专利名称：基于直流发电机的风力发电系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种基于直流发电机的风力发电系统的关键技术，属于电气控制工程领域。
背景技术：
随着人类社会的发展，能源和环境问题成为当今人类社会生存和发展所面临的非常紧迫的问题，以清洁、可再生能源为主的能源结构将成为未来发展的必然趋势。风能作为一种清洁、无污染、易实现大规模开发的可再生能源，正越来越受到世界各国的普遍重视，风力发电将成为21世纪最具开发前景的新能源之一。风力发电机是风力发电系统中最核心的设备之一，它的正常运行是整个风力发电系统安全、可靠、优质、经济运行的重要保证，也是提高风力发电可靠性，降低风电成本的关键因素。近年来，在广大科研人员和工程技术人员的共同努力下，风力发电机组由最初的定桨距型发展到了变速变桨距型，发电效率有了显著的提高，现在世界上主要的风电机组制造商生产的主流机组大都是采用双馈异步发电机的变速恒频风力发电机组。
相对传统的异步发电机，双馈异步发电机有比较明显的优点，但这种风力发电机组需配备增速齿轮箱，这不但增加了机组成本和运行噪声、降低了风能的利用效率，而且齿轮箱在运行中故障率较高特别是漏油等现象较为严重，从而增加维护工作量并减少了机组的可利用小时数；基于双馈异步电机的风力发电系统的控制系统相当复杂，对其可靠性要求高，其成本也很高。另外异步发电机普遍存在无功功率问题。
发明内容
本发明目的在于针对风力发电机存在的上述问题，根据风力发电系统的特点，并结合直流发电机的特性，以及大功率逆变器件的成熟，提出了基于直流发电机直接控制的风力发电系统。该系统包括变桨距风力机、励磁可调的直流发电机(现有技术)、IGBT逆变器(现有技术)以及相应的控制调节部分。
本发明的技术解决方案采用风力机直接驱动直流发电机产生直流电能，然后通过IGBT逆变器变为合格(国家规定)的交流电，经升压变压器并入电网。
电力电子技术的快速发展，逆变技术的成熟，以及大功率逆变器件的大量商品化应用，为本发明专利的实现提供了可能。
本发明的优点1.基于直流发电机的风力发电系统调节方便，直流发电机具有很好的电压调节特性，风速变化引起电机转速变化，调节发电机的励磁电流，可以使发电机输出电压基本恒定。2.由于采用直接驱动技术，在风力机和直流发电机之间不需要安装增速齿轮箱，因而降低了机组的运行噪声，减少了维护工作量，并且在低风速时具有更高的运行效率。3.由于发电机的输出为直流，因此仅需采用DC-AC逆变即可通过升压变压器并入系统，相比传统的交流发电机的AC-DC-AC中间并网环节而言少了前一级AC-DC的整流环节，不但节省了设备投资，而且提高了运行可靠性。4.根据电网情况，可以在直流发电机的输出和IGBT逆变器之间接入缓冲蓄电池，通过蓄电池的充放电来补偿风速在小范围内的波动，保证发电机的输出功率基本恒定。
图1为本发明的电原理结构框2系统控制原理框3为本发明的模拟系统试验接线4为试验中模拟风速变化对发电机输出电压的影响图5为试验中发电机负载变化时，调节发电机励磁电流可使输出电压不变图6为试验中模拟风速变化时，调节发电机励磁电流可使输出电压不变图中的1是风力机，2是直流发电机，3是IGBT逆变器，4是升压变压器，5是电网，6是功率控制器7是电压控制器。8是机组启停控制单元，9是变浆距控制单元，10是变浆距机构，11是发电机励磁控制单元(图2中的)。图2由我修改具体实施方式
对照附图1，其结构是在该风力发电系统中，采用风力机直接驱动直流发电机产生直流电能，然后通过IGBT逆变器变为合格的交流电，经升压变压器并入系统。它们间的连接关系风力机1与直流发电机2的第一输入端相接，直流发电机2的输出端与IGBT逆变器3的输入端相接，IGBT逆变器3的输出端与升压变压器4的输入端相接，升压变压器4的输出端与电网5相连，功率控制器6的输出端与风力机1的第一输入端相连，电压控制器7的输出端与直流发电机2的第二输入端相接。
所述的风力机采用可调攻角的变桨距风力机。当风速发生长周期的变化时，由变桨距机构动作，改变风力机叶片的攻角，来保证发电机的功率输出。而当风速发生频繁的短时变化时，由于桨距调节有滞后时间(特别是在转动惯量大的风力机中，滞后现象更为突出)，会导致桨距大幅度频繁调节，造成发电机的输出功率大幅度频繁波动，对电网造成不良影响。由于本系统采用了直流发电机，因此在这种情况下可以充分利用直流发电机优越的调压性能，通过调节发电机的励磁电流来稳定发电机的输出端电压。这样，通过桨距调节和励磁电流调节的相互配合，就可以实现在风速频繁变化情况下的发电机输出电压的稳定控制。
对照附图2，主功率部分与图1基本相同，即风力机1的输出与直流发电机2的输入直接相连，直流发电机2的输出与IGBT逆变器3输入端相连，IGBT逆变器3的输出与升压变压器4的输入相连。机组启停控制单元8的输入端受风速和给定风速限值控制，机组启停控制单元8的输出端与风力机1的第二输入端相接；受风速、最大功率给定值及活塞杆位置控制，变浆距控制单元9的输出端通过变浆距机构10与风力机1的第三输入端相接；发电机励磁电流控制单元11的输入受直流发电机2的输出电压和风速控制，发电机励磁电流控制单元11的输出端与直流发电机2的第二输入端相接。
所述风力发电机组启动并网前的控制方式属于转速控制，当转速达到启动风速时，风力机开始启动，随着转速的升高，风力机叶片的节距角连续变化，使直流发电机的转速上升到给定转速值，待发电机满足并网条件时，发电机发出的电能经过IGBT逆变器、升压变压器并入电网。
当发电机并入电网后，发电机的输出电压受风速影响，风速较低时，发电机的转速也低，当风速低于额定风速时，通过调节发电机的励磁电流，使发电机输出电压基本不变。同时通过变桨距机构将叶片攻角调至零，并保持在零附近，以便最有效地吸收风能。
当风速超过额定风速时，如果风速持续增加，风力机吸收的风能不断增大。风力机轴上的机械功率输出大于发电机输出的电功率，则发电机的转速上升，一方面，适当调节励磁电流，使发电机输出电压下降，同时，通过变浆距控制环节后，转速控制输出将使变桨距机构动作，改变风力机叶片攻角，以保证发电机输出功率基本恒定，维持发电机在额定功率状态下运行(不超过发电机的最大允许功率)。正是由于励磁电流控制环节的动作时间远较变桨距机构的动作时间要快，才能实现借助励磁电流控制器实现发电机电压的恒定输出。
调节发电机的励磁电流不能改变发电机的输出功率。因此，大的风速变化由改变风力机叶片攻角来调节风力机从风中吸取的功率，以保证发电机为额定输出功率基本不变；小的频繁的风速波动由改变发电机励磁电流来调节，而输出电能在小范围内波动，由蓄电池进行缓冲(视电网情况，一般只有稳定性较差的小容量电网才需要考虑选用蓄电池缓冲)。
当风速超过给定风速上限值nmax或低于给定下限值nmin时，机组启停控制单元8动作，使机组停机。
系统输出电压的频率由逆变器控制，同时逆变器在一定范围内还有一定的稳压作用，使输出电压更稳定。
试验验证对照附图3，为了验证本发明的可行性，特搭建了基于直流发电机直接控制的模拟风力发电系统，用Z2-41型他励直流发电机与Z2-42型直流电动机做刚性连接构成模拟风力发电系统，用直流电动机模拟风力机，通过调节电动机的转速来模拟风速的变化。其主要参数如下额定功率2.2kW；额定电压220V；额定转速1450r/m；额定励磁电压220V；额定励磁电流0.77A。
在发电机带额定负载运行的情况下，当风速变化时发电机端电压的变化曲线如附图4所示(图4中，横坐标为与风速相关的电机转速，即风力机转速(标么值)，纵坐标为发电机输出电压，图中不同的曲线表示不同的励磁电流)，图4说明了风力机转速增加，电机输出电压增加。
风力发电系统在不同的风速下运行，当发电机所带的负荷发生变化时，为了维持发电机的端电压为额定值，所需的励磁电流与负荷的关系如附图5所示(图5中，横坐标为电机负载(标么值)，纵坐标为发电机励磁电流，图中不同的曲线表示不同的转速)，这说明了调节励磁电流，可以克服由于负载变化造成的输出电压不稳定，使发电机输出电压不变。
发电机带不同负载的情况下，当风速发生变化时，为维持发电机端电压为额定值，所需的励磁电流与风力机转速之间的关系曲线如附图6所示(图6中，横坐标为与风速相关的电机转速，即风力机转速(标么值)，纵坐标为发电机的励磁磁电流，图中不同的曲线表示不同的负载)。图6与图4说明，尽管风力机转速变化对发电机输出电压影响很大，但即调节励磁电流，可以使输出电压维持在给定的值不变。
试验表明，在一定范围内，对于风速和负荷变化引起的电压波动，可以很方便地通过调整发电机的励磁电流来维持发电机的端电压恒定。
权利要求
1.基于直流发电机的风力发电系统，其特征是采用风力机直接驱动直流发电机产生直流电能，然后通过IGBT逆变器变为合格的交流电，经升压变压器并入电网。
2.根据权利要求1所述的基于直流发电机的风力发电系统，其特征是所述的风力机与直流发电机的第一输入端相接，直流发电机的输出端与IGBT逆变器的输入端相接，IGBT逆变器的输出端与升压变压器的输入端相接，升压变压器的输出端与电网相连，功率控制器的输出端与风力机的第一输入端相连，电压控制器的输出端与直流发电机的第二输入端相接。
3.根据权利要求1所述的基于直流发电机的风力发电系统，其特征是所述的风力机采用可调攻角的变桨距风力机，当风速发生长周期的变化时，由变桨距机构动作，改变风力机叶片的攻角，来保证发电机的功率输出；而当风速发生频繁的短时变化时，充分利用直流发电机优越的调压性能，通过调节发电机的励磁电流来稳定发电机的端电压。
4.根据权利要求1所述的基于直流发电机的风力发电系统，其特征是机组启动并网前的控制方式属于转速控制，当转速达到启动风速时，风力机开始启动，随着转速的升高，风力机叶片的节距角连续变化，使直流发电机的转速上升到给定转速值，待发电机满足并网条件时，发电机发出的电能经过IGBT逆变器并入电网。
5.根据权利要求1所述的基于直流发电机的风力发电系统，其特征是受风速和给定风速限控制，机组启停控制单元的输出端与风力机的第二输入端相接；受风速、最大功率给定值及活塞杆位置控制，变浆距控制单元的输出端通过变浆距机构与风力机的第三输入端相接；受直流发电机的输出电压和风速控制，发电机励磁电流控制单元的输出端与直流发电机的第三输入端相接。
全文摘要
本发明涉及的是一种基于直流发电机的风力发电系统，采用风力机直接驱动直流发电机产生直流电能，然后通过IGBT逆变器变为合格的交流电，经升压变压器并入电网。优点采用直接驱动技术，在风力机和直流发电机之间不需要安装增速齿轮箱，降低了机组的运行噪声，减少了维护工作量，低风速时有更高的运行效率。采用DC－AC逆变即可通过升压变压器并入系统，相比传统的交流发电机的AC－DC－AC中间并网环节而言少了前一级AC－DC的整流环节，节省了设备投资，提高了运行可靠性。根据电网情况，可以在直流发电机的输出和IGBT逆变器之间接入缓冲蓄电池，通过蓄电池的充放电来补偿风速在小范围内的波动，保证发电机的输出功率基本恒定。
文档编号F03D7/00GK1925254SQ20061008827
公开日2007年3月7日 申请日期2006年7月7日 优先权日2006年7月7日
发明者马宏忠, 鞠平, 严惠敏, 张利民, 徐树峰, 王宏华, 韩敬东, 丁媛媛 申请人:河海大学