[发明专利]一种变频控制风力发电系统的拓扑结构和控制方法

说明书

[技术领域]

本发明涉及的是一种适用于变速运行的风力发电机系统的拓扑结构和控制方法，主要运用在感应式异步发电机、永磁或电励磁式同步发电机上。本发明尤其适用于海上风电系统。

[背景技术]

大功率风力发电系统普遍采用的是变速变桨距控制技术，即随着风速的大小变化，采用不同的桨距角和叶轮速度，从而达到对风能的最大可能获取并保证大风时的风机安全的控制策略。在低风速段使用定桨距、变转矩、变转速运行，而在高风速段采用变桨距、定转矩、近似定转速运行。在传动链上划分有带大增速比的高速电机结构、小增速比的中速电机准直驱或半直驱结构，以及无齿轮箱的直驱低速电机结构。随着生产制造的实践和技术发展，风机叶轮直径不断增加，发电功率也随之增加。

伴随风电的大功率化、规模化发展，并网送出型日渐成为主流的风力发电系统。目前在用的发电系统拓扑结构方案主要有三种：100kW~800kW等级的异步发电机直接并网发电，兆瓦级的双馈感应电动机配套部分功率变频器并网发电和变速电机配套全功率变频器并网发电。下面简述这三种发电原理的差别。

A.异步感应式发电机：发电原理如图5-6所示，图5中motor是电动机曲线，generator是异步发电机曲线，在风轮机被风吹动，通过齿轮箱让异步发电机的转子转速n超过发电机定子旋转磁场的同步转速n₀时，进入超同步发电运行状态，其转矩与转差n-n₀近似成正比，从而实现在一个近似不变的转速范围里，自动调节发电功率，且能实现自动稳定。该方案在功率调节运行时需要从电网吸收大量的无功功率，因而早期的风场要为此配套昂贵而复杂的无功补偿系统，以平衡发电需要的无功功率稳定电网电压。该方案发电转速范围太窄，在低风速时不能运行在最佳翼尖速比下，导致系统效率不高，动态无功控制能力很弱，速度较慢，目前正在淡出市场。

B.双馈式感应发电机采用一个绕线转子，通过变频器控制转子电流的大小和相位，进行交流励磁，实现定子、转子双路馈出能量，可在变速条件下，定频并网，如图7所示。该方案的优点是配套的变频器功率小，在变速范围自1000rpm到2000rpm的情况下，变频器只要并网功率的四分之一即可，在电力电子技术不很成熟的情况下，是一种很好的解决方案。特别是变频器的功率小，使得总体的发电效率得到提高。但是在新的电网接入标准下，诸如低电压穿越LVRT或故障穿越FRT，该方案很难满足全部要求，对电网故障时的支持能力弱。它有变频器廉价的优势，但是存在电机转子需要一个大电流的电刷和滑环配电，维护工作量大。

C.全功率变频器配套异步电机或同步电机的方案是将风力发电机发出的变压、变频的交流电通过变换成直流再经稳压而后逆变成交流电并网。该方案可以满足严苛的电网接入条件和LVRT要求，但是需要的变频器容量要大于风机并网输出总功率，设备造价高。同时在小功率输出时，往往谐波绝对值偏大，且因全部电能均要经过电力电子变换带来了系统总效率的损失。

寻找一种变频器廉价，又能满足电网接入条件，系统可靠性高的电路拓扑结构，一直是广大风电研究者的努力目标。

[发明内容]

本发明克服了前述技术的不足，提供了一种结构简单、造价相对低廉，使用分段控制的变频控制风力发电系统的拓扑结构和控制方法，其根据不同的功率段控制变频器在逆变并网与静止无功发生器模式之间进行切换运行，其既适合于岸上型也适合海上型风力发电机，适用于并网型也适用于离网型，同时也可推广应用到其它基于发电机的分布式能源系统，如舰船设备上的柴电混合动力系统的柴油发电机设备等。

为实现前述目的，本发明采用了下列技术方案：