本發(fā)明屬于風(fēng)能開發(fā)技術(shù)領(lǐng)域，具體來說涉及一種新型高壓直流風(fēng)力發(fā)電機組及組網(wǎng)。

背景技術(shù)：

當(dāng)前占據(jù)市場主流的大型風(fēng)力發(fā)電機組為三相交流型異步雙饋或永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機組，由于單機出力較火電機組而言不在一個量級，同時風(fēng)力資源不穩(wěn)定，風(fēng)力發(fā)電機組一直處于電網(wǎng)的補充角色；常規(guī)風(fēng)力發(fā)電機組對電網(wǎng)的依賴性導(dǎo)致其不適合電網(wǎng)互聯(lián)段這種缺電地區(qū)應(yīng)用；風(fēng)電技術(shù)面臨的主要問題是單機容量有限以及電網(wǎng)適應(yīng)性差，常規(guī)機組在一個地區(qū)形成規(guī)模后電網(wǎng)SSO、矢量波動、電壓波動、風(fēng)機群間互擾等諸多問題都能導(dǎo)致大面積脫網(wǎng)，此類故障已經(jīng)在國內(nèi)多個風(fēng)場多次發(fā)生，嚴重影響生產(chǎn)，并給電網(wǎng)帶來很大威脅。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種新型高壓直流風(fēng)力發(fā)電機組，以及連接有該新型高壓直流風(fēng)力發(fā)電機組的新型高壓直流風(fēng)力發(fā)電機組組網(wǎng)。

本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案予以實現(xiàn)的。

一種新型高壓直流風(fēng)力發(fā)電機組，包括：風(fēng)輪、發(fā)電機和交直變換器，所述交直變換器包括：機側(cè)變換器、電容組、電抗器和直流并網(wǎng)斷路器，所述機側(cè)變換器的直流側(cè)與所述電容組的一端電連接，所述電容組與所述電抗器的一端電連接，所述電抗器的另一端用于向高壓直流電網(wǎng)輸出高壓直流電能，且所述直流并網(wǎng)斷路器安裝在所述電抗器與所述高壓直流電網(wǎng)之間的線路上；

所述機側(cè)變換器的交流側(cè)與所述發(fā)電機的定子電連接，所述風(fēng)輪直接或間接通過齒輪箱與所述發(fā)電機的轉(zhuǎn)子機械連接。

一種新型高壓直流風(fēng)力發(fā)電機組組網(wǎng)，包括：高壓直流電網(wǎng)以及連接在該高壓直流電網(wǎng)上的蓄能電容組、換流站和多個上述的新型高壓直流風(fēng)力發(fā)電機組，所述蓄能電容組用于維持所述高壓直流電網(wǎng)的電壓并儲存該高壓直流電網(wǎng)的電能，所述換流站用于將所述高壓直流電網(wǎng)的電能逆變輸送至交流電網(wǎng)或?qū)⑺鼋涣麟娋W(wǎng)的電能整流后輸送至所述高壓直流電網(wǎng)，其中，高壓直流電網(wǎng)實際電壓的數(shù)值以該高壓直流電網(wǎng)額定電壓的數(shù)值為基準進行上下浮動，且所述高壓直流電網(wǎng)儲存電能的電量與所述高壓直流電網(wǎng)的實際電壓成正比。

在上述技術(shù)方案中，當(dāng)所述高壓直流電網(wǎng)的最高電壓低于或等于4.0KV時，所述發(fā)電機為多級永磁發(fā)電機。

在上述技術(shù)方案中，所述新型高壓直流風(fēng)力發(fā)電機組的轉(zhuǎn)子為多級永磁體，定子為繞組，所述機側(cè)變換器為第一IEGT模塊。

在上述技術(shù)方案中，所述換流站包括：第二IEGT模塊，所述換流站通過該第二IEGT模塊與高壓直流電網(wǎng)和交流電網(wǎng)連接。

在上述技術(shù)方案中，當(dāng)所述高壓直流電網(wǎng)的最高電壓高于4.0KV時，所述發(fā)電機為雙繞線發(fā)電機。

在上述技術(shù)方案中，所述新型高壓直流風(fēng)力發(fā)電機組的定子和轉(zhuǎn)子均為繞組，勵磁機與繞組轉(zhuǎn)子(繞組的轉(zhuǎn)子)電連接，用于向所述轉(zhuǎn)子注入勵磁電流以使所述轉(zhuǎn)子建立磁場，所述機側(cè)變換器為整流橋，且該整流橋由晶閘管組成。

在上述技術(shù)方案中，所述換流站由整流器和逆變器并聯(lián)組成。

相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的新型高壓直流風(fēng)力發(fā)電機組組網(wǎng)可有效避免風(fēng)機群間互擾、規(guī)避矢量波動、結(jié)構(gòu)趨于簡化,提高系統(tǒng)魯棒性、降低設(shè)備造價，并可有效解決電網(wǎng)互聯(lián)段SSO高發(fā)導(dǎo)致風(fēng)機諧振進而發(fā)生的大面積脫網(wǎng)問題，電網(wǎng)適應(yīng)性大幅提升，甚至可與小型火力發(fā)電機組媲美。同時直流輸電還具備諸如無趨膚效應(yīng)，輸送損失小，電磁輻射小，不易拉弧放電等諸多優(yōu)勢。

本發(fā)明的新型高壓直流風(fēng)力發(fā)電機組組網(wǎng)經(jīng)換流站進行集中出力的設(shè)計結(jié)構(gòu)，從三相交流電網(wǎng)角度看，換流站以下的整個直流系統(tǒng)相當(dāng)于一臺容量理論上可無限擴大的超級風(fēng)力發(fā)電機組，它擺脫了單臺機組塔筒結(jié)構(gòu)和承重能力限制，機艙空間限制，比常規(guī)單臺超大型風(fēng)力發(fā)電機組所體現(xiàn)出的優(yōu)勢更明顯，技術(shù)可行性更高，以當(dāng)前的電力技術(shù)成熟程度可操作性強。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的新型高壓直流風(fēng)力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的新型高壓直流風(fēng)力發(fā)電機組組網(wǎng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為換流站向交流電網(wǎng)輸送功率的有功控制參考曲線；

圖4為單臺新型高壓直流風(fēng)力發(fā)電機組基于高壓直流電網(wǎng)實際電壓變化的功率校正參考曲線；

圖5為單臺新型高壓直流風(fēng)力發(fā)電機組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速-功率控制參考曲線；

圖6為單臺新型高壓直流風(fēng)力發(fā)電機組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速-槳距角控制參考曲線；

圖7為單臺新型高壓直流風(fēng)力發(fā)電機組控制關(guān)系示意圖。

其中，1為風(fēng)輪，2為發(fā)電機，2-1為定子，2-2為轉(zhuǎn)子，3為交直變換器，3-1為機側(cè)變換器，3-2為電容組，3-3為電抗器，3-4為直流并網(wǎng)斷路器，4為高壓直流電網(wǎng)，5為新型高壓直流風(fēng)力發(fā)電機組，6為蓄能電容組，7為換流站。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明。

在本發(fā)明的技術(shù)方案中，“第一”和“第二”并不具備任何特殊意義，僅用于對部件進行區(qū)分，例如：第一IEGT模塊和第二IEGT模塊，“第一”和“第二”用來表示其為2個IEGT模塊；高壓的定義為不低于1Kv；基于當(dāng)前技術(shù)，IEGT產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境尚未打破最高電壓4Kv的技術(shù)瓶頸，隨著技術(shù)發(fā)展，未來IEGT或其替代產(chǎn)品可能不再有此限制。

一種新型高壓直流風(fēng)力發(fā)電機組，包括：風(fēng)輪1、發(fā)電機2和交直變換器3，交直變換器3包括：機側(cè)變換器3-1、電容組3-2、電抗器3-3和直流并網(wǎng)斷路器3-4，機側(cè)變換器3-1的直流側(cè)與電容組3-2的一端電連接，電容組3-2的另一端與電抗器3-3電連接，電抗器3-3的另一端用于向高壓直流電網(wǎng)4輸出高壓直流電能，且在電抗器3-3與高壓直流電網(wǎng)4之間的線路上安裝有直流并網(wǎng)斷路器3-4；

機側(cè)變換器3-1的交流側(cè)與發(fā)電機2的定子2-1電連接，風(fēng)輪1直接或間接通過齒輪箱與發(fā)電機2的轉(zhuǎn)子2-2機械連接。

一種新型高壓直流風(fēng)力發(fā)電機組組網(wǎng)，包括：高壓直流電網(wǎng)4以及連接在該高壓直流電網(wǎng)4上的蓄能電容組6、換流站7和上述新型高壓直流風(fēng)力發(fā)電機組5，蓄能電容組6用于維持高壓直流電網(wǎng)4的電壓并儲存該高壓直流電網(wǎng)4的電能，換流站7用于將高壓直流電網(wǎng)4的電能逆變輸送至交流電網(wǎng)或?qū)⒔涣麟娋W(wǎng)的電能整流后輸送至高壓直流電網(wǎng)4，其中，高壓直流電網(wǎng)4實際電壓的數(shù)值以該高壓直流電網(wǎng)4額定電壓的數(shù)值為基準進行上下浮動，且高壓直流電網(wǎng)4儲存電能的電量與高壓直流電網(wǎng)4的實際電壓成正比。

其中，當(dāng)高壓直流電網(wǎng)4的最高電壓低于或等于4.0KV時，發(fā)電機2為多級永磁發(fā)電機，即，新型高壓直流風(fēng)力發(fā)電機組5的轉(zhuǎn)子2-2為多級永磁體，定子2-1為繞組。機側(cè)變換器3-1為第一IEGT模塊，換流站7包括：第二IEGT模塊，換流站7通過第二IEGT模塊與高壓直流電網(wǎng)4和交流電網(wǎng)連接。該方案基于當(dāng)前流行的三相交流永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機組改良而成，主要不同之處在于：1〉機組內(nèi)部常規(guī)交-直-交結(jié)構(gòu)的全功率變換器處不設(shè)網(wǎng)側(cè)變換器，僅保留交直變換部分并增加電抗器，通過直流并網(wǎng)斷路器與高壓直流電網(wǎng)連接，機組內(nèi)部常規(guī)交-直-交結(jié)構(gòu)全功率變流器的網(wǎng)側(cè)變換器功能被外部換流站取代，多臺高壓直流風(fēng)力發(fā)電機組組網(wǎng)后在換流站處集中逆變,從交流電網(wǎng)的角度看，換流站以下的多臺高壓直流風(fēng)力發(fā)電機組相當(dāng)于一臺容量超大的超級風(fēng)力發(fā)電機組，系統(tǒng)魯棒性和電網(wǎng)適應(yīng)性明顯提升。2〉由于機組內(nèi)部無交流電源，所有設(shè)備電源都取自高壓直流電網(wǎng)經(jīng)降壓后使用。3>并網(wǎng)斷路器合閘條件由電壓相同、頻率相同、相位相同變?yōu)閮H電壓相同，并網(wǎng)控制更為簡易。4>功率模塊由常規(guī)的IGBT模塊改為耐壓等級更高的IEGT模塊，同等功率下電壓升高可以有效降低電流，降低導(dǎo)體傳輸損耗。

工作原理為：風(fēng)輪1帶動發(fā)電機的轉(zhuǎn)子2-2轉(zhuǎn)動提供旋轉(zhuǎn)磁場，定子2-1的繞組產(chǎn)生感應(yīng)電壓并通過機側(cè)變換器3-1處第一IEGT模塊以功率可控的方式將能量輸送至電容組3-2，電容組3-2經(jīng)過并網(wǎng)斷路器3-4將能量輸送至高壓直流電網(wǎng)4的蓄能電容組6，換流站7處的第二IEGT模塊具備整流和逆變兩種功能，實現(xiàn)高壓蓄能電容組6的能量以雙向可控的方式與交流電網(wǎng)交換。

新型高壓直流風(fēng)力發(fā)電機組功率控制方式為，風(fēng)速和風(fēng)輪1的變槳系統(tǒng)槳距角共同影響發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速；發(fā)電機轉(zhuǎn)子2-2轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)速信號通常是來自安裝在發(fā)電機主軸上的轉(zhuǎn)速編碼器)影響機側(cè)變換器3-1處第一IEGT的脈寬調(diào)制信號，即影響發(fā)電機定子2-1經(jīng)機側(cè)變換器3-1向電容組3-2輸出電能的大小；功率手動限制可通過手動限制風(fēng)輪1的變槳系統(tǒng)槳距角或手動設(shè)置功率校正百分數(shù)的上限值實現(xiàn)；當(dāng)高壓直流電網(wǎng)4電壓高于額定電壓時，實際值與額定電壓的差值通過影響功率校正百分數(shù)影響機側(cè)變換器3-1處第一IEGT的脈寬調(diào)制信號，即影響發(fā)電機定子2-1經(jīng)機側(cè)變換器3-1向電容組3-2輸出電能的大小。

換流站有功功率控制主要受高壓直流電網(wǎng)實際電壓和手動限制兩個要素影響，無功控制主要受手動控制影響。

啟動邏輯為：測風(fēng)-〉偏航-〉變槳測試-〉變槳啟動-〉直流母線預(yù)充電-〉啟動機側(cè)變換器-〉合閘并網(wǎng)-〉分閘脫網(wǎng)-〉停止機側(cè)變換器-〉收槳減速-〉待機測風(fēng)。

當(dāng)所述高壓直流電網(wǎng)4的最高電壓高于4.0KV時，發(fā)電機2為雙繞線發(fā)電機，即新型高壓直流風(fēng)力發(fā)電機組5的定子2-1和轉(zhuǎn)子2-2均為繞組，轉(zhuǎn)子繞組與勵磁機電連接，勵磁電流可控，勵磁電流強度影響轉(zhuǎn)子2-2的旋轉(zhuǎn)磁場強度，進而影響定子2-1經(jīng)機側(cè)變換器3-1向電容組3-2輸出電能的大小。機側(cè)變換器3-1為整流橋，且該整流橋由晶閘管組成。換流站7由整流器和逆變器兩個部分并聯(lián)組成，整流器可將交流電網(wǎng)的電能輸送至高壓直流電網(wǎng)4，逆變器可將高壓直流電網(wǎng)4的電能輸送至交流電網(wǎng)。

工作原理為：勵磁機為轉(zhuǎn)子2-2提供可控的注入電流，建立強度可控的磁場，風(fēng)輪1帶動轉(zhuǎn)子2-2旋轉(zhuǎn)，進而形成強度可控的旋轉(zhuǎn)磁場，定子2-1側(cè)產(chǎn)生感應(yīng)電壓并通過機側(cè)變換器3-1處晶閘管整流橋?qū)⒛芰枯斔椭岭娙萁M3-2，電容組3-2經(jīng)過電抗器3-3和并網(wǎng)斷路器3-4將能量輸送至高壓直流電網(wǎng)4的蓄能電容組6，換流站內(nèi)部逆變器和整流器協(xié)作將高壓蓄能電容組的能量以雙向可控的方式與三相交流電網(wǎng)交換。

新型高壓直流風(fēng)力發(fā)電機組功率控制方式為，風(fēng)速和風(fēng)輪1的變槳系統(tǒng)槳距角共同影響發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速；發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)速信號通常是來自安裝在發(fā)電機主軸上的轉(zhuǎn)速編碼器)影響勵磁機注入轉(zhuǎn)子2-2的電流強度，即影響發(fā)電機定子2-1經(jīng)機側(cè)變換器3-1向電容組3-2輸出電能的大??；功率手動限制可通過手動限制風(fēng)輪1的變槳系統(tǒng)槳距角或手動設(shè)置功率校正百分數(shù)的上限值實現(xiàn)；當(dāng)高壓直流電網(wǎng)4電壓高于額定電壓時，實際值與額定電壓的差值通過影響功率校正百分數(shù)影響勵磁機注入轉(zhuǎn)子2-2的電流強度，即影響發(fā)電機定子2-1經(jīng)機側(cè)變換器3-1向電容組3-2輸出電能的大小。

換流站有功功率控制主要受高壓直流電網(wǎng)實際電壓和手動限制兩個要素影響，無功控制主要受手動控制影響。

啟動邏輯為，測風(fēng)-〉偏航-〉變槳測試-〉變槳啟動-〉直流母線預(yù)充電-〉啟動轉(zhuǎn)子勵磁機-〉合閘并網(wǎng)-〉分閘脫網(wǎng)-〉停止轉(zhuǎn)子勵磁機-〉收槳減速-〉待機測風(fēng)。

實施例1

本實施例單臺新型高壓直流風(fēng)力發(fā)電機組基于永磁發(fā)電機設(shè)計，發(fā)電機的轉(zhuǎn)子為永磁體；發(fā)電機的定子為繞線型；機組內(nèi)部不設(shè)齒輪箱；交直變換器采用比常規(guī)IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)耐壓等級更高的第一IEGT(電子注入增強柵晶體管)模塊作為核心功率模塊。換流站內(nèi)部采用基于第二IEGT模塊實現(xiàn)逆變或整流雙向可控。

例如高壓直流輸電網(wǎng)額定(參考)電壓選取3.4Kv DC，換流站下游設(shè)置10臺2MW新型高壓直流風(fēng)力發(fā)電機組，則對于交流電網(wǎng)而言整個系統(tǒng)(包括多臺新型高壓直流風(fēng)力發(fā)電機組、蓄能電容組、換流站)相當(dāng)于一臺容量為20MW的風(fēng)力發(fā)電機組。

基于以上前提，整個系統(tǒng)下所有設(shè)備實際運行電壓范圍可考慮設(shè)置為3.1Kv至3.5Kv，整個系統(tǒng)下所有設(shè)備設(shè)置保護低限至3.0Kv高限至3.6Kv，超出此范圍時整個系統(tǒng)下所有設(shè)備全部進入保護狀態(tài)。在正常狀態(tài)下：1〉當(dāng)所有新型高壓直流風(fēng)力發(fā)電機組全部處于脫網(wǎng)狀態(tài)時，換流站利用交流側(cè)供電經(jīng)第二IEGT整流輸入至高壓直流電網(wǎng)，維持高壓直流電網(wǎng)電壓在3.1Kv；2〉隨著風(fēng)速提升，各臺新型高壓直流風(fēng)力發(fā)電機組逐漸進入啟動發(fā)電狀態(tài)，在新型高壓直流風(fēng)力發(fā)電機組內(nèi)部的電容組電壓略高于高壓直流電網(wǎng)的電壓時，啟動并網(wǎng)動作，并在輸出功率為負值(電流變?yōu)樨撝?時觸發(fā)自動脫網(wǎng)動作。

換流站對交流電網(wǎng)發(fā)出有功功率的功率控制參考曲線如圖3，整個系統(tǒng)正常運行范圍為3.1KV至3.5KV，系統(tǒng)電壓在3.4KV到達滿發(fā)狀態(tài)，電壓在3.4至3.5KV之間時，換流站降低發(fā)電功率升速率，高壓直流電網(wǎng)內(nèi)全部新型高壓直流風(fēng)力發(fā)電機組也同時受電壓校正曲線限制(如圖4)降低功率校正百分數(shù)進而降低機組出力，以使整個系統(tǒng)電壓不超出此運行范圍，單臺新型高壓直流風(fēng)力發(fā)電機組出力曲線如圖5，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于5rpm時開始發(fā)電，在到達10rpm時到達滿發(fā)狀態(tài)，此期間槳距角一直控制在0度，系統(tǒng)超出10rpm時變槳系統(tǒng)開始執(zhí)行變槳調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速-槳距角位置參考曲線如圖6，最大可調(diào)槳距角范圍為0度至35度，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超出12.5rpm時變槳系統(tǒng)收槳至90度并停機。

圖7為單臺新型高壓直流風(fēng)力發(fā)電機組控制關(guān)系示意圖，進一步解釋了圖4～6的邏輯關(guān)系，基于以上描述，整個系統(tǒng)得以實現(xiàn)平穩(wěn)運行。

以上對本發(fā)明做了示例性的描述，應(yīng)該說明的是，在不脫離本發(fā)明的核心的情況下，任何簡單的變形(例如增加多個換流站、蓄能電容組或?qū)⑿钅茈娙萁M在高壓直流電網(wǎng)內(nèi)改為分布式安裝)、修改(例如將高壓變?yōu)榈蛪?或者其他本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠不花費創(chuàng)造性勞動的等同替換(例如將IEGT變?yōu)镮GBT)均落入本發(fā)明的保護范圍。