宽转速范围直驱风力发电系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种宽转速范围直驱风力发电系统，包括风力机、与风力机连接的风力发电机，所述风力发电机的电枢绕组与可控整流装置连接，所述可控整流装置与直流母线连接，直流母线通过逆变电源与电网连接；所述风力发电机的励磁绕组与标准正弦波励磁电源连接，标准正弦波励磁电源与直流母线连接。本实用新型通过调节励磁电压、励磁频率以及励磁相序可以控制励磁磁场的幅值、转速和转速方向，在可发电的风速范围内，皆可将发电系统控制在最佳功率运行点，且有利于故障时保护控制策略实现。
【专利说明】宽转速范围直驱风力发电系统
【技术领域】
[0001]本实用新型风力发电系统控制【技术领域】，尤其涉及一种宽转速范围直驱风力发电系统。
【背景技术】
[0002]双馈风力发电系统和永磁直驱风力发电系统是风力发电领域的主要发电方式，双馈风力发电系统的定转子侧皆与电网相连，属于强耦合系统，而强耦合系统当电网故障时，系统的低电压穿越保护控制难于实现，且增速齿轮单元使得系统体积较大、发电系统可靠性变差，且在可发电风速范围内，发电系统不能始终处于最佳运行工况；而直驱永磁风力发电系统存在发电机体积过大和大量使用稀土永磁材料问题，且在恒速恒频运行方式只能运行于某一特定转速，当风速改变时风机的风能利用系数偏离最大值，导致运行效率下降、风能资源浪费。
实用新型内容
[0003]本实用新型的目的是最大限度地运用风能来获得电能的同时，可以解决双馈风力发电系统定转子侧与电网直接连接强耦合导致包括电网和发电系统故障时保护存在的问题，如低电压穿越问题，和采用交流励磁以避免永磁直驱风力发电系统消耗大量稀土永磁材料以及由于永磁直驱发电机励磁电流不可控带来转速运行范围窄导致发电机不能实时运行在最佳功率点的问题。
[0004]一种宽转速范围直驱风力发电系统，包括风力机、与风力机连接的风力发电机，还包括:
[0005]可控整流单元，其输入端与风力发电机的电枢绕组连接，用于将风力发电机发出的电能整流输出，存储在直流母线的电容内；
[0006]直流母线单元，其输入端与可控整流单元的输出端连接，用于作为发电机输出的电能和逆变电源向电网输出电能的缓冲池；
[0007]逆变电源，其输入端与直流母线单元的输出端连接，用于将发电机发出的经可控整流储存于直流母线电容上的电能转换成功率因数可控的工频交流电输出至与之连接的电网；
[0008]标准正弦波励磁电源，其输入与直流母线连接、其输出通过交流励磁风力发电机转子三相滑环与励磁绕组连接。
[0009]进一步地，如上所述的宽转速范围直驱风力发电系统，风力发电机为交流励磁风力发电机，其极数大于等于8极，转子侧有三相励磁绕组。
[0010]进一步地，如上所述的宽转速范围直驱风力发电系统，所述可控整流单元为由功率器件IGBT或晶闸管拓扑结构构成的整流单元，该单元的输入端与所述交流励磁风力发电机三相输出端连接、其输出端与直流母线连接。
[0011]进一步地，如上所述的宽转速范围直驱风力发电系统，所述标准正弦波励磁电源包括SPWM变频器、宽频带LC滤波器。
[0012]有益效果:
[0013]本实用新型提供的宽转速范围运行大转动惯量交流励磁的全柔性风力发电系统，其本质特征是发电系统依据风场风速确定交流励磁形成的圆形磁场转速，磁场的转速可以与发电机机械转速相加或相减以保证风力发电系统运行于最佳工作点。发电系统采用共直流母线的结构将励磁单元和发电机绕组与电网隔离，解决了双馈风力发电系统与电网强耦合的缺陷和直驱永磁风力发电系统转速运行范围窄的问题。通过调节励磁电压、励磁频率以及励磁相序可以控制励磁磁场的幅值、转速和转速方向，在可发电的风速范围内，皆可将发电系统控制在最佳功率运行点，且有利于故障时保护控制策略实现。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为本实用新型宽转速范围直驱风力发电系统结构示意图。
【具体实施方式】
[0015]为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。
[0016]图1为本实用新型宽转速范围直驱风力发电系统结构示意图，如图1所示，本系统包括:包括风力机、与风力机连接的风力发电机，还包括:
[0017]可控整流单元，其输入端与风力发电机的电枢绕组连接，用于将风力发电机发出的电能整流输出，存储在直流母线的电容内；
[0018]直流母线单元，其输入端与可控整流单元的输出端连接，用于作为发电机输出的电能和逆变电源向电网输出电能的缓冲池；
[0019]逆变电源，其输入端与直流母线单元的输出端连接，用于将发电机发出的经可控整流储存于直流母线电容上的电能转换成功率因数可控的工频交流电输出至与之连接的电网；
[0020]标准正弦波励磁电源，其输入与直流母线连接、其输出通过交流励磁风力发电机转子三相滑环与励磁绕组连接。
[0021]具体地，本实用新型风力发电系统由逆变电源、直流母线、标准正弦波变频励磁电源、风力机、风力发电机和可控整流单元组成，其中逆变电源、励磁电源、可控整流单元与直流母线组成共直流母线结构。其中可以选择风力机、发电机和励磁电源安装于塔上，以减小塔重，方便系统的维护。
[0022]逆变电源的作用是将发电机发出的经可控整流储存于直流母线电容上的电能转换成功率因数可控的工频690V的交流电输出至与之连接的电网。
[0023]直流母线由一组电容并联接于铜排组成，用于电能储存，作为发电机输出的电能和逆变器向电网输出电能的缓冲池，使得风力发电机在电气上与电网解耦。
[0024]标准正弦波变频励磁电源为发电机转子励磁绕组提供励磁，其频率范围(0，100)Hz,电压范围[0，690]V，且频率和电压均可独立调节。励磁电压和频率大小根据发电机转速和发电机输出电压控制。励磁磁场的转速由励磁频率控制，励磁磁场的大小由励磁电压控制，励磁磁场的旋转方向由三相励磁电压的相序控制。
[0025]风力机将风能转换为机械能，风力机旋转部分与发电机同轴联接，向发电机输入机械功率，风力一定条件下调节风力机桨叶受风角度可以控制发电机的转速和发电机的输入转矩。
[0026]直驱风力发电机将风力机输入的机械能转换为电能。此发电机的极数大于等于8极，转子侧有三相励磁绕组，其转动惯量比双馈发电机的转动惯量大。
[0027]可控整流单元是将发电机发出的电能整流输出，存储在直流母线的电容内。
[0028]与现有双馈风力发电系统不同，共直流母线结构将发电机的励磁输入、发电机电能输出与电网隔离开实现了风力发电系统与电网的柔性连接。可以实现双馈风力发电系统中发电机的励磁系统和发电机输出与电网的强耦合特性导致低电压穿越难以解决的问题；本风力发电系统为风力机直接驱动发电机的风力发电系统，省去了双馈风力发电系统的增速齿轮单元。
[0029]与直驱永磁风力发电系统不同，共直流母线结构实现发电机与电网柔性连接可以解决电网故障引起电网电压降低时励磁频率不可调节、发电机系统机械转速增加导致发电机电压升高，直流母线电压升高的问题，因为本实用新型所涉及的风力发电系统的励磁电流大小和频率皆可控，可以根据系统运行工况实现励磁磁场的大小、励磁磁场的旋转速度和方向的控制，而且励磁单元的电气调节时间远远小于风力机桨叶角度调节的机械时间；
[0030]在电网侧故障恢复时间内可以充分利用发电系统机械旋转部分的飞轮储能功能，调节励磁电流的大小和频率使得发电机转速升高，将风能储存为风力机旋转部件和发电机转子的旋转动能；电网侧故障恢复时间内发电机的转速超过机械转速要求时，可以通过发电机中可控整流单元与励磁单元协调控制来控制发电机的电磁转矩、调节桨叶的角度减小发电机的机械功率输入以抑制发电机转速进一步升高。
[0031]本实用新型风力发电系统采用共直流母线结构将发电机的转子励磁绕组、发电机电枢绕组与电网隔离开实现了风力发电系统与电网的柔性连接。发电机励磁绕组由接于直流母线上标准正弦波变频电源供给励磁电压；发电机电枢绕组发出的电能经可控整流单元转换成直流电能储存于直流母线上的电容内，其中可控整流单元可以由IGBT或晶闸管拓扑结构构成的整流装置；逆变电源单元将储存于直流母线电容内的电能逆变输出至电网。
[0032]发电机转子侧采用3相正弦波交流励磁，励磁电压和励磁频率依据转子转速可调；励磁磁场的转向可以与转子转速方向相同或相反，增加了发电系统的运行转速范围。依据风场风力条件确定图1中风力机的桨叶角度和风力机转轴的转速nl ;根据nl可知图1中励磁电源需要输出的励磁电流的频率以得到交流励磁磁场的转速n2及转向；根据nl可知满足图1中风力发电机发电的励磁电流的大小。因此，本实用新型所涉及的风力发电系统在可发电的风速范围内，皆可将风力发电系统控制在最佳功率运行点，且有利于低电压穿越保护控制策略实现。
[0033]驱交流励磁风力发电机的极数大于等于8，因此，转动惯量大，可以以抑制系统转速的变化，因此利用其飞轮储能效应可以减小风力突变对发电系统的机械冲击。
[0034]本实用新型的目的是最大限度地运用风能来获得电能的同时，可以解决双馈风力发电系统定转子侧与电网直接连接强耦合导致包括电网和发电系统故障时保护存在的问题，如低电压穿越问题，和永磁直驱风力发电系统消耗大量稀土永磁材料以及发电机励磁电流不可控带来转速运行范围窄导致发电机不能实时运行在最佳功率点的问题，如恒速恒频方式只能运行于某一特定转速，当风速改变时风机的风能利用系数偏离最大值，导致运行效率下降、风能资源浪费。其本质特征是发电机的输出绕组经图1中的可控整流单元与直流母线连接，发电机所发出的电能经直流母线由逆变电源向电网输出；图1中的励磁电源的作用只提供发电机的励磁磁场，因此本实用新型所涉及的风力发电机系统与电网为柔性连接。低速时发电机电枢绕组的同相并联绕组转换为绕组串联以增加电枢绕组匝数，再结合控制励磁电源输出频率可以确保发电机输出电能同时发电系统可以运行于最佳工作点，因此增加了本实用新型所涉及的风力发电系统的转速运行范围。
[0035]特定风场的风力变化范围大，风力机最佳运行效率在不同风速条件下会发生变化，即不同风速下的发电机功率和风力机最佳功率之间的存在可以确定的关系，需要根据风速调节桨叶开度控制发电机转子转速，使发电机工作在最佳功率状态。而双馈风力发电系统和直驱永磁风力发电系统的运行转速范围较窄，特别是直驱永磁风力发电系统的运行转速范围更窄，不能充分利用风能。本实用新型涉及的宽转速范围直驱风力发电系统利用标准正弦波变频励磁电源的变频功能和发电机电枢绕组结构的变化可以使发电机在低风速范围内也能运行在最佳功率点，实现最大限度运用风能的功能，即特定风场风速在低风速、中风速和高风速范围内，皆可将发电系统控制在最佳功率运行点。
[0036]本系统最大的优势在于发电机发出的电能经过可控整流将电能储存于直流母线的电容内作为缓冲，再经逆变电源与电网连接，在电网故障时，发电控制系统可以调节励磁电压的幅值、频率和控制励磁磁场的转向，在发电系统机械允许运行的转速范围内，将风能储存为图1机组中风力机和发电机旋转部件的动能；通过逆变电源向电网注入无功功率。
[0037]本系统的运行转速范围宽，系统可以根据实时风力特点，通过控制使得系统运行于最佳工作工况。由于发电系统中发电机输出绕组及其励磁控制单元与电网为柔性连接，励磁电流和频率控制的电气调节时间远远小于风力机桨叶角度控制机构的机械系统调节时间，本系统可以大幅提高系统的可靠性。
[0038]发电工况:
[0039]1、风力弱，机组低速运行时，系统依据最佳运行转速，确定转子励磁频率和励磁电流，励磁磁场转向与转子转向相同，在机组电气损耗小于发电机输入的机械功率，系统即可以向电网输出功率。
[0040]2、风力强，机组转速升高时，让机组转速升至最佳运行转速，确定转子励磁频率和励磁电流，励磁磁场转向与转子转向相同，系统向电网输出功率。
[0041]3、机组转速高于同步转速时，依据机械强度，确定机组最佳运行转速，确定转子励磁频率和励磁电流，励磁磁场转向可以与转子转向相同或相反，系统向电网输出功率。
[0042]具体工作原理:
[0043]1、系统启动，直流母线电压为零时，通过逆变电源的可控整流功能由电网向直流母线充电，直流母线电压只需转子励磁可以工作即可，建立发电机气隙磁场，机组转速大于零，发电机通过可控整流部分继续向直流母线充电至额定电压，此时风力发电系统具备了发电的条件。
[0044]2、系统正常运行，根据发电机机械转速确定励磁电流的幅值、频率和磁场的旋转方向为发电机提供励磁，发电机发出的电能经可控整流将电能输送至直流母线，与直流母线连接的逆变电源向电网输出功率因数可调的电能。
[0045]双馈风力发电系统存在与电网强耦合，当电网故障时，系统保护控制难于实现和增速齿轮单元使得系统体积较大、发电系统可靠性变差，且在可发电风速范围内，发电系统不能始终处于最佳运行工况；直驱永磁风力发电系统存在发电机体积过大和大量使用稀土永磁材料问题，且在恒速恒频运行方式只能运行于某一特定转速，当风速改变时风机的风能利用系数偏离最大值，导致运行效率下降、风能资源浪费；随着电力电子技术和计算机技术的发展以及可控整流控制技术和逆变技术的日趋成熟，相关设备的价格逐渐降低，更能体现出本实用新型的优势。
[0046]本实用新型所设计的宽转速范围运行大转动惯量交流励磁的全柔性风力发电系统采用共直流母线的结构将励磁单元和发电机绕组与电网隔离解决了双馈风力发电系统与电网强耦合的缺陷和直驱永磁风力发电系统转速运行范围窄的问题。通过调节励磁电压、励磁频率以及励磁相序可以控制励磁磁场的幅值、转速和转速方向，在可发电的风速范围内，皆可将发电系统控制在最佳功率运行点，且有利于故障时保护控制策略实现。
[0047]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:其依然可以对前述各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各实施例技术方案的精神和范围。
【权利要求】
1.一种宽转速范围直驱风力发电系统，包括风力机、与风力机连接的风力发电机，其特征在于，还包括: 可控整流单元，其输入端与风力发电机的电枢绕组连接，用于将风力发电机发出的电能整流输出，存储在直流母线的电容内； 直流母线单元，其输入端与可控整流单元的输出端连接，用于作为发电机输出的电能和逆变电源向电网输出电能的缓冲池； 逆变电源，其输入端与直流母线单元的输出端连接，用于将发电机发出的经可控整流储存于直流母线电容上的电能转换成功率因数可控的工频交流电输出至与之连接的电网； 标准正弦波励磁电源，其输入与直流母线连接、其输出通过交流励磁风力发电机转子三相滑环与励磁绕组连接。
2.根据权利要求1所述的宽转速范围直驱风力发电系统，其特征在于，风力发电机为交流励磁风力发电机，其极数大于等于8极，转子侧有三相励磁绕组。
3.根据权利要求2所述的宽转速范围直驱风力发电系统，其特征在于，所述可控整流单元为由功率器件IGBT或晶闸管拓扑结构构成的整流单元，该单元的输入端与所述交流励磁风力发电机三相输出端连接、其输出端与直流母线连接。
4.根据权利要求1所述的宽转速范围直驱风力发电系统，其特征在于，所述标准正弦波励磁电源包括SPWM变频器、宽频带LC滤波器。
【文档编号】H02J3/38GK204089213SQ201420425322
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年7月30日 优先权日:2014年7月30日
【发明者】康尔良, 王景宇, 张琪 申请人:哈尔滨理工大学