寬轉(zhuǎn)速范圍直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型提供一種寬轉(zhuǎn)速范圍直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，包括風(fēng)力機(jī)、與風(fēng)力機(jī)連接的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電樞繞組與可控整流裝置連接，所述可控整流裝置與直流母線連接，直流母線通過(guò)逆變電源與電網(wǎng)連接；所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組與標(biāo)準(zhǔn)正弦波勵(lì)磁電源連接，標(biāo)準(zhǔn)正弦波勵(lì)磁電源與直流母線連接。本實(shí)用新型通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁頻率以及勵(lì)磁相序可以控制勵(lì)磁磁場(chǎng)的幅值、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速方向，在可發(fā)電的風(fēng)速范圍內(nèi)，皆可將發(fā)電系統(tǒng)控制在最佳功率運(yùn)行點(diǎn)，且有利于故障時(shí)保護(hù)控制策略實(shí)現(xiàn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】寬轉(zhuǎn)速范圍直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種寬轉(zhuǎn)速范圍直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的主要發(fā)電方式，雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的定轉(zhuǎn)子側(cè)皆與電網(wǎng)相連，屬于強(qiáng)耦合系統(tǒng)，而強(qiáng)耦合系統(tǒng)當(dāng)電網(wǎng)故障時(shí)，系統(tǒng)的低電壓穿越保護(hù)控制難于實(shí)現(xiàn)，且增速齒輪單元使得系統(tǒng)體積較大、發(fā)電系統(tǒng)可靠性變差，且在可發(fā)電風(fēng)速范圍內(nèi)，發(fā)電系統(tǒng)不能始終處于最佳運(yùn)行工況；而直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)存在發(fā)電機(jī)體積過(guò)大和大量使用稀土永磁材料問(wèn)題，且在恒速恒頻運(yùn)行方式只能運(yùn)行于某一特定轉(zhuǎn)速，當(dāng)風(fēng)速改變時(shí)風(fēng)機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)偏離最大值，導(dǎo)致運(yùn)行效率下降、風(fēng)能資源浪費(fèi)。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0003]本實(shí)用新型的目的是最大限度地運(yùn)用風(fēng)能來(lái)獲得電能的同時(shí)，可以解決雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)定轉(zhuǎn)子側(cè)與電網(wǎng)直接連接強(qiáng)耦合導(dǎo)致包括電網(wǎng)和發(fā)電系統(tǒng)故障時(shí)保護(hù)存在的問(wèn)題，如低電壓穿越問(wèn)題，和采用交流勵(lì)磁以避免永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)消耗大量稀土永磁材料以及由于永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流不可控帶來(lái)轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍窄導(dǎo)致發(fā)電機(jī)不能實(shí)時(shí)運(yùn)行在最佳功率點(diǎn)的問(wèn)題。
[0004]一種寬轉(zhuǎn)速范圍直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，包括風(fēng)力機(jī)、與風(fēng)力機(jī)連接的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，還包括:
[0005]可控整流單元，其輸入端與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電樞繞組連接，用于將風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能整流輸出，存儲(chǔ)在直流母線的電容內(nèi)；
[0006]直流母線單元，其輸入端與可控整流單元的輸出端連接，用于作為發(fā)電機(jī)輸出的電能和逆變電源向電網(wǎng)輸出電能的緩沖池；
[0007]逆變電源，其輸入端與直流母線單元的輸出端連接，用于將發(fā)電機(jī)發(fā)出的經(jīng)可控整流儲(chǔ)存于直流母線電容上的電能轉(zhuǎn)換成功率因數(shù)可控的工頻交流電輸出至與之連接的電網(wǎng)；
[0008]標(biāo)準(zhǔn)正弦波勵(lì)磁電源，其輸入與直流母線連接、其輸出通過(guò)交流勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子三相滑環(huán)與勵(lì)磁繞組連接。
[0009]進(jìn)一步地，如上所述的寬轉(zhuǎn)速范圍直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)為交流勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其極數(shù)大于等于8極，轉(zhuǎn)子側(cè)有三相勵(lì)磁繞組。
[0010]進(jìn)一步地，如上所述的寬轉(zhuǎn)速范圍直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，所述可控整流單元為由功率器件IGBT或晶閘管拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)成的整流單元，該單元的輸入端與所述交流勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)三相輸出端連接、其輸出端與直流母線連接。
[0011]進(jìn)一步地，如上所述的寬轉(zhuǎn)速范圍直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，所述標(biāo)準(zhǔn)正弦波勵(lì)磁電源包括SPWM變頻器、寬頻帶LC濾波器。
[0012]有益效果:
[0013]本實(shí)用新型提供的寬轉(zhuǎn)速范圍運(yùn)行大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量交流勵(lì)磁的全柔性風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其本質(zhì)特征是發(fā)電系統(tǒng)依據(jù)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速確定交流勵(lì)磁形成的圓形磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速，磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速可以與發(fā)電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)速相加或相減以保證風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行于最佳工作點(diǎn)。發(fā)電系統(tǒng)采用共直流母線的結(jié)構(gòu)將勵(lì)磁單元和發(fā)電機(jī)繞組與電網(wǎng)隔離，解決了雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)強(qiáng)耦合的缺陷和直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍窄的問(wèn)題。通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁頻率以及勵(lì)磁相序可以控制勵(lì)磁磁場(chǎng)的幅值、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速方向，在可發(fā)電的風(fēng)速范圍內(nèi)，皆可將發(fā)電系統(tǒng)控制在最佳功率運(yùn)行點(diǎn)，且有利于故障時(shí)保護(hù)控制策略實(shí)現(xiàn)。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為本實(shí)用新型寬轉(zhuǎn)速范圍直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0015]為使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面本實(shí)用新型中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒緦?shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。
[0016]圖1為本實(shí)用新型寬轉(zhuǎn)速范圍直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，本系統(tǒng)包括:包括風(fēng)力機(jī)、與風(fēng)力機(jī)連接的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，還包括:
[0017]可控整流單元，其輸入端與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電樞繞組連接，用于將風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能整流輸出，存儲(chǔ)在直流母線的電容內(nèi)；
[0018]直流母線單元，其輸入端與可控整流單元的輸出端連接，用于作為發(fā)電機(jī)輸出的電能和逆變電源向電網(wǎng)輸出電能的緩沖池；
[0019]逆變電源，其輸入端與直流母線單元的輸出端連接，用于將發(fā)電機(jī)發(fā)出的經(jīng)可控整流儲(chǔ)存于直流母線電容上的電能轉(zhuǎn)換成功率因數(shù)可控的工頻交流電輸出至與之連接的電網(wǎng)；
[0020]標(biāo)準(zhǔn)正弦波勵(lì)磁電源，其輸入與直流母線連接、其輸出通過(guò)交流勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子三相滑環(huán)與勵(lì)磁繞組連接。
[0021]具體地，本實(shí)用新型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由逆變電源、直流母線、標(biāo)準(zhǔn)正弦波變頻勵(lì)磁電源、風(fēng)力機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)和可控整流單元組成，其中逆變電源、勵(lì)磁電源、可控整流單元與直流母線組成共直流母線結(jié)構(gòu)。其中可以選擇風(fēng)力機(jī)、發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁電源安裝于塔上，以減小塔重，方便系統(tǒng)的維護(hù)。
[0022]逆變電源的作用是將發(fā)電機(jī)發(fā)出的經(jīng)可控整流儲(chǔ)存于直流母線電容上的電能轉(zhuǎn)換成功率因數(shù)可控的工頻690V的交流電輸出至與之連接的電網(wǎng)。
[0023]直流母線由一組電容并聯(lián)接于銅排組成，用于電能儲(chǔ)存，作為發(fā)電機(jī)輸出的電能和逆變器向電網(wǎng)輸出電能的緩沖池，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)在電氣上與電網(wǎng)解耦。
[0024]標(biāo)準(zhǔn)正弦波變頻勵(lì)磁電源為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組提供勵(lì)磁，其頻率范圍(0，100)Hz,電壓范圍[0，690]V，且頻率和電壓均可獨(dú)立調(diào)節(jié)。勵(lì)磁電壓和頻率大小根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)輸出電壓控制。勵(lì)磁磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速由勵(lì)磁頻率控制，勵(lì)磁磁場(chǎng)的大小由勵(lì)磁電壓控制，勵(lì)磁磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向由三相勵(lì)磁電壓的相序控制。
[0025]風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)部分與發(fā)電機(jī)同軸聯(lián)接，向發(fā)電機(jī)輸入機(jī)械功率，風(fēng)力一定條件下調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)槳葉受風(fēng)角度可以控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)矩。
[0026]直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)力機(jī)輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。此發(fā)電機(jī)的極數(shù)大于等于8極，轉(zhuǎn)子側(cè)有三相勵(lì)磁繞組，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大。
[0027]可控整流單元是將發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能整流輸出，存儲(chǔ)在直流母線的電容內(nèi)。
[0028]與現(xiàn)有雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不同，共直流母線結(jié)構(gòu)將發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁輸入、發(fā)電機(jī)電能輸出與電網(wǎng)隔離開(kāi)實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的柔性連接?？梢詫?shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)輸出與電網(wǎng)的強(qiáng)耦合特性導(dǎo)致低電壓穿越難以解決的問(wèn)題；本風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為風(fēng)力機(jī)直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，省去了雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的增速齒輪單元。
[0029]與直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不同，共直流母線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)柔性連接可以解決電網(wǎng)故障引起電網(wǎng)電壓降低時(shí)勵(lì)磁頻率不可調(diào)節(jié)、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)速增加導(dǎo)致發(fā)電機(jī)電壓升高，直流母線電壓升高的問(wèn)題，因?yàn)楸緦?shí)用新型所涉及的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的勵(lì)磁電流大小和頻率皆可控，可以根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行工況實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁磁場(chǎng)的大小、勵(lì)磁磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度和方向的控制，而且勵(lì)磁單元的電氣調(diào)節(jié)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于風(fēng)力機(jī)槳葉角度調(diào)節(jié)的機(jī)械時(shí)間；
[0030]在電網(wǎng)側(cè)故障恢復(fù)時(shí)間內(nèi)可以充分利用發(fā)電系統(tǒng)機(jī)械旋轉(zhuǎn)部分的飛輪儲(chǔ)能功能，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的大小和頻率使得發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速升高，將風(fēng)能儲(chǔ)存為風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)部件和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能；電網(wǎng)側(cè)故障恢復(fù)時(shí)間內(nèi)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速超過(guò)機(jī)械轉(zhuǎn)速要求時(shí)，可以通過(guò)發(fā)電機(jī)中可控整流單元與勵(lì)磁單元協(xié)調(diào)控制來(lái)控制發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩、調(diào)節(jié)槳葉的角度減小發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率輸入以抑制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步升高。
[0031]本實(shí)用新型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用共直流母線結(jié)構(gòu)將發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組、發(fā)電機(jī)電樞繞組與電網(wǎng)隔離開(kāi)實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的柔性連接。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組由接于直流母線上標(biāo)準(zhǔn)正弦波變頻電源供給勵(lì)磁電壓；發(fā)電機(jī)電樞繞組發(fā)出的電能經(jīng)可控整流單元轉(zhuǎn)換成直流電能儲(chǔ)存于直流母線上的電容內(nèi)，其中可控整流單元可以由IGBT或晶閘管拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)成的整流裝置；逆變電源單元將儲(chǔ)存于直流母線電容內(nèi)的電能逆變輸出至電網(wǎng)。
[0032]發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)采用3相正弦波交流勵(lì)磁，勵(lì)磁電壓和勵(lì)磁頻率依據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可調(diào)；勵(lì)磁磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向可以與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速方向相同或相反，增加了發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍。依據(jù)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)力條件確定圖1中風(fēng)力機(jī)的槳葉角度和風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速nl ;根據(jù)nl可知圖1中勵(lì)磁電源需要輸出的勵(lì)磁電流的頻率以得到交流勵(lì)磁磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n2及轉(zhuǎn)向；根據(jù)nl可知滿足圖1中風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電的勵(lì)磁電流的大小。因此，本實(shí)用新型所涉及的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在可發(fā)電的風(fēng)速范圍內(nèi)，皆可將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制在最佳功率運(yùn)行點(diǎn)，且有利于低電壓穿越保護(hù)控制策略實(shí)現(xiàn)。
[0033]驅(qū)交流勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的極數(shù)大于等于8，因此，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，可以以抑制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的變化，因此利用其飛輪儲(chǔ)能效應(yīng)可以減小風(fēng)力突變對(duì)發(fā)電系統(tǒng)的機(jī)械沖擊。
[0034]本實(shí)用新型的目的是最大限度地運(yùn)用風(fēng)能來(lái)獲得電能的同時(shí)，可以解決雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)定轉(zhuǎn)子側(cè)與電網(wǎng)直接連接強(qiáng)耦合導(dǎo)致包括電網(wǎng)和發(fā)電系統(tǒng)故障時(shí)保護(hù)存在的問(wèn)題，如低電壓穿越問(wèn)題，和永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)消耗大量稀土永磁材料以及發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流不可控帶來(lái)轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍窄導(dǎo)致發(fā)電機(jī)不能實(shí)時(shí)運(yùn)行在最佳功率點(diǎn)的問(wèn)題，如恒速恒頻方式只能運(yùn)行于某一特定轉(zhuǎn)速，當(dāng)風(fēng)速改變時(shí)風(fēng)機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)偏離最大值，導(dǎo)致運(yùn)行效率下降、風(fēng)能資源浪費(fèi)。其本質(zhì)特征是發(fā)電機(jī)的輸出繞組經(jīng)圖1中的可控整流單元與直流母線連接，發(fā)電機(jī)所發(fā)出的電能經(jīng)直流母線由逆變電源向電網(wǎng)輸出；圖1中的勵(lì)磁電源的作用只提供發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁磁場(chǎng)，因此本實(shí)用新型所涉及的風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)與電網(wǎng)為柔性連接。低速時(shí)發(fā)電機(jī)電樞繞組的同相并聯(lián)繞組轉(zhuǎn)換為繞組串聯(lián)以增加電樞繞組匝數(shù)，再結(jié)合控制勵(lì)磁電源輸出頻率可以確保發(fā)電機(jī)輸出電能同時(shí)發(fā)電系統(tǒng)可以運(yùn)行于最佳工作點(diǎn)，因此增加了本實(shí)用新型所涉及的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍。
[0035]特定風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)力變化范圍大，風(fēng)力機(jī)最佳運(yùn)行效率在不同風(fēng)速條件下會(huì)發(fā)生變化，即不同風(fēng)速下的發(fā)電機(jī)功率和風(fēng)力機(jī)最佳功率之間的存在可以確定的關(guān)系，需要根據(jù)風(fēng)速調(diào)節(jié)槳葉開(kāi)度控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，使發(fā)電機(jī)工作在最佳功率狀態(tài)。而雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍較窄，特別是直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍更窄，不能充分利用風(fēng)能。本實(shí)用新型涉及的寬轉(zhuǎn)速范圍直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)利用標(biāo)準(zhǔn)正弦波變頻勵(lì)磁電源的變頻功能和發(fā)電機(jī)電樞繞組結(jié)構(gòu)的變化可以使發(fā)電機(jī)在低風(fēng)速范圍內(nèi)也能運(yùn)行在最佳功率點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)最大限度運(yùn)用風(fēng)能的功能，即特定風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速在低風(fēng)速、中風(fēng)速和高風(fēng)速范圍內(nèi)，皆可將發(fā)電系統(tǒng)控制在最佳功率運(yùn)行點(diǎn)。
[0036]本系統(tǒng)最大的優(yōu)勢(shì)在于發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能經(jīng)過(guò)可控整流將電能儲(chǔ)存于直流母線的電容內(nèi)作為緩沖，再經(jīng)逆變電源與電網(wǎng)連接，在電網(wǎng)故障時(shí)，發(fā)電控制系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓的幅值、頻率和控制勵(lì)磁磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向，在發(fā)電系統(tǒng)機(jī)械允許運(yùn)行的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，將風(fēng)能儲(chǔ)存為圖1機(jī)組中風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)部件的動(dòng)能；通過(guò)逆變電源向電網(wǎng)注入無(wú)功功率。
[0037]本系統(tǒng)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍寬，系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)時(shí)風(fēng)力特點(diǎn)，通過(guò)控制使得系統(tǒng)運(yùn)行于最佳工作工況。由于發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)輸出繞組及其勵(lì)磁控制單元與電網(wǎng)為柔性連接，勵(lì)磁電流和頻率控制的電氣調(diào)節(jié)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于風(fēng)力機(jī)槳葉角度控制機(jī)構(gòu)的機(jī)械系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間，本系統(tǒng)可以大幅提高系統(tǒng)的可靠性。
[0038]發(fā)電工況:
[0039]1、風(fēng)力弱，機(jī)組低速運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)依據(jù)最佳運(yùn)行轉(zhuǎn)速，確定轉(zhuǎn)子勵(lì)磁頻率和勵(lì)磁電流，勵(lì)磁磁場(chǎng)轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相同，在機(jī)組電氣損耗小于發(fā)電機(jī)輸入的機(jī)械功率，系統(tǒng)即可以向電網(wǎng)輸出功率。
[0040]2、風(fēng)力強(qiáng)，機(jī)組轉(zhuǎn)速升高時(shí)，讓機(jī)組轉(zhuǎn)速升至最佳運(yùn)行轉(zhuǎn)速，確定轉(zhuǎn)子勵(lì)磁頻率和勵(lì)磁電流，勵(lì)磁磁場(chǎng)轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相同，系統(tǒng)向電網(wǎng)輸出功率。
[0041]3、機(jī)組轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速時(shí)，依據(jù)機(jī)械強(qiáng)度，確定機(jī)組最佳運(yùn)行轉(zhuǎn)速，確定轉(zhuǎn)子勵(lì)磁頻率和勵(lì)磁電流，勵(lì)磁磁場(chǎng)轉(zhuǎn)向可以與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相同或相反，系統(tǒng)向電網(wǎng)輸出功率。
[0042]具體工作原理:
[0043]1、系統(tǒng)啟動(dòng)，直流母線電壓為零時(shí)，通過(guò)逆變電源的可控整流功能由電網(wǎng)向直流母線充電，直流母線電壓只需轉(zhuǎn)子勵(lì)磁可以工作即可，建立發(fā)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)，機(jī)組轉(zhuǎn)速大于零，發(fā)電機(jī)通過(guò)可控整流部分繼續(xù)向直流母線充電至額定電壓，此時(shí)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具備了發(fā)電的條件。
[0044]2、系統(tǒng)正常運(yùn)行，根據(jù)發(fā)電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)速確定勵(lì)磁電流的幅值、頻率和磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)榘l(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能經(jīng)可控整流將電能輸送至直流母線，與直流母線連接的逆變電源向電網(wǎng)輸出功率因數(shù)可調(diào)的電能。
[0045]雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)存在與電網(wǎng)強(qiáng)耦合，當(dāng)電網(wǎng)故障時(shí)，系統(tǒng)保護(hù)控制難于實(shí)現(xiàn)和增速齒輪單元使得系統(tǒng)體積較大、發(fā)電系統(tǒng)可靠性變差，且在可發(fā)電風(fēng)速范圍內(nèi)，發(fā)電系統(tǒng)不能始終處于最佳運(yùn)行工況；直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)存在發(fā)電機(jī)體積過(guò)大和大量使用稀土永磁材料問(wèn)題，且在恒速恒頻運(yùn)行方式只能運(yùn)行于某一特定轉(zhuǎn)速，當(dāng)風(fēng)速改變時(shí)風(fēng)機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)偏離最大值，導(dǎo)致運(yùn)行效率下降、風(fēng)能資源浪費(fèi)；隨著電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及可控整流控制技術(shù)和逆變技術(shù)的日趨成熟，相關(guān)設(shè)備的價(jià)格逐漸降低，更能體現(xiàn)出本實(shí)用新型的優(yōu)勢(shì)。
[0046]本實(shí)用新型所設(shè)計(jì)的寬轉(zhuǎn)速范圍運(yùn)行大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量交流勵(lì)磁的全柔性風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用共直流母線的結(jié)構(gòu)將勵(lì)磁單元和發(fā)電機(jī)繞組與電網(wǎng)隔離解決了雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)強(qiáng)耦合的缺陷和直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍窄的問(wèn)題。通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁頻率以及勵(lì)磁相序可以控制勵(lì)磁磁場(chǎng)的幅值、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速方向，在可發(fā)電的風(fēng)速范圍內(nèi)，皆可將發(fā)電系統(tǒng)控制在最佳功率運(yùn)行點(diǎn)，且有利于故障時(shí)保護(hù)控制策略實(shí)現(xiàn)。
[0047]最后應(yīng)說(shuō)明的是:以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本實(shí)用新型的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本實(shí)用新型各實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種寬轉(zhuǎn)速范圍直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，包括風(fēng)力機(jī)、與風(fēng)力機(jī)連接的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其特征在于，還包括: 可控整流單元，其輸入端與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電樞繞組連接，用于將風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能整流輸出，存儲(chǔ)在直流母線的電容內(nèi)； 直流母線單元，其輸入端與可控整流單元的輸出端連接，用于作為發(fā)電機(jī)輸出的電能和逆變電源向電網(wǎng)輸出電能的緩沖池； 逆變電源，其輸入端與直流母線單元的輸出端連接，用于將發(fā)電機(jī)發(fā)出的經(jīng)可控整流儲(chǔ)存于直流母線電容上的電能轉(zhuǎn)換成功率因數(shù)可控的工頻交流電輸出至與之連接的電網(wǎng)； 標(biāo)準(zhǔn)正弦波勵(lì)磁電源，其輸入與直流母線連接、其輸出通過(guò)交流勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子三相滑環(huán)與勵(lì)磁繞組連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬轉(zhuǎn)速范圍直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，風(fēng)力發(fā)電機(jī)為交流勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其極數(shù)大于等于8極，轉(zhuǎn)子側(cè)有三相勵(lì)磁繞組。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的寬轉(zhuǎn)速范圍直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述可控整流單元為由功率器件IGBT或晶閘管拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)成的整流單元，該單元的輸入端與所述交流勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)三相輸出端連接、其輸出端與直流母線連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬轉(zhuǎn)速范圍直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述標(biāo)準(zhǔn)正弦波勵(lì)磁電源包括SPWM變頻器、寬頻帶LC濾波器。
【文檔編號(hào)】H02J3/38GK204089213SQ201420425322
【公開(kāi)日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年7月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月30日
【發(fā)明者】康爾良, 王景宇, 張琪 申請(qǐng)人:哈爾濱理工大學(xué)