[发明专利]基于极对数和传动比调节的双馈型风电机组优化

说明书

本发明涉及应用于交流和直流电网中的双馈型风电机组优化设计方法，属于风力发电技术领域。该方法采用调节齿轮箱传动比和发电机极对数的方法对包括齿轮箱、变流器和双馈发电机(DFIG)的双馈型风电机组进行优化设计；首先以优化后和优化前齿轮箱传动比的比值λ作为参数，构建优化前后齿轮箱、变流器和双馈型发电机的成本；从而求优化后双馈型风电机组减少成本ΔCsubgt;s/subgt;；最后求取风电机组优化设计参数：根据ΔCsubgt;s/subgt;公式，绘制ΔCsubgt;s/subgt;‑λ曲线，求得ΔCsubgt;s/subgt;的最大值和λ的最优值，由此获得优化后齿轮箱传动比和DFIG的极对数。本发明可有效降低齿轮箱传动比和系统成本。

技术领域

本发明涉及一种系统优化设计方法，尤其是一种应用于交流和直流电网中的双馈型风电机组优化设计方法，属于风力发电技术领域。

背景技术

双馈型风电系统广泛应用于交流和直流并网的风电场中，其主要由风力机、齿轮箱、双馈型风力发电机(DFIG)和变流器系统等构成。风力机运行转速低，而传统的DFIG是一个高速、小体积的发电机，因此通常采用高传动比的齿轮箱把较低的风力机转速提升到高速的转子转速。齿轮箱和DFIG的成本与损耗与齿轮箱的传动比分别成正比和反比：齿轮箱的传动比越高，DFIG的体积和成本越小，但齿轮箱的体积和成本越大。双馈型风力发电系统每年大约有65％左右的系统损耗来源于齿轮箱，齿轮箱传动比越大，系统的损耗和故障率越高，系统的可靠性越差。因此，有必要研究最佳的齿轮箱和DFIG设计方案，以期降低双馈风电机组整体的成本、损耗，提高系统运行的可靠性。

为了将直接将双馈型风力发电机输出功率接入直流电网DFIG接入直流电网，申请人发明专利ZL201310079881.6披露了一种用于柔性直流输电系统的双馈型风电机组变流器拓扑结构。同时申请人公开的发明专利107273647A披露了一种在发电机极对数不变时采用调节齿轮箱传动比和发电机电流方法对专利ZL201310079881.6中直流双馈型风力发电系统拓扑结构的双馈型风电机组进行优化设计方案，然而调节发电机极对数可有效降低齿轮箱传动比和系统成本，因而必须解决由此带来的系统优化设计。

发明内容

本发明的主要目的在于：针对现有技术的不足和空白，提出一种通过选择最佳齿轮箱传动比和双馈型风力发电机极对数的方法对双馈型风电机组进行优化设计的方案，以达到降低双馈型风电机组成本、提高系统可靠性的目的。

为了达到以上目的，本发明一种采用调节齿轮箱传动比和发电机极对数的双馈型风电机组优化设计方法，对采用一种直流双馈型风力发电系统拓扑结构和一种交流传统双馈型风力发电系统拓扑结构的双馈型风电机组进行优化设计，所述直流输电的双馈型风力发电系统包括风力机、齿轮箱、双馈型风力发电机、直流变流器、直流母线，所述直流变流器包括定子侧变流器和转子侧变流器，所述交流输电的传统双馈发电系统拓扑结构包括风力机、齿轮箱、双馈型风力发电机、传统变流器、交流母线，所述直流变流器和传统变流器统称为变流器系统，所述双馈型风电机组包括所述齿轮箱、所述双馈型风力发电机和所述变流器系统，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，计算优化后所述双馈型风电机组的总成本减少量ΔC_s：

式中，ΔC_d、ΔC_g分别为优化后所述双馈型风力发电机的减少成本和所述齿轮箱的增加成本； C_d,N、C_g,N分别为优化前所述双馈型风力发电机和所述齿轮箱的成本；k₁、k₂、k₃分别为所述齿轮箱成本曲线的拟合系数，通过采用曲线拟合方法对工业应用中不同传动比的齿轮箱进行成本曲线拟合求得拟合系数；λ为优化后齿轮箱的传动比M与优化前齿轮箱的传动比N之比，可表示为

优化后发电机的极对数为