[发明专利]一种风电场全直流电能汇聚系统

说明书

技术领域

本发明涉及风力发电领域，具体涉及采用直接输出直流电能的开关磁阻发电机为风力发电机，全直流电能汇聚及直流输电的结构简单的风电场电气系统。

背景技术

随着石油、煤炭等一次性石化资源的大规模开发，能源危机和环境恶化造成的危害已经日益严峻，要解决这一难题的唯一途径就是加快对可持续资源的开发。在现有可再生能源中，无论规模，还是可利用率，风能都是最高的资源之一，并且风能在利用过程中不用消耗矿产资源，不排放有害物质，被人们视为清洁、绿色、环保的能源。

从新疆到内蒙古一线是我国陆上风能资源最为丰富的地区，该地区风速稳定、地广人稀，很适合建设大型风电场。十余年来这些区域的风能开发非常迅速，但由于附近区域的电力需求不高，大量的风电难以就近消化。如果要把多余的风电传输到电力需求巨大的东南部地区，风电波动性强的特点又会使传输的难度和成本加剧，并对电网安全造成威胁。而另一方面，我国东部海岸线长，风能资源好，风能质量好，具备大规模发展海上风电的资源条件，而且矿产资源匮乏，电力需求巨大，海上风电可以就近吸纳，因此在这一区域发展海上风电具有广阔的前景。

海上风能的另一个优点是风速更高、风力更持续，和陆上风能相比，开放性海域的风速要高30％-40％，近海区域要高15％-20％，能够多发50％-70％的电能；并且目前能够容纳大型风场的陆上空间已很难找到，大规模海上风电场的建设已成为风能利用的主要方向。

虽然人们对风电的开发已有五十年之久，但主要集中在陆地上，建设大型海上风电场的经验比较缺乏。海上风电的主要缺点是在海水中建设塔架和平台(海上变电站)的成本高，维护运行的成本高等，从而对风电机组及其电力传输的高效、稳定、可靠要求更高，同时在变流、输电等多项技术上也有着不同的特点和要求。

目前功率在兆瓦级以上的大型风电机组主要以双馈型异步风力发电机组和直驱全功率变换型永磁同步风力发电机组为主。双馈型异步风力发电机组有较好的性价比，但对电网故障的穿越能力和支撑能力较弱，它的传动链必须要有大功率齿轮箱，这对机组的可靠性和可维护性提出了更苛刻的要求。直驱全功率变换型永磁同步风力发电机组通过变频器并网，对电网故障的穿越能力较强，有一定的支撑电网能力，避免了大功率齿轮箱的维护工作量，可靠性有所提高，但由于其转速很低，随着功率的增大，多极数永磁同步发电机的制造工艺复杂，技术难度大，电机体积大，造价高，海上安装成本更高，同时随着机组容量的不断增大，配套的大功率变频器价格昂贵更增加了其使用成本。

开关磁阻发电机(Switched Reluctance Generator，简称：SRG)结构简单，转子上无刷、无绕组、无永久磁体。其运行时相当于一个电流源，这样在一定转速范围内，输出端电压不会随着转速的变化而变化，这非常适合于当前主流的变速运行的风力机，可提高风能的利用效率；更重要的是它直接发出为直流电，适应了当前海上风电以高效的直流方式进行电力传输趋势的需要，省去了整流环节。由于这些特性，SRG可以在风力直接驱动下实现较高的发电效率，从而省去了齿轮箱，使整个发电系统结构更加简洁、可靠，这也正是风力发电系统的发展趋势。而在运行过程中，SRG可控参数多，如开通角、关断角控制，电流斩波控制等，可方便的实现比较复杂的控制策略，灵活的控制输出直流电压和电流，也大大降低了低电压穿越的技术压力。可见，SRG引入海上风电，完全符合安装困难、成本高、维护保养困难的海上风电发展的需要，即高效率的实现风能的转换，结构的简洁化意味着更高的可靠性更少的维护以及更低的安装成本和设备采购成本。

对开关磁阻电机进行电动运行的研究开展的较早，目前已广泛应用于电力牵引、需要四象限运行调速系统和在宽广的速度范围内实现高效率运行的系统中。但对其发电运行特性的研究，直到20世纪80年代末才得到重视，并在航天起动/发电机等应用领域中展开了探索性的研究。