專利名稱：風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及應(yīng)用電力電子變頻及并網(wǎng)技術(shù)以及電機(jī)控制技術(shù)的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
風(fēng)能是目前運(yùn)用最廣的可再生清潔能源之一。為提高風(fēng)力捕捉性能，目前大功率的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)多為變速雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。雙饋異步發(fā)電機(jī)的定子側(cè)直接或通過變壓器與電網(wǎng)連接，轉(zhuǎn)子測與電力電子變頻器相連接，從而控制轉(zhuǎn)子側(cè)的頻率、電流幅值及相位， 達(dá)到控制發(fā)電機(jī)，捕捉最大風(fēng)能等目的。電力電子變頻器由整流器和逆變器組成，中間通過直流母線連接，配有濾波電容。這種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于電力電子變頻器的額定功率通常只有整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)額定功率的百分之三十。但是由于轉(zhuǎn)子側(cè)電路需要通過滑環(huán)與電力電子變頻器連接，增加了系統(tǒng)維護(hù)成本，同時(shí)也降低了系統(tǒng)的可靠性。另外，異步電機(jī)功率密度相對較低，同樣功率的異步發(fā)電機(jī)建設(shè)及安裝成本要高于同步發(fā)電機(jī)特別是永磁同步發(fā)電機(jī)。由于上述問題，運(yùn)用永磁同步發(fā)電機(jī)和全功率電力電子變頻器的大功率風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)越來越受到關(guān)注。這種系統(tǒng)采用效率更高的永磁同步發(fā)電機(jī)從而達(dá)到更高的發(fā)電效率降低風(fēng)機(jī)建設(shè)安裝成本。其中有些系統(tǒng)還通過增加發(fā)電機(jī)電極數(shù)的設(shè)計(jì)減少加速齒輪的級數(shù)，甚至徹底避免使用加速齒輪箱從而降低損耗、增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性。但是這種系統(tǒng)需要昂貴的全功率電力電子變頻器。一種降低變頻器成本的方法是不使用背靠背(back-to-back) 的兩個(gè)全可控電壓源變頻器，而使用二極管整流器替代發(fā)電機(jī)測的可控變頻器。由于二極管整流器不可控，如果要實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)控制和優(yōu)化風(fēng)能捕捉，必須在二極管整流器和直流母線之間增加一個(gè)直流升壓變換器(boost converter)。雖然在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上升壓變換器只是用了一個(gè)電力電子開關(guān)器件，但是在實(shí)際的系統(tǒng)中，升壓變換器串聯(lián)于系統(tǒng)中，必須按照全功率來設(shè)計(jì)。因而拓?fù)渲械拈_關(guān)器件在實(shí)際中常常需要通過多個(gè)開關(guān)器件串、并聯(lián)來實(shí)現(xiàn)。 另外，基于二極管整流器的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，由于交流測電壓不可控，發(fā)電功率經(jīng)常會小于發(fā)電機(jī)的額定功率。也就是說需要安裝在風(fēng)機(jī)塔頂?shù)陌l(fā)電機(jī)不能得到充分利用，既浪費(fèi)了電機(jī)生產(chǎn)如稀土磁鐵，磁鋼及銅等材料，又無謂地增加了風(fēng)機(jī)塔的建設(shè)成本。因此，這種運(yùn)用二極管整流器的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并沒有在大功率風(fēng)力發(fā)電中得到廣泛的運(yùn)用。
發(fā)明內(nèi)容為了克服傳統(tǒng)的全功率可控電力電子變頻器風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和二極管整流器加直流升壓變換器風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的缺點(diǎn)，本實(shí)用新型提出了一種風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，旨在保證風(fēng)力捕捉性能的基礎(chǔ)上大大降低電力電子逆變器成本，提高發(fā)電機(jī)利用效率，解決傳統(tǒng)使用二極管整流器的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備發(fā)電機(jī)利用率低的問題。本實(shí)用新型的目的通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，包括使用獨(dú)立繞組的永磁同步交流風(fēng)力發(fā)電機(jī)，在發(fā)電機(jī)三相繞組的一端串聯(lián)連接二極管整流器，二極管整流器直流端與網(wǎng)側(cè)逆變器的直流母線連接，二極管整流器作為發(fā)電機(jī)與直流母線間的能量轉(zhuǎn)換元件，將發(fā)電機(jī)的交流電能轉(zhuǎn)化為直流電能；發(fā)電機(jī)三相繞組的另一端串聯(lián)接入補(bǔ)償電壓源逆變器；在網(wǎng)側(cè)逆變器和補(bǔ)償電壓源逆變器之間還串聯(lián)有可注入電路的電壓幅值和相位的控制器；網(wǎng)側(cè)逆變器的交流輸出端與并網(wǎng)變壓器連接，并網(wǎng)變壓器與電網(wǎng)連接。本實(shí)用新型在二極管整流器交流側(cè)上還可以并聯(lián)連接濾波器。本實(shí)用新型所述二極管整流器為使用兩電平的整流器或多變頻的二極管整流器。本實(shí)用新型所述補(bǔ)償電壓源逆變器為電壓源電力電子變頻器。本實(shí)用新型所述網(wǎng)側(cè)逆變器為全控的兩電平逆變器或多電平逆變器。本實(shí)用新型在串聯(lián)補(bǔ)償逆變器的直流母線上連接有儲能元件。本實(shí)用新型在保證風(fēng)力捕捉性能的基礎(chǔ)上可大大降低電力電子逆變器成本，提高發(fā)電機(jī)利用效率，解決傳統(tǒng)使用二極管整流器的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備發(fā)電機(jī)利用率低的問題。下面結(jié)合說明書附圖進(jìn)一步闡述本實(shí)用新型內(nèi)容。

圖1為本實(shí)用新型示意圖；圖2為本實(shí)用新型的基于兩電平整流器和逆變器的實(shí)例電路圖；圖3為本實(shí)用新型補(bǔ)償變壓器工作相量示意圖；圖4為本實(shí)用新型與恒轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)配合使用實(shí)例的控制方法示意圖；圖5為本實(shí)用新型與變轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)配合使用實(shí)例的控制方法示意圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，本實(shí)用新型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，包括使用獨(dú)立繞組的永磁同步交流風(fēng)力發(fā)電機(jī)1，在發(fā)電機(jī)1三相繞組的一端串聯(lián)連接二極管整流器2，二極管整流器2直流端與網(wǎng)側(cè)逆變器3的直流母線連接，二極管整流器3作為發(fā)電機(jī)1與直流母線間的能量轉(zhuǎn)換元件，將發(fā)電機(jī)的交流電能轉(zhuǎn)化為直流電能；發(fā)電機(jī)1三相繞組的另一端串聯(lián)接入補(bǔ)償電壓源逆變器5 ；在網(wǎng)側(cè)逆變器3和補(bǔ)償電壓源逆變器5由控制器7控制；網(wǎng)側(cè)逆變器3的交流輸出端與并網(wǎng)變壓器4連接，并網(wǎng)變壓器4與電網(wǎng)連接?？蛇x的濾波器6與二極管整流器 2并聯(lián)連接。網(wǎng)側(cè)逆變器3可采用與傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備相同的逆變器。本實(shí)用新型所使用獨(dú)立繞組的永磁同步交流發(fā)電機(jī)與普通交流發(fā)電機(jī)的區(qū)別在于電機(jī)的三相繞組沒有連接在一起的中性點(diǎn)，每一相的繞組間是電隔離的。這種電機(jī)并不需要特殊的設(shè)計(jì)，只是在生產(chǎn)過程中減少了一道將三相繞組的一端連接在一起的生產(chǎn)工序。本實(shí)用新型運(yùn)用二極管整流器作為發(fā)電機(jī)和直流母線間的功率轉(zhuǎn)換元件，而且在二極管整流器和直流母線之間并不需要直流升壓變換器達(dá)到控制發(fā)電機(jī)發(fā)電量和直流母線電壓的目的。二極管整流器并不局限于使用六個(gè)二極管的兩電平整流器2，也可以是多變頻的二極管整流器。本實(shí)施例優(yōu)選兩電平整流器。本實(shí)用新型運(yùn)用遠(yuǎn)低于額定功率的電壓源電力電子變頻器作為補(bǔ)償逆變器與發(fā)電機(jī)串聯(lián)連接，變頻器所處的位置在拓?fù)渖舷喈?dāng)于傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)的位置。補(bǔ)償逆變器直接與發(fā)電機(jī)連接，并不需要通過變壓器或者濾波器連接。補(bǔ)償逆變器并不進(jìn)行有功功率轉(zhuǎn)換，而是通過向發(fā)電機(jī)注入無功功率達(dá)到改變發(fā)電機(jī)工作點(diǎn)從而控制發(fā)電機(jī)發(fā)電量的目的。通過運(yùn)用串聯(lián)的補(bǔ)償逆變器，可以提高發(fā)電機(jī)利用效率，解決傳統(tǒng)基于二極管整流器的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中存在的發(fā)電功率低于發(fā)電機(jī)額定功率的問題，從而提高材料使用效率， 降低風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的生產(chǎn)和建設(shè)成本。本實(shí)用新型在電網(wǎng)側(cè)使用全控的電壓源逆變器。根據(jù)實(shí)際運(yùn)用的需求，全控的電壓源逆變器可以是兩電平逆變器也可以是多電平逆變器，本實(shí)施例優(yōu)選兩電平逆變器。通過使用全控的網(wǎng)側(cè)逆變器，可以實(shí)現(xiàn)在電網(wǎng)側(cè)與電網(wǎng)同步無縫連接，同時(shí)可以合理控制潰入電網(wǎng)的有功及無功功率，幫助提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。本實(shí)用新型采用獨(dú)立繞組的交流發(fā)電機(jī)1，在三相繞組的一端使用低成本的二極管整流器2作為發(fā)電機(jī)1與網(wǎng)側(cè)逆變器3的直流母線8間的能量轉(zhuǎn)換元件，將發(fā)電機(jī)的交流電能轉(zhuǎn)化為直流電能?？刂破?控制補(bǔ)償逆變器5串聯(lián)注入電路的電壓幅值和相位。通過控制補(bǔ)償逆變器5與發(fā)電機(jī)1電流垂直方向的電壓，可以控制發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率，從而實(shí)現(xiàn)最佳的風(fēng)能捕捉。另外，通過控制與電流同向或相反方向的電壓可以控制補(bǔ)償直流母線電容9的電壓。補(bǔ)償變頻器5的額定視在功率按照發(fā)電機(jī)的無功功率選擇，因此其額定視在功率可以比傳統(tǒng)的全控逆變器小很多。需要指出的是，傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電變頻器中，發(fā)電機(jī)測逆變器必須按照視在功率的最大情況設(shè)計(jì)。然而本實(shí)用新型的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，只有二極管整流器2必須按照有功功率的最大情況考慮，而補(bǔ)償逆變器5可以比無功功率的最大情況小。如果補(bǔ)償逆變器5不足以提供最佳風(fēng)能捕捉情況時(shí)發(fā)電機(jī)1需要的無功功率，只會使發(fā)電機(jī)1輸出功率減小，而并不會使系統(tǒng)損壞。本實(shí)用新型的網(wǎng)側(cè)逆變器3將直流母線的電能轉(zhuǎn)化為交流電能并通過并網(wǎng)變壓器4將電能輸送到電網(wǎng)。網(wǎng)側(cè)逆變器3的有功和無功功率可以有控制器7獨(dú)立控制，在電網(wǎng)需要的時(shí)候可以提供無功功率穩(wěn)定電網(wǎng)電壓。本實(shí)用新型的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，除了可以運(yùn)用于定速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)以外，還可以運(yùn)用于可調(diào)速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速可變的情況下，通過控制發(fā)電機(jī)的功率及轉(zhuǎn)矩，風(fēng)機(jī)的槳葉速度可以配合最佳葉尖速轉(zhuǎn)速比從而實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕捉。本實(shí)用新型正常運(yùn)行并不一定需要使用濾波器6。但是在二極管整流器與發(fā)電機(jī)連接處加入被動(dòng)或者主動(dòng)濾波器可以降低發(fā)電機(jī)電流中的諧波，從而減小電機(jī)損耗和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。本實(shí)用新型還可以在串聯(lián)補(bǔ)償逆變器的直流母線上連接如電池的儲能元件10。通過控制補(bǔ)償逆變器與電流方向相同和相反的變量，可以在儲能元件10與發(fā)電機(jī)1和電網(wǎng)之間實(shí)現(xiàn)電能交換。當(dāng)發(fā)電機(jī)所發(fā)出電功率超過電網(wǎng)的需要時(shí)，可以將多余的能量儲存在儲能元件10中。反之，當(dāng)發(fā)電機(jī)所發(fā)出的電功率不足以滿足電網(wǎng)的需要時(shí)，可以將儲能元件中儲存的電能通過發(fā)電機(jī)1繞組、二極管整流器2和網(wǎng)側(cè)逆變器3，輸送到電網(wǎng)中滿足用電需要。圖2為本實(shí)用新型的基于兩電平整流器和逆變器的實(shí)例。交流發(fā)電機(jī)1三相繞組的一段接入使用六個(gè)二極管的兩電平二極管整流器2，二極管整流器2的直流側(cè)與直流母線電容8并聯(lián)連接。發(fā)電機(jī)1三相繞組的另一端與兩電平補(bǔ)償逆變器5串聯(lián)連接，補(bǔ)償逆變器5的直流側(cè)與補(bǔ)償直流母線電容9并聯(lián)。網(wǎng)側(cè)逆變器3與直流母線電容8并聯(lián)，網(wǎng)側(cè)逆變器3的交流側(cè)與并網(wǎng)逆變器4連接。并網(wǎng)逆變器4與電網(wǎng)連接。本實(shí)例中沒有使用儲能設(shè)備。圖3為本實(shí)用新型中補(bǔ)償逆變器5的工作相量示意圖，圖中使用無凸極性的發(fā)電
5機(jī)作為實(shí)例。當(dāng)補(bǔ)償電壓滯后發(fā)電機(jī)電流時(shí)，補(bǔ)償為電容性。相反的，當(dāng)補(bǔ)償變壓超前于發(fā)電機(jī)電流，補(bǔ)償為電感性。圖3a為無補(bǔ)償狀態(tài)。若補(bǔ)償逆變器電壓相量完全抵消發(fā)電機(jī)阻抗壓降時(shí)為圖北所示的最優(yōu)補(bǔ)償，此時(shí)發(fā)電機(jī)工作在最大轉(zhuǎn)矩電流比(maximum torque per amp, MTPA)狀態(tài)，發(fā)電機(jī)的繞組電阻性損耗最小。當(dāng)補(bǔ)償為圖3c所示的電容性時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出功率增加，如果風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速可變，此時(shí)因?yàn)榘l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩增加，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速會降低。當(dāng)補(bǔ)償為圖3d所示的電感性時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出功率減小。如果風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速可變，此時(shí)因?yàn)榘l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩減小，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速會升高。如圖4和圖5所示，本實(shí)用新型的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的控制器需要檢測發(fā)電機(jī)電流的相位。補(bǔ)償變壓器控制器在電流同步坐標(biāo)系下。補(bǔ)償逆變器5的控制器7根據(jù)發(fā)電機(jī)電流矢量決定注入電壓。注入電壓與發(fā)電機(jī)電流垂直的分量用于控制發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率，與發(fā)電機(jī)電流同向的分量用于控制補(bǔ)償逆變器5的補(bǔ)償直流母線電容9的電壓?？刂破鲗㈦娏魍阶鴺?biāo)系下的補(bǔ)償電壓轉(zhuǎn)換回靜止三相坐標(biāo)系。PWM調(diào)制器用于產(chǎn)生電力電子開關(guān)器件的門級信號。如圖5所示，當(dāng)使用變轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)時(shí)，可以在功率內(nèi)控制環(huán)的基礎(chǔ)上再加入轉(zhuǎn)速控制外環(huán)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的命令可以根據(jù)風(fēng)速和風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)產(chǎn)生，從而達(dá)到最大功率捕捉。
權(quán)利要求1.風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，其特征在于，包括使用獨(dú)立繞組的永磁同步交流風(fēng)力發(fā)電機(jī)(1)，在發(fā)電機(jī)(1)三相繞組的一端串聯(lián)連接二極管整流器(2)，二極管整流器(2)直流端與網(wǎng)側(cè)逆變器(3)的直流母線連接，二極管整流器(2)作為發(fā)電機(jī)(1)與直流母線間的能量轉(zhuǎn)換元件，將發(fā)電機(jī)的交流電能轉(zhuǎn)化為直流電能；發(fā)電機(jī)(1)三相繞組的另一端串聯(lián)接入補(bǔ)償電壓源逆變器(5);在網(wǎng)側(cè)逆變器(3)和補(bǔ)償電壓源逆變器(5)之間還串聯(lián)有可注入電路的電壓幅值和相位的控制器(7)；網(wǎng)側(cè)逆變器(3)的交流輸出端與并網(wǎng)變壓器(4)連接，并網(wǎng)變壓器(4)與電網(wǎng)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，其特征在于，在二極管整流器(2)上并聯(lián)連接有濾波器(6)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，其特征在于，所述二極管整流器(2)為使用六個(gè)二極管的兩電平整流器或使用更多二極管的多變頻的二極管整流器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，其特征在于，所述補(bǔ)償電壓源逆變器(5)為電壓源電力電子變頻器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，其特征在于，所述網(wǎng)側(cè)逆變器(3)為全控的兩電平逆變器或多電平逆變器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，其特征在于，在串聯(lián)補(bǔ)償逆變器的直流母線上連接有儲能元件(10)。
專利摘要風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，包括使用獨(dú)立繞組的永磁同步交流風(fēng)力發(fā)電機(jī)(1)，在發(fā)電機(jī)三相繞組的一端串聯(lián)連接二極管整流器(2)，二極管整流器直流端與網(wǎng)側(cè)逆變器(3)的直流母線連接，二極管整流器作為發(fā)電機(jī)與直流母線間的能量轉(zhuǎn)換元件，將發(fā)電機(jī)的交流電能轉(zhuǎn)化為直流電能；發(fā)電機(jī)三相繞組的另一端串聯(lián)接入補(bǔ)償電壓源逆變器(5)；在網(wǎng)側(cè)逆變器和補(bǔ)償電壓源逆變器之間還串聯(lián)有可注入電路的電壓幅值和相位的控制器(7)；網(wǎng)側(cè)逆變器的交流輸出端與并網(wǎng)變壓器(4)連接，并網(wǎng)變壓器與電網(wǎng)連接。本實(shí)用新型在保證風(fēng)力捕捉性能的基礎(chǔ)上可降低電力電子逆變器成本，提高發(fā)電機(jī)利用效率。
文檔編號H02J3/38GK202076803SQ201120140959
公開日2011年12月14日 申請日期2011年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月6日
發(fā)明者托馬斯·安東尼·立波, 潘迪 申請人:托馬斯·安東尼·立波, 潘迪