专利名称：一种异步风力发电机组电控系统的制作方法
技术领域：
本实用新型设计一种异步风力发电机组电控系统，适用于定桨距定速异步风力发电机组和变桨距恒速异步风力机组的改造，同样可以适用于变桨距变速异步风力发电机组，属于电力设备控制的技术领域。
背景技术：
21世纪随着全球经济的不断快速发展，能源已经成为制约各国能源发展的瓶颈，同时由于生活水平的提高，人们越来越重视所生存的环境，因此需要迫切发展一些清洁、无污染的可再生能源。在目前众多的可再生能源中，发展最成熟、最具规模化开发条件、最有竞争力的就是风电。风力发电系统的主要功能就是将风速变化、风向变化的风能转换成与电网同频率同电压的电能，并且要求在电网电压跌落时在规定的时间内仍保持与电网之间的连接。在目前常见的传统定桨距或变桨距异步风力发电机组如图1所示，由图1揭示的传统异步风力发电机组结构可见，包括软并网单元ST、无功补偿SVC、并网接触器Be、断路器K、主控系统MSC等，其中软并网单元连接在异步发电机定子与断路器K之间，负责异步风力发电机组的并网控制，减小并网时的冲击；并网接触器与软并网单元并联连接，无功补偿SVC与电网端连接，以补偿异步发电机的励磁无功电流；主控系统MCS负责机组启停控制与保护。长期以来，我国国内的主要发电机组类型为变桨距双馈异步风力机+双馈变流器、永磁同步发电机+全功率变流器、定桨距恒速异步风力发电机组、变桨距恒速异步风力发电机组，但是这几种机组都存在着较多的不足之处。双馈异步风力发电机由于存在电刷、滑环导致机组维护量增加，另外在低电压穿越方面，由于双馈变流器容量有限导致低电压穿越能力有限，因此该类型的 机组可靠性差；永磁同步直驱风力发电机组虽然省去了齿轮箱，但是由于发电机体积庞大，价格较高；而对于异步风力发电机组，无论是定桨距还是变桨距，虽然结构简单、成本低、维护简单，但都存在转速范围太小的固有问题，导致风能利用效率低、并网问题多等问题，在风电发展后期得不到大规模发展。因此发展一种成本低、结构简单、风能利用效率高、能提高机组发电量的风力发电系统就显得特别有意义。本文就此提出一种高效的提高发电量的异步风力发电机组电控系统及控制策略，可以解决原有异步风力发电机组存在的问题，并提高了发电量和风能利用率，大约在10%左右，具有很大的经济利益。
实用新型内容本实用新型的目的在于:针对目前传统定桨距或变桨距恒速异步风力发电机组存在的风能利用效率低、并网冲击大、无功功率波动大、不具备低电压穿越能力等问题，提供一种既能提高风能利用效率和发电量，同时又可以具备动态无功调节和低电压穿越等电网友好型的风电系统。本实用新型是这样实现的:一种异步风力发电机组电控系统，其特征在于，包括主控系统MCS (main control system)、全功率变流器、机侧自激电容单元SQK self-excitedcapacitor unit)、断路器K和变流器控制器KZQ,其中:所述的全功率变流器设有A端口和B端口，A端口与异步发电机的定子连接，B端口通过断路器K与电网连接；全功率变流器中包括机侧变流器RSC、网侧变流器GSC、直流制动单元DBU，其中机侧变流器RSC和网侧变流器GSC通过公共直流母线背靠背连接，直流制动单元DBU连接在公共直流母线上；网侧变流器和机侧变流器均为由六个可控器件IGBT或IGCT组成的PWM三相全桥逆变器，其中网侧变流器交流输入侧与B端口之间设有滤波器LB1，机侧变流器RSC交流输入侧与A端口之间设有滤波器LB2 ;直流制动单元DBU由可控器件IGBT等可关断器件与耗能电阻串联组成，通过改变IGBT导通占空比来消耗直流母线上多余的能量；所述的全功率变流器各部分的工作状态由变流器控制器KZQ控制，并通过模拟量或通信与主控系统MCS连接。在本实用新型中，异步风力发电机组电控系统为定桨距异步风力发电机组或变桨距异步风力发电机组，在所述定桨距异步风力发电机组中含有偏航系统和收桨系统，在所述变桨距异步风力发电机组中含有偏航系统和变桨系统；所述的偏航系统与机舱相连接，并根据主控制单元的命令来调整叶片的迎风角；所述的收桨系统为含有叶尖扰流器的定桨距机组，在超速或超功率时定桨距机组执行主控制单元的收桨停机命令；所述的变桨系统为变桨距机组，它与叶片根部连接，根据主控制单元的控制命令由变桨距机组来调节叶片角度。在本实用新型中，所述的机侧自激电容单元SCU由一组星形连接或三角形连接的三相交流电容组组成。在本实用新型中，所 述的滤波器LBl为LCL滤波器或LC滤波器；所述的滤波器LB2为du/dt滤波器或正弦波滤波器。在本实用新型中，所述的主控系统MCS包括主控制单元以及分别与其连接的配电系统、偏航系统、收桨或变桨系统。本实用新型的优点在于:主控系统MCS可以对异步风力发电机组的各工作参数实施监控和保护；与全功率变流器A端口连接的滤波器LB2可以减小机侧变流器输出电压上升率及电压尖峰；与全功率变流器B端口连接的滤波器LB1，可以滤除网侧变流器产生的高频谐波分量；当机侧变流器RSC的容量较小时，可以在电机定子与机侧变流器RSC之间增加机侧自激电容单元SCU，用于提供异步发电机的励磁电流，(机侧变流器RSC的容量足够，也可以不采用该SCU单元);直流制动单元DBU位于网侧功率模块GSC和机侧功率模块RSC的直流母线正负极之间，由IGBT等可关断器件与耗能电阻串联组成，通过改变IGBT导通占空比来消耗直流母线上多余的能量。本实用新型具有启动风速低的特点，同时异步发电机工作在最小转差率，使电机效率保持在最高效率；增大了系统阻尼，改善了风机振动等疲劳载荷；另外具有完美的低电压穿越能力和高电压穿越能力，电网适应新能力强；可实现机组无功功率控制和有功功
率控制；具有非常宽的发电机转速范围，并能提高发电量约10%左右，具有很大的经济利.、/■
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图1是传统异步风力发电机组结构示意图。图2是本实用新型的一种实施例的系统结构示意图。
具体实施方式
图2非限制性地公开了本实用新型实施例的具体结构，
以下结合附图对本实用新型作进一步地描述。由图2可见，本实用新型包括主控系统MCS、全功率变流器、断路器K和变流器控制器KZQ，其中:所述的全功率变流器设有A端口和B端口，A端口与异步发电机的定子连接，B端口通过断路器K与电网连接；全功率变流器中包括机侧变流器RSC、网侧变流器GSC、直流制动单元DBU，其中机侧变流器RSC和网侧变流器GSC通过公共直流母线背靠背连接，直流制动单元DBU连接在公共直流母线上；网侧变流器和机侧变流器均为由六个可控器件IGBT或IGCT组成的PWM三相全桥逆变器，其中网侧变流器交流输入侧与B端口之间设有滤波器LB1，机侧变流器RSC交流输入侧与A端口之间设有滤波器LB2 ;直流制动单元DBU由可控器件IGBT与耗能电阻串联组成，通过改变IGBT导通占空比来消耗直流母线上多余的能量；主控系统MCS通过传感器对风机风速风向、发电机转速等检测，各检测信息通过通信或模拟量传递到变流器控制器KZQ，由变流器控制器KZQ对全功率变流器中的机侧变流器RSC、网侧变流器GSC、直流制动单元DBU实施控制。在本实施例中，全功率变流器的A端口与机侧自激电容单元SCU并联后再与异步发电机的定子连接。具体实施时，所述的滤波器LBl为LCL滤波器或LC滤波器。所述的滤波器LB2为du/dt滤波器或正弦波滤波器。 所述的机侧自激电容单元SCU由一组星形连接或三角形连接的三相交流电容组组成。具体实施时，异步风力发电机组电控系统可以是定桨距异步风力发电机组，也可以是变桨距异步风力发电机组，在所述定桨距异步风力发电机组中含有偏航系统和收桨系统，在所述变桨距异步风力发电机组中含有偏航系统和变桨系统。所述的偏航系统与机舱相连接，并根据主控制单元的命令来调整叶片的迎风角；所述的收桨系统为含有叶尖扰流器的定桨距机组，在超速或超功率时定桨距机组执行主控制单元的收桨停机命令；所述的变桨系统为变桨距机组，它与叶片根部连接，根据主控制单元的控制命令由变桨距机组来调节叶片角度。具体实施时，所述的主控系统MCS包括主控制单元以及分别与其连接的配电系统、偏航系统、收桨或变桨系统。本实用新型的整个工作过程如下:当主控系统MCS检测到最低启动风速时，偏航系统启动实现机组对风，对风之后异步发电机转速达到最低转速之后全功率变流器控制器KZQ合上并网断路器K，网侧变流器GSC启动，维持直流母线电压恒定，紧接着机侧变流器RSC启动，跟踪主控系统MCS下发的转速给定，机组进入发电状态运行；直流制动单元DBU被禁止。当电网电压跌落时，机侧变流器工作状态保持不变，使能直流制动单元DBU，并在电网电压跌落期间消耗异步发电机组输出的有功功率并保持直流母线稳定；网侧变流器GSC根据标准要求发出一定的无功电流以支撑电网电压恢复。[0026]机侧变流器RSC对机组的异步发电机转速进行控制，采用V/f控制策略或矢量控制策略，利用转速闭环控制响应主控系统下发的转速给定值，异步发电机的机端电压幅值和频率将随风速变化而变化；其中采用V/f幅频控制时在电机额定转速以上时将进入弱磁调速区，并加入滑差补偿控制以提升控制效果。全功率变流器的网侧变流器GSC将对机组输出有功功率和无功功率进行控制，采用PWM整流控制策略，以维持直流母线电压恒定和响应电网无功功率给定为目标。本实用新型所述的系统及控制策略适用于现有的定桨定速或变桨定速异步风力发电机组的改造 ，也适用于变速恒频异步风力发电机组，但不仅限用于风力发电领域。
权利要求1.一种异步风力发电机组电控系统，其特征在于:包括主控系统MCS、全功率变流器、机侧自激电容单元SCU、断路器K和变流器控制器KZQ，其中: 所述的全功率变流器设有A端口和B端口，A端口与异步发电机的定子连接，B端口通过断路器K与电网连接；全功率变流器中包括机侧变流器RSC、网侧变流器GSC、直流制动单元DBU，其中机侧变流器RSC和网侧变流器GSC通过公共直流母线背靠背连接，直流制动单元DBU连接在公共直流母线上；网侧变流器和机侧变流器均为由六个可控器件IGBT或IGCT组成的PWM三相全桥逆变器，其中网侧变流器交流输入侧与B端口之间设有滤波器LBl，机侧变流器RSC交流输入侧与A端口之间设有滤波器LB2 ;直流制动单元DBU由可控器件IGBT等可关断器件与耗能电阻串联组成，通过改变IGBT导通占空比来消耗直流母线上多余的能量；所述的全功率变流器各部分的工作状态由变流器控制器KZQ控制，并通过模拟量或通信与主控系统MCS连接。
2.根据权利要求1所述的一种异步风力发电机组电控系统，其特征在于:异步风力发电机组电控系统为定桨距异步风力发电机组或变桨距异步风力发电机组，在所述定桨距异步风力发电机组中含有偏航系统和收桨系统，在所述变桨距异步风力发电机组中含有偏航系统和变奖系统； 所述的偏航系统与机舱相连接，并根据主控制单元的命令来调整叶片的迎风角； 所述的收桨系统为含有叶尖扰流器的定桨距机组，在超速或超功率时定桨距机组执行主控制单元的收桨 停机命令； 所述的变桨系统为变桨距机组，它与叶片根部连接，根据主控制单元的控制命令由变桨距机组来调节叶片角度。
3.根据权利要求2所述的一种异步风力发电机组电控系统，其特征在于:所述的机侧自激电容单元SCU由一组星形连接或三角形连接的三相交流电容组组成。
4.根据权利要求2所述的一种异步风力发电机组电控系统，其特征在于:所述的滤波器LBl为LCL滤波器或LC滤波器；所述的滤波器LB2为du/dt滤波器或正弦波滤波器。
5.根据权利要求2 4之一所述的一种异步风力发电机组电控系统，其特征在于:所述的主控系统MCS包括主控制单元以及分别与其连接的配电系统、偏航系统、收桨或变桨系统。
专利摘要本实用新型涉及一种异步风力发电机组电控系统，包括主控系统MCS、全功率变流器、机侧自激电容单元SCU、断路器K和变流器控制器KZQ，其中全功率变流器设有A端口和B端口，A端口与异步发电机的定子连接，B端口通过断路器K与电网连接；全功率变流器中包括机侧变流器RSC、网侧变流器GSC、直流制动单元DBU，其中机侧变流器RSC和网侧变流器GSC通过公共直流母线背靠背连接，直流制动单元DBU连接在公共直流母线上；其中网侧变流器交流输入侧与B端口之间设有滤波器LB1，机侧变流器RSC交流输入侧与A端口之间设有滤波器LB2；主控系统MCS获取异步风力发电机组运行信息后通过变流器控制器KZQ，由变流器控制器KZQ对全功率变流器实施控制。
文档编号F03D7/00GK203103980SQ201220587928
公开日2013年7月31日 申请日期2012年11月9日 优先权日2012年11月9日
发明者王中, 廖恩荣, 黄晓辉, 李志国, 辛志远 申请人:南京飓能电控自动化设备制造有限公司