[发明专利]一种多变流模式的双馈异步发电系统

说明书

技术领域

本发明涉及变速恒频发电系统的设计与运行维护，尤其涉及一种多变流模式的双馈异步发电系统。

背景技术

随着当前能源的紧张，风能、太阳能、潮汐能及波浪能等多种新能源的开发得到了越来越多的重视，在这些新能源的开发中广泛地使用了变速恒频发电机组。为了提高由风能、潮汐能及波浪能等驱动的原动机的能源转化效率，原动机的转速会在某个范围内变化，由其驱动的发电机的转速随之变化，其电功率的频率亦变化，需经变流器才能并入电网，导致其输出的电功率不稳定，谐波含量高，由于这些能源具有不稳定性、随机性的特点，使得其所发出的电能质量低，并入电网后对电网的影响较大，有时甚至要放弃这些能源，造成了较大的浪费。由于电网接纳能力不足和新能源不稳定等自身特性导致的部分发电机暂停，限电导致电场运行经济性下降，限电的主要原因是并网难题，新能源出力不稳定，要其他电源为其提供调峰服务，需建设抽水蓄能、燃气发电等调峰、调频电源，在调峰容量紧缺时，限电特别严重，优化规划电源结构和电网布局，扩大电能消纳市场，还需要通过科技创新，推动电能生产和消费的协调。

现有的变速恒频发电系统主要包括双馈异步发电机组及全功率变频同步发电机组，每台变速恒频发电机组均配备一个机侧变流器、一个网侧变流器构成交-直-交的变流器。变流系统设计后，其结构是固定不变的，设计时为了满足变流系统中的极限工况，各电源、负载需要配置较大的变流容量且容量固定不变，使得变流系统成本增加、灵活性降低，且当变流系统的功率器件出现故障后需要整个系统停机，成本大大增加。

目前，对于常规双馈异步发电机组由于其转差率的限制，正常运行时原动机的最低转速较高，进而使得其需要较高的启动转速，且其启动时不能以最优转速运行，降低了发电机组的效率与经济性。全功率变流的永磁同步发电机组由于存在齿槽转矩使得其启动转速较高，且需要较大的变流器容量，使得机组的成本大大提高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点和不足，提供一种多变流模式的双馈异步发电系统。适用于双馈异步发电机组的全功率变流及部分功率变流动态调整的变速恒频发电系统的全新设计与现有机组的改造。

本发明通过下述技术方案实现。

一种多变流模式的双馈异步发电系统，包括原动机及其传动、双馈异步发电机、动态重构变流器、测量控制模块等。通过动态重构变流器内多路切换开关、并网接触器的投切及动态重构变流器工作模式的转换，发电系统在发电机转速低于设定的切换转速时以全功率变流的电励磁同步或异步发电方式运行，在发电机转速高于设定切换转速时以部分功率变流的双馈异步发电方式运行，并在部分变流支路故障时，通过重构变流系统结构及运行模式的调整使发电系统继续运行。

原动机及其传动由风力机、水轮机、汽轮机等机电能量转换装置，以及传动轴、变速箱(有/无)等组成，用于将发电物质的能量转化为机械能。

双馈异步发电机为带电刷滑环结构的异步发电机、双绕组无刷双馈发电机、多定转子结构的无刷双馈发电机等，用于将机械能转换为电能。

动态重构变流器包括功率型电力电子器件、多路切换开关、并网接触器及变流辅助模块。功率型电力电子器件由二极管、晶闸管、MOSFET、IGCT及IGBT等不可控、半控及全控型的电压型及电流型电力电子器件组成，用于实现交流、直流母线间的AC/DC整流、DC/AC逆变，直流母线之间的DC/DC变换，以及续流、开关、隔离等功能，并在测量控制模块的控制下通过多路切换模块连接不同的交流母线与直流母线，实现交流母线AC到直流母线DC之间的单向或双向电能传送，并根据运行状态动态调整变流器的拓朴结构，当单个器件的耐压、耐流不满足要求时，可将多个同型号器件串联、并联，并增加均压、均流电路； 并网接触器连接发电机定子绕组与交流电网，在发电机以低转速全功率变流模式运行时用于隔离定子绕组与电网，在发电机以高转速部分功率变流模式运行时使定子绕组与电网连接，将定子绕组的功率直接送入电网；多路切换开关模块用于将电力电子器件的功率端口切换到各交流母线的各相及各直流母线；变流辅助模块包括直流滤波、交流滤波、电磁兼容EMC滤波、变压器及光电耦合或电磁耦合，用于配合变流过程中所需的滤波、调压、续流、隔离等。

测量控制模块包括电压、电流、频率、功率、温度、压力、速度、转速、角度等传感器，信号调理电路、数字信号处理电路以及功率器件驱动电路、通讯电路等，用于测量发电系统各部件的运行参数，并跟据发电机组的运行状态，控制多路切换模块的投切，调整各部分的运行模式，使发电机组安全稳定运行。