CN109347087B - 基于极对数和传动比调节的双馈型风电机组优化 - Google Patents

Abstract

本发明涉及应用于交流和直流电网中的双馈型风电机组优化设计方法，属于风力发电技术领域。该方法采用调节齿轮箱传动比和发电机极对数的方法对包括齿轮箱、变流器和双馈发电机(DFIG)的双馈型风电机组进行优化设计；首先以优化后和优化前齿轮箱传动比的比值λ作为参数，构建优化前后齿轮箱、变流器和双馈型发电机的成本；从而求优化后双馈型风电机组减少成本ΔC_s；最后求取风电机组优化设计参数：根据ΔC_s公式，绘制ΔC_s‑λ曲线，求得ΔC_s的最大值和λ的最优值，由此获得优化后齿轮箱传动比和DFIG的极对数。本发明可有效降低齿轮箱传动比和系统成本。

Description

基于极对数和传动比调节的双馈型风电机组优化

技术领域

本发明涉及一种系统优化设计方法，尤其是一种应用于交流和直流电网中的双馈型风电机组优化设计方法，属于风力发电技术领域。

背景技术

双馈型风电系统广泛应用于交流和直流并网的风电场中，其主要由风力机、齿轮箱、双馈型风力发电机(DFIG)和变流器系统等构成。风力机运行转速低，而传统的DFIG是一个高速、小体积的发电机，因此通常采用高传动比的齿轮箱把较低的风力机转速提升到高速的转子转速。齿轮箱和DFIG的成本与损耗与齿轮箱的传动比分别成正比和反比：齿轮箱的传动比越高，DFIG的体积和成本越小，但齿轮箱的体积和成本越大。双馈型风力发电系统每年大约有65％左右的系统损耗来源于齿轮箱，齿轮箱传动比越大，系统的损耗和故障率越高，系统的可靠性越差。因此，有必要研究最佳的齿轮箱和DFIG设计方案，以期降低双馈风电机组整体的成本、损耗，提高系统运行的可靠性。

为了将直接将双馈型风力发电机输出功率接入直流电网DFIG接入直流电网，申请人发明专利ZL201310079881.6披露了一种用于柔性直流输电系统的双馈型风电机组变流器拓扑结构。同时申请人公开的发明专利107273647A披露了一种在发电机极对数不变时采用调节齿轮箱传动比和发电机电流方法对专利ZL201310079881.6中直流双馈型风力发电系统拓扑结构的双馈型风电机组进行优化设计方案，然而调节发电机极对数可有效降低齿轮箱传动比和系统成本，因而必须解决由此带来的系统优化设计。

发明内容

本发明的主要目的在于：针对现有技术的不足和空白，提出一种通过选择最佳齿轮箱传动比和双馈型风力发电机极对数的方法对双馈型风电机组进行优化设计的方案，以达到降低双馈型风电机组成本、提高系统可靠性的目的。

为了达到以上目的，本发明一种采用调节齿轮箱传动比和发电机极对数的双馈型风电机组优化设计方法，对采用一种直流双馈型风力发电系统拓扑结构和一种交流传统双馈型风力发电系统拓扑结构的双馈型风电机组进行优化设计，所述直流输电的双馈型风力发电系统包括风力机、齿轮箱、双馈型风力发电机、直流变流器、直流母线，所述直流变流器包括定子侧变流器和转子侧变流器，所述交流输电的传统双馈发电系统拓扑结构包括风力机、齿轮箱、双馈型风力发电机、传统变流器、交流母线，所述直流变流器和传统变流器统称为变流器系统，所述双馈型风电机组包括所述齿轮箱、所述双馈型风力发电机和所述变流器系统，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，计算优化后所述双馈型风电机组的总成本减少量ΔC_s：

式中，ΔC_d、ΔC_g分别为优化后所述双馈型风力发电机的减少成本和所述齿轮箱的增加成本； C_d,N、C_g,N分别为优化前所述双馈型风力发电机和所述齿轮箱的成本；k₁、k₂、k₃分别为所述齿轮箱成本曲线的拟合系数，通过采用曲线拟合方法对工业应用中不同传动比的齿轮箱进行成本曲线拟合求得拟合系数；λ为优化后齿轮箱的传动比M与优化前齿轮箱的传动比N之比，可表示为

优化后发电机的极对数为

式中，n_p,N、n_p,M分别为优化前、优化后的极对数

步骤2，求所述双馈型风电机组的优化设计参数，具体包括以下步骤：

1)以λ为横坐标、双馈型风电机组的减少成本ΔC_s为纵坐标，根据式(1)绘制曲线，求得优化后所述双馈型风电机组减少成本的最大值ΔC_smax，以及与之对应的最优齿轮箱传动比之比λ_opt；

2)将λ＝λ_opt代入式(2)，求得优化后所述齿轮箱的传动比M＝λ_opt N；

3)将λ＝λ_opt代入式(3)，求得优化后所述双馈型风力发电机的极对数n_pM＝n_pN/λ_opt。

本发明的有益效果是：随着齿轮箱传动比的降低，齿轮箱的体积减少，成本降低，故障率降低，从而整机系统的成本降低，系统运行的可靠性提升。

附图说明

图1为本发明采用的直流双馈型风力发电系统拓扑结构示意图。

图2为本发明采用的交流传统双馈型风力发电系统拓扑结构示意图。

图3为优化后系统成本变化量与齿轮箱传动比之比λ关系的曲线图。

其中，1-风力机；2-齿轮箱；3-双馈型风力发电机；31-双馈型风力发电机的定子；32-双馈型风力发电机的转子；4-直流变流器；41-定子侧变流器；42-转子侧变流器；5-直流母线； 6-传统变流器；7-交流母线。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明采用的直流双馈型风力发电系统包括风力机1、齿轮箱2、双馈型风力发电机3、直流变流器4、直流母线5；直流变流器4包括定子侧变流器41和转子侧变流器42；齿轮箱2一端与风力机1连接，另一端与双馈型风力发电机转子32连接；定子侧变流器41一端与双馈型风力发电机定子31连接，另一端分别与转子侧变流器42、直流母线5 连接；转子侧变流器42的另一端与双馈型风力发电机转子32连接。齿轮箱2、双馈型风力发电机3和直流变流器4统称为直流双馈型风电机组。

如图2所示，本发明采用的交流双馈型风力发电系统包括风力机1、齿轮箱2、双馈型风力发电机3、传统变流器6、交流母线7；传统变流器6为两个背靠背的变流器；齿轮箱2一端与风力机1连接，另一端与双馈型风力发电机转子32连接；传统变流器6一端与双馈型风力发电机转子32连接，另一端与交流母线7连接；交流母线7与双馈型风力发电机定子31 连接。齿轮箱2、双馈型风力发电机3和传统变流器6统称为交流双馈型风电机组。

直流双馈型风电机组和交流双馈型风电机组统称为双馈型风电机组；直流变流器4和传统变流器6统称为变流器系统。

本发明采用调节齿轮箱传动比和发电机极对数的双馈型风电机组优化设计方法，对采用交流和直流双馈型风力发电系统拓扑结构的双馈型风电机组进行优化设计，具体包括以下步骤：

步骤1，计算优化后双馈型风电机组减少的总成本ΔC_s

假设优化前后风力机1的功率不变，双馈型风力发电机(DFIG)3的定子31、转子32的感抗和定转子之间的互感保持不变，定子31的定子和转子电流保持不变，令：

式中，N、M分别为优化前、优化后所述齿轮箱2的传动比，且N>M，λ为优化后和优化前所述齿轮箱2传动比之比；

双馈型风力发电机3的输出功率P、扭矩T_e、定子磁通ψ_s和电流有如下关系：

式中，ω_m为转子转速，ψ_s为定子磁通，I_sq为定子有功轴电流，n_p为发电机极对数。

在优化前后功率和定子31和转子32电流不变，且定子和转子的感抗及互感保持不变，因此定子磁通保持不变，优化前后发电机的输出功率和扭矩由式(4)可得：

P＝Nn_p,Nψ_sI_sqω_w＝Mn_p,Mψ_sI_sqω_w (5)

上两式中，n_p,N、n_p,M分别为优化前、优化后的极对数，T_e,N、T_e,M分别为优化前、优化后的扭矩，ω_w为风力机转速。

根据式(5)和式(2)，可获得优化后的极对数为

设优化设计前，双馈型风力发电机3的成本为C_d,N，齿轮箱2的成本为C_g,N，变流器系统的成本为C_c,N，双馈型风电机组的总成本为C_s,N，则有

C_s,N＝C_d,N+C_g,N+C_c,N (7)

设优化设计后，双馈型风力发电机3的成本为C_d,M，齿轮箱2的成本为C_g,M，变流器系统的成本为C_c,M，双馈型风电机组的总成本为C_s,M，则有

C_s,M＝C_d,M+C_g,M+C_c,M (8)

在输送功率不变的情况下，齿轮箱4的成本C_g,M主要由其变速比和扭矩大小来决定，随着λ的减少，可以估算为

C_g,M＝f(λ)＝C_g,N(k₁λ+k₂λ²+k₃λ³) (9)

式中，k₁、k₂、k₃分别为齿轮箱4的成本曲线的拟合系数，用于拟合随λ变化的齿轮箱成本曲线，并通过采用曲线拟合方法对工业应用中不同传动比的齿轮箱进行成本曲线拟合求得拟合系数。

优化后齿轮箱的减少成本ΔC_g可表示为

ΔC_g＝C_g,N-C_g,M＝C_g,N(1-k₁λ-k₂λ²-k₃λ³) (10)

在转速相同的情况下，双馈型风力发电机3的成本与扭矩成正比，因而根据式(2)和式 (6)，优化后的双馈型风力发电机3的成本可估算为

优化后双馈型发电机的增加成本ΔC_d可表示为

变流器系统的成本与其功率和电流等级有关系，由于优化前后输出功率、定子转子的电压和电流保持不变，因而优化前和优化后变流器的成本保持不变，也即

C_c,N＝C_c,M (13)

优化后变流器系统的增加成本ΔC_c为0，也即

ΔC_c＝C_c,M-C_c,N＝0 (14)

优化后双馈型风电机组总成本减少量ΔC_s可表示为：

ΔC_s＝C_s,N-C_s,M＝(C_d,N-C_d,M)+(C_g,N-C_g,M)+(C_c,N-C_c,M) (15)

将式(9)、式(11)和式(13)代入式(15)，可得优化后双馈型风电机组减少的总成本ΔC_s为：

步骤2，求优化设计双馈型风电机组，具体包括以下步骤：

1)如图3所示，以λ为横坐标、成本为纵坐标，根据式(10)、式(12)和式(1)分别绘制齿轮箱2的减少成本ΔC_g-λ曲线、双馈型风力发电机3的增加成本ΔC_d-λ曲线、双馈型风电机系统总成本减少量ΔC_s-λ曲线，并求出ΔC_s的最大值ΔC_smax，即双馈型风电机组的最优成本减少量，与之对应的λ即为最优齿轮箱传动比之比λ_opt；

2)根据式(2)，求得优化后的齿轮箱2的传动比M＝λ_opt N；

3)根据式(3)，求得优化后的发电机极对数n_pM＝n_pN/λ_opt。

下面用一个例子对本发明做进一步说明。

实施例：

以某公司生产的双馈型风电机组为例，其主要参数为：P＝3MW，n_p＝3，齿轮箱传动比 N＝80；齿轮箱成本C_g,N＝22万欧元，DFIG成本C_d,N＝6万欧元。

首先，通过采用曲线拟合方法对工业应用中不同传动比的齿轮箱进行成本曲线拟合求得拟合系数的值为：k₁＝0.2，k₂＝0.35，k₃＝0.45；根据式(10)、式(12)和式(1)分别绘制优化后齿轮箱的减少成本ΔC_g-λ曲线、双馈型风力发电机的增加成本ΔC_d-λ曲线、双馈型风电机组的减少成本ΔC_s-λ曲线，如图3所示。从图3中可以看出，齿轮箱的减少成本ΔC_g随着λ的降低而逐渐提高；双馈型风力发电机的增加成本ΔC_d随着λ的降低而逐渐提高；双馈型风电机组的减少成本ΔC_s先随着λ的降低而逐渐提高，后随着λ的降低而逐渐降低，存在最大值。找出图中最大值A点，此点即为最优点，其对应的横坐标λ值即为最优齿轮箱传动比之比λ_opt＝0.5，其对应的ΔC_s纵坐标值即为优化后双馈型风电机组的最优减少成本ΔC_smax为10.65 万欧元，也即节省了10.65万欧元。

其次，将λ_opt＝0.5代入式(1)，可求得优化后齿轮箱的传动比M＝40，以此和功率等级选择齿轮箱。

最后，将λ_opt＝0.5代入式(2)可求得双馈型发电机的极对数n_p,M＝6，以此和其它参数选择或设计双馈型风力发电机。

Claims (1)

1.本发明一种采用调节齿轮箱传动比和发电机极对数的双馈型风电机组优化设计方法，对采用一种基于直流双馈型风力发电系统拓扑结构和一种交流传统双馈型风力发电系统拓扑结构的双馈型风电机组进行优化设计，所述直流双馈型风力发电系统包括风力机、齿轮箱、双馈型风力发电机、直流变流器、直流母线，所述直流变流器包括定子侧变流器和转子侧变流器，所述交流传统双馈型发电系统拓扑结构包括风力机、齿轮箱、双馈型风力发电机、传统变流器、交流母线，所述直流变流器和传统变流器统称为变流器系统，所述双馈型风电机组包括所述齿轮箱、所述双馈型风力发电机和所述变流器系统，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，假设优化前后所述风力机的功率不变，所述双馈型风力发电机的定子和转子电流保持不变，所述双馈型风力发电机的定子感抗、转子感抗及其定转子之间的互感保持不变，计算优化后所述双馈型风电机组的总成本减少量ΔC_s：

式中，ΔC_d、ΔC_g分别为优化后所述双馈型风力发电机的减少成本和所述齿轮箱的增加成本；C_d,N、C_g,N分别为优化前所述双馈型风力发电机和所述齿轮箱的成本；k₁、k₂、k₃分别为所述齿轮箱成本曲线的拟合系数，通过采用曲线拟合方法对工业应用中不同传动比的齿轮箱进行成本曲线拟合求得拟合系数；λ为优化后齿轮箱的传动比M与优化前齿轮箱的传动比N之比，即：

优化后所述双馈型风力发电机的极对数为：

式中，n_p,N、n_p,M分别为所述双馈型风力发电机优化前、优化后的极对数；

步骤2，求所述双馈型风电机组的优化设计参数，具体包括以下步骤：

1)以λ为横坐标、双馈型风电机组的减少成本ΔC_s为纵坐标，根据式(1)绘制曲线，求得优化后所述双馈型风电机组减少成本的最大值ΔC_smax，以及与之对应的最优齿轮箱传动比之比λ_opt；

2)将λ＝λ_opt代入式(2)，求得优化后所述齿轮箱的传动比M＝λ_opt N；

3)将λ＝λ_opt代入式(3)，求得优化后所述双馈型风力发电机的极对数n_pM＝n_pN/λ_opt。

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