CN107681684B - 中压风力发电系统及其发电方法 - Google Patents

中压风力发电系统及其发电方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种中压风力发电系统及其发电方法，中压风力发电系统包含第一升压装置及双馈风力发电装置；第一升压装置具有中压侧及高压侧，第一升压装置的高压侧电性连接于电网；双馈风力发电装置包含风力发电机、机侧变换器及网侧变换器；风力发电机包含定子绕组与转子绕组，定子绕组耦接于第一升压装置的中压侧；机侧变换器耦接于转子绕组；网侧变换器一端耦接于机侧变换器，另一端通过第二升压装置耦接于第一升压装置的中压侧。

Description

中压风力发电系统及其发电方法
技术领域
本发明涉及一种电力技术，尤其是涉及一种风力发电系统及其发电方法。
背景技术
双馈变速恒频风力发电机组是目前市场占有率最高的一种风力发电机组，其风轮桨距角可以调节。发电机可以实现变速运行，调速范围达到±30％同步转速，并输出恒频恒压的电能。变换器是风力发电装置的重要部件，一般采用背靠背结构的AC-DC-AC变换器，其中与电网相连部分叫做网侧变换器 (LSC)，与转子相连部分叫做机侧变换器(RSC)。通过机侧变换器控制转子的励磁电流大小和频率来改变转子励磁磁场的大小和频率，从而使发电机的输出电压、频率和电网保持一致，实现风力发电装置的变速恒频工作。
双馈发电系统向电网输出的功率由两部分组成，即直接从定子输出的功率和通过变换器从转子产生的功率。变换器只提供整个发电系统的部分功率，定子输出功率和变换器功率的比例随着发电机转速的变化而变化。
在小于3MW容量的双馈发电系统中，690V系统占绝对数量。具体地，发电机定子侧电压690Vac，与低压变压器相连；根据发电机的转速变化转子侧电压在0～690V之间变化，变换器额定交流电压690V，直流母线电压一般为1100V。
请参照图1，图1为现有技术双馈风力发电系统的结构示意图。如图1所示，目前的风力发电及传输系统一般具有3级结构:
第一级双馈风力发电装置1a，包括双馈发电机11a，变换器12a，扇叶13a 及齿轮，安装在风机塔筒内，实现风能到电能的转换；
第二级升压系统2a，把风机转换的低压交流电(如0.69kV)通过升压变压器 21a升压到中压交流电(如10kV，20kV，35kV等)，其中升压变压器21a容量与第一级双馈风力发电装置容量相同，一般安装在塔筒附近；
第三级的升压系统3a，通过变压器31a把中压交流电升压到高压系统(如 110kV，220kV等)，以进行远距离电力传输。第一级和第二级可以进行多台风机的并联构成一个风力发电场，通过公共的第三级升压站连入输配电线路。
通过变换器12a把双馈发电机11a输出的随风速变化的电能调制成恒频恒压的交流电。升压变压器21a安装在塔筒外的箱变内，将双馈风力发电装置输出的低压交流电进行升压，并从升压变压器21a的中压侧输出，再通过升压变压器31a把中压交流电转换成高压交流电，经升压变压器31a的高压侧输入高压电网，进而向远方传输电力。其中低压点是690V，中压点往往是10KV， 20KV或35KV，高压点是110KV或220KV。在中压点可以进行多台发电机组的并联，以增大系统发电容量。
现有双馈风力发电系统中，双馈发电装置输出的交流电需要经过两级升压系统，不但传输效率低，还会带来额外的发电损失。随着风机的单体容量越来越高(如3～6MW风机)，变换器容量和体积都相应变大。但是塔筒底部直径，即变换器的安装空间并没有随功率倍增而变大，导致变换器的安装设计越来越困难。随着功率的变大，电流等比例增加，所需传输电缆的数量、容量等比例增加，导致现有的双馈风力发电系统的建设成本增加。
因此，急需开发一种能克服上述缺陷的风力发电系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种中压风力发电系统，其中，包含：
第一升压装置，具有中压侧及高压侧，所述第一升压装置的高压侧电性连接于电网；及
双馈风力发电装置，包含：
风力发电机，包含定子绕组与转子绕组，所述定子绕组耦接于所述第一升压装置的中压侧；
机侧变换器，耦接于所述转子绕组；
网侧变换器，一端耦接于所述机侧变换器，另一端通过第二升压装置耦接于所述第一升压装置的中压侧。
上述的中压风力发电系统，其中，所述双馈风力发电装置包含：
多个风力发电机，每一所述风力发电机的定子绕组电性连接于所述第一升压装置的中压侧；
多个机侧变换器，所述多个风力发电机的转子绕组与所述多个机侧变换器一一对应并电性连接；
至少一网侧变换器，每一所述网侧变换器电性连接于至少一所述机侧变换器。
上述的中压风力发电系统，其中，所述双馈风力发电装置包含：
多个风力发电机，每一所述风力发电机的定子绕组电性连接于所述第一升压装置的中压侧；
多个机侧变换器，所述多个风力发电机的转子绕组与所述多个机侧变换器一一对应并电性连接；
多个网侧变换器，每一所述网侧变换器对应电性连接于两个所述机侧变换器。
上述的中压风力发电系统，其中，所述第二升压装置具有低压侧和中压侧，所述第二升压装置的低压侧电性连接于所述网侧变换器，所述第二升压装置的中压侧电性连接于所述第一升压装置的中压侧。
上述的中压风力发电系统，其中，所述定子绕组与所述第一升压装置的中压侧的连接通路上均设置有第一开关及第二开关，通过控制单元切换所述第一开关和所述第二开关调整所述每一风机单元的工作模式。
上述的中压风力发电系统，其中，所述双馈风力发电装置还包含储能模块及双向DC/DC充电器，所述储能模块通过所述双向DC/DC充电器电性连接于所述网侧变换器与所述机侧变换器之间。
上述的中压风力发电系统，其中，所述双馈风力发电装置还包含斩波模块，所述斩波模块电性连接于所述网侧变换器及所述机侧变换器之间。
本发明还提供一种中压风力发电方法，其中，包含：
步骤1：通过双馈风力发电装置输出中压交流电至第一升压装置的中压侧；
步骤2：通过所述第一升压装置将所述中压交流电转换成高压交流电后经所述第一升压装置的高压侧输出至电网。
上述的中压风力发电方法，其中，所述步骤1中进一步包含步骤11：通过所述双馈风力发电装置的每一风力发电机的定子绕组输出定子中压交流电，每一所述风力发电机的转子绕组通过一变换器产生低压交流电。
上述的中压风力发电方法，其中，所述步骤1中还包含步骤12：通过所述双馈风力发电装置的第二升压装置将所述变换器产生的低压交流电转换为转子中压交流电。
本发明的中压风力发电系统，采用低压功率器件和小容量的升压变压器能够实现中压发电系统的应用，提高了系统电力传输效率，降低了系统的成本和体积。变换器中的网侧变换器和机侧变换器采用相同容量，便于模块化设计以及安装布局。定子绕组输出中压交流电到升压变压器，节省了传输电缆的成本，降低电能输送过程中的损失。
附图说明
图1为现有技术风力发电及传输系统结构示意图；
图2为本发明第一实施例的中压风力发电系统结构示意图；
图3为本发明第二实施例的中压风力发电系统结构示意图；
图4为本发明第三实施例的中压风力发电系统结构示意图；
图5为本发明第四实施例的中压风力发电系统结构示意图；
图6为本发明第五实施例的中压风力发电系统结构示意图；
图7为本发明中压风力发电系统超同步工作的能量传输示意图；
图8为本发明中压风力发电方法的流程图。
其中，附图标记
1a：第一级双馈风力发电装置
11a：双馈发电机
12a：双馈变换器
13a：扇叶
2a：第二级升压系统
21a：升压变压器
3a：第三级的升压系统
31a：升压变压器
LV：低压侧
MV：中压侧
HV：高压侧
1b、1c：双馈风力发电装置
11b、11b1…11bn、11c1、11c2：风力发电机
12b、12b1…12bn、12c1、12c2：机侧变换器
13b、13b1…13bn、13c：网侧变换器
14b：储能模块
15b：双向DC/DC充电器
16b：斩波模块
21b、21c：第一升压装置
31b、31b1…31bn、31c：第二升压装置
S1：第一开关
S2：第二开关
具体实施方式
兹有关本发明的详细内容及技术说明，现以一较佳实施例来作进一步说明，但不应被解释为对本发明实施的限制。
在本发明的具体实施例部分和权利要求书部分，涉及“连接”“耦接”的描述，其可泛指一元件通过其他元件而间接连接至另一元件，或是一元件无须通过其他元件而直接连接至另一元件。
请参见图2，图2为本发明第一实施例的中压风力发电系统结构示意图。如图2所示，本发明的中压风力发电系统结构包含双馈风力发电装置1b及第一升压装置21b；第一升压装置21b具有中压侧MV及高压侧HV，第一升压装置21b的高压侧HV电性连接于电网。
进一步地，双馈风力发电装置1b包含风力发电机11b、机侧变换器12b、网侧变换器13b及第二升压装置31b。风力发电机11b包含定子绕组与转子绕组，定子绕组耦接于第一升压装置21b的中压侧MV；机侧变换器12b耦接于转子绕组；网侧变换器13b一端耦接于机侧变换器12b，另一端通过第二升压装置31b耦接于第一升压装置21b的中压侧MV。其中定子绕组输出定子中压交流电至第一升压装置21b的中压侧MV；转子绕组通过变换器产生低压交流电，所述变换器包含依次电性连接的机侧变换器12b及网侧变换器13b。第二升压装置31b连接至第一升压装置21b的中压侧MV，将低压交流电转换为转子中压交流电。第一升压装置21b将双馈风力发电装置1b产生的中压交流电转换成高压交流电后经第一升压装置21b的高压侧HV输出至电网。
图2所示的中压风力发电系统主要包含两级结构，即风力发电装置和升压系统。风力发电装置中，网侧变换器13b一端与直流母线(DC+和DC-)相连，另一端连接于第二升压装置31b，定子绕组与第二升压装置31b的中压侧连接于公共中压点A。升压系统中，双馈风力发电装置输出的中压交流电通过第一升压装置21b完成中压到高压的转换。本实施例中，定子侧输出中压(如10KV、 20KV或35KV)；根据风力发电机的转速变化转子侧电压在0～690V之间变化，机侧变换器和网侧变换器额定交流电压为690V，其直流母线电压为 1100V。相对于低压风力发电系统，本实施例的中压风力发电系统在不改变低压变换器的前提下，采用中压电缆传输定子中压交流电，极大节省了风力发电系统的电缆成本，提高电力传输效率。
图1中的低压风力发电系统需要额外设置升压系统2a，采用升压变压器 (如21a)对转子和定子产生的低压交流电进行升压。而本发明的中压风力发电系统仅需在网侧变换器处设置一第二升压装置31b，一般额定转速下，转子绕组通过变换器产生的转差功率只占风力发电系统功率的1/6，因此网侧变换器连接的变压器31b的功率只有传统结构中变压器21a功率的1/6。也就是说，只需处理转子产生功率的变压器31b的体积，重量，成本均远远低于升压系统 2a中的变压器21a。本发明的中压风力发电系统，将传统的三级结构减少为两级，具有更高的能量传输转换效率，减少能量损耗，降低系统成本。
请参见图3，图3为本发明第二实施例的中压风力发电系统结构示意图。图3示出的中压风力发电系统与图2示出的中压风力发电系统的原理相同，因此图2与图3的相同之处在此就不再赘述了，现将不同之处说明如下。图3 示出的中压风力发电系统的双馈风力发电装置1b包含多个风力发电机11b、多个机侧变换器12b、多个网侧变换器13b；多个风力发电机11b的定子绕组电性连接于第一升压装置21b的中压侧MV；多个风力发电机11b的转子绕组与多个机侧变换器12b一一对应并电性连接；多个网侧变换器13b的每一网侧变换器13b电性连接于至少一个机侧变换器12b。
由于机侧变换器要处理较大的无功电流，一般所需机侧变换器容量是所需网侧变换器容量的至少2倍。也就是说，如果网侧和机侧采用相同容量的变换器，那么一组网侧变换器可以对应连接至少两组机侧变换器。
如图3所示，两个或多个不同的机侧变换器12b通过直流侧连接在一起，共享一个网侧变换器13b。公共的网侧变换器一端与直流母线相连，一端与升压第二升压装置31b相连，第二升压装置31b的中压侧与定子绕组共同连接到公共中压点A。图3中示出的两个机侧变换器和网侧变换器采用相同的设计、具有相同的容量，便于变换器系统的模块化设计。
机侧变换器与网侧变换器可以在直流母线侧分开放置，如机侧变换器和风力发电机一起装置在塔顶，网侧变换器和第二升压装置设置在塔底。机侧变换器和网侧变换器分别设置在塔筒的不同位置，有利于发电系统布局的优化和散热设计，有利于实现更大功率的发电系统。
在本实施例中，每一网侧变换器对应地电性连接于两个机侧变换器，但本发明并不以此为限，在其他实施例中，根据设计者需求增加或减少每一网侧变换器对应的机侧变换器的数量。
进一步地，再请参照图2及图3，第二升压装置31b具有低压侧LV和中压侧MV，第二升压装置31b的低压侧LV电性连接于网侧变换器13b，第二升压装置31b的中压侧MV电性连接于第一升压装置21b的中压侧MV，即公共的中压点A。
请参照图4，图4为本发明第三实施例的中压风力发电系统结构示意图。图4所示的中压风力发电系统相较于图3所示的中压风力发电系统区别在于，图4所示的中压风力发电系统还包含多个第二升压装置31b1…31bn及多个网侧变换器13b1…13bn，多个第二升压装置31b1…31bn的中压侧MV电性连接于第一升压装置21b的中压侧MV；多个第二升压装置31b1…31bn的低压侧 LV一一对应地电性连接于多个网侧变换器13b1…13bn；多个网侧变换器 13b1…13bn一一对应地电性连接于多个机侧变换器12b1…12bn；多个机侧变换器12b…12bn一一对应地电性连接于风力发电机11b1…11bn。具体地，多个第一升压装置和多个第二升压装置均为升压变压器。
请参照图5，图5为本发明第四实施例的中压风力发电系统结构示意图。图5所示的中压风力发电系统相较于图2所示的中压风力发电系统区别在于，图5所示的中压风力发电系统还包含设置于定子绕组与第一升压装置21b的中压侧MV的连接通路的第一开关S1及第二开关S2，通过控制单元切换第一开关S1和第二开关S2调整风力发电机11b的工作模式，可以有效的扩展风力发电机的低速运行范围。当第一开关S1闭合且第二开关S2断开时，风力发电机11b处于高速运行模式，工作转速一般为-0.3～+0.3的转差范围；当第一开关S1断开且第二开关S2闭合时，风力发电机11b处于低速运行模式，即变成定子短路的感应电机发电模式，工作转速不再受到转差电压的限制，工作在转差范围(+0.3～1)。
再请参照图5，图5所示的中压风力发电系统的双馈风力发电装置1b还包含储能模块14b、双向DC/DC充电器15b及斩波模块16b；储能模块14b 通过双向DC/DC充电器15b电性连接于网侧变换器13b与机侧变换器12b之间，储能模块14b和双向DC/DC充电器15b用以实现风机系统的频率调节以及功率平滑；斩波模块16b电性连接于网侧变换器13b与机侧变换器12b之间，用以实现系统的故障保护功能，使直流母线电压维持在可靠的运行范围内，保护变换器电子器件不过压。其中，本实施例中包含储能模块14b、双向DC/DC 充电器15b及斩波模块16b，但本发明并不以此为限，在其他实施例中可以只包含储能模块14b和双向DC/DC充电器15b，或只包含斩波模块16b。
请参照图6，图6为本发明第五实施例的中压风力发电系统结构示意图。图6所示的中压风力发电系统相较于图3所示的中压风力发电系统区别在于，图6所示的中压风力发电系统的每一定子绕组与每一第一升压装置21b的中压侧MV的连接通路的均设置有第一开关S1及第二开关S2，通过控制单元切换每一第一开关S1和每一第二开关S2调整多个风力发电机11b1…11bn的每一风力发电机的工作模式，可以有效的扩展风力发电机的低速运行范围。当第一开关S1闭合且第二开关S2断开时，风力发电机11b处于高速运行模式，工作转速一般为-0.3～+0.3的转差范围；当第一开关S1断开且第二开关S2闭合时，风力发电机11b处于低速运行模式，即变成定子短路的感应电机发电模式，工作转速不再受到转差电压的限制，工作在转差范围(+0.3～1)。其中，多个风力发电机11b1…11bn的工作模式可以相同或不同，例如设置风力发电机11b1 的工作模式为高速模式的同时，可以设置风力发电机11b2为低速模式。
再请参照图6，图6所示的中压风力发电系统的双馈风力发电装置1b还包含储能模块14b、双向DC/DC充电器15b及斩波模块16b；储能模块14b 通过双向DC/DC充电器15b电性连接于网侧变换器13b与机侧变换器12b2 之间，储能模块14b和双向DC/DC充电器15b用以实现风机系统的频率调节以及功率平滑；斩波模块16b电性连接于网侧变换器13b与机侧变换器12b2 之间，用以实现系统的故障保护功能，使直流母线电压维持在可靠的运行范围内，保护变换器电子器件不过压。其中，本实施例中包含储能模块14b、双向 DC/DC充电器15b及斩波模块16b，但本发明并不以此为限，在其他实施例中可以只包含储能模块14b和双向DC/DC充电器15b，或只包含斩波模块16b。
请参照图7，图7为本发明中压风力发电系统超同步工作的能量传输示意图。图7所示的中压风力发电系统与图3所示的中压风力发电系统中各部件的连接关系大致相同，图7中的箭头方向为能量传输方向，中压交流电包括转子中压交流电及定子中压交流电。图7所示的中压风力发电系统包含第一升压装置21c及双馈风力发电装置1c；第一升压装置21c具有中压侧及高压侧，第一升压装置21c的高压侧HV电性连接于电网；双馈风力发电装置1c电性连接于第一升压装置21c的中压侧MV。
进一步地，双馈风力发电装置1c包含两个风力发电机11c1、11c2、两个机侧变换器12c1、12c2、一个网侧变换器13c及第二升压装置31c；两个风力发电机11c1、11c2的定子绕组电性连接于第一升压装置21c的中压侧MV；两个机侧变换器12c1、12c2分别耦接两个风力发电机11c1、11c2的转子绕组；一个网侧变换器13c对应耦接两个机侧变换器12c1、12c2。其中，两个风力发电机的定子绕组输出定子中压交流电至第一升压装置21c的中压侧MV；网侧变换器13c输出的低压交流电经第二升压装置31c转换为转子中压交流电后，再输出至第一升压装置21C的中压侧MV；第一升压装置21C将定子中压交流电及转子中压交流电转换成高压交流电后经第一升压装置21C的高压侧HV 输出至电网。通过定子绕组直接传输中压的结构进行能量传输，在不改变低压变换器的前提下，采用电缆传输中压，极大降低了电缆的成本(电缆传输的电压越高成本越低)，同时采用两级结构提高了传输效率。
请参照图8，图8为本发明中压风力发电方法的流程图。如图8所示，本发明中压风力发电方法包含：
步骤1：通过双馈风力发电装置输出中压交流电至第一升压装置的中压侧；
步骤2：通过所述第一升压装置将所述中压交流电转换成高压交流电后经所述第一升压装置的高压侧输出至电网。
进一步地，所述步骤1进一步包含：通过所述双馈风力发电装置的每一风力发电机的定子绕组输出定子中压交流电，每一所述风力发电机的转子绕组通过一变换器产生低压交流电。
更进一步地，所述步骤1还包含：通过所述双馈风力发电装置的第二升压装置将所述变换器产生的低压交流电转换为转子中压交流电。
上述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种中压风力发电系统，其特征在于，包含：
第一升压装置，具有中压侧及高压侧，所述第一升压装置的高压侧电性连接于电网；及
双馈风力发电装置，包含：
风力发电机，包含定子绕组与转子绕组，所述定子绕组耦接于所述第一升压装置的中压侧；
机侧变换器，具有第一端及第二端，所述第一端耦接于所述转子绕组；
网侧变换器，具有第一端和第二端，所述第一端耦接于所述机侧变换器的第二端；以及
第二升压装置，具有低压侧及中压侧，所述低压侧耦接于所述网侧变换器的第二端，所述中压侧耦接于所述第一升压装置的中压侧；
其中，所述定子绕组输出中压交流电至所述第一升压装置的中压侧；所述转子绕组输出低压交流电，并通过所述第二升压装置转换为所述中压交流电，以输出至所述第一升压装置的中压侧；所述中压交流电通过所述第一升压装置转换为高压交流电后输出至所述电网，且所述中压交流电的电压范围为10KV～35KV。
2.如权利要求1所述的中压风力发电系统，其特征在于，所述双馈风力发电装置包含：
多个风力发电机，每一所述风力发电机的定子绕组电性连接于所述第一升压装置的中压侧；
多个机侧变换器，所述多个风力发电机的转子绕组与所述多个机侧变换器一一对应并电性连接；
至少一网侧变换器，每一所述网侧变换器电性连接于至少一所述机侧变换器。
3.如权利要求1所述的中压风力发电系统，其特征在于，所述双馈风力发电装置包含：
多个风力发电机，每一所述风力发电机的定子绕组电性连接于所述第一升压装置的中压侧；
多个机侧变换器，所述多个风力发电机的转子绕组与所述多个机侧变换器一一对应并电性连接
多个网侧变换器，每一所述网侧变换器对应电性连接于两个所述机侧变换器。
4.如权利要求2或3所述的中压风力发电系统，其特征在于，所述定子绕组与所述第一升压装置的中压侧的连接通路上均设置有第一开关及第二开关，通过控制单元切换所述第一开关和所述第二开关调整所述每一风机单元的工作模式。
5.如权利要求2或3所述的中压风力发电系统，其特征在于，所述双馈风力发电装置还包含储能模块及双向DC/DC充电器，所述储能模块通过所述双向DC/DC充电器电性连接于所述网侧变换器与所述机侧变换器之间。
6.如权利要求2或3所述的中压风力发电系统，其特征在于，所述双馈风力发电装置还包含斩波模块，所述斩波模块电性连接于所述网侧变换器及所述机侧变换器之间。
7.一种中压风力发电方法，其特征在于，包含：
步骤1：通过双馈风力发电装置的每一风力发电机的定子绕组输出中压交流电至第一升压装置的中压侧；
步骤2：双馈风力发电装置的每一风力发电机的转子绕组通过一变流器输出低压交流电，通过所述双馈风力发电装置的第二升压装置将所述低压交流电转换为所述中压交流电以输出至所述第一升压装置的中压侧；
步骤3：通过所述第一升压装置将所述中压交流电转换成高压交流电后经所述第一升压装置的高压侧输出至电网；
其中，所述中压交流电的电压范围为10KV～35KV。
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