辅助变换器。双馈式发电机包含转子绕组和定子绕组。定子绕组耦接于电网。机侧变换器耦接于转子绕组。网侧变换器耦接于机侧变换器和电网之间。辅助变换器包含第一侧和第二侧。第一侧耦接于定子绕组。第二侧耦接于机侧变换器和网侧变换器之间。机侧变换器、网侧变换器和辅助变换器共用直流母线。
根据本发明的一个实施例，所述风力发电系统还包含第一开关和第二开关。第一开关包含第一端和第二端。第一开关的第一端耦接于所述定子绕组，且第二端耦接于所述辅助变换器。第二开关包含第一端和第二端。第二开关的第一端耦接于所述第一开关的第一端，且第二端耦接于所述电网。
根据本发明的一个实施例，当风速小于预设风速时，所述第一开关导通且所述第二开关断开。
根据本发明的一个实施例，当风速大于等于所述预设风速时，所述第一开关断开且所述第二开关导通。
根据本发明的一个实施例，当风速小于预设风速时，所述辅助变换器和所述网侧变换器转换所述定子绕组输出的电能并将转换后的电能传输至所述电网。所述机侧变换器控制所述转子绕组以实现励磁。
根据本发明的一个实施例，所述辅助变换器用以调节所述定子绕组的输出功率。所述网侧变换器用以稳定所述直流母线的电压。
根据本发明的一个实施例，所述机侧变换器用以产生转子励磁电流传输至所述转子绕组以实现励磁。
根据本发明的一个实施例，所述机侧变换器控制所述转子励磁电流在所述转子绕组产生的转子电磁场的旋转频率为零以实现直流励磁。所述定子绕组产生的定子电磁场的旋转频率由所述双馈式发电机的机械转动频率决定。
根据本发明的一个实施例，所述机侧变换器控制所述转子励磁电流在所述转子绕组产生的转子电磁场的旋转频率不为零以实现交流励磁。所述定子绕组产生的定子电磁场的旋转频率由转子电磁场的旋转频率和所述双馈式发电机的机械转动频率决定。
根据本发明的一个实施例，当风速小于预设风速时，所述机侧变换器和所述网侧变换器转换所述转子绕组输出的电能并将转换后的电能传输至所述电网。所述辅助变换器控制所述定子绕组以实现励磁。
根据本发明的一个实施例，所述机侧变换器用以调节所述转子绕组的输出功率。所述网侧变换器用以稳定所述直流母线的电压。
根据本发明的一个实施例，所述辅助变换器用以产生定子励磁电流传输至所述定子绕组以实现励磁。
根据本发明的一个实施例，所述辅助变换器控制所述定子励磁电流在所述定子绕组产生的定子电磁场的旋转频率为零以实现直流励磁。所述转子绕组产生的转子电磁场的旋转频率由所述双馈式发电机的机械转动频率决定。
根据本发明的一个实施例，所述辅助变换器控制所述定子励磁电流在所述定子绕组产生的定子电磁场的旋转频率不为零以实现交流励磁。所述转子绕组产生的转子电磁场的旋转频率由定子电磁场的旋转频率和该双馈式发电机的机械转动频率决定。
根据本发明的一个实施例，所述辅助变换器包含第一功率半导体开关和第二功率半导体开关。第一功率半导体开关包含第一端和第二端。第一功率半导体开关的第一端耦接于所述直流母线的第一端，且其第二端耦接于所述定子绕组中的第一相绕组。第二功率半导体开关包含第一端和第二端。第二功率半导体开关的第一端耦接于第一功率半导体开关的第二端，且其第二端耦接于所述直流母线的第二端及所述定子绕组中的第二相绕组。
根据本发明的一个实施例，所述定子绕组包含多相绕组。所述辅助变换器包含至少两个并联连接的桥臂。每一个桥臂包含第一功率半导体开关和第二功率半导体开关。第一功率半导体开关包含第一端和第二端。第一功率半导体开关的第一端耦接于所述直流母线的第一端，且其第二端耦接于所述多相绕组中对应的一相绕组。第二功率半导体开关包含第一端和第二端。第二功率半导体开关的第一端耦接于第一功率半导体开关的第二端，且其第二端耦接于所述直流母线的第二端。
根据本发明的一个实施例，所述第一功率半导体开关为全控型开关元件。
根据本发明的一个实施例，所述定子绕组包含第一相绕组、第二相绕组和第三相绕组。所述辅助变换器包含二极管、绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor，IGBT)、电感、电容和三相整流电路。二极管包含阳极端和阴极端。阴极端耦接于所述直流母线的第一端。绝缘栅双极晶体管包含第一端和第二端。绝缘栅双极晶体管的第一端耦接于阳极端，且其第二端耦接于所述直流母线的第二端。电感包含第一端和第二端。电感的第二端耦接于绝缘栅双极晶体管的第一端。电容包含第一端和第二端。电容的第一端耦接于电感的第一端，且其第二端耦接于绝缘栅双极晶体管的第二端。三相整流电路耦接于电容的第一端和第二端。三相整流电路包含第一输入端、第二输入端和第三输入端分别耦接于第一相绕组、第二相绕组和第三相绕组。
本发明的另一个方面在于提供一种控制方法适用于所述风力发电系统。控制方法包含：当风速小于预定风速时，控制所述风力发电系统操作于全功率发电模式；及当风速大于等于预定风速时，控制所述风力发电系统操作于双馈式发电模式。
根据本发明的一个实施例，当风速小于所述预定风速时，控制所述风力发电系统操作于所述全功率发电模式的步骤包含：通过所述辅助变换器和所述网侧变换器转换所述定子绕组输出的电能；将转换后的电能传输至所述电网；及通过所述机侧变换器产生转子励磁电流传输至所述转子绕组以实现励磁。
根据本发明的一个实施例，通过所述辅助变换器和所述网侧变换器转换所述定子绕组输出的电能的步骤包含：通过所述辅助变换器调节所述定子绕组的输出功率；及通过所述网侧变换器稳定所述直流母线的电压。
根据本发明的一个实施例，通过所述机侧变换器产生所述转子励磁电流传输至所述转子绕组以实现励磁的步骤包含：通过所述机侧变换器控制所述转子励磁电流在所述转子绕组产生的转子电磁场的旋转频率为零以实现直流励磁。所述定子绕组产生的定子电磁场的旋转频率由所述双馈式发电机的机械转动频率决定。
根据本发明的一个实施例，通过所述机侧变换器产生所述转子励磁电流传输至所述转子绕组以实现励磁的步骤包含：通过所述机侧变换器控制所述转子励磁电流在所述转子绕组产生的转子电磁场的旋转频率不为零以实现交流励磁。所述定子绕组产生的定子电磁场的旋转频率由转子电磁场的旋转频率和所述双馈式发电机的机械转动频率决定。
根据本发明的一个实施例，当风速小于所述预定风速时，控制所述风力发电系统工作于所述全功率发电模式的步骤包含：通过所述机侧变换器和所述网侧变换器转换所述转子绕组输出的电能；将转换后的电能传输至所述电网；及通过所述辅助变换器产生定子励磁电流传输至所述定子绕组以实现励磁。
根据本发明的一个实施例，通过所述机侧变换器和所述网侧变换器转换所述转子绕组输出的电能的步骤包含：通过所述机侧变换器调节所述转子绕组的输出功率；及通过所述网侧变换器稳定所述直流母线的电压。
根据本发明的一个实施例，通过所述辅助变换器产生所述定子励磁电流传输至所述定子绕组以实现励磁的步骤包含：通过所述辅助变换器控制所述定子励磁电流在所述定子绕组产生的定子电磁场的旋转频率为零以实现直流励磁。所述转子绕组产生的转子电磁场的旋转频率由所述双馈式发电机的机械转动频率决定。
根据本发明的一个实施例，通过所述辅助变换器产生所述定子励磁电流传输至所述定子绕组以实现励磁的步骤包含：通过所述辅助变换器控制所述定子励磁电流在所述定子绕组产生的定子电磁场的旋转频率不为零以实现交流励磁。所述转子绕组产生的转子电磁场的旋转频率由定子电磁场的旋转频率和所述双馈式发电机的机械转动频率决定。
综上所述，在风力发电系统中，通过增加辅助变换器，可使风力发电系统然在低风速时操作于全功率发电模式，进而有效改善双馈式风力发电系统在低风速时发电效率较低的情况。
附图说明
为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能明显易懂，附图说明如下：
图1绘示了传统的一种全功率风力发电系统的示意图；
图2是根据本发明的第一实施例绘示的一种风力发电系统的示意图；
图3是根据本发明的第二实施例绘示的一种风力发电系统的示意图；
图4A是根据图3的风力发电系统操作于双馈式发电模式的示意图；
图4B是根据图3的风力发电系统操作于一全功率发电模式的示意图；
图4C是根据图3的风力发电系统操作于另一全功率发电模式的示意图；
图5是根据本发明的一实施例绘示的双馈式发电机的磁场旋转的示意图；
图6A是根据本发明一实施例绘示的风力发电系统在不同风速下的功率曲线的示意图；
图6B是根据本发明一实施例绘示的风力发电系统的模式切换的示意图；
图7A是根据本发明的一实施例绘示的一种辅助变换器的示意图；
图7B是根据本发明的一实施例绘示的另一种辅助变换器的示意图；
图7C是根据本发明的一实施例绘示的另一种辅助变换器的示意图；
图8是根据本发明的第三实施例绘示的一种风力发电系统的示意图；及
图9是根据本发明的一个实施例绘示的一种直流斩波器的示意图。
附图标记：
100：风力发电系统
110：风机
111：叶轮
120：全功率发电机
121：定子绕组
130：机侧变换器
140：网侧变换器
150：直流母线
160：电网
200：风力发电系统
210：风机
220：双馈式发电机
221：定子绕组
222：转子绕组
230：机侧变换器
240：网侧变换器
250：直流母线
260：齿轮箱
300：风力发电系统
310：风机
320：双馈式发电机
321：定子绕组
322：转子绕组
330：机侧变换器
340：网侧变换器
350：直流母线
360：齿轮箱
370：辅助变换器
380：控制器
700A、700B、700C：辅助变换器
710：桥臂
711：第一功率半导体开关
712：第二功率半导体开关
720：直流母线
730：绝缘栅双极晶体管
740：三相整流电路
741：第一输入端
742：第二输入端
743：第三输入端
800：风力发电系统
810：直流斩波器
900：直流斩波器
910：直流斩波桥臂
911：第一功率半导体开关
912：第二功率半导体开关
920：能量泄放电阻
930：直流母线
SW1、SW2、SW3、SW4：开关
CUV1、CUV2：曲线
D1：二极管
L1：电感
C1：电容
fs、fr、fn：旋转频率
具体实施方式
下文将配合附图揭露本发明的多个实施例，但所提供的实施例并非用以限制本发明所涵盖的范围，而结构操作的描述非用以限制其执行的顺序，任何由元件重新组合的结构，所产生具有均等功效的装置，皆为本发明所涵盖的范围。此外，附图仅以说明为目的，并未依照原尺寸作图。为便于理解，下述说明中相同元件将以相同的符号标示来说明。
在本文中，使用的第一、第二与第三等词汇，用于描述各种元件、组件、区域、层与/或区块是可以被理解的。但是这些元件、组件、区域、层与/或区块不应该被这些术语所限制。这些词汇只限于用来辨别单一元件、组件、区域、层与/或区块。因此，在下文中的一第一元件、组件、区域、层与/或区块也可被称为第二元件、组件、区域、层与/或区块，而不脱离本发明的本意。
当一元件被称为『连接』或『耦接』至另一元件时，它可以为直接连接或耦接至另一元件，又或是其中有一额外元件存在。相对的，当一元件被称为『直接连接』或『直接耦接』至另一元件时，其中是没有额外元件存在。
请参照图2，图2是根据本发明的第一实施例绘示的一种风力发电系统200的示意图。风力发电系统200包含风机210、双馈式发电机(Doubly-Fed Inductor Generator，DFIG)220、机侧变换器230、网侧变换器240、直流母线250和齿轮箱260。在本实施例中，风机210通过齿轮箱260耦接于双馈式发电机220。双馈式发电机220包含定子绕组221和转子绕组222。双馈式发电机220的定子绕组221通过开关SW1和开关SW3耦接于电网160。双馈式发电机220的转子绕组222耦接于机侧变换器230。机侧变换器230与网侧变换器240共用直流母线250。网侧变换器240通过开关SW2和开关SW3耦接于电网160。
在本实施例中，风力发电系统200为双馈式风力发电系统。双馈式发电机220可为双馈式异步发电机。双馈式风力发电系统200向电网160输出的功率分成两部分，一部分为直接从定子绕组221输出的功率，另一部分为通过机侧变换器230与网侧变换器240从转子绕组222输出的功率。定子绕组221输出的电能直接传输至电网160。转子绕组222则通过机侧变换器230控制以实现励磁。当风速变化导致发电机220的转速发生变化时，机侧变换器230通过控制转子绕组222的励磁电流的大小和频率，来改变转子绕组222的励磁电磁场的大小和频率，使得双馈式发电机220的输出电压和频率与电网160保持一致，因此，可实现风力发电系统200在变速恒频的情况下操作。
风力发电系统200(即双馈式风力发电系统)的优点是其双馈式发电机220(例如：双馈式异步发电机)的成本低、容易维护，且机侧变换器230和网侧变换器240的容量仅占系统容量的30％左右，因此整个风力发电机组的成本较传统的全功率风力发电机组来得小。然而，由于双馈式异步发电机在低转速时的损耗较大，在低风速(例如：风速小于6米/秒)的情况下，风力发电系统200的发电效率较低。
请参照图3，图3是根据本发明的第二实施例绘示的一种风力发电系统300的示意图。风力发电系统300包含风机310、双馈式发电机320(Doubly-Fed Inductor Generator，DFIG)、机侧变换器330、网侧变换器340、直流母线350、齿轮箱360、辅助变换器370和控制器380。类似地，风机310通过齿轮箱360耦接于双馈式发电机320。双馈式发电机320包含定子绕组321和转子绕组322。双馈式发电机320可为双馈式异步发电机。双馈式发电机320的定子绕组321通过开关SW1和开关SW3耦接于电网160。双馈式发电机320的转子绕组322耦接于机侧变换器330。辅助变换器370包含第一侧和第二侧。辅助变换器370的第一侧通过开关SW4耦接于定子绕组321。辅助变换器370的第二侧耦接于机侧变换器330和网侧变换器340之间。辅助变换器370、机侧变换器330与网侧变换器340则是共用直流母线350。网侧变换器340通过开关SW2和开关SW3耦接于电网160。控制器380用以控制开关SW1、SW2、SW3和SW4，使风力发电系统300具有不同的操作模式，其具体说明叙述于之后的内容。
请一并参照图4A、图4B和图4C。图4A是根据图3的风力发电系统300操作于双馈式发电模式的示意图。图4B是根据图3的风力发电系统300操作于一全功率发电模式的示意图。图4C是根据图3的风力发电系统300操作于另一全功率发电模式的示意图。在本实施例中，当风速大于等于预设风速(例如：6米/秒)时，风力发电系统300操作于双馈式发电模式，如图4A所示。此时，控制器380控制开关SW1、SW2和SW3导通，且开关SW4断开。在这样的情况下，辅助变换器370并未参与电能的转换。换句话说，此时风力发电系统300的操作如同图2的风力发电系统200的操作。
具体来说，当风力发电系统300操作于双馈式发电模式时，双馈式发电机320的定子绕组321输出的电能直接传输至电网160。双馈式发电机320的转子绕组322通过机侧变换器330控制。进一步来说，机侧变换器330用以根据双馈式发电机320的转速和功率控制双馈式发电机320的转子绕组322的磁场旋转方向及大小。当双馈式发电机320的转速大于同步转速时，机侧变换器330和网侧变换器340转换的电能流向电网160。当双馈式发电机320的转速小于同步转速时，机侧变换器330和网侧变换器340则从电网160吸收电能。另外，网侧变换器340用以稳定直流母线350的电压。因此，可实现风力发电系统300在风速为中高速(例如：大于等于6米/秒)时操作在变速恒频的状态。
当风速小于预设风速(例如：6米/秒)时，风力发电系统300操作于全功率发电模式，如图4B和图4C所示。此时，控制器380控制开关SW2、SW3和SW4导通，且开关SW1断开。在这样的情况下，辅助变换器370参与电能的转换。另外，根据励磁的控制方式，风力发电系统300操作于全功率发电模式时的控制方式可分成两种，一种是根据转子励磁控制(如图4B所示)，另一种是根据定子励磁控制(如4C图所示)。
如图4B所示，在风力发电系统300采用转子励磁控制的情况下，辅助变换器370和网侧变换器340用以转换双馈式发电机320的定子绕组321输出的电能，并将转换后的电能传输至电网160。机侧变换器330则是用以控制双馈式发电机320的转子绕组322以实现励磁。具体来说，在采用转子励磁控制的情况下，辅助变换器370用以调节定子绕组321的输出功率。网侧变换器340用以稳定直流母线350的电压。机侧变换器330用以产生转子励磁电流，并将转子励磁电流传输至转子绕组322以实现励磁。换句话说，辅助变换器370和网侧变换器340处理定子绕组321的输出电能，其功率流向由定子绕组321经由辅助变换器370和网侧变换器340流向电网160。机侧变换器330则是吸收部分电能以调节转子励磁电流。
在一实施例中，机侧变换器330实现的励磁可分成直流励磁和交流励磁。请一并参照图5，图5是根据本发明的一实施例绘示的双馈式发电机320的磁场旋转的示意图。如图5所示，fs代表定子绕组321产生的定子电磁场的旋转频率。fr代表转子绕组322产生的转子电磁场的旋转频率。fn代表双馈式发电机320的机械转动频率。fs＝fr+fn，且fn＝n×P/60，其中n代表双馈式发电机320的电极轴转速(转/分，rpm)，P代表双馈式发电机320的电机极对数。
在一实施例中，机侧变换器330可控制其产生的转子励磁电流在转子绕组322产生的转子电磁场的旋转频率fr为零，以实现直流励磁。换句话说，机侧变换器330可控制转子电磁场的方向恒定。由于fs＝fr+fn，因此当fr＝0时，fs＝fn。换句话说，在直流励磁下，定子绕组321产生的定子电磁场的旋转频率fs由双馈式发电机320的机械转动频率fn决定。也就是说，此时双馈式发电机320操作类似于同步发电机。
在另一实施例中，机侧变换器330可控制其产生的转子励磁电流在转子绕组322产生的转子电磁场的旋转频率fr不为零，以实现交流励磁。换句话说，在交流励磁下，定子绕组321产生的定子电磁场的旋转频率fs由转子电磁场的旋转频率fr和双馈式发电机320的机械转动频率fn决定。进一步来说，转子电磁场的旋转频率fr随着双馈式发电机320的机械转动频率fn的变化而变化，因此，定子电磁场的旋转频率fs可以为恒定值或是变化值。
另一方面，如图4C所示，在风力发电系统300采用定子励磁控制的情况下，机侧变换器330和网侧变换器340用以转换双馈式发电机320的转子绕组322输出的电能，并将转换后的电能传输至电网160。辅助变换器370则是用以控制双馈式发电机320的定子绕组321以实现励磁。具体来说，在采用定子励磁控制的情况下，机侧变换器330用以调节转子绕组322的输出功率。网侧变换器340用以稳定直流母线350的电压。辅助变换器370用以产生定子励磁电流，并将定子励磁电流传输至定子绕组321以实现励磁。换句话说，机侧变换器330和网侧变换器340处理转子绕组322的输出电能，其功率流向由转子绕组322经由机侧变换器330和网侧变换器340流向电网160。辅助变换器370则是吸收部分电能以调节定子励磁电流。
类似地，辅助变换器370实现的励磁可分成直流励磁和交流励磁。在一实施例中，辅助变换器370可控制其产生的定子励磁电流在定子绕组321产生的定子电磁场的旋转频率fs为零，以实现直流励磁。换句话说，辅助变换器370可控制定子电磁场的方向恒定。由于fs＝fr+fn，因此当fs＝0时，fr＝-fn(负号代表方向相反)。换句话说，在直流励磁下，转子绕组322产生的转子电磁场的旋转频率fr由双馈式发电机320的机械转动频率fn决定。
在另一实施例中，辅助变换器370可控制其产生的定子励磁电流在定子绕组321产生的定子电磁场的旋转频率fs不为零，以实现交流励磁。换句话说，在交流励磁下，转子绕组322产生的转子电磁场的旋转频率fr由定子电磁场的旋转频率fs和双馈式发电机320的机械转动频率fn决定。进一步来说，定子电磁场的旋转频率fs随着双馈式发电机320的机械转动频率fn的变化而变化，因此，转子电磁场的旋转频率fr可以为恒定值或是变化值。
需注意的是，当风力发电系统300操作于全功率发电模式时，使用者可根据环境的需求设计风力发电系统300根据转子励磁或是定子励磁控制，以及设计实现直流励磁或是交流励磁，本发明并不以此为限。
通过上述实施方式，在风速小于预设风速(例如：6米/秒)的情况下，风力发电系统300通过辅助变换器370操作于全功率发电模式，可有效改善双馈式风力发电系统在低风速时发电效率较低的情况。
请参照图6A，图6A是根据本发明一实施例绘示的风力发电系统在不同风速下的功率曲线的示意图，其中曲线CUV1代表着风力发电系统200的功率曲线，曲线CUV2代表着风力发电系统300的功率曲线。如图6A所示，在风速大于等于预设风速的情况下，风力发电系统300的操作如同双馈式风力发电系统(即风力发电系统200)，因此在此区间曲线CUV1和曲线CUV2是重合的。
另外，在达到额定风速前，风力发电系统200和300可通过控制桨叶迎风角度使其尽可能具有最大功率输出。在达到额定风速之后，风力发电系统200和300可通过控制桨叶的迎风角度，使其保持恒定功率输出。
在风速小于预设风速的情况下，风力发电系统300的转换效率优于风力发电系统200的转换效率。另外，风力发电系统300的切入风速相较于风力发电系统200的切入风速亦来得小，亦即，风力发电系统300可操作在更低的风速条件下。举例来说，对于1.5百万级(MW)的双馈式风力发电系统而言，使用风力发电系统200的拓扑，其所需的切入风速约为3.4m/s；而使用风力发电系统300的拓扑，其所需的切入风速约为2m/s。
请参照图6B，图6B是根据本发明一实施例绘示的风力发电系统300的模式切换的示意图。如图6B所示，风机310的风速和预设风速的关系为风力发电系统300切换于不同模式的判断条件。当风机310的风速小于预设风速时，风力发电系统300可通过控制开关(例如：导通开关SW4及关断开关SW1)，使辅助变换器370工作。此时，发电系统操作于全功率发电模式。在风机310的风速大于等于预设风速时，风力发电系统300可通过控制开关(例如：导通开关SW1及关断开关SW4)，使辅助变换器停止工作。此时，风力发电系统300工作于双馈式发电模式。
具体来说，使用者可根据发电机扇叶长度、控制模式和机组设计等因素决定预设风速的值。若预设风速的值过低会导致两种发电模式的切换过于频繁。另外，若预设风速的值过高会则增加辅助变换器370和切换开关的容量，增加整个发电机组的成本。
值得一提的是，在风力发电系统300增加的辅助变换器370，其容量仅占系统容量的一小部分(例如：1/10～1/6)，相较于全功率风力发电系统100须采用大容量的变换器，风力发电系统300所需增加的成本并不大，然而却可有效地改善风力发电系统200在低风速时发电效率较低的情况。
请参照图7A、图7B和图7C。图7A是根据本发明的一实施例绘示的一种辅助变换器700A的示意图。图7B是根据本发明的一实施例绘示的另一种辅助变换器700B的示意图。图7C是根据本发明的一实施例绘示的另一种辅助变换器700C的示意图。辅助变换器700A、700B和700C可应用于图3的风力发电系统300，然本实施例并不以此为限。须注意的是，辅助变换器700A、700B和700C可根据励磁的控制方式选择能量单向流动或是双向流动的拓扑，然其并非用以限制本发明。
如图7A所示，辅助变换器700A耦接的定子绕组包含多相绕组(未绘示于图中)。辅助变换器700A包含至少两个并联连接的桥臂710。每一个桥臂710包含第一功率半导体开关711和第二功率半导体开关712。第一功率半导体开关711包含第一端和第二端。第一功率半导体开关711的第一端耦接于直流母线720的第一端(即正母线端)。第一功率半导体开关711的第二端耦接于所述多相绕组中对应的一相绕组。换句话说，每一个桥臂710耦接于不同的相绕组。第二功率半导体开关712包含第一端和第二端。第二功率半导体开关712的第一端耦接于第一功率半导体开关711的第二端。第二功率半导体开关712的第二端耦接于直流母线720的第二端(即负母线端)。
在一实施例中，第一功率半导体开关711和第二功率半导体开关712可为全控型开关元件或二极管元件。当第一功率半导体开关711和第二功率半导体开关712其中之一为二极管元件时，代表着此时辅助变换器700A为单向流动的拓扑。相对地，当第一功率半导体开关711和第二功率半导体开关712皆为全控型开关元件时，代表着此时辅助变换器700A为双向流动的拓扑。在本实施例中，第一功率半导体开关711和第二功率半导体开关712皆为全控型开关元件，然本实施例并不以此为限。需要说明的是，图7A所示的辅助变换器700A为两相，亦可拓展为三相，即有三个桥臂每个桥臂对应连接于定子绕组的其中一相绕组。
如图7B所示，辅助变换器700B包含第一功率半导体开关711和第二功率半导体开关712。第一功率半导体开关711包含第一端和第二端。第一功率半导体开关711的第一端耦接于直流母线720的第一端(即正母线端)。第一功率半导体开关711的第二端耦接于定子绕组中的第一相绕组(未绘示于图中)。第二功率半导体开关712包含第一端和第二端。第二功率半导体开关712的第一端耦接于第一功率半导体开关711的第二端。第二功率半导体开关712的第二端耦接于直流母线720的第二端(即负母线端)及定子绕组中的第二相绕组(未绘示于图中)。
类似地，第一功率半导体开关711和第二功率半导体开关712可为全控型开关元件或二极管元件。在本实施例中，第一功率半导体开关711为全控型开关元件，且第二功率半导体开关712为二极管元件，然本实施例并不以此为限。
如图7C所示，辅助变换器700C耦接的定子绕组为三相绕组(未绘示于图中)，亦即，定子绕组包含第一相绕组、第二相绕组和第三相绕组。辅助变换器700C包含二极管D1、绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)730、电感L1、电容C1和三相整流电路740。二极管D1包含阳极端和阴极端。阴极端耦接于直流母线720的第一端(即正母线端)。绝缘栅双极晶体管730包含第一端和第二端。绝缘栅双极晶体管730的第一端耦接于阳极端。绝缘栅双极晶体管730的第二端耦接于直流母线720的第二端(即负母线端)。电感L1包含第一端和第二端。电感L1的第二端耦接于绝缘栅双极晶体管730的第一端。电容C1包含第一端和第二端。电容C1的第一端耦接于电感L1的第一端。电容C1的第二端耦接于绝缘栅双极晶体管730的第二端。三相整流电路740耦接于电容C1的第一端和第二端。三相整流电路740包含第一输入端741、第二输入端742和第三输入端743分别耦接于定子绕组的第一相绕组、第二相绕组和第三相绕组。
请参照图8，图8是根据本发明的第三实施例绘示的一种风力发电系统800的示意图。在本实施例中，风力发电系统800还包含直流斩波器(DC chopper)810。直流斩波器810与机侧变换器330、网侧变换器340和辅助变换器370共用直流母线350。直流斩波器810用以解决当电网160故障时由于能量不平衡导致的母线电压波动，以实现故障穿越(FailureRide Through，FRT)功能。
请一并参照图9，图9是根据本发明的一个实施例绘示的一种直流斩波器900的示意图。直流斩波器900可应用于图8的风力发电系统800，然本实施例并不以此为限。直流斩波器900包含直流斩波桥臂910和能量泄放电阻920。直流斩波桥臂910包含第一功率半导体开关911和第二功率半导体开关912。第一功率半导体开关911的第一端耦接于直流母线930的正母线端。第一功率半导体开关911的第二端耦接于第二功率半导体开关912的第一端。第二功率半导体开关912的第二端接于直流母线930的负母线端。
在一实施例中，能量泄放电阻920的一端耦接于直流斩波桥臂910的中点(即第一功率半导体开关911和第二功率半导体开关912之间)，能量泄放电阻920的另一端可耦接于直流母线930的正母线端或是负母线端。另外，第一功率半导体开关911和第二功率半导体开关912可为全控型开关元件或二极管元件，且第一功率半导体开关911和第二功率半导体开关912中的其中之一为全控型开关元件。在本实施例中，第一功率半导体开关911和第二功率半导体开关912皆为全控型开关元件，且能量泄放电阻920的另一端耦接于直流母线930的负母线端，然本实施例并不以此为限。
综上所述，在风力发电系统中，通过增加小容量的辅助变换器，亦即，在增加的成本并不大的情况下，可使风力发电系统在低风速时操作于全功率发电模式，进而有效改善双馈式风力发电系统在低风速时发电效率较低的情况。
虽然本发明已以实施方式公开如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的改动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。
Claims (16)
1.一种风力发电系统，其特征在于，包含：
一双馈式发电机，包含：
一转子绕组；及
一定子绕组，耦接于一电网；
一机侧变换器，耦接于该转子绕组；
一网侧变换器，耦接于该机侧变换器和该电网之间；及
一辅助变换器，包含：
一第一侧，耦接于该定子绕组；及
一第二侧，耦接于该机侧变换器和该网侧变换器之间；
其中该机侧变换器、该网侧变换器和该辅助变换器共用一直流母线，当风速小于预设风速时，该辅助变换器用以控制该定子绕组实现励磁，并且该机侧变换器和该网侧变换器用以转换该转子绕组输出的电能并将转换后的电能传输至该电网。
2.如权利要求1所述的风力发电系统，还包含：
一第一开关，包含：
一第一端，耦接于该定子绕组；及
一第二端，耦接于该辅助变换器；及
一第二开关，包含：
一第一端，耦接于该第一开关的该第一端；及
一第二端，耦接于该电网。
3.如权利要求2所述的风力发电系统，其特征在于，当风速小于一预设风速时，该第一开关导通且该第二开关断开。
4.如权利要求3所述的风力发电系统，其特征在于，当风速大于等于该预设风速时，该第一开关断开且该第二开关导通。
5.如权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，该机侧变换器用以调节该转子绕组的输出功率，且该网侧变换器用以稳定该直流母线的电压。
6.如权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，该辅助变换器用以产生一定子励磁电流传输至该定子绕组以实现励磁。
7.如权利要求6所述的风力发电系统，其特征在于，该辅助变换器控制该定子励磁电流在该定子绕组产生的一定子电磁场的旋转频率为零以实现直流励磁，且该转子绕组产生的一转子电磁场的旋转频率由该双馈式发电机的机械转动频率决定。
8.如权利要求6所述的风力发电系统，其特征在于，该辅助变换器控制该定子励磁电流在该定子绕组产生的一定子电磁场的旋转频率不为零以实现交流励磁，且该转子绕组产生的一转子电磁场的旋转频率由该定子电磁场的旋转频率和该双馈式发电机的机械转动频率决定。
9.如权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，该辅助变换器包含：
一第一功率半导体开关，包含：
一第一端，耦接于该直流母线的一第一端；及
一第二端，耦接于该定子绕组中的一第一相绕组；及
一第二功率半导体开关，包含：
一第一端，耦接于该第一功率半导体开关的该第二端；及
一第二端，耦接于该直流母线的一第二端及该定子绕组中的一第二相绕组。
10.如权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，该定子绕组包含多相绕组，且该辅助变换器包含至少两个并联连接的桥臂，每一该桥臂包含：
一第一功率半导体开关，包含：
一第一端，耦接于该直流母线的一第一端；及
一第二端，耦接于该多相绕组中对应的一相绕组；及
一第二功率半导体开关，包含：
一第一端，耦接于该第一功率半导体开关的该第二端；及
一第二端，耦接于该直流母线的一第二端。
11.如权利要求9或10所述的风力发电系统，其特征在于，该第一功率半导体开关为一全控型开关元件。
12.如权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，该定子绕组包含一第一相绕组、一第二相绕组和一第三相绕组；及该辅助变换器包含：
一二极管，包含：
一阳极端；及
一阴极端，耦接于该直流母线的一第一端；
一绝缘栅双极晶体管，包含：
一第一端，耦接于该阳极端；及
一第二端，耦接于该直流母线的一第二端；
一电感，包含：
一第一端；及
一第二端，耦接于该绝缘栅双极晶体管的该第一端；
一电容，包含：
一第一端，耦接于该电感的该第一端；及
一第二端，耦接于该绝缘栅双极晶体管的该第二端；及
一三相整流电路，耦接于该电容的该第一端和该第二端，该三相整流电路包含一第一输入端、一第二输入端和一第三输入端分别耦接于该第一相绕组、该第二相绕组和该第三相绕组。
13.一种风力发电系统控制方法，适用于如权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，包含：
当风速小于一预定风速时，控制该风力发电系统操作于一全功率发电模式，包括：
通过该机侧变换器和该网侧变换器转换该转子绕组输出的电能；
将转换后的电能传输至该电网；及
通过该辅助变换器产生一定子励磁电流传输至该定子绕组以实现励磁；及
当风速大于一预定风速时，控制该风力发电系统操作于一双馈式发电模式。
14.如权利要求13所述的控制方法，其特征在于，通过该机侧变换器和该网侧变换器转换该转子绕组输出的电能的步骤包含：
通过该机侧变换器调节该转子绕组的输出功率；及
通过该网侧变换器稳定该直流母线的电压。
15.如权利要求13所述的控制方法，其特征在于，通过该辅助变换器产生该定子励磁电流传输至该定子绕组以实现励磁的步骤包含：
通过该辅助变换器控制该定子励磁电流在该定子绕组产生的一定子电磁场的旋转频率为零以实现直流励磁，其中该转子绕组产生的一转子电磁场的旋转频率由该双馈式发电机的机械转动频率决定。
16.如权利要求13所述的控制方法，其特征在于，通过该辅助变换器产生该定子励磁电流传输至该定子绕组以实现励磁的步骤包含：
通过该辅助变换器控制该定子励磁电流在该定子绕组产生的一定子电磁场的旋转频率不为零以实现交流励磁，其中该转子绕组产生的一转子电磁场的旋转频率由该定子电磁场的旋转频率和该双馈式发电机的机械转动频率决定。
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