一种新型高压直流风力发电机组及组网的制作方法

本发明属于风能开发技术领域，具体来说涉及一种新型高压直流风力发电机组及组网。

背景技术：

当前占据市场主流的大型风力发电机组为三相交流型异步双馈或永磁直驱风力发电机组，由于单机出力较火电机组而言不在一个量级，同时风力资源不稳定，风力发电机组一直处于电网的补充角色；常规风力发电机组对电网的依赖性导致其不适合电网互联段这种缺电地区应用；风电技术面临的主要问题是单机容量有限以及电网适应性差，常规机组在一个地区形成规模后电网SSO、矢量波动、电压波动、风机群间互扰等诸多问题都能导致大面积脱网，此类故障已经在国内多个风场多次发生，严重影响生产，并给电网带来很大威胁。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种新型高压直流风力发电机组，以及连接有该新型高压直流风力发电机组的新型高压直流风力发电机组组网。

本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。

一种新型高压直流风力发电机组，包括：风轮、发电机和交直变换器，所述交直变换器包括：机侧变换器、电容组、电抗器和直流并网断路器，所述机侧变换器的直流侧与所述电容组的一端电连接，所述电容组与所述电抗器的一端电连接，所述电抗器的另一端用于向高压直流电网输出高压直流电能，且所述直流并网断路器安装在所述电抗器与所述高压直流电网之间的线路上；

所述机侧变换器的交流侧与所述发电机的定子电连接，所述风轮直接或间接通过齿轮箱与所述发电机的转子机械连接。

一种新型高压直流风力发电机组组网，包括：高压直流电网以及连接在该高压直流电网上的蓄能电容组、换流站和多个上述的新型高压直流风力发电机组，所述蓄能电容组用于维持所述高压直流电网的电压并储存该高压直流电网的电能，所述换流站用于将所述高压直流电网的电能逆变输送至交流电网或将所述交流电网的电能整流后输送至所述高压直流电网，其中，高压直流电网实际电压的数值以该高压直流电网额定电压的数值为基准进行上下浮动，且所述高压直流电网储存电能的电量与所述高压直流电网的实际电压成正比。

在上述技术方案中，当所述高压直流电网的最高电压低于或等于4.0KV时，所述发电机为多级永磁发电机。

在上述技术方案中，所述新型高压直流风力发电机组的转子为多级永磁体，定子为绕组，所述机侧变换器为第一IEGT模块。

在上述技术方案中，所述换流站包括：第二IEGT模块，所述换流站通过该第二IEGT模块与高压直流电网和交流电网连接。

在上述技术方案中，当所述高压直流电网的最高电压高于4.0KV时，所述发电机为双绕线发电机。

在上述技术方案中，所述新型高压直流风力发电机组的定子和转子均为绕组，励磁机与绕组转子(绕组的转子)电连接，用于向所述转子注入励磁电流以使所述转子建立磁场，所述机侧变换器为整流桥，且该整流桥由晶闸管组成。

在上述技术方案中，所述换流站由整流器和逆变器并联组成。

相比于现有技术，本发明的新型高压直流风力发电机组组网可有效避免风机群间互扰、规避矢量波动、结构趋于简化,提高系统鲁棒性、降低设备造价，并可有效解决电网互联段SSO高发导致风机谐振进而发生的大面积脱网问题，电网适应性大幅提升，甚至可与小型火力发电机组媲美。同时直流输电还具备诸如无趋肤效应，输送损失小，电磁辐射小，不易拉弧放电等诸多优势。

本发明的新型高压直流风力发电机组组网经换流站进行集中出力的设计结构，从三相交流电网角度看，换流站以下的整个直流系统相当于一台容量理论上可无限扩大的超级风力发电机组，它摆脱了单台机组塔筒结构和承重能力限制，机舱空间限制，比常规单台超大型风力发电机组所体现出的优势更明显，技术可行性更高，以当前的电力技术成熟程度可操作性强。

附图说明

图1为本发明的新型高压直流风力发电机组的结构示意图；

图2为本发明的新型高压直流风力发电机组组网的结构示意图；

图3为换流站向交流电网输送功率的有功控制参考曲线；

图4为单台新型高压直流风力发电机组基于高压直流电网实际电压变化的功率校正参考曲线；

图5为单台新型高压直流风力发电机组转子转速-功率控制参考曲线；

图6为单台新型高压直流风力发电机组转子转速-桨距角控制参考曲线；

图7为单台新型高压直流风力发电机组控制关系示意图。

其中，1为风轮，2为发电机，2-1为定子，2-2为转子，3为交直变换器，3-1为机侧变换器，3-2为电容组，3-3为电抗器，3-4为直流并网断路器，4为高压直流电网，5为新型高压直流风力发电机组，6为蓄能电容组，7为换流站。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

在本发明的技术方案中，“第一”和“第二”并不具备任何特殊意义，仅用于对部件进行区分，例如：第一IEGT模块和第二IEGT模块，“第一”和“第二”用来表示其为2个IEGT模块；高压的定义为不低于1Kv；基于当前技术，IEGT产品应用环境尚未打破最高电压4Kv的技术瓶颈，随着技术发展，未来IEGT或其替代产品可能不再有此限制。

一种新型高压直流风力发电机组，包括：风轮1、发电机2和交直变换器3，交直变换器3包括：机侧变换器3-1、电容组3-2、电抗器3-3和直流并网断路器3-4，机侧变换器3-1的直流侧与电容组3-2的一端电连接，电容组3-2的另一端与电抗器3-3电连接，电抗器3-3的另一端用于向高压直流电网4输出高压直流电能，且在电抗器3-3与高压直流电网4之间的线路上安装有直流并网断路器3-4；

机侧变换器3-1的交流侧与发电机2的定子2-1电连接，风轮1直接或间接通过齿轮箱与发电机2的转子2-2机械连接。

一种新型高压直流风力发电机组组网，包括：高压直流电网4以及连接在该高压直流电网4上的蓄能电容组6、换流站7和上述新型高压直流风力发电机组5，蓄能电容组6用于维持高压直流电网4的电压并储存该高压直流电网4的电能，换流站7用于将高压直流电网4的电能逆变输送至交流电网或将交流电网的电能整流后输送至高压直流电网4，其中，高压直流电网4实际电压的数值以该高压直流电网4额定电压的数值为基准进行上下浮动，且高压直流电网4储存电能的电量与高压直流电网4的实际电压成正比。

其中，当高压直流电网4的最高电压低于或等于4.0KV时，发电机2为多级永磁发电机，即，新型高压直流风力发电机组5的转子2-2为多级永磁体，定子2-1为绕组。机侧变换器3-1为第一IEGT模块，换流站7包括：第二IEGT模块，换流站7通过第二IEGT模块与高压直流电网4和交流电网连接。该方案基于当前流行的三相交流永磁直驱风力发电机组改良而成，主要不同之处在于：1〉机组内部常规交-直-交结构的全功率变换器处不设网侧变换器，仅保留交直变换部分并增加电抗器，通过直流并网断路器与高压直流电网连接，机组内部常规交-直-交结构全功率变流器的网侧变换器功能被外部换流站取代，多台高压直流风力发电机组组网后在换流站处集中逆变,从交流电网的角度看，换流站以下的多台高压直流风力发电机组相当于一台容量超大的超级风力发电机组，系统鲁棒性和电网适应性明显提升。2〉由于机组内部无交流电源，所有设备电源都取自高压直流电网经降压后使用。3>并网断路器合闸条件由电压相同、频率相同、相位相同变为仅电压相同，并网控制更为简易。4>功率模块由常规的IGBT模块改为耐压等级更高的IEGT模块，同等功率下电压升高可以有效降低电流，降低导体传输损耗。

工作原理为：风轮1带动发电机的转子2-2转动提供旋转磁场，定子2-1的绕组产生感应电压并通过机侧变换器3-1处第一IEGT模块以功率可控的方式将能量输送至电容组3-2，电容组3-2经过并网断路器3-4将能量输送至高压直流电网4的蓄能电容组6，换流站7处的第二IEGT模块具备整流和逆变两种功能，实现高压蓄能电容组6的能量以双向可控的方式与交流电网交换。

新型高压直流风力发电机组功率控制方式为，风速和风轮1的变桨系统桨距角共同影响发电机转子的转速；发电机转子2-2转速(转速信号通常是来自安装在发电机主轴上的转速编码器)影响机侧变换器3-1处第一IEGT的脉宽调制信号，即影响发电机定子2-1经机侧变换器3-1向电容组3-2输出电能的大小；功率手动限制可通过手动限制风轮1的变桨系统桨距角或手动设置功率校正百分数的上限值实现；当高压直流电网4电压高于额定电压时，实际值与额定电压的差值通过影响功率校正百分数影响机侧变换器3-1处第一IEGT的脉宽调制信号，即影响发电机定子2-1经机侧变换器3-1向电容组3-2输出电能的大小。

换流站有功功率控制主要受高压直流电网实际电压和手动限制两个要素影响，无功控制主要受手动控制影响。

启动逻辑为：测风-〉偏航-〉变桨测试-〉变桨启动-〉直流母线预充电-〉启动机侧变换器-〉合闸并网-〉分闸脱网-〉停止机侧变换器-〉收桨减速-〉待机测风。

当所述高压直流电网4的最高电压高于4.0KV时，发电机2为双绕线发电机，即新型高压直流风力发电机组5的定子2-1和转子2-2均为绕组，转子绕组与励磁机电连接，励磁电流可控，励磁电流强度影响转子2-2的旋转磁场强度，进而影响定子2-1经机侧变换器3-1向电容组3-2输出电能的大小。机侧变换器3-1为整流桥，且该整流桥由晶闸管组成。换流站7由整流器和逆变器两个部分并联组成，整流器可将交流电网的电能输送至高压直流电网4，逆变器可将高压直流电网4的电能输送至交流电网。

工作原理为：励磁机为转子2-2提供可控的注入电流，建立强度可控的磁场，风轮1带动转子2-2旋转，进而形成强度可控的旋转磁场，定子2-1侧产生感应电压并通过机侧变换器3-1处晶闸管整流桥将能量输送至电容组3-2，电容组3-2经过电抗器3-3和并网断路器3-4将能量输送至高压直流电网4的蓄能电容组6，换流站内部逆变器和整流器协作将高压蓄能电容组的能量以双向可控的方式与三相交流电网交换。

新型高压直流风力发电机组功率控制方式为，风速和风轮1的变桨系统桨距角共同影响发电机转子的转速；发电机转子转速(转速信号通常是来自安装在发电机主轴上的转速编码器)影响励磁机注入转子2-2的电流强度，即影响发电机定子2-1经机侧变换器3-1向电容组3-2输出电能的大小；功率手动限制可通过手动限制风轮1的变桨系统桨距角或手动设置功率校正百分数的上限值实现；当高压直流电网4电压高于额定电压时，实际值与额定电压的差值通过影响功率校正百分数影响励磁机注入转子2-2的电流强度，即影响发电机定子2-1经机侧变换器3-1向电容组3-2输出电能的大小。

换流站有功功率控制主要受高压直流电网实际电压和手动限制两个要素影响，无功控制主要受手动控制影响。

启动逻辑为，测风-〉偏航-〉变桨测试-〉变桨启动-〉直流母线预充电-〉启动转子励磁机-〉合闸并网-〉分闸脱网-〉停止转子励磁机-〉收桨减速-〉待机测风。

实施例1

本实施例单台新型高压直流风力发电机组基于永磁发电机设计，发电机的转子为永磁体；发电机的定子为绕线型；机组内部不设齿轮箱；交直变换器采用比常规IGBT(绝缘栅双极型晶体管)耐压等级更高的第一IEGT(电子注入增强栅晶体管)模块作为核心功率模块。换流站内部采用基于第二IEGT模块实现逆变或整流双向可控。

例如高压直流输电网额定(参考)电压选取3.4Kv DC，换流站下游设置10台2MW新型高压直流风力发电机组，则对于交流电网而言整个系统(包括多台新型高压直流风力发电机组、蓄能电容组、换流站)相当于一台容量为20MW的风力发电机组。

基于以上前提，整个系统下所有设备实际运行电压范围可考虑设置为3.1Kv至3.5Kv，整个系统下所有设备设置保护低限至3.0Kv高限至3.6Kv，超出此范围时整个系统下所有设备全部进入保护状态。在正常状态下：1〉当所有新型高压直流风力发电机组全部处于脱网状态时，换流站利用交流侧供电经第二IEGT整流输入至高压直流电网，维持高压直流电网电压在3.1Kv；2〉随着风速提升，各台新型高压直流风力发电机组逐渐进入启动发电状态，在新型高压直流风力发电机组内部的电容组电压略高于高压直流电网的电压时，启动并网动作，并在输出功率为负值(电流变为负值)时触发自动脱网动作。

换流站对交流电网发出有功功率的功率控制参考曲线如图3，整个系统正常运行范围为3.1KV至3.5KV，系统电压在3.4KV到达满发状态，电压在3.4至3.5KV之间时，换流站降低发电功率升速率，高压直流电网内全部新型高压直流风力发电机组也同时受电压校正曲线限制(如图4)降低功率校正百分数进而降低机组出力，以使整个系统电压不超出此运行范围，单台新型高压直流风力发电机组出力曲线如图5，转子转速高于5rpm时开始发电，在到达10rpm时到达满发状态，此期间桨距角一直控制在0度，系统超出10rpm时变桨系统开始执行变桨调节，转子转速-桨距角位置参考曲线如图6，最大可调桨距角范围为0度至35度，转子转速超出12.5rpm时变桨系统收桨至90度并停机。

图7为单台新型高压直流风力发电机组控制关系示意图，进一步解释了图4～6的逻辑关系，基于以上描述，整个系统得以实现平稳运行。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形(例如增加多个换流站、蓄能电容组或将蓄能电容组在高压直流电网内改为分布式安装)、修改(例如将高压变为低压)或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换(例如将IEGT变为IGBT)均落入本发明的保护范围。