一种风电机组控制方法及电气系统与流程

本发明主要涉及风力发电技术领域，特指一种风电机组控制方法及电气系统。

背景技术：

在风电机组中，前端的风轮将风能捕获转化为机械能后，由中间的齿轮箱匹配风轮和发电机的转速，后端的发电机将机械能转换为电能，通常将后端的电能转换系统称为风电机组的电气传动链。当前的电气传动链，采用变流器实现变速运行，实现方式可分为基于双馈电机的部分范围调速系统和基于全功率变流器的全范围调速系统。当前主流的双馈机组调速范围通常为同步转速的±30％至±40％范围内；而基于全功率变流器的风电机组(主要是直驱风电机组)的调速范围则为0至100％转速范围。由于调速范围的进一步增大，机组的空气动力学性能得到更大提升。基于双馈调速技术的风电机组，具有更大的调速范围，更好的空气动力学性能，能输出更多的发电量，具有更好的电能质量，具备功率因数调节能力，具备电网故障穿越能力。双馈风电机组电气传动链最大的优点是经济性好，在高速大功率下运行具有各种调速系统中最高的总体效率；与最大优点伴生而来的是最大的缺点：低速运行时调速范围受限，存在一个最低并网转速，无法充分发挥风轮的空气动力学性能，同时低功率运行时效率较差，电网故障耐受能力较差。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种发电效率高的风电机组控制方法及电气系统。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种风电机组控制方法，包括以下步骤：

s01、在风电机组运行过程中，实时监测风电机组的预设参数，在预设参数小于预设第一标准值时，发电机定子短接形成通路，风电机组中变流器控制发电机电动运行或发电运行；其中预设参数包括风电机组的转速或/和转矩；

s02、当预设参数处于预设第一标准值与预设第二标准值之间时，将风电机组中发电机与电网进行连接，并切换发电机定子运行在星形连接状态，发电机处于发电状态；

s03、当预设参数大于预设第二标准值时，将发电机由星形连接切换至三角形连接状态，由变流器控制进行并网发电；其中预设第二标准值>预设第一标准值。

作为上述技术方案的进一步改进：

在步骤s03中，当风轮转速超过额定转速，控制风电机组变桨动作，保持风轮处于最大转速以内。

在步骤s03中，减少风电机组转速或/和转矩时，当低于某一预设值后，将发电机由三角形连接切换至星形连接。

在步骤s01中，对电机参数进行调整，将发电机与电网连接，并使发电机处于星形连接，电机实现零机械转速并网，将变流器的无功放大后送入电网。

在步骤s01中，在预设参数小于预设第一标准值时，变流器通过增加空间电磁场的物理转速，实现发电机与电网的并网连接，向电网输送无功的同时输出有功。

在步骤s01中，风电机组中变流器控制发电机电动运行或发电运行，能量通过变流器与电网进行交互。

在步骤s02中，发电机处于发电状态时，断开变流器与发电机之间的能量交互。

本发明还相应公开了一种风电机组电气系统，包括控制单元、发电机、变流器、第一开关、第二开关和第三开关，所述发电机的定子通过第三开关与电网相连，所述第一开关的一端与发电机定子相连，另一端连接在第三开关于发电机定子的一侧或者于电网的一侧；所述第二开关的一端与发电机定子相连，另一端短接；所述控制单元根据风电机组的预设参数控制第一开关、第二开关和第三开关的通断以使发电机工作在不同模式下；其中预设参数包括风电机组的转速或/和转速。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述第三开关通过一主开关与所述电网相连，所述控制单元与所述第三开关与主开关相连并控制第三开关与主开关的通断以实现发电机与电网的连接或断开。

所述第一开关、第二开关和第三开关均为断路器。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的风电机组控制方法及电气系统，针对不同的风电机组工况，对风电机组的运行模式进行实时切换，提升了风电机组的效率，消除了双馈系统部分范围调速的特性，将调速范围拓展到直驱同样的范围，释放风轮的潜力，实现风轮与风况的集成；在经济维度实现最优化，实现电气系统内部集成，实现发电机与变流器的集成。

附图说明

图1为本发明实施例一中电气系统的结构示意图。

图2为本发明实施例二中电气系统的结构示意图。

图3为本发明的转速-功率控制框图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

本实施例的风电机组控制方法，包括以下步骤：

s01、在风电机组运行过程中，实时监测风电机组的预设参数，在预设参数小于预设第一标准值时，发电机定子短接形成通路，风电机组中变流器控制发电机电动运行或发电运行；其中预设参数包括风电机组的转速或/和转矩；

s02、当预设参数处于预设第一标准值与预设第二标准值之间时，将风电机组中发电机与电网进行连接，并切换发电机定子运行在星形连接状态，发电机处于发电状态；

s03、当预设参数大于预设第二标准值时，将发电机由星形连接切换至三角形连接状态，由变流器控制进行并网发电；其中预设第二标准值>预设第一标准值。

本发明的风电机组控制方法，针对风电机组的不同工况，对风电机组的运行模式进行实时切换，提升了风电机组的效率，消除了双馈系统部分范围调速的特性，将调速范围拓展到直驱同样的范围，释放风轮的潜力，实现风轮与风况的集成；在经济维度实现最优化，实现电气系统内部集成，实现发电机与变流器的集成。

如图1和图2所示，本发明还相应公开了一种风电机组电气系统，包括控制单元、发电机、变流器、第一开关、第二开关和第三开关，所述发电机的定子通过第三开关与电网相连，所述第一开关的一端与发电机定子相连，另一端连接在第三开关于发电机定子的一侧或者于电网的一侧；所述第二开关的一端与发电机定子相连，另一端短接；所述控制单元根据风电机组的预设参数控制第一开关、第二开关和第三开关的通断以使发电机工作在不同模式下；其中预设参数包括风电机组的转速或/和转矩。

下面结合两个实施例对本发明的电气系统及控制方法做进一步说明：

其中图1所示的电气拓扑结构适合用于变流器位于塔基的风电机组，而图2所示的电气拓扑适合用于变流器位于机舱的风电机组。

在图1和图2中，m表示发电机，hub表示风轮，l表示能够形成电气连接的部件、导线、电气网络等，如导线、铜排、接触器、断路器或滤波器等，b、c、c0、c1、c2表示接触器或断路器，cnt表示变流器，ctr表示控制系统(控制单元)，既可以是风机的主控系统也可以是变流器的控制系统，电源1、电源2表示电源端口；另外第一开关对应c1、第二开关对应c2、第三开关对应c0、主开关对应b。

实施例一：

如图1所示，当风速较小甚至无风时，控制系统ctr发出指令，使c1、c2闭合，此时发电机相定子短路，当发电机静止时，cnt变流器通过控制，使发电机m工作于电动状态，在无风的情况下可使电机m旋转，解决维护期间遇到的需要对传动链进行盘车而原来因为无风而无法进行的问题，或需要调整风轮而原先在无风情况下无法调整的问题。

当然，在电机的电磁参数较当前进行一些调整后，还可以断开c1，闭合c0、c2，电机m也能实现0机械转速并网，能够将来自变流器cnt的无功放大后送入电网1，实现无风发无功的功能；此种情况下，如图1所示的风电机组电气装置可以充当一个伺服系统，无风或风速过小时，变流器通过增加空间电磁场的物理转速，而无需发电机具备一定的机械转速，即可实现电机m与电网的并网连接，当风速过小时，电气装置可以向电网输送无功，当风速增大电气装置可以在向电网输送无功的同时输出有功。

具体地，如图1所示，风速很小时，ctr发出指令闭合c1、c2，同时断开c0，使发电机与电网断开，变流器控制加大电机内部电磁场的旋转速度而实现0机械转速或较小机械转速并网，此时的工作模式定义为g0。

当风速进一步增大时，控制系统依据设定的带有滞环特性的控制曲线，如图3所示，横轴为机组转速或风速，纵轴为机组输出功率，控制系统依据图3实线所示的滞环控制，当风速或机组转速满足条件，且持续时间满足控制系统设定的时间条件，控制系统将执行模式变换；控制系统减少变流器与发电机的电流甚至断开变流器与发电机的电流，随后断开c1，同时c0、c2闭合，发电机处于星形连接，控制系统收到c1断开的反馈信号后，变流器重新以双馈的形式并网发电，此种发电模式定义为g2；

在此过程中，如果风轮hub转速超过额定转速，则控制系统控制变桨动作，保持风轮处于额定转速或以内；当风速再次增大，满足事先设置的如图3所示的滞环控制参数对应的风速或机组转速，且持续时间满足控制系统设定的时间，控制系统逐级减少风机输出功率，当功率减少到某个阈值或足够低后，断开c2，同时闭合c0、c1，此时发电机处于三角形连接，控制系统收到对c0、c1、c2对应的反馈信号后，控制变流器再次并网发电，定义此种模式为g1，在此过程中，如果风轮hub转速超过额定转速，则控制系统控制变桨动作，保持风轮处于额定转速或以内。

当工作于g1模式且风速减小时，控制系统依据如图3虚线所示的滞环控制参数，当风速或机组转速满足条件，且持续时间满足控制系统设定的时间后，控制系统控制机组功率减少，当低于某个阈值时，断开c1，闭合c0、c2，发电机处于星形连接状态，控制系统在收到反馈信号后，机组重新并网发电，机组工作于g2；

当风速持续减少，控制系统依据如图3虚线所示的滞环控制参数，当风速或机组转速满足条件，且持续时间满足控制系统设定的时间后，控制系统控制机组功率减少，当低于某个阈值时，断开c0，闭合c1、c2，发电机与电网之间断开连接，控制系统在收到反馈信号后，机组重新并网发电，机组又工作于g0。

实施例二：

如图2和图3所示，假设初始时无风或风很小，控制系统控制b断开，控制c0、c1、c2闭合，发电机与电网之间断开，此时电机m定子短路，等效为旋转定子的异步电机，变流器可以控制电机m电动态运行或发电运行，能量通过变流器与电源实现交互，此时的模式定义为g0；

风速增加时，控制系统依据如图3实线所示的滞环控制参数，当风速或机组转速满足条件，且持续时间满足控制系统设定的时间后，控制系统控制机组功率减少，当低于某个阈值时，变流器封锁脉冲断开与电机的能量交互，闭合c1和c2(b闭合)，发电机处于星形连接，控制系统收到反馈信号后，机组正常并网发电，此时运行模式为g2，在此过程中，如果风轮hub转速超过额定转速，则控制系统控制变桨动作，保持风轮处于额定转速或以内；

风速进一步增大，控制系统依据如图3实线所示的滞环控制参数，当风速或机组转速满足条件，且持续时间满足控制系统设定的时间后，控制系统控制机组功率减少，当低于某个阈值后，断开c2，保持c1、c0闭合，发电机处于三角形连接状态，控制系统收到反馈信号后，机组正常并网发电，此时运行模式为g1；

当工作在g1且风速减少时，控制系统依据如图3虚线所示的滞环控制参数，当风速或机组转速满足条件，且持续时间满足控制系统设定的时间后，控制系统控制机组功率减少，当低于某个阈值后，断开c1，闭合c2，保持c0，发电机处于星形连接状态，控制系统收到反馈信号后，机组正常并网发电，此时运行模式为g2，在此过程中，如果风轮hub转速超过额定转速，则控制系统控制变桨动作，保持风轮处于额定转速或以内；

当风速进一步减少，控制系统依据如图3虚线所示的滞环控制参数，当风速或机组转速满足条件，且持续时间满足控制系统设定的时间后，控制系统控制机组功率减少，当低于某个阈值后，断开b，闭合c0、c1，断开c2，控制系统收到反馈信号后，机组按定子短路，旋转定子异步全功率模式正常并网发电，工作模式为g0。

本发明通过改变双馈调速系统的电气拓扑结构，进而改变双馈电机的主磁通，将双馈电机的最低并网转速大幅降低，将风轮的空气动力学性能释放出来，同时提升电气传动链在低功率时的效率。如果用汽车类比风电机组，可以描述为：目前的风电机组只有1个挡位，采用本发明将风电机组变为多个挡位，多个挡位运行下不同的工况用不同的挡位，较原来只有1个挡位的运行方式，可以提升效率，实现“节油”，运行的最低速度可以更低，原来不能通过的某些路段现在可以通过，可以适应更多的“路况”。

本发明较当前大幅降低甚至消除双馈机组的最低并网转速，使双馈机组的调速范围达到与直驱一致的程度，完全释放风轮的潜力；提升双馈机组在低风速段的发电效率，同时降低了双馈调速系统的成本。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。