一种风力发电系统及其控制方法与流程

本发明涉及风力发电领域，特别是涉及一种风力发电系统及其控制方法。

背景技术：

1、随着绿色能源需求的增加，风电机组向大型化快速发展，海上风电的发展迫在眉睫。相比陆地风电，海上的风力资源丰富且稳定，更适合大功率机组。此外海上风电不需要占用大量的土地资源，可以在海上进行布设，减少对土地的压力和占用。然而海上更远的输电距离也导致了更高的输电成本、维护成本以及输电线路上更大的电能损耗，如何解决这一技术问题成为发展海上风电的技术难题，现有技术中还没有有效的解决方案。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种风力发电系统及其控制方法，节约了机组的成本，实现了低频的电力传输，解决了海上超远距离的高压电力传输所导致的维护成本高以及输电线路上电能损耗大的问题，使海上风场可以选择更具效率和性价比的低频输电上岸，进一步确保了整个发电过程中的安全性和可靠性，还降低了输电设备的维护成本，且损耗更小，有利于海上风电的广泛应用。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种风力发电系统，包括风机叶轮、发电机、变流器和输电电网，所述风机叶轮与所述发电机的转子的输入端连接，所述发电机的转子的输出端与所述输电电网连接，所述发电机的定子与所述变流器的输入端连接，所述变流器的输出端分别与所述发电机的转子的输出端和所述输电电网连接，所述发电机的转子的转速与所述风机叶轮的转速相关；

3、所述变流器用于当所述发电机的转子的转速变化时控制所述发电机的定子，以使所述发电机的转子的输出电流频率始终与目标输电频率保持一致；并将所述发电机的定子的输出电流频率转换为所述目标输电频率；所述目标输电频率小于工频。

4、可选地，所述风力发电系统还包括齿轮箱、传动轴和联轴器，所述风机叶轮通过所述传动轴与所述齿轮箱的输入端连接，所述齿轮箱的输出端通过所述联轴器与所述发电机的转子的输入端连接。

5、可选地，所述风力发电系统还包括升压变压器，所述升压变压器的输入端分别与所述发电机的转子的输出端和所述变流器的输出端连接，输出端与所述输电电网连接。

6、可选地，所述风力发电系统还包括换流站，所述换流站的输入端与所述输电电网连接，输出端与工频电网连接。

7、可选地，所述变流器包括机侧模块、电容和网侧模块，所述机侧模块的输入端与所述发电机的定子连接，第一输出端分别与所述电容的第一端和所述网侧模块的第一输入端连接，第二输出端分别与所述电容的第二端和所述网侧模块的第二输入端连接，所述网侧模块的输出端分别与所述发电机的转子的输出端和所述输电电网连接。

8、可选地，所述变流器还包括机侧滤波器和网侧滤波器，所述机侧滤波器的输入端与所述发电机的定子连接，输出端与所述机侧模块的输入端连接，所述网侧滤波器的输入端与所述网侧模块的输出端连接，输出端分别与所述发电机的转子的输出端和所述输电电网连接。

9、为解决上述技术问题，本发明还提供了一种风力发电系统的控制方法，应用于如前述所述的风力发电系统；该控制方法包括：

10、当发电机的转子的转速变化时发送控制信号以使变流器控制所述发电机的定子，以使所述发电机的转子的输出电流频率始终与目标输电频率保持一致；

11、发送转换信号以使所述变流器将所述发电机的定子的输出电流频率转换为所述目标输电频率；所述目标输电频率小于工频。

12、可选地，所述发送控制信号以使变流器控制所述发电机的定子，以使所述发电机的转子的输出电流频率始终与目标输电频率保持一致，包括：

13、基于定子的输出电流频率-转子的输出电流频率的关系式发送控制信号以使变流器控制所述发电机的定子的输出电流频率，以使所述发电机的转子的输出电流频率始终与目标输电频率保持一致；

14、所述定子的输出电流频率-转子的输出电流频率的关系式为：

15、

16、其中，fstator为所述发电机的定子的输出电流频率，nrotor为所述发电机的转子的转速，p为所述发电机的转子的极对数，frotor为所述发电机的转子的输出电流频率。

17、可选地，所述风力发电系统的控制方法还包括：

18、基于所述目标输电频率、所述变流器的最高承受电压和所述发电机的转子的最大转速确定所述发电机的变比，所述发电机的变比为所述发电机的定子绕组和所述发电机的转子绕组的匝数比。

19、可选地，所述风力发电系统的控制方法还包括：

20、基于所述发电机的额定功率、所述发电机的滑差、所述发电机的转子的功率因数和所述发电机的定子的功率因数计算所述发电机的工作参数，所述发电机的工作参数包括所述发电机的定子功率、所述发电机的转子功率、所述发电机的定子电流和所述发电机的转子电流。

21、本发明提供了一种风力发电系统，包括风机叶轮、发电机、变流器和输电电网，变流器会控制发电机的定子使发电机的转子的输出电流频率始终与目标输电频率保持一致，并且还会将发电机的定子的输出电流频率转换为目标输电频率，使得发电机的转子可以直接向输电电网输出恒频的交流电流，不需要另外设置变频设备，节约了机组的成本；目标输电频率小于工频，实现了低频的电力传输，解决了海上超远距离的高压电力传输所导致的维护成本高以及输电线路上电能损耗大的问题，使海上风场可以选择更具效率和性价比的低频输电上岸，进一步确保了整个发电过程中的安全性和可靠性，还降低了输电设备的维护成本，且损耗更小，有利于海上风电的广泛应用。

22、本发明还提供了一种风力发电系统的控制方法，具有与上述风力发电系统相同的有益效果。

技术特征：

1.一种风力发电系统，其特征在于，包括风机叶轮、发电机、变流器和输电电网，所述风机叶轮与所述发电机的转子的输入端连接，所述发电机的转子的输出端与所述输电电网连接，所述发电机的定子与所述变流器的输入端连接，所述变流器的输出端分别与所述发电机的转子的输出端和所述输电电网连接，所述发电机的转子的转速与所述风机叶轮的转速相关；

2.如权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，还包括齿轮箱、传动轴和联轴器，所述风机叶轮通过所述传动轴与所述齿轮箱的输入端连接，所述齿轮箱的输出端通过所述联轴器与所述发电机的转子的输入端连接。

3.如权利要求2所述的风力发电系统，其特征在于，还包括升压变压器，所述升压变压器的输入端分别与所述发电机的转子的输出端和所述变流器的输出端连接，输出端与所述输电电网连接。

4.如权利要求3所述的风力发电系统，其特征在于，还包括换流站，所述换流站的输入端与所述输电电网连接，输出端与工频电网连接。

5.如权利要求1至4任一项所述的风力发电系统，其特征在于，所述变流器包括机侧模块、电容和网侧模块，所述机侧模块的输入端与所述发电机的定子连接，第一输出端分别与所述电容的第一端和所述网侧模块的第一输入端连接，第二输出端分别与所述电容的第二端和所述网侧模块的第二输入端连接，所述网侧模块的输出端分别与所述发电机的转子的输出端和所述输电电网连接。

6.如权利要求5所述的风力发电系统，其特征在于，所述变流器还包括机侧滤波器和网侧滤波器，所述机侧滤波器的输入端与所述发电机的定子连接，输出端与所述机侧模块的输入端连接，所述网侧滤波器的输入端与所述网侧模块的输出端连接，输出端分别与所述发电机的转子的输出端和所述输电电网连接。

7.一种风力发电系统的控制方法，其特征在于，应用于如权利要求1至6任一项所述的风力发电系统；该控制方法包括：

8.如权利要求7所述的风力发电系统的控制方法，其特征在于，所述发送控制信号以使变流器控制所述发电机的定子，以使所述发电机的转子的输出电流频率始终与目标输电频率保持一致，包括：

9.如权利要求8所述的风力发电系统的控制方法，其特征在于，还包括：

10.如权利要求8所述的风力发电系统的控制方法，其特征在于，还包括：

技术总结
本发明公开了一种风力发电系统及其控制方法，涉及风力发电领域，变流器会控制发电机的定子使发电机的转子的输出电流频率始终与目标输电频率保持一致，并且还会将发电机的定子的输出电流频率转换为目标输电频率，使得发电机的转子可以直接向输电电网输出恒频的交流电流，不需要另外设置变频设备，节约了机组的成本；目标输电频率小于工频，实现了低频的电力传输，解决了海上超远距离的高压电力传输所导致的维护成本高以及输电线路上电能损耗大的问题，使海上风场可以选择更具效率和性价比的低频输电上岸，进一步确保了整个发电过程中的安全性和可靠性，还降低了输电设备的维护成本，且损耗更小，有利于海上风电的广泛应用。

技术研发人员：温俊伟,许国东,刘俏倩,姚颖聪,项峰,林鸿辉,罗勇水,杨靖
受保护的技术使用者：运达能源科技集团股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22