一种风力发电机组的入网方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种风力发电机组的入网方法及系统，所述系统由电网接入模块和发电机组模块构成，所述发电机组模块包括若干台风机，每台风机都包含风机叶片、发电机和控制系统，发电机采用低频输出；所述发电机组模块还包含连接在发电机输出端的第一变换器，所述电网接入模块包含连接在电网接入模块输入端的变压器，所述第一变换器用于将发电机输出的低频电能转换为非工频电能并统一传送至本地变电站，所述变压器用于将电能升压后接入电网。本发明使风力发电机在重量、体积、安装成本及难度大大降低，并使电能输出质量和控制方法有所改善，同时低压穿越问题得到缓解，有利风能并网；电能质量的提高更满足风电市场和政策的需要。
【专利说明】—种风力发电机组的入网方法及系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及电气控制领域，具体涉及当前风力发电机组的入网方法及其系统。
【背景技术】
[0002]中国经济的飞速发展与能源供应之间的巨大鸿沟，让中国深刻认识到未来充分利用可再生能源的充要性。风能作为可再生能源中的最古老而成熟的发电技术已经受到人们越来越多的重视。据全球风能理事会统计数据显示，2011年全球新增风电装机容量达41GW，这一新增容量使全球累计风电装机达到238GW。而其中，中国(不含港、澳、台)全年新增风电装机容量17.63GW，全国累计装机容量62.36GW。然而另一方面，在装机规模不断增长的同时，风电平均利用时间却在不断降低，2010年全国风电平均利用小时为2097小时，2011年降至1920小时，2012年更是只有1890小时，全国总弃风电量达到208.22亿千瓦时。这些问题背后，是风能的不稳定、风能低压穿越能力的欠佳、风能质量的不理想等等诸多问题和矛盾。
[0003]以华锐风电科技有限公司生产的FL-2500风机为例。其发电机重约为10.5吨，风轮总重约50吨，轮毂重约14.5吨，齿轮箱重约22.5吨，变压器重约5.3吨。这才仅仅只是一台2.5MW风机的数据。中国的经济贸易繁荣区主要在东南部，而陆上风场主要在西北部，发展海上风力发电是大势所趋，而海上风机的吊装将又是一项超级工程。
[0004]综上可以看出，对于合理减轻风机重量、提高风能输出质量是一个至关重要的课题。
[0005]当前正在使用的风机主要有三种控制类型:第一种:定桨距失速调节、恒速控制类型，其采用三相鼠笼式感应发电机晶闸管移相软切入控制。由于这类系统的电能质量指标较差，新生产及安装风机不再使用此控制类型，因此不在本发明讨论范围。第二种:变速变桨距双馈感应电动机类型，目前使用最为广泛的系统，采用双馈式异步发电机，定子直接接到电网上，转子侧通过双馈式变频器接到电网，在三相交流器的控制下实现励磁，保持定子恒频恒压输出。第三种:变速变桨距多极式同步发电机类型，采用低速齿轮箱半直驱或者无齿轮箱直驱发电机。风电机组的全部功率通过全变频器并网，由于风力机组通过变频器并网，因此风电机组的并网电气特性独立于发电机,而由变频器电气特性决定。第二种类型和第三种类型的风机目前普遍存在整机重量较重、体积较大的问题，造成风机安装维护困难，同时提高风机输出电能质量也是实现风电大规模并网亟待解决的问题。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于根据上述问题与矛盾，提供一种风力发电机组的入网方法及系统，其涉及新的风力发电机机械及电气结构，以使风机在重量、体积、安装成本及难度，以及电能输出质量、控制方法上都有所改善，并优化风机的低电压穿越性能。
[0007]本发明采用如下技术方案:
一种风力发电机组的入网方法，包含以下步骤: (a)将发电机的电能低频输出；
(b)将来自发电机的低频电能利用第一变换器进行变换,一台发电机对应一台第一变换器；
(c )将变换后的电能输送到本地变电站，并利用变压器升压后接入电网。
[0008]进一步，所述发电机为双馈式风力发电机时，所述步骤(b)可以是将发电机输出的低频电能利用第一变换器整流，并且步骤(c)可以是将整流后的电能通过高压直流电缆传送，之后利用第二变换器对高压直流电能进行逆变，再经过变压器升压后接入公用电网。
[0009]进一步，所述步骤(b)还可以包含步骤(bl):将发电机定子输出的频率由双馈变流器反馈到电机转子中产生相应的反馈信号。
[0010]进一步，所述发电机为多极式风力发电机时，所述步骤(b)是将发电机输出的低频电能利用第一变换器转换成高频交流电能，并且步骤(C)中是将高频交流电能通过高频交流电缆传送至本地变电站。
[0011]进一步，所述步骤(c )中，高频交流电能输送到本地变电站后，或者直接通过变压器升压后输送至高频交流电网；或者先通过第二变换器转换为工频电能，后再利用变压器升压后接入公用电网。
[0012]一种风力发电机组的入网系统，由电网接入模块和发电机组模块构成，所述发电机组模块包括若干台风机，每台风机都包含风机叶片、发电机和控制系统，发电机采用低频输出；所述发电机组模块还包含连接在发电机输出端的第一变换器，所述电网接入模块包含连接在电网接入模块输入端的变压器，所述第一变换器用于将发电机输出的低频电能转换为非工频电能并统一传送至本地变电站，所述变压器用于将电能升压后接入电网。
[0013]进一步，所述风机叶片和所述发电机之间还可以连接有齿轮箱。
[0014]进一步，所述齿轮箱可以为中小型齿轮箱。
[0015]进一步，电网接入模块的输入端可以设置有第二变换器，该第二变换器用于将非工频电能转换成电网需要的工频电能。
[0016]进一步，所述发电机为双馈式风力发电机时，与该发电机连接的第一变换器为整流器，发电机组模块与所述电网接入模块之间通过高压直流电缆连接，所述第二变换器为逆变器，该逆变器用于对来自发电机组模块的高压直流电能进行逆变将非工频电能转换成电网需要的工频电能，并通过变压器升压后接入公用电网。
[0017]进一步，所述整流器的输入端与发电机之间还连接有双馈变流器，该双馈变流器构成负反馈电路。
[0018]进一步，所述发电机为多极式风力发电机时，所述第一变流器用于将多极式风力发电机输出的低频交流电能转换成高频交流电能，此时所述发电机组模块与所述电网接入模块之间通过高频交流电缆连接。
[0019]进一步，所述第二变换器是全功率变流器或变频器。
[0020]进一步，所述发电机为双馈式风力发电机或多极式风力发电机。
[0021 ] 进一步，所述发电机组模块不包含变压器。
[0022]进一步，所述发电机是多极式风力发电机时，该多极式风力发电机是中小型极对数发电机。
[0023]本发明风力发电机组的入网方法及系统的优点如下。[0024](I)发电机采用低频交流输出，可以有效减小齿轮箱或发电机体积和重量，从而降低齿轮箱的故障率和发电机的制造难度，提高风机的使用寿命和可靠性。
[0025](2)单台风机不使用变压器，可使风机的机舱重量大为减小，变电站统一升压，可以提高风电场能量的整体控制水平。
[0026](3)发电机组为双馈式风力发电机组时，使用整流器和逆变器，将电网和风机的直接耦合关系解除，有利于改善双馈式风力发电机的低电压穿越能力。
[0027]( 4 )发电机组为双馈式风力发电机组时，使用高压直流输电，可以降低线路成本和电能损耗，可以自由选择风电网的频率，实现有功和无功独立控制，提高风能电能质量和利用率。
[0028](5)发电机组为多极式风力发电机组时，输出高频电源将更易于飞轮储能等新型储能装置的接入，以可以改善风场储能装置的投入和使用情况，并且增强了多极式风力发电机的低电压穿越能力。
[0029](6)发电机组为多极式风力发电机组时，使用高频交流电能，可以促进高频交流电能的发展和使用，利于推广高频交流电能，享受高频交流电能带来的诸多好处。
[0030](7)使用本发明，可使风机的体积、重量、安装难度和成本大大降低。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]图1是本发明一种风力发电机组的入网方法的一个流程示意图。
[0032]图2是本发明一种风力发电机组的入网系统的结构示意图。
[0033]图3是本发明一种风力发电机组的入网系统的另一个结构示意图。
[0034]图4是本发明一种风力发电机组的入网系统的一个实施例的结构示意图。
[0035]图5是本发明一种风力发电机组的入网系统的另一个实施例的结构示意图。
[0036]附图标号说明:
10、发电机组模块11、风机叶片 12、发电机 13、第一变换器 14、齿轮箱 20、电网接入模块21、变压器 22、电网 30、风机
111、风机叶片 112、双馈式风力发电机 113、第一变换器 114、齿轮箱 115、高压直流电缆116、双馈变流器121、变压器122、公用电网123、第二变换器 211、风机叶片 212、多极式风力发电机 214、齿轮箱 215、高频交流电缆 216、第一变换器221、变压器222、公用电网223、第二变换器 224、高频交流电网。
【具体实施方式】
[0037]以下结合附图给出本发明一种风力发电机组的入网方法及系统的【具体实施方式】，但是，本发明的实施不限于以下的实施例。
[0038]参见图1。一种风力发电机组的入网方法，包含以下步骤:(a)将发电机产生的电能低频输出；(b)将来自发电机的低频电能利用第一变换器进行变换，一台发电机对应一台第一变换器；(c )将变换后的电能输送到本地变电站，并利用变压器升压后接入电网。
[0039]发电机优选为双馈式风力发电机或多极式同步发电机。当发电机为双馈式风力发电机时，所述步骤(b)是将发电机输出的低频电能利用整流器整流，并且步骤(C)是将整流后的电能通过高压直流电缆传送，之后利用逆变器对高压直流电能进行逆变，再经过变压器升压接入电网；并且当发电机为双馈式风力发电机时，上述方法步骤(b)还可以进一步包含步骤(bl):将发电机定子输出的频率由双馈变流器反馈到电机转子中产生相应的反馈信号。当发电机为多极式风力发电机时，所述步骤(b)是将发电机输出的低频电能利用全功率变流器转换成高频交流电能，并且步骤(c)中是将电能通过高压交流电缆传送至本地变电站，通过变频器转换为工频电能，再利用变压器升压后接入电网；并且上述方法中步骤
(c)还可以是:将来自高频交流电缆的高频交流电能通过变压器升压直接输送至高频交流电网。
[0040]参见图2。一种风力发电机组的入网系统，由发电机组模块10和电网接入模块20构成，发电机组模块10包含若干台风机30，每台风机30都包含风机叶片11和发电机12，所述发电机12采用低频输出；所述发电机组模块10还包含连接在发电机12输出端的第一变换器13，所述电网接入模块20包含连接在电网接入模块20输入端的变压器21，所述第一变换器13用于将发电机12低频输出的电能变流后输送到变压器21，所述变压器21用于将电能升压后接入电网22。
[0041]具体实施时，可以根据实际选择的输出频率，在风机叶片11和发电机12之间加入齿轮箱14，如图3所示。本申请中，齿轮箱14 一般仅使用中小型齿轮箱就已经足够，当然也可以不使用。
[0042]低频为介于直流和工频之间的频率，即OHZ飞0ΗΖ，高频为大于工频频率，即>50HZ，但一般取300HZ以上。
[0043]图4和图5进一步显示两个具体的实施例，图4是发电机为双馈式风力发电机时风力发电组的入网系统的结构示意图。图5是发电机为多极式风力发电机时风力发电组的入网系统的结构示意图。
[0044]参见图4。一种风力发电机组的入网系统，由发电机组模块10和电网接入模块20构成，发电机组模块10包含若干台风机30，每台风机30都包含风机叶片111和双馈式风力发电机112，双馈式风力发电机发电机112采用低频输出。双馈式风力发电机112和风机叶片111之间可以根据需要加接齿轮箱114。发电机组模块10还包含连接在双馈式发电机112输出端的第一变换器113，该实施例中第一变换器113可以为整流器，与之相应，电网接入模块20输入端设置有第二变换器123，该实施例中第二变换器123可以为逆变器，该第二变换器123用于对来自整流器113的高压直流电能进行变换，如进行逆变，整流器113和逆变器123之间通过高压直流电缆115连接。电网接入模块20的变压器121进一步将逆变后的电能升压以接入公用电网122。
[0045]第一变换器113的输入端与双馈式风力发电机112之间可以进一步连接双馈变流器116，并使该双馈变流器116构成负反馈电路。
[0046]当风的速度达到风机的切入风速后，风能开始推动各台双馈式风力发电机112的风机叶片111旋转。风机叶片111的转速通过齿轮箱114的提速，或者直接驱动双馈式风力发电机112的转子快速转动，就可以在双馈式风力发电机112的定子上产生频率为/的低频交流电能。由于值由如下公式决定:
/ = np / 60 因此，低频意味着，转速和极对数可以相应的减小。如此双馈式风力发电机112的体积、重量，以及制作生产、安装难度和成本，都能大大降低。非高速的运转也延长了风机的使用寿命和可靠性。定子输出的频率由双馈变流器116反馈到电机112转子中产生相应的反馈信号，从而当风能波动时，确保定子输出的频率和电压的稳定。电能进一步传输到整流器113中，将高压交流变成高压直流，这一环节将会有相应的滤波电路的加入，以提高电能质量。然后直接输送到高压直流线缆115上，本申请将各风机的变压器去除了，节约了成本，控制了风机的重量。各单台双馈式风机将高压直流电能通过高压直流线缆115传输到本地风能变电所，这样高压直流输电线路损耗低、风电网的频率可以自由选择、实现有功和无功独立控制，提高电能质量和利用率。高压直流电能再经过逆变器123，转换为工频50HZ电能，经过统一变压器121升压后接入公用电网122。统一入网减少了变压器的使用数量，有利于风能的统一控制。加入了第一变换器113和第二变换器123后，双馈式风力发电机112与电网122之间的直接耦合关系解除，可改善双馈式风力发电机的低电压穿越能力，改善风机入网条件。
[0047]参见图5。一种风力发电机组的入网系统，由发电机组模块10和电网接入模块20构成，发电机组模块10包含若干台风机30，每台风机30都包含风机叶片211和多极式风力发电机212，多极式风力发电机212采用低频输出。多极式风力发电机212和风机叶片211之间可以根据实际选择的输出频率决定是否加接齿轮箱214。发电机组模块10还包含连接在多极式风力发电机212输出端的第一变换器216,该第一变换器216可以为全功率变流器。与第一变换器216相应，在电网为公用电网时，电网接入模块20输入端设置有第二变换器223，该第二变换器223可以为变频器，第一变换器216用于将多极式风力发电机212输出的低频交流电能转换成高频交流电能，第一变换器216和第二变换器223之间通过高频交流电缆215连接。电网接入模块20是经过第二变换器223将高频交流变换为工频交流，再经过变压器221升压后接入公用电网222。电网接入模块20还可以是直接经过变压器221将高频交流电能升压后接入高频交流电网网224。
[0048]当风的速度达到风机的切入风速后，风能开始推动各台多极式风力发电机212的风机叶片211旋转。风机叶片211的转速通过齿轮箱214的提速，或者直接驱动双馈式风力发电机212的转子快速转动。当前多极式风力发电机一般直接输出50HZ工频交流电，因此电机尺寸问题特别突出。本申请采用低频交流输出后，转速和极对数都相应的减小。如此多极式风力发电机的体积、重量，以及制作生产、安装难度和成本，都大大降低。非高速的运转也延长了风机的使用寿命和可靠性。低频电能经过滤波后接入全功率变流器216，产生高频交流电能。高频交流电能能使风机内部的滤波器、电容等电子器件的体积大大减小，使得多极式风机10整体重量得到减轻。另外高频交流电能在短距离传输并不会有太多的线路损耗，相反，高频交流电能能够带来许多工频电能所没有的优点:如对荧光灯的负载、发光效率会提闻，闪烁会减少，调光也更容易实现；闻频感应电动机的应用成为可能；闻频电源更易于和飞轮储能等新型储能装置相连接，等等。其中由于风电场一般都配合有储能装置，高频交流电能将更有利于电能的存储使用。高频交流电能通过高频交流线缆215传输至本地风能变电所后，直接经过变压器221升压后送入高频交流电网224使用，或者通过变频器223变换成50HZ工频交流电能，再通过变压器升压接入公用电网222。统一入网减少了变压器的使用数量，有利于风能的统一控制。在高频交流传输网络中加入储能装置，也有利于改善多极式风力发电机的低电压穿越能力，改善风机入网条件。
[0049]本发明的构思是:(1)首先从减轻发电机组的重量入手，理论分析，要想减轻风力发电机组的重量，那么减小或去除风力发电机、齿轮箱以及变压器的体积或重量是最为有效的方法。对于风力发电机，发电机输出频率遵循如下公式:
/ =印/60
其中J为风力发电机直接输出频率，单位HZ ;11表示发电机转速,单位rpm ;p表示极对数。因为电网的运行频率为50HZ，一般风力发电机采用4极即p=2，那么齿轮箱的输出转速为n=1500rpm。因此齿轮箱的体积和重量都比较大。而对于无齿轮箱的直驱风力发电机而言，非常小的转速，就意味着需要非常大的P值来平衡频率的需求。此时发电机的体积和重量又变成了主要问题。(2)对于这个问题，本申请对两种风力发电机组都采取了如下结构改良:采用低频交流输出，即将/值不选用工频，而选用远小于工频的频率，如选用IOHZ时，在极对数P不变的情况下，相比于工频可将齿轮箱的升速比减小4倍。由此可见降低输出电源的频率，就可以使齿轮箱或发电机整体体积和重量都大大减小。对于多极式风力发电机，低频输出可以使电机极数大大降低，减小多极式风力发电机体积过大的问题。低频输出对于半直驱风力发电来说，也能起到很大的改善作用。(3)然而低频输出的代价就是谐波的增加和低频到工频的转换，对于这两个问题，针对两种不同的风力发电机组为例，本申请采取了不同的解决方案。(3a)对于双馈风力发电机组:保留采用双馈变流器，以保持频率的稳定，这同时也是为了使得产生的电能质量更为优越。进一步，本发明双馈式风力发电机定子输出的电能不直接入网，而是接到一个整流器上，然后输出到本地高压直流线路中。利用此结构，风机本身自带的变压器就去除了，而且对于双馈式风力发电机而言，本身电路的控制方式都没有进行太多的改变，只是改变了发电机的直接输出频率，另外加入了整流器。如此单台风机的体积和重量都能得到很大的降低，高压直流输电的优点就在于，线路损耗低、电缆成本低、风电网的频率可以自由选择、实现有功和无功独立控制、电能质量提高等。又进一步，为了实现远距离传输，本申请是最后进行变压器统一升压。本申请使通过高压直流输入电网的电能，统一到本地风能变电所后，进行统一逆变，输出工频50HZ电能，或者转换成更高频率的交流电能，连接至高频交流电能网络使用。(3b)对于多极式风力发电机组:将现在多极式风力发电机机舱内的变压器移除，以减轻风力发电机的重量。进一步，本申请可以将由多极式风力发电机输出的低频交流电能通过全功率变流器变换成高频交流电能，高频交流电能的谐波滤除相比于低频会更加容易，高频下无功补偿器体积也将大大减小。又进一步，本申请可以使输出的高频交流电能，通过升压直接输送到附近高频交流电网中直接使用，这是考虑到高频电能在使用中有如下一些优点:对荧光灯的负载，发光效率会提高，闪烁会减少，调光也更容易实现；高频电源更易于和飞轮储能等新型储能装置相连接等等；因此高频感应电动机的应用成为可能。再进一步,本申请还可以将高频电能通过高频线缆连接至本地风能变电所后，经过变频器将高频电能变换为工频50HZ电能。输出的工频电能，经过变压器升压后，接入公用电网。
[0050]上述图4和图5实施例中的发电机分别为双馈式风力发电机和多极式风力发电机，但本申请相对于其它风力发电机组而言，同样可以参考适用。也就是说，将来如果出现了新的风力发电机类型参考了本发明的入网方法，或者将上述两种方法进行了混合使用，也应该属于本发明范畴。本申请主要涉及双馈式风力发电机组和多极式同步发电机组的改良与入网方法，是一定规模下风力发电机组的合理运行方式，不适合单台风力发电机单独入网使用。相比于现有技术，本申请使风力发电机的重量、体积、安装成本及难度大大降低，控制方法有所改善，同时低压穿越问题得到缓解，有利风能并网，并使输出的电能质量也有所改善，电能质量的提高更满足风电市场和政策的需要。
[0051]应当指出，以上叙述中的实施方式仅是本发明的优选实施方式，对于本【技术领域】的普通技术人员，在不脱离本发明结构原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种风力发电机组的入网方法，其特征在于，所述方法包含以下步骤: (a)将发电机的电能低频输出； (b)将来自发电机的低频电能利用第一变换器进行变换,一台发电机对应一台第一变换器； (c )将变换后的电能输送到本地变电站，并利用变压器升压后接入电网。
2.根据权利要求1所述的风力发电机组的入网方法，其特征在于，所述发电机为双馈式风力发电机时，所述步骤(b)是将发电机输出的低频电能利用第一变换器整流，并且步骤(C)是将整流后的电能通过高压直流电缆传送，之后利用第二变换器对高压直流电能进行逆变，再经过变压器升压后接入公用电网。
3.根据权利要求1所述的风力发电机组的入网方法，其特征在于，所述发电机为多极式风力发电机时，所述步骤(b)是将发电机输出的低频电能利用第一变换器转换成高频交流电能，并且步骤(C)中是将高频交流电能通过高频交流电缆传送至本地变电站。
4.一种风力发电机组的入网系统，由电网接入模块、发电机组模块和控制系统构成，其特征在于: 所述发电机组模块包括若干台风机，每台风机都包含风机叶片和发电机，发电机采用低频输出； 所述发电机组模块还包含连接在发电机输出端的第一变换器，所述电网接入模块包含连接在电网接入模块输入端的变压器，所述第一变换器用于将发电机输出的低频电能转换为非工频电能并统一传送至本地变电站，所述变压器用于将电能升压后接入电网。
5.根据权利要求4所述的风力发电机组的入网系统，其特征在于，所述风机叶片和所述发电机之间还连接有齿轮箱。
6.根据权利要求4所述的风力发电机组的入网系统，其特征在于，电网接入模块的输入端设置有第二变换器，该第二变换器用于将非工频电能转换成电网需要的工频电能。
7.根据权利要求6所述的风力发电机组的入网系统，其特征在于，所述发电机为双馈式风力发电机时，与该发电机连接的第一变换器为整流器，发电机组模块与所述电网接入模块之间通过高压直流电缆连接，所述第二变换器为逆变器，该逆变器用于对来自发电机组模块的高压直流电能进行逆变将非工频电能转换成电网需要的工频电能，并通过变压器升压后接入公用电网。
8.根据权利要求4或5所述的风力发电机组的入网系统，其特征在于，所述发电机为多极式风力发电机时，所述第一变流器用于将多极式风力发电机输出的低频交流电能转换成高频交流电能，此时所述发电机组模块与所述电网接入模块之间通过高频交流电缆连接。
9.根据权利要求6所述的风力发电机组的入网系统，其特征在于，所述第二变换器是全功率变流器或变频器。
10.根据权利要求4或5所述的风力发电机组的入网系统，其特征在于，所述风力发电机组中各单台风机不含有变压器。
【文档编号】H02J3/38GK103580064SQ201310585934
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年11月20日 优先权日:2013年11月20日
【发明者】戴志军, 叶明星, 徐余法, 王致杰, 高志伟, 梅晓娟 申请人:上海电机学院