一种风电场全直流电能汇聚系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及风力发电领域，具体涉及采用直接输出直流电能的开关磁阻发电机为风力发电机，全直流电能汇聚及直流输电的结构简单的风电场电气系统。
【背景技术】
[0002]随着石油、煤炭等一次性石化资源的大规模开发，能源危机和环境恶化造成的危害已经日益严峻，要解决这一难题的唯一途径就是加快对可持续资源的开发。在现有可再生能源中，无论规模，还是可利用率，风能都是最高的资源之一，并且风能在利用过程中不用消耗矿产资源，不排放有害物质，被人们视为清洁、绿色、环保的能源。
[0003]从新疆到内蒙古一线是我国陆上风能资源最为丰富的地区，该地区风速稳定、地广人稀，很适合建设大型风电场。十余年来这些区域的风能开发非常迅速，但由于附近区域的电力需求不高，大量的风电难以就近消化。如果要把多余的风电传输到电力需求巨大的东南部地区，风电波动性强的特点又会使传输的难度和成本加剧，并对电网安全造成威胁。而另一方面，我国东部海岸线长，风能资源好，风能质量好，具备大规模发展海上风电的资源条件，而且矿产资源匮乏，电力需求巨大，海上风电可以就近吸纳，因此在这一区域发展海上风电具有广阔的前景。
[0004]海上风能的另一个优点是风速更高、风力更持续，和陆上风能相比，开放性海域的风速要高30% -40%，近海区域要高15% -20%，能够多发50% -70%的电能；并且目前能够容纳大型风场的陆上空间已很难找到，大规模海上风电场的建设已成为风能利用的主要方向。
[0005]虽然人们对风电的开发已有五十年之久，但主要集中在陆地上，建设大型海上风电场的经验比较缺乏。海上风电的主要缺点是在海水中建设塔架和平台(海上变电站)的成本高，维护运行的成本高等，从而对风电机组及其电力传输的高效、稳定、可靠要求更高，同时在变流、输电等多项技术上也有着不同的特点和要求。
[0006]目前功率在兆瓦级以上的大型风电机组主要以双馈型异步风力发电机组和直驱全功率变换型永磁同步风力发电机组为主。双馈型异步风力发电机组有较好的性价比，但对电网故障的穿越能力和支撑能力较弱，它的传动链必须要有大功率齿轮箱，这对机组的可靠性和可维护性提出了更苛刻的要求。直驱全功率变换型永磁同步风力发电机组通过变频器并网，对电网故障的穿越能力较强，有一定的支撑电网能力，避免了大功率齿轮箱的维护工作量，可靠性有所提高，但由于其转速很低，随着功率的增大，多极数永磁同步发电机的制造工艺复杂，技术难度大，电机体积大，造价高，海上安装成本更高，同时随着机组容量的不断增大，配套的大功率变频器价格昂贵更增加了其使用成本。
[0007]开关磁阻发电机(Switched Reluctance Generator，简称:SRG)结构简单，转子上无刷、无绕组、无永久磁体。其运行时相当于一个电流源，这样在一定转速范围内，输出端电压不会随着转速的变化而变化，这非常适合于当前主流的变速运行的风力机，可提高风能的利用效率；更重要的是它直接发出为直流电，适应了当前海上风电以高效的直流方式进行电力传输趋势的需要，省去了整流环节。由于这些特性，SRG可以在风力直接驱动下实现较高的发电效率，从而省去了齿轮箱，使整个发电系统结构更加简洁、可靠，这也正是风力发电系统的发展趋势。而在运行过程中，SRG可控参数多，如开通角、关断角控制，电流斩波控制等，可方便的实现比较复杂的控制策略，灵活的控制输出直流电压和电流，也大大降低了低电压穿越的技术压力。可见，SRG引入海上风电，完全符合安装困难、成本高、维护保养困难的海上风电发展的需要，即高效率的实现风能的转换，结构的简洁化意味着更高的可靠性更少的维护以及更低的安装成本和设备采购成本。
[0008]对开关磁阻电机进行电动运行的研宄开展的较早，目前已广泛应用于电力牵引、需要四象限运行调速系统和在宽广的速度范围内实现高效率运行的系统中。但对其发电运行特性的研宄，直到20世纪80年代末才得到重视，并在航天起动/发电机等应用领域中展开了探索性的研宄。
[0009]理想的风力发电机组应该是能够变速运行、直接驱动，省去齿轮箱，减少不必要的保养工作。据此衡量SRG，可以发现SRG用于风力发电具有以下具体优势:(1)SRG具有优良的调速性能，变速范围宽，可以适应不同风速的要求，更高效的利用风能。(2) SRG在低速运行时效率高，通过合理的设计，可以省去齿轮箱，实现风力机直接驱动发电，从而提高了整个系统的发电效率，提高风力发电系统的年发电量，降低发电成本。(3) SRG制造简单，转子上无刷、无线圈、不需要永磁材料(稀土材料)等，因而简化了结构，使得电机的可靠性高、成本低。(4) SRG是典型的机电一体化产品，控制灵活、控制参数多，可方便的实现比较复杂的控制策略，灵活的控制输出的直流电压和直流电流。(5) SRG可以方便的发出电压恒定的直流电，输出电压与转速无关，可以通过自身的控制器直接进行调节，多台发电机运行时并网容易。￠) SRG相绕组间无电耦合，其容错能力大大增强，即使在缺相的情况下，仍然可以维持工作(三相以上)。(7)开关磁阻电机的功率密度高，电机体积小，易于安装运输，耐高温性能好，十分适合风力发电的海上工作环境。(8) SRG具有自励能力，只需小容量的直流起励电源，便可建立工作电压。实际应用中，可以与蓄电池构成互补系统，在风力充足时，SRG从蓄电池获得起励电源进行发电，建立工作电压后，发出的电能一方面给负载供电，同时给蓄电池充电，风力不足时，蓄电池的储能释放出来，供负载使用。以上这些特点使得SRG应非常适合用在风力发电及海上风电的场合中。
[0010]近年来，关于SRG用于风力发电的研宄和实践也有一些。其中，专利1、CN102223034 B，大型直驱开关磁阻风力发电机及其机组系统，2013.04.10 ;2、CN 101686034B，基于开关磁阻风力发电系统的最大功率自动跟踪方法，2012.04.25 ;3、CN 102427323 B，开关磁阻风电系统起动控制和MPPT控制方法，2013.10.30，分别就高功率密度大型SRG设计和系统、SRG风力发电最大功率自动跟踪方法和SRG风力发电启动和最大功率跟踪控制方面取得进步并获得授权专利。
[0011]在科研界，关于风电结合SRG的研宄，也主要聚焦于单机最大功率跟踪方面，譬如:1、熊立新等.一种开关磁阻风力发电机最大风能跟踪方法[J].电工技术学报，2009，24(11):1-7 ;2、Hedi Yahia 等.Differential evolut1n method-based output poweroptimisat1n of switched reluctance generator for wind turbine applicat1ns[J].1ET Renew.Power Gener.，2014，8 (7):795-806 ;3、Da-Woon Choi 等.Α Study on theMaximum Power Control Method of Switched Reluctance Generator for WindTurbine[J].IEEE TRANSACT1NS ON MAGNETICS，2014，50(I)。
[0012]但是，就SRG系统直流输出变换以及由多SRG系统组成的风电场全直流电能汇聚方面的研宄或实践还没有完全出现。
[0013]国内外研宄表明，采用高压直流(High-Voltage Direct Current，简称:HVDC)的方式传输电力对于海上风电最为方便经济。而电压源型变流器(Voltage SourceConverter，简称:VSC)的HVDC(VSC-HVDC)以其控制灵活，体积小、具备黑启动能力等特点，特别适合被应用于海上风电场与电网的连接。现有利用HVDC与电网连接的风场都采用在海上建立一个变电站的方式，因目前的海上发电机全部为交流发电机，要通过每台交流发电机组连接的交流变压器先升压至中压，然后集中到海上变电站转换成直流输送，由岸上变电站的逆变器逆变后连接交流电网。其结构复杂，电能需要经过多次交流和直流之间的转换。
[0014]有些研宄则考虑到风电机组本身的结构特点，可以在一次变流后直接组成直流网络，由直流并联网络将电能集中到海上直流升压变电站，然后由直流传输到岸上变电站，最后再逆变连接交流电网，这样就降低了系统复杂度，但仅仅是省去了升压变压器。
[0015]进一步研宄表明，直接串联连接已直流化的各风电机组则更加经济，可无需升压变压器和海上变电站，多个低压风电机组直接串联后成为所需的高压直流，然后直接通过海底直流电缆传输到陆地变电站，此种方式目前已成为海上风电场电能汇聚的研宄热点。
[0016]无海上变电站的全直流电能汇聚及其HVDC研宄成为发展趋势，这当中主发电机多采用永磁直驱同步发电机(PMSG)。文献:1、Amir Parastar，Jul-Ki Seok.High—Power—Density Power Convers1n Systems for HVDC-Connected Offshore WindFarms[J].Journ