[发明专利]一种基于级联单元的中压变频风力发电系统和方法

说明书

本发明提供了一种基于级联单元的中压变频风力发电系统及方法，涉及风力发电的技术领域，前述系统包括：风轮机，齿轮箱，发电机，第一断路器，变流器，控制器，电量检测模块，第二断路器；风轮机，齿轮箱，发电机，第一断路器依次相连；第一断路器与变流器的输入侧相连；变流器的输出侧与第二断路器相连；控制器与变流器相连；电量检测模块与外部电网、第一断路器、控制器均相连。通过本发明提供的系统和方法，可以提高现有技术的风力系统的拓扑结构的整体系统能效，简化系统布线。

技术领域

本发明涉及风力发电的技术领域，尤其是涉及一种一种基于级联单元的中压变频风力发电系统和方法。

背景技术

当前，大功率风力发电系统普遍采用变速、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，在大风时还能保障风机安全的控制策略。低风速段使用定桨距、变转矩、变转速运行；高风速段采用变桨距、定转矩、近似定转速运行。叶轮获取的机械能，通过齿轮箱驱动电机发电，增速比较小驱动中速电机的又称为准直驱或半直驱型；还可以叶轮不用齿轮箱，直接驱动低速电机的直驱结构。随着生产制造的实践和新材料等技术发展，风机叶轮直径不断增加，发电机的功率也随之增加。

随着风电机组的大功率化，发电机的电压也从早期的低压直流到后来的低压交流，如400V、690V等不断提升。风力发电机发出的电能一般都经过10kV～35kV汇入电网，低压发电系统需要经过并网变压器升压后接入电网。由于风力发电机在百米左右高度的塔筒顶端，电能需要电缆自塔顶送到塔底的接入点，为了节省电缆成本和输电损耗，先进的送出方式目前主要有三类：基于高低结构的双馈感应电机型，使用混合电压等级；并网变压器和低压全功率变流器塔上安装型，直接高压传输；中压全功率变流器型，中压塔筒内传输。下面简述这三种发电原理的差别。

基于高低结构的双馈感应电机型：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，高低结构是指定子使用高电压，如10kV，而转子使用低电压，如690V，如图6所示。该方案的优点是配套的变流器功率小，在变速范围自1000rpm到2000rpm的情况下，变流器只要并网功率的四分之一即可，并网变压器可以采用三绕组结构，定子并接高压，转子通过变流器连接低压。在10kV并网时只用一个部分功率的变压器即可。在电力电子技术不很成熟的情况下，这是一种可选解决方案。变流器功率小，使总体发电效率得到提高。但在新的电网接入标准下，诸如高、低电压穿越(HVRT、LVRT)或称故障穿越(FRT)，该方案很难满足全部要求，对电网故障时的支撑能力弱。大功率风机中，存在电机转子电流过大，需要电刷和滑环，维护工作量大的缺点。

并网变压器和低压全功率变流器塔上安装型：发电原理如图7所示，使用现在的低压输出发电机，通过大量并联的低压变流器，汇集电能到并网变压器二次侧，经过升压到10kV～35kV，再经过高压扭缆直接连接到塔底的并网开关处。目前已有公司使用此种方案，优点是可以使用现有的中低容量风机的低压变流器成熟技术，塔筒内的输电线重量较轻，输电损耗降低；缺点是变流器和变压器都放置在机舱，使得风机顶部载荷增加较多，对变流器和变压器的抗振动冲击工艺能力要求较高。

中压全功率变流器型：如图1所示，使用中压在塔筒内传输发电机发出的变频、变压电能，在塔底使用中压全功率变流器并网。塔筒输电电缆因为电压提升电流减少，而大大节省重量和输电损耗，节省用铜量，提升风力发电系统总效率，降低换流系统总成本。目前的中压变流器主要是采用三电平技术实现的1140V、3300V等方案，更高电压等级因为电力电子器件的耐压水平限制，暂未实现。

寻找一种廉价，又能满足电网接入条件，系统可靠性和整体效率高的变流电路拓扑结构，是风电研究者持续的努力目标。

综上所述，现有技术的大功率风力系统的拓扑结构的整体系统可靠性、整体效率有待提高。

发明内容