CN201802563U - 全功率鼠笼机组风力发电装置 - Google Patents

全功率鼠笼机组风力发电装置 Download PDF

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吴霞
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Abstract

本实用新型公开了一种全功率鼠笼机组风力发电装置，包括：叶片、齿轮箱、鼠笼异步发电机、全功率变频器、并网变压器，其中，叶片通过轴与齿轮箱相连接；齿轮箱通过联轴器与鼠笼异步发电机相连接；全功率变频器将鼠笼异步发电机输出的交流电转换为与电网的相位和频率一致的交流电；并网变压器将全功率变频器输出的交流电升压后接入电网。本实用新型采用全功率技术，可以较好地满足低电压穿越的要求，减少对电网的冲击，保证系统发生故障后风电机组不间断并网运行，克服了现有技术中存在的问题。

Description

全功率鼠笼机组风力发电装置 
技术领域
本实用新型涉及电力领域，具体而言，涉及一种全功率鼠笼机组风力发电装置。 
背景技术
变速恒频发电技术已成为当前风力发电的主流技术，变速恒频风力发电系统具有以下共同的优点： 
(1)可最大限度地捕捉风能； 
(2)较宽的转速运行范围，以适应由于风速变化引起的风力机转速的变化； 
(3)采用一定的控制策略可灵活调节系统的有功功率和无功功率； 
(4)采用先进的PWM控制，可以抑制谐波，减小开关损耗，提高效率，降低成本。 
变速恒频发电机组可以有多种形式，主要有以下四种方案： 
(1)交流励磁双馈发电机变速恒频风力发电系统； 
(2)无刷双馈发电机变速恒频风力发电系统； 
(3)笼型异步发电机变速恒频风力发电系统； 
(4)永磁同步发电机变速恒频风力发电系统。 
无刷双馈发电机与交流励磁双馈发电机相比，没有滑环和电刷，既降低了电机成本，又提高了系统运行的可靠性，并且只要采用部分功率的变频器即可，因此具有很好的发展前途。但是由于结构复杂，理论研究有待进一步 深入，所以此方案目前还较少为风力发电设备生产商所采用。交流励磁双馈发电机也只需采用部分功率的变频器，具有成本优势，其制造和控制技术都趋于成熟，是目前主流的机型，交流励磁双馈发电机具有滑环和电刷结构，在长期满负荷工作状态下，可能出现因滑环和电刷损坏而引起的发电机故障，一旦出现故障，因发电机安装在高空，维护起来将会不便。 
另外一种实用化的方案就是永磁同步发电机利用永磁体取代转子励磁磁场，其结构比较简单、牢固。该系统不需要增速传动机构，转速低，机械损耗小，便于维护；也不需要外部励磁，在低风速下可以高效率发电；还易于实现电网故障下发电机系统的不间断运行，但是直驱型风电系统多采用低速多极永磁电机，体积庞大，安装不易，且发电机的成本受永磁体成本的限制，一般只应用在小型风力发电系统中，不宜在规模化的风场中应用。鼠笼电机在早期的风电设计中用到过，但受制于当时变频器技术，早期技术都是小功率的发电装置。 
然而，由于现有技术中电力系统的低电压穿越(Low Voltage RideThrough，LVRT)能力较差，当电力系统中风电装机容量比例较大时，电力系统故障导致电压跌落后，风电场切除会严重影响系统运行的稳定性。 
实用新型内容
本实用新型用于提供一种全功率鼠笼机组风力发电装置，以提高电力系统的低电压穿越能力，增强系统运行的稳定性。 
本实用新型提供了一种全功率鼠笼机组风力发电装置，包括：叶片、齿轮箱、鼠笼异步发电机、全功率变频器、并网变压器，其中，叶片通过轴与齿轮箱相连接；齿轮箱通过联轴器与鼠笼异步发电机相连接；全功率变频器将鼠笼异步发电机输出的交流电转换为与电网的相位和频率一致的交流电；并网变压器将全功率变频器输出的交流电升压后接入电网。 
进一步地，上述全功率鼠笼机组风力发电装置中还包括：控制系统，其 包括：主控制单元以及分别与其相连接的偏航和桨距角控制单元、变频器控制单元和并网控制单元，其中，主控制单元采集风向、风速、叶片的转速和电网电压，并对其进行处理生成控制命令；偏航和桨距角控制单元与叶片相连接，并根据主控制单元的控制命令调整叶片的迎风角和节距角；变频器控制单元分别与全功率变频器和鼠笼异步发电机相连接，根据主控制单元的控制命令控制全功率变频器将鼠笼异步发电机输出的交流电转换为与电网的相位和频率一致的交流电，并控制鼠笼异步发电机的输出功率；并网控制单元与并网变压器相连接。 
进一步地，上述偏航和桨距角控制单元还包括：解绕部分，根据主控制单元的控制命令对多次缠绕的电缆进行解绕。 
进一步地，上述全功率鼠笼机组风力发电装置中还包括：保护系统，其包括相连接的参数采集单元和继电保护单元，其中，参数采集单元分别采集鼠笼异步发电机的输出电压和电流、全功率变频器中直流母线的电压、全功率变频器网侧的电压和电流以及电网的电压、频率和相位；继电保护单元，将参数采集单元采集到的各项参数与设定的极限值进行比较，当各项参数中的任一项超过其对应的极限值时，停止风力机的运行。 
本实施例采用全功率技术，可以较好地满足低电压穿越的要求，减少对电网的冲击，保证系统发生故障后风电机组不间断并网运行，克服了现有技术中存在的问题。 
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 
图1是根据本实用新型一个实施例的全功率鼠笼机组风力发电装置示意图。 
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。 
风力发电系统是一个将风能转换为机械能，再转化为电能的过程。其中将风能转化为机械能的过程由风力机完成的，机械能转化为电能的过程是由发电机完成的，而风力机与发电机之间是通过传输轴、齿轮箱等机械传输机构完成机械能传递的。风力机所捕获风能的多少，以及风力机输出机械能的质量主要是由风能和风力机的气动特性决定的。风能主要以风速的形式反映，而风力机输送给发电机的机械能还与传输轴、齿轮箱等机械部分的特性密切相关。 
图1是根据本实用新型一个实施例的全功率鼠笼机组风力发电装置示意图。该装置包括：叶片、齿轮箱、鼠笼异步发电机、全功率变频器、并网变压器(图中未示出)，其中，叶片通过轴与齿轮箱相连接；齿轮箱通过联轴器与鼠笼异步发电机相连接；全功率变频器将鼠笼异步发电机输出的交流电转换为与电网的相位和频率一致的交流电；并网变压器将全功率变频器输出的交流电升压后接入电网。 
该装置工作原理如下：当自然风速超过风机的启动风速之后，风机转到迎风位置且叶片逐渐旋转至工作位置，增速箱将轮毂转速按固定变比进行放大，发电机转子与增速箱通过联轴器柔性连接，鼠笼电机定子与全功率变频器一边连接，全功率变频器将鼠笼发电机发出的电经过整定后，经变压器升 压后输送到电网。由感应电机的工作原理可知，要使感应电机发出有功功率，不仅须有外施力矩使转子沿着同步转速方向旋转且|n转子|＞|n同步|，而且还必须供给感应电机滞后的无功功率以建立磁场。该装置中，发电机直接连接电网，滞后的无功功率直接从电网输入，无需增加无功输入单元。 
本实施例采用全功率技术，可以较好地满足低电压穿越的要求，减少对电网的冲击，保证系统发生故障后风电机组不间断并网运行，故障率较低，使用寿命较长，更适于在恶劣环境下工作。 
本实用新型实施例中对全功率鼠笼机组风力发电装置的功率不加限定，例如可以为1.5MW和3MW。 
进一步地，上述全功率鼠笼机组风力发电装置中还包括：控制系统，其包括：主控制单元以及分别与其相连接的偏航和桨距角控制单元、变频器控制单元和并网控制单元，其中，主控制单元采集风向、风速、叶片的转速和电网电压，并对其进行处理生成控制命令；偏航和桨距角控制单元与叶片相连接，并根据主控制单元的控制命令调整叶片的迎风角和节距角；变频器控制单元分别与全功率变频器和鼠笼异步发电机相连接，根据主控制单元的控制命令控制全功率变频器将鼠笼异步发电机输出的交流电转换为与电网的相位和频率一致的交流电，并控制鼠笼异步发电机的输出功率；并网控制单元与并网变压器相连接。 
偏航和桨距角控制单元负责调整风力发电机组的迎风角和叶片的节距角，当风速过高，超过系统的额定功率时，变桨距系统调节桨叶节距角，使风力机的转速下降，将功率控制在额定功率以下；当风向变化时，偏航系统可以跟踪风向，使机组始终迎风工作；变频器控制单元用来对发电机输出的电能进行控制，将发电机发出的变压变频的电能转变为恒压恒频的电能，经并网变压器并入电网，并在正常工作过程中接受主控制器的命令实现输出功率的控制，从而使机组工作在最佳风能捕获状态下；而机组主控制系统用于协调这些部件的工作，同时采集当前的外部参数(风速、转速、电网电压等)， 根据最佳风能捕获算法，适时的对各控制单元给出合理的操作指令。 
进一步地，上述偏航和桨距角控制单元还包括：解绕部分，根据主控制单元的控制命令对因为多次对风而缠绕的电缆进行解绕。 
在风力发电系统中，由于外部环境非常复杂，比如风力的不停变化以及电网的波动等各种问题，而发电机和变频器的运行决定了风力机的运行状况，因此，对发电机和变频器的保护是非常有必要的。 
进一步地，上述全功率鼠笼机组风力发电装置中还包括：保护系统，其包括相连接的参数采集单元和继电保护单元，其中，参数采集单元分别采集鼠笼异步发电机的输出电压和电流、全功率变频器中直流母线的电压、全功率变频器网侧的电压和电流以及电网的电压、频率和相位；继电保护单元，将参数采集单元采集到的各项参数与设定的极限值进行比较，当各项参数中的任一项超过其对应的极限值时，停止风力机的运行。 
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本实用新型所必须的。 
本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。 
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围。 

Claims (4)

1.一种全功率鼠笼机组风力发电装置，其特征在于，包括：叶片、齿轮箱、鼠笼异步发电机、全功率变频器、并网变压器，其中
所述叶片通过轴与所述齿轮箱相连接；
所述齿轮箱通过联轴器与所述鼠笼异步发电机相连接；
所述全功率变频器将所述鼠笼异步发电机输出的交流电转换为与电网的相位和频率一致的交流电；
所述并网变压器将所述全功率变频器输出的交流电升压后接入所述电网。
2.根据权利要求1所述的全功率鼠笼机组风力发电装置，其特征在于，还包括：控制系统，其包括：主控制单元以及分别与其相连接的偏航和桨距角控制单元、变频器控制单元和并网控制单元，其中
所述主控制单元采集风向、风速、所述叶片的转速和电网电压，并对其进行处理生成控制命令；
所述偏航和桨距角控制单元与所述叶片相连接，并根据所述主控制单元的控制命令调整所述叶片的迎风角和节距角；
所述变频器控制单元分别与所述全功率变频器和所述鼠笼异步发电机相连接，根据所述主控制单元的控制命令控制所述全功率变频器将所述鼠笼异步发电机输出的交流电转换为与所述电网的相位和频率一致的交流电，并控制所述鼠笼异步发电机的输出功率；
所述并网控制单元与所述并网变压器相连接。
3.根据权利要求2所述的全功率鼠笼机组风力发电装置，其特征在于，所述偏航和桨距角控制单元还包括：解绕部分，根据所述主控制单元的控制命令对多次缠绕的电缆进行解绕。
4.根据权利要求1所述的全功率鼠笼机组风力发电装置，其特征在于， 还包括：保护系统，其包括相连接的参数采集单元和继电保护单元，其中
所述参数采集单元分别采集所述鼠笼异步发电机的输出电压和电流、所述全功率变频器中直流母线的电压、所述全功率变频器网侧的电压和电流以及所述电网的电压、频率和相位；
所述继电保护单元，将所述参数采集单元采集到的各项参数与设定的极限值进行比较，当所述各项参数中的任一项超过其对应的极限值时，停止风力机的运行。 
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