專利名稱：一種基于可變頻率變壓器的變速風電系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于風力發(fā)電領域，涉及近海風電場開發(fā)、現(xiàn)有恒速風電場改造，特別涉及一種基于可變頻率變壓器的變速風電系統(tǒng)。
背景技術：
風力發(fā)電是目前發(fā)展最快、最具規(guī)?；_發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的可再生能源發(fā)電方式之一。近海風電具有風速高、湍流強度小、風速風向穩(wěn)定等優(yōu)點，是今后風電行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。我國近海風能資源豐富，并且靠近東部電力負荷中心，有利于電網消納，避免遠距離輸電，因此大力開發(fā)近海風電資源具有顯著的社會和經濟效益。近海風電機組基礎建造費用高、維護難度大，而且天氣和海洋環(huán)境的制約使機組故障后難以得到及時維修，因此提高風電機組單機容量、減少維護工作和增加有效發(fā)電時間對于近海風電資源的開發(fā)非常重要。在國家電力監(jiān)管委員會發(fā)布的《風電安全監(jiān)管報告(2011第4號)》中，公布了 12家風電運營企業(yè)提供的2010全年風電機組故障分類統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在合計約3. 5萬臺次的風電機組故障中，變槳距系統(tǒng)占19. 3%，變頻系統(tǒng)占14. 5%，電氣系統(tǒng)占10. 4%，傳感器占9. 4%，液壓系統(tǒng)占7. 7%，電氣控制系統(tǒng)占6. 8%，發(fā)電機占6. 7%，偏航系統(tǒng)占6. 4%，齒輪箱占5. 5%，其余部件合計占13. 3%。上述統(tǒng)計數(shù)據(jù)對于風電機組可靠性的提聞具有重要的參考價值。永磁直驅和雙饋風電機組是當前變速恒頻風力發(fā)電的主流機型。永磁直驅風電機組消除了齒輪箱，然而多極低速電機的尺寸和重量不利于單機容量的提高，而且永磁體一旦失磁，更換和維護非常困難。雙饋風電機組的優(yōu)勢在于電力電子變流器僅需傳遞轉差功率，使變流器的容量和成本顯著降低，然而其滑環(huán)和電刷需要經常性的維護，這對近海風電而言是不小的負擔?；\型風電機組無電刷和滑環(huán)、結構簡單可靠，若應用于近海風電有利于提高單機容量、減少海上維護工作和增加有效發(fā)電時間?，F(xiàn)有籠型風電機組通過全功率交-直-交變流器實現(xiàn)變速恒頻發(fā)電，然而大容量電力電子變流器的價格昂貴，而且為每臺風電機組單獨配備變流器的方式也較不經濟。此外，根據(jù)前述故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)，變頻系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和傳感器故障的比例在各類故障中排第2至4位的事實說明變流器及其測量控制系統(tǒng)的可靠性問題也不可忽視。近年來，美國通用電氣公司研制了 100麗可變頻率變壓器，并用其成功實現(xiàn)了加拿大魁北克電網與美國紐約電網的異步互聯(lián)?？勺冾l率變壓器采用變速調頻方式取代電力電子變流調頻，大大降低了電力電子裝置的容量和成本，并且具有更強的過載能力，該技術為籠型風電機群的變速發(fā)電提供了新的思路。隨著風電裝機容量的增加，從維持電網穩(wěn)定的角度出發(fā)，要求風電機組在電網電壓跌落時能維持不脫網運行，即具備低電壓穿越能力?，F(xiàn)有籠型風電機組的低電壓穿越方案分別存在以下問題①STATC0M或SVC輸出無功功率恢復風電場端電壓的方案，由于STATC0M、SVC的無功功率輸出能力分別與電壓、電壓平方成比例關系，在電壓跌落期間無功輸出能力大大降低，因此需要大容量的無功補償裝置，導致成本過高；②采用串聯(lián)動態(tài)電壓調節(jié)器在電網故障期間將風電機組端電壓維持在額定值的方案，由于串聯(lián)動態(tài)電壓調節(jié)器必須吸收并消耗風電機組發(fā)出的大部分有功功率，同樣需要大容量的電力電子裝置；③采用串聯(lián)制動電阻提升風電場端電壓并吸收過剩有功功率的方案，由于串聯(lián)制動電阻不產生無功，在負荷功率因數(shù)較低時無法解決暫態(tài)失穩(wěn)問題。
發(fā)明內容本實用新型的目的在于考慮上述問題而提供一種不僅能增大風電機組單機容量、降低機組故障率、減少維護工作和增加有效發(fā)電時間，而且能提高風能利用率、減小機械應力和輸出功率波動的基于可變頻率變壓器的變速風電系統(tǒng)。本實用新型控制簡單，操作方便。本實用新型的技術方案是本實用新型的基于可變頻率變壓器的變速風電系統(tǒng)，包括有籠型風電機群、變頻交流母線、升壓變壓器、高壓輸電線、降壓變壓器、可變頻率變壓器、工頻電網，其中籠型風電機群所發(fā)出的變頻交流電匯集在變頻交流母線上，變頻交流母線上的變頻交流電經升壓變壓器升壓后通過高壓輸電線傳輸至降壓變壓器，由降壓變壓器降壓后的變頻交流電進入可變頻率變壓器，可變頻率變壓器通過變速調頻作用將變頻交流電轉換為工頻交流電，且可變頻率變壓器將工頻交流電注入工頻電網。上述可變頻率變壓器包括有同軸機械連接的雙饋電機和直流電機以及直流電機驅動器，其中雙饋電機的轉軸與直流電機的轉軸連接，直流電機與直流電機驅動器電連接，上述降壓變壓器降壓后的變頻交流電進入雙饋電機的轉子繞組，雙饋電機通過變速調頻作用將變頻交流電轉換為工頻交流電，雙饋電機的定子繞組將工頻交流電注入工頻電網。上述變頻交流母線還連接有動態(tài)無功補償裝置。上述直流電機驅動器還連接有不間斷電源。本實用新型與現(xiàn)有技術相比，具有如下優(yōu)點I)本實用新型采用無電刷和滑環(huán)、結構簡單可靠的籠型風電機組，有利于提高風電機組單機容量、減少維護工作和增加有效發(fā)電時間；2)本實用新型采用可變頻率變壓器實現(xiàn)籠型風電機群的變速變頻發(fā)電，有利于提高風能利用率、減小機械應力和輸出功率波動，同時大大降低電力電子裝置的容量和成本，提聞耐過電流和過電壓的能力；3)本實用新型針對籠型風電機組在電網電壓跌落時轉速和端電壓失穩(wěn)的根本原因，通過控制變頻交流母線頻率隨籠型風電機群轉速上升的方式防止轉差越限，從而實現(xiàn)低電壓穿越，大大降低了動態(tài)無功補償裝置的容量和成本，具有很高的性價比；4)本實用新型由于可變頻率變壓器的固有特性，變頻交流母線電壓的幅值將隨頻率上升，有利于提高系統(tǒng)中動態(tài)無功補償裝置和固定電容器組的無功功率輸出能力，更好地實現(xiàn)對電網電壓的支撐。本實用新型是一種不僅能增大風電機組單機容量、降低機組故障率、減少維護工作和增加有效發(fā)電時間，而且能提高風能利用率、減小機械應力和輸出功率波動的基于可變頻率變壓器的變速風電系統(tǒng)。本實用新型控制簡單，操作方便。
圖I為本實用新型的原理圖。
具體實施方式
實施例本實用新型的原理圖如圖I所示，本實用新型的基于可變頻率變壓器的變速風電系統(tǒng)，包括有籠型風電機群I、變頻交流母線2、升壓變壓器4、高壓輸電線5、降壓變壓器6、可變頻率變壓器10、工頻電網12，其中籠型風電機群I所發(fā)出的變頻交流電匯集在變頻交流母線2上，變頻交流母線2上的變頻交流電經升壓變壓器4升壓后通過高壓輸電線5傳輸至降壓變壓器6，由降壓變壓器6降壓后的變頻交流電進入可變頻率變壓器10，可變頻率變壓器10通過變速調頻作用將變頻交流電轉換為工頻交流電，且可變頻率變壓器10將工頻交流電注入工頻電網12。 本實施例中，上述可變頻率變壓器10包括有同軸機械連接的雙饋電機7和直流電機8以及直流電機驅動器9，其中雙饋電機7的轉軸與直流電機8的轉軸連接，直流電機8與直流電機驅動器9電連接，上述降壓變壓器6降壓后的變頻交流電進入雙饋電機7的轉子繞組，雙饋電機7通過變速調頻作用將變頻交流電轉換為工頻交流電，雙饋電機7的定子繞組將工頻交流電注入工頻電網12。此外，上述變頻交流母線2還連接有動態(tài)無功補償裝置3。另外，上述直流電機驅動器9還連接有不間斷電源11。本實用新型基于可變頻率變壓器的變速風電系統(tǒng)的控制方法，上述籠型風電機群I轉速的控制方法通過直流電機8的驅動力矩控制雙饋電機7的轉速，從而控制變頻交流母線2的頻率,使籠型風電機群I的轉速隨風速變化,實現(xiàn)風電場的最大功率輸出。本實施例中，上述籠型風電機群I的轉速控制方法的具體步驟如下I)根據(jù)測得的各臺風力機所在位置的風速，綜合計算實現(xiàn)風電場最大功率輸出時變頻交流母線2的最優(yōu)頻率，從而計算可變頻率變壓器10的轉速參考值；2)根據(jù)可變頻率變壓器10的轉速參考值與測量值的偏差產生直流電機驅動力矩的指令值，實現(xiàn)對可變頻率變壓器10轉速的閉環(huán)控制，從而間接控制籠型風電機群I的轉速跟隨平均最優(yōu)風速變化，實現(xiàn)風電場的最大功率輸出。本實施例中，上述變頻交流母線2的電壓幅值的控制方法通過動態(tài)無功補償裝置3的無功功率控制變頻交流母線2的電壓幅值，使其與母線頻率的比例維持恒定。本實施例中，上述變頻交流母線2的電壓幅值的控制方法的具體步驟如下I)采用鎖相環(huán)技術實時測量變頻交流母線2的頻率，根據(jù)可變頻率變壓器10的轉子繞組頻率和電壓的比例關系計算變頻交流母線2的電壓幅值的參考值；2)根據(jù)變頻交流母線2的電壓幅值的參考值與測量值的偏差產生動態(tài)無功補償裝置3的無功功率的指令值，實現(xiàn)對變頻交流母線2的電壓幅值的閉環(huán)控制。上述低電壓穿越控制方法是電網電壓跌落期間由不間斷電源11維持直流電機驅動器9的正常運行，通過控制可變頻率變壓器10的轉速使變頻交流母線2的頻率隨籠型風電機群I的轉速變化，使籠型風電機群I的轉差率維持在額定值，使其在電網故障清除后能迅速恢復電磁轉矩并減少無功功率消耗，從而避免籠型風電機群I的轉速和端電壓失穩(wěn)，實現(xiàn)低電壓穿越。本實施例中，上述低電壓穿越控制方法的具體步驟如下I)在檢測到工頻電網12的電壓跌落后，修改可變頻率變壓器10的轉速閉環(huán)控制的目標，將測得的籠型風電機群I的平均轉速減去額定轉差作為變頻交流母線2的期望頻率，并計算相應的可變頻率變壓器10的轉速參考值，從而控制變頻交流母線2的頻率隨風電機群I的轉速上升，將轉差率維持在額定值附近；2)根據(jù)動態(tài)無功補償裝置3中電力電子器件的參數(shù)設置輸出電流上限以防止過流，動態(tài)無功補償裝置3的控制目標可以設置為控制控制變頻交流母線2的電壓幅值跟蹤給定參考值，或根據(jù)電網需求輸出無功功率以加快電網電壓恢復。本實用新型的工作原理如下籠型風電機群I所發(fā)出的變頻交流電匯集在變頻交流母線2上，變頻交流母線2上的變頻交流電經升壓變壓器4升壓后通過高壓輸電線5傳 輸至降壓變壓器6，由降壓變壓器6降壓后的變頻交流電進入可變頻率變壓器10中的雙饋電機7的轉子繞組，雙饋電機7通過變速調頻作用將變頻交流電轉換為工頻交流電，雙饋電機7的定子繞組將工頻交流電注入工頻電網12。另外，本實用新型通過直流電機控制雙饋電機轉速，調節(jié)變頻交流母線頻率，使籠型風電機群轉速跟隨風速變化，實現(xiàn)風電場的最大功率輸出，通過動態(tài)無功補償裝置控制變頻交流母線電壓幅值；此外，電網電壓跌落期間，控制變頻交流母線頻率隨籠型風電機群轉速上升以防止轉差率越限，從而實現(xiàn)低電壓穿越。本實用新型采用結構簡單可靠的籠型風電機組，有利于提高單機容量、減少維護工作和增加有效發(fā)電時間；本實用新型籠型風電機群運行于變速變頻方式，有利于提高風能利用率、減小機械應力和輸出功率波動；本實用新型通過提高變頻交流母線頻率實現(xiàn)低電壓穿越的方法可大大減小動態(tài)無功補償裝置的容量，具有很高的性價比。本實用新型為近海風電資源的大規(guī)模開發(fā)、現(xiàn)有恒速風電場的升級改造提供一種經濟、可靠的方案。
權利要求1.一種基于可變頻率變壓器的變速風電系統(tǒng)，其特征在于包括有籠型風電機群(I)、變頻交流母線(2)、升壓變壓器(4)、高壓輸電線(5)、降壓變壓器￠)、可變頻率變壓器(10)、工頻電網(12)，其中籠型風電機群(I)所發(fā)出的變頻交流電匯集在變頻交流母線(2)上，變頻交流母線(2)上的變頻交流電經升壓變壓器(4)升壓后通過高壓輸電線(5)傳輸至降壓變壓器(6)，由降壓變壓器(6)降壓后的變頻交流電進入可變頻率變壓器(10)，可變頻率變壓器(10)通過變速調頻作用將變頻交流電轉換為工頻交流電，且可變頻率變壓器(10)將工頻交流電注入工頻電網(12)。
2.根據(jù)權利要求I所述的基于可變頻率變壓器的變速風電系統(tǒng)，其特征在于上述可變頻率變壓器(10)包括有同軸機械連接的雙饋電機(7)和直流電機(8)以及直流電機驅動器(9)，其中雙饋電機(7)的轉軸與直流電機⑶的轉軸連接，直流電機⑶與直流電機驅動器(9)電連接，上述降壓變壓器(6)降壓后的變頻交流電進入雙饋電機(7)的轉子繞組，雙饋電機(7)通過變速調頻作用將變頻交流電轉換為工頻交流電，雙饋電機(7)的定子繞組將工頻交流電注入工頻電網(12)。
3.根據(jù)權利要求2所述的基于可變頻率變壓器的變速風電系統(tǒng)，其特征在于上述變頻交流母線(2)還連接有動態(tài)無功補償裝置(3)。
4.根據(jù)權利要求2或3所述的基于可變頻率變壓器的變速風電系統(tǒng)，其特征在于上述直流電機驅動器(9)還連接有不間斷電源(11)。
專利摘要本實用新型是一種基于可變頻率變壓器的變速風電系統(tǒng)。包括籠型風電機群、變頻交流母線、升壓變壓器、高壓輸電線、降壓變壓器、可變頻率變壓器、工頻電網，籠型風電機群所發(fā)出的變頻交流電匯集在變頻交流母線上，變頻交流母線上的變頻交流電經升壓變壓器升壓后通過高壓輸電線傳輸至降壓變壓器，由降壓變壓器降壓后的變頻交流電進入可變頻率變壓器，可變頻率變壓器將變頻交流電轉換為工頻交流電，且將工頻交流電注入工頻電網。本實用新型的基于可變頻率變壓器的變速風電系統(tǒng)不僅能增大風電機組單機容量、降低機組故障率、減少維護工作和增加有效發(fā)電時間，而且能提高風能利用率、減小機械應力和輸出功率波動；本實用新型控制簡單，操作方便。
文檔編號H02J3/16GK202474885SQ20122011392
公開日2012年10月3日 申請日期2012年3月23日 優(yōu)先權日2012年3月23日
發(fā)明者張宙, 張淼, 楊俊華, 王家聰, 章云, 陳思哲 申請人:廣東工業(yè)大學