大型變速永磁風力發電系統的製作方法
2023-10-11 07:39:29
專利名稱：大型變速永磁風力發電系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種併網型的大型變速永磁風力發電系統的構成與控制策略， 屬於風力發電領域。
背景技術：
當前國際上各國對新能源和可再生能源都十分重視。在綠色能源中，風能 不僅儲量大，可利用率高，而且便於大規模開發。風能是技術成熟經濟性開發 最好的可再生能源，而且，在風能轉化電能的過程中，不對生態環境產生破壞作
用。與煤電相比，每1000KW風力發電機組每年能減少151.52噸二氧化碳、9噸 二氧化硫氣體和6噸一氧化碳氣體的排放.如果吸收同樣多的二氧化碳將需要 568英畝的森林，因此發展風力發電完全滿足可持續發展的要求。
我國《可再生能源法》於2006年1月1日正式實施，這對我國可再生能源的 利用與開發將起巨大的推動作用。發展風力發電也是補充我國-一次能源供應不 足，改善我國能原結構、保障能源安全的有效途徑。發展風力發電，可推動我國 新能源與可再生能源技術及相關產業持續、快速、健康發展。發展風力發電需 要強有力的風力發電相關技術為支撐，以為我國迅速發展的風電場提供運行可 靠、成本低廉的新型大容量併網風力發電系統。
當前國內外運行的可變速風電系統主要有兩種， 一種是逆變器併網系統， 另 -種是雙饋發電系統。逆變併網風力發電系統的風能利用較好，但由於其逆 變器容量必須與發電機容量相一致，因而系統成本也較高；而雙饋風力發電系 統的逆變器容量為勵磁容量，逆變器成本遠低於直接併網逆變器，因而較受歡 迎，但若變速範圍小，則風能利用率低，而當變速範圍大時，必然要提高勵磁 逆變器的容量，從而使逆變器費用迅速上升，可能得不償失。採用雙永磁發電 機小逆變器風力發電系統可兼顧上兩種系統的優點，由於採用了小容量逆變器，系統成本較小，通過特殊的控制策略，可獲得非常良好的風能利用率，從而大 大提高風電機組年利用時間。
發明內容
本發明的目的是通過提供一種採用雙永磁發電機和一臺較小逆變器的系統 結構，加上相應控制策略的風力發電技術，實現以較低成本獲得良好風能利用 率，提高風電機組年利用小時的目標。
本發明通過採用一臺較大的永磁發電機、 一臺與大發電機同軸的較小永磁 發電機、 一個與較小的永磁發電機匹配的逆變器、相應控制開關以及系統控制 器和含有特殊控制策略的控制軟體來實現。配上塔筒、風輪、變槳系統、偏航 系統、風標儀及其他電控系統，形成完整的風力發電機組。
本發明的優點是
1. 機組可以在各風速下依據風能曲線，通過變轉速捕捉最大風能。
2. 在發電機組總容量滿足要求的前提下，最大限度地降低了逆變器的容量， 從而降低了機組成本。
3. 由於逆變器容量較小，僅為機組總容量的1/3~1/5，十分有利於國產化。
圖1是表示本發明的實施實例裝置的總體結構布置三維說明圖。圖中1-一-發電機1; 2--—發電機2; 3----發電機主軸；4一--塔筒；5—一風
輪；6—一增速器。
圖2是本發明中兩臺同軸發電機的軸截面說明圖。圖中11--一發電機l的
定子；12一_—發電機l的轉子；13一 ——發電機l的定子機座；21一一
發電機2的定子；22—--發電機2的轉子；23--—發電機2的定子機 座；31--—主軸前端軸承；32----主軸後端軸承。 圖3是本發明中用於說明控制策略的系統主迴路示意說明圖。圖中Gl—--
圖1中的發電機1; G2-- —圖1中的發電機2; INV----與發電機G2 額定容量相匹配的逆變器；TRANS—--輸出變壓器；LINE—一風場電網；SI——發電機G1與逆變器INV的連接開關；S2——發電機G2與 逆變器INV的連接開關；SW1----發電機G1的併網開關；SW2--—發 電機G2的併網開關；SW3——逆變器INV的併網開關；
具體實施例方式
以下用附圖詳細說明本發明。
首先按圖1和圖2來說明總體布置。本發明為雙永磁發電機同軸結構。其 中發電機1容量較大，佔總容量的2/3 4/5。發電機1與發電機2的容量總和為 整套風力發電機組的容量。發電機1的轉子12與發電機2的轉子22安裝在同 一個主軸3上。發電機2的轉子22布置在主軸3的尾部，為懸臂結構。發電機 1的轉子12在發電機2的前部，通過軸承31和軸承32支撐。發電機1定子機 座13與發電機2的定子21共用一個焊接為一體的機座13。兩個發電機通過機 座13外壁的自然風進行冷卻。系統配有與較小永磁發電機匹配的逆變器、相應 控制開關以及系統控制器和含有特殊控制策略的相應控制軟體，配上塔筒、風 輪、變槳系統、偏航系統、風標儀及其他電控系統，形成完整的風力發電機組。
發電機1的額定轉速為風輪達到額定轉速時主軸3上的轉速。發電機1的 磁極數應使發電機1以額定轉速運行時，發電機1的輸出頻率為50Hz，同時發 電機1的輸出電壓為電網額定電壓。發電機2的額定轉速較低，為發電機1的 額定轉速的1/3 2/3。發電機2的磁極數應使發電機2以額定轉速運行時，發電 機2的輸出頻率為50Hz，同時發電機2的輸出電壓為電網電壓。即發電機1的 磁極數較少，發電機2的磁極數較多。因此，當主軸3以發電機1的額定轉速 運行時，發電機1可直接併網運行。但主軸3億發電機2的額定轉速運行時， 發電機2可直接併網運行。
圖3是描述系統控制策略的單線圖。系統配有一個與發電機2的容量相匹 配的逆變器，及相應轉換開關，作為各控制狀態切換的執行部件。系統配有的 控制器中裝有特殊控制軟體，以實現與本發明相適應的控制策略。下面按圖3 來描述本發明的控制策略。定義Pn--—風電機組的額定功率；Pnl——發電機G1的額定功率；Pout—--風電機組的實際輸出功率；Pn2——發電機G2的額定頻率；Pl——發電機G1的 實際輸出功率；P2——發電機G2的實際輸出功率。
控制策略如下
1) 當機組輸出額定功率時，即Pout寸n，發電機G1直接併網，發電機G1 的輸出功率為P^Pnl。同時，發電機G2通過逆變器INV併網，發電機G2的輸 出功率為P2=Pn2。此時機組總輸出功率為Pout=Pl+P2=Pnl+Pn2=Pn。此時各開 關的狀態為SW1、 SW3和S2為閉合狀態，其他開關均為開斷狀態。
2) 當機組輸出功率Pout大於Pn/2，小於Pn時，併網方式同1 )，此時，Pl=Pnl， P2=Pout-Pl。隨著風功率的降低，減少發電機G2的輸出，直至P2=0，發電機 G2退出運行。
3) 當機組輸出功率Pout小於Pn/2，大於Pn2時，機組轉為發電機G2直接 併網，此時G2輸出功率為P2寸n2。而發電機G1通過逆變器INV併網，發電機 Gl的輸出功率為Pl=Pout-P2，發電機G1的輸出功率隨著機組輸出功率的減少 而逐漸減少，直至退出運行。此時各開關的狀態為SW2、 SW3和S1為閉合狀態， 其他開關均為開斷狀態。
4) 當機組輸出功率Pout小於Pn2時，發電機Gl退出運行，發電機G2通 過逆變器INV併網，並根據機組要求改變發電機G2的轉速和輸出功率。此時各 開關的狀態為SW3和S2為閉合狀態，其餘開關均為斷開狀態。
權利要求
1. 一種風力發電裝置，具有同軸的兩臺永磁發電機，其中一臺容量較大，另一臺容量較小。配置與容量較小發電機相匹配的逆變器，發電機軸通過增速器與風輪聯結，加上相應開關和控制策略，配上塔筒、風輪、變槳系統、偏航系統、風標儀及其他電控系統，構成風力發電系統。其特徵在於發電機組配置兩臺安裝在同一個主軸上的永磁同步發電機；大容量發電機的轉子前後各有一個軸承支撐；小容量發電機的轉子布置在主軸的尾部，為懸臂結構；兩個發電機通過定子機座外壁的自然風進行冷卻。
2. 如權利要求l所述的風力發電裝置，其特徵在於 容量較大的發電機的額定功率佔機組總額定輸出功率的2/3 4/5;兩個發電機的額定功率總和為整個發電機組的額定輸出功率； 容量大的發電機的磁極數較少，額定轉速較高，與額定風速相對應； 容量小的發電機的磁極數較多，額定轉速較低，與較低的風速相對應，為 容量較大的發電機的額定轉速的1/3 2/3;兩個發電機額定電壓相同，額定頻率相同，分別與併網變壓器原端額定電壓和頻率相等；在額定轉速下兩個發電機均可直接併網；在非額定轉速下，發電機通過逆變器併網發電，實現變速運行。
3. 如權利要求1所述的風力發電裝置，其特徵在於 機組配有一個與小容量發電機的容量相匹配的逆變器；配置為實現機組控制策略的控制器和相應開關，作為各控制狀態切換的執 行部件。
4. 如權利要求1所述的風力發電裝置配置的控制器中裝有特殊控制軟體， 並通過權利要求3所示裝置實現本發明所要求的控制策略，其特徵在於在機組輸出額定功率時，大容量發電機直接併網，輸出功率為其額定功率，小容量發電機通過逆變器併網，輸出功率也為其額定功率；當機組輸出功率大於機組額定功率的一半，並小於額定功率時，大容量發 電機直接併網，輸出功率為其額定功率，小容量發電機通過逆變器併網，其輸 出功率隨著機組功率的降低而減少，直至退出運行；當機組輸出功率小於機組額定功率，且大於小容量發電機的額定功率時， 小容量發電機直接併網，輸出功率為其額定功率，而大容量發電機通過逆變器 併網，其輸出功率隨著機組功率的降低而減少，直至退出運行-,當機組輸出功率小於小容量發電機的額定功率時，大容量發電機退出運行， 小容量發電機通過逆變器併網，並根據機組要求改變轉速和輸出功率。
全文摘要
本發明涉及一種併網型大型變速永磁風力發電系統的構成與控制策略，屬於風力發電領域。本發明的目的是通過提供一種採用雙永磁發電機和一臺較小逆變器的系統結構，加上相應控制策略的風力發電技術，實現以較低成本獲得良好風能利用率，提高風電機組年利用小時的目標。兩臺永磁發電機容量和極數都不同，在各自的額定轉速下輸出頻率都為50Hz，可直接併網。本發明的系統配有一臺與較小永磁發電機容量相匹配的逆變器，配合相應的控制開關和特殊控制策略，使得在不同的容量和風速下兩臺發電機與逆變器及電網之間實現靈活的組合，以獲得最好的風能利用率。
文檔編號H02P9/02GK101257214SQ200710071820
公開日2008年9月3日 申請日期2007年3月1日 優先權日2007年3月1日
發明者劉彤彥, 武曉濱, 苗立傑, 陸秉權 申請人:哈電發電設備國家工程研究中心有限公司