专利名称：大型变速永磁风力发电系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种并网型的大型变速永磁风力发电系统的构成与控制策略， 属于风力发电领域。
背景技术：
当前国际上各国对新能源和可再生能源都十分重视。在绿色能源中，风能 不仅储量大，可利用率高，而且便于大规模开发。风能是技术成熟经济性开发 最好的可再生能源，而且，在风能转化电能的过程中，不对生态环境产生破坏作
用。与煤电相比，每1000KW风力发电机组每年能减少151.52吨二氧化碳、9吨 二氧化硫气体和6吨一氧化碳气体的排放.如果吸收同样多的二氧化碳将需要 568英亩的森林，因此发展风力发电完全满足可持续发展的要求。
我国《可再生能源法》于2006年1月1日正式实施，这对我国可再生能源的 利用与开发将起巨大的推动作用。发展风力发电也是补充我国-一次能源供应不 足，改善我国能原结构、保障能源安全的有效途径。发展风力发电，可推动我国 新能源与可再生能源技术及相关产业持续、快速、健康发展。发展风力发电需 要强有力的风力发电相关技术为支撑，以为我国迅速发展的风电场提供运行可 靠、成本低廉的新型大容量并网风力发电系统。
当前国内外运行的可变速风电系统主要有两种， 一种是逆变器并网系统， 另 -种是双馈发电系统。逆变并网风力发电系统的风能利用较好，但由于其逆 变器容量必须与发电机容量相一致，因而系统成本也较高；而双馈风力发电系 统的逆变器容量为励磁容量，逆变器成本远低于直接并网逆变器，因而较受欢 迎，但若变速范围小，则风能利用率低，而当变速范围大时，必然要提高励磁 逆变器的容量，从而使逆变器费用迅速上升，可能得不偿失。采用双永磁发电 机小逆变器风力发电系统可兼顾上两种系统的优点，由于采用了小容量逆变器，系统成本较小，通过特殊的控制策略，可获得非常良好的风能利用率，从而大 大提高风电机组年利用时间。
发明内容
本发明的目的是通过提供一种采用双永磁发电机和一台较小逆变器的系统 结构，加上相应控制策略的风力发电技术，实现以较低成本获得良好风能利用 率，提高风电机组年利用小时的目标。
本发明通过采用一台较大的永磁发电机、 一台与大发电机同轴的较小永磁 发电机、 一个与较小的永磁发电机匹配的逆变器、相应控制开关以及系统控制 器和含有特殊控制策略的控制软件来实现。配上塔筒、风轮、变桨系统、偏航 系统、风标仪及其他电控系统，形成完整的风力发电机组。
本发明的优点是
1. 机组可以在各风速下依据风能曲线，通过变转速捕捉最大风能。
2. 在发电机组总容量满足要求的前提下，最大限度地降低了逆变器的容量， 从而降低了机组成本。
3. 由于逆变器容量较小，仅为机组总容量的1/3~1/5，十分有利于国产化。
图1是表示本发明的实施实例装置的总体结构布置三维说明图。图中1-一-发电机1; 2--—发电机2; 3----发电机主轴；4一--塔筒；5—一风
轮；6—一增速器。
图2是本发明中两台同轴发电机的轴截面说明图。图中11--一发电机l的
定子；12一_—发电机l的转子；13一 ——发电机l的定子机座；21一一
发电机2的定子；22—--发电机2的转子；23--—发电机2的定子机 座；31--—主轴前端轴承；32----主轴后端轴承。 图3是本发明中用于说明控制策略的系统主回路示意说明图。图中Gl—--
图1中的发电机1; G2-- —图1中的发电机2; INV----与发电机G2 额定容量相匹配的逆变器；TRANS—--输出变压器；LINE—一风场电网；SI——发电机G1与逆变器INV的连接开关；S2——发电机G2与 逆变器INV的连接开关；SW1----发电机G1的并网开关；SW2--—发 电机G2的并网开关；SW3——逆变器INV的并网开关；
具体实施例方式
以下用附图详细说明本发明。
首先按图1和图2来说明总体布置。本发明为双永磁发电机同轴结构。其 中发电机1容量较大，占总容量的2/3 4/5。发电机1与发电机2的容量总和为 整套风力发电机组的容量。发电机1的转子12与发电机2的转子22安装在同 一个主轴3上。发电机2的转子22布置在主轴3的尾部，为悬臂结构。发电机 1的转子12在发电机2的前部，通过轴承31和轴承32支撑。发电机1定子机 座13与发电机2的定子21共用一个焊接为一体的机座13。两个发电机通过机 座13外壁的自然风进行冷却。系统配有与较小永磁发电机匹配的逆变器、相应 控制开关以及系统控制器和含有特殊控制策略的相应控制软件，配上塔筒、风 轮、变桨系统、偏航系统、风标仪及其他电控系统，形成完整的风力发电机组。
发电机1的额定转速为风轮达到额定转速时主轴3上的转速。发电机1的 磁极数应使发电机1以额定转速运行时，发电机1的输出频率为50Hz，同时发 电机1的输出电压为电网额定电压。发电机2的额定转速较低，为发电机1的 额定转速的1/3 2/3。发电机2的磁极数应使发电机2以额定转速运行时，发电 机2的输出频率为50Hz，同时发电机2的输出电压为电网电压。即发电机1的 磁极数较少，发电机2的磁极数较多。因此，当主轴3以发电机1的额定转速 运行时，发电机1可直接并网运行。但主轴3亿发电机2的额定转速运行时， 发电机2可直接并网运行。
图3是描述系统控制策略的单线图。系统配有一个与发电机2的容量相匹 配的逆变器，及相应转换开关，作为各控制状态切换的执行部件。系统配有的 控制器中装有特殊控制软件，以实现与本发明相适应的控制策略。下面按图3 来描述本发明的控制策略。定义Pn--—风电机组的额定功率；Pnl——发电机G1的额定功率；Pout—--风电机组的实际输出功率；Pn2——发电机G2的额定频率；Pl——发电机G1的 实际输出功率；P2——发电机G2的实际输出功率。
控制策略如下
1) 当机组输出额定功率时，即Pout寸n，发电机G1直接并网，发电机G1 的输出功率为P^Pnl。同时，发电机G2通过逆变器INV并网，发电机G2的输 出功率为P2=Pn2。此时机组总输出功率为Pout=Pl+P2=Pnl+Pn2=Pn。此时各开 关的状态为SW1、 SW3和S2为闭合状态，其他开关均为开断状态。
2) 当机组输出功率Pout大于Pn/2，小于Pn时，并网方式同1 )，此时，Pl=Pnl， P2=Pout-Pl。随着风功率的降低，减少发电机G2的输出，直至P2=0，发电机 G2退出运行。
3) 当机组输出功率Pout小于Pn/2，大于Pn2时，机组转为发电机G2直接 并网，此时G2输出功率为P2寸n2。而发电机G1通过逆变器INV并网，发电机 Gl的输出功率为Pl=Pout-P2，发电机G1的输出功率随着机组输出功率的减少 而逐渐减少，直至退出运行。此时各开关的状态为SW2、 SW3和S1为闭合状态， 其他开关均为开断状态。
4) 当机组输出功率Pout小于Pn2时，发电机Gl退出运行，发电机G2通 过逆变器INV并网，并根据机组要求改变发电机G2的转速和输出功率。此时各 开关的状态为SW3和S2为闭合状态，其余开关均为断开状态。
权利要求
1. 一种风力发电装置，具有同轴的两台永磁发电机，其中一台容量较大，另一台容量较小。配置与容量较小发电机相匹配的逆变器，发电机轴通过增速器与风轮联结，加上相应开关和控制策略，配上塔筒、风轮、变桨系统、偏航系统、风标仪及其他电控系统，构成风力发电系统。其特征在于发电机组配置两台安装在同一个主轴上的永磁同步发电机；大容量发电机的转子前后各有一个轴承支撑；小容量发电机的转子布置在主轴的尾部，为悬臂结构；两个发电机通过定子机座外壁的自然风进行冷却。
2. 如权利要求l所述的风力发电装置，其特征在于 容量较大的发电机的额定功率占机组总额定输出功率的2/3 4/5;两个发电机的额定功率总和为整个发电机组的额定输出功率； 容量大的发电机的磁极数较少，额定转速较高，与额定风速相对应； 容量小的发电机的磁极数较多，额定转速较低，与较低的风速相对应，为 容量较大的发电机的额定转速的1/3 2/3;两个发电机额定电压相同，额定频率相同，分别与并网变压器原端额定电压和频率相等；在额定转速下两个发电机均可直接并网；在非额定转速下，发电机通过逆变器并网发电，实现变速运行。
3. 如权利要求1所述的风力发电装置，其特征在于 机组配有一个与小容量发电机的容量相匹配的逆变器；配置为实现机组控制策略的控制器和相应开关，作为各控制状态切换的执 行部件。
4. 如权利要求1所述的风力发电装置配置的控制器中装有特殊控制软件， 并通过权利要求3所示装置实现本发明所要求的控制策略，其特征在于在机组输出额定功率时，大容量发电机直接并网，输出功率为其额定功率，小容量发电机通过逆变器并网，输出功率也为其额定功率；当机组输出功率大于机组额定功率的一半，并小于额定功率时，大容量发 电机直接并网，输出功率为其额定功率，小容量发电机通过逆变器并网，其输 出功率随着机组功率的降低而减少，直至退出运行；当机组输出功率小于机组额定功率，且大于小容量发电机的额定功率时， 小容量发电机直接并网，输出功率为其额定功率，而大容量发电机通过逆变器 并网，其输出功率随着机组功率的降低而减少，直至退出运行-,当机组输出功率小于小容量发电机的额定功率时，大容量发电机退出运行， 小容量发电机通过逆变器并网，并根据机组要求改变转速和输出功率。
全文摘要
本发明涉及一种并网型大型变速永磁风力发电系统的构成与控制策略，属于风力发电领域。本发明的目的是通过提供一种采用双永磁发电机和一台较小逆变器的系统结构，加上相应控制策略的风力发电技术，实现以较低成本获得良好风能利用率，提高风电机组年利用小时的目标。两台永磁发电机容量和极数都不同，在各自的额定转速下输出频率都为50Hz，可直接并网。本发明的系统配有一台与较小永磁发电机容量相匹配的逆变器，配合相应的控制开关和特殊控制策略，使得在不同的容量和风速下两台发电机与逆变器及电网之间实现灵活的组合，以获得最好的风能利用率。
文档编号H02P9/02GK101257214SQ200710071820
公开日2008年9月3日 申请日期2007年3月1日 优先权日2007年3月1日
发明者刘彤彦, 武晓滨, 苗立杰, 陆秉权 申请人:哈电发电设备国家工程研究中心有限公司