專利名稱：一種單饋同步風(fēng)力發(fā)電機組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用風(fēng)能發(fā)電的發(fā)電機組，屬風(fēng)力發(fā)動機技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景隨著全球化學(xué)能源的日益枯竭，風(fēng)力發(fā)電越來越受到人們的重視。目前風(fēng)力發(fā)電機主要 有永磁發(fā)電機和異步發(fā)電機兩大類型。永磁發(fā)電機是在轉(zhuǎn)子上安裝有永久磁鐵，發(fā)電機的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，其旋轉(zhuǎn)磁場切割定子繞 組就會在發(fā)電機定子上產(chǎn)生電壓。風(fēng)力發(fā)電機的槳葉轉(zhuǎn)速一般都很低，這就要求永磁發(fā)電機不僅要具有相當(dāng)多的極對數(shù)， 而且還要在發(fā)電機轉(zhuǎn)子與風(fēng)輪之間設(shè)置增速齒輪箱，以提高發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)頻率(低頻發(fā)電效 率是很低的)。永磁發(fā)電機的極對數(shù)多，使得發(fā)電機組的徑向尺寸和高空平臺尺寸都比較大， 因而風(fēng)塔支柱結(jié)構(gòu)的受力很大，這會導(dǎo)致塔身結(jié)構(gòu)的投資增大；增速齒輪箱的重量往往重達 數(shù)十噸，它不僅會降低發(fā)電機的效率，而且其磨損問題還會影響發(fā)電機的使用壽命。永磁發(fā) 電機的轉(zhuǎn)速完全取決于風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，因而發(fā)電機所輸出的交流電的頻率完全取決于當(dāng)時的風(fēng) 速，不可能與電網(wǎng)的頻率相等(為異步發(fā)電)。因此，必須先利用"交一直一交"變流設(shè)備將 發(fā)電機輸出的電能轉(zhuǎn)換為50赫茲的交流電，才能并網(wǎng)發(fā)電。由于變流器總?cè)萘勘仨毜扔诨虼?于發(fā)電機容量，大大增加了發(fā)電機的制造成本。此外，永磁材料在長期運行中不可避免地存 在退磁的問題，高空充磁或更換磁極也是一件十分麻煩的事情。異步發(fā)電機通常也需要增速齒輪箱，如目前國內(nèi)外最為流行的采用"異步雙饋"發(fā)電方 案的異步發(fā)電機。異步發(fā)電機依靠定子與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場的滑差傳遞能量，發(fā)電機輸出的交流 電頻率也與電網(wǎng)不同，因此也必須使用"交一直一交"變流設(shè)備將發(fā)電機輸出的電能轉(zhuǎn)換為 50赫茲的交流電。所謂"雙饋"，就是轉(zhuǎn)子除了要向發(fā)電機轉(zhuǎn)子提供一定的勵磁能量之外，在發(fā)電機高速運行時，還可以依靠變流設(shè)備將發(fā)電機定子與轉(zhuǎn)子的滑差能量通過勵磁側(cè)的變 流設(shè)備送到電網(wǎng)。這可以減小發(fā)電機定子側(cè)主變流設(shè)備的設(shè)計和制造容量，是十分經(jīng)濟合理 的，但是加上勵磁側(cè)變流器的容量，總?cè)萘勘扔来攀降倪€要大，而且要定子和轉(zhuǎn)子側(cè)兩套控 制系統(tǒng)。綜上所述，無論是永磁發(fā)電機還是異步發(fā)電機，都存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高、能量轉(zhuǎn)換效率低的缺點。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足、提供一種結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、能量轉(zhuǎn)換效 率高的的單饋同步風(fēng)力發(fā)電機組。本發(fā)明所述問題是以下述技術(shù)方案實現(xiàn)的一種單饋同步風(fēng)力發(fā)電機組，由發(fā)電機F、主斷路器K1、主變壓器ZB和逆變器NB組成， 所述發(fā)電機F的轉(zhuǎn)子與風(fēng)輪直接連接，定子的輸出端依次經(jīng)主斷路器Kl和主變壓器ZB接電 網(wǎng)，所述逆變器NB的輸出端接發(fā)電機F的轉(zhuǎn)子線圈，逆變器NB的輸出信號是正弦波，其頻 率等于工頻頻率減去風(fēng)輪的機械轉(zhuǎn)動頻率與轉(zhuǎn)子極對數(shù)的乘積再除以60后所得商的差;所述 發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組和定子繞組的繞組結(jié)構(gòu)相同。上述單饋同步風(fēng)力發(fā)電機組，在所述逆變器NB與發(fā)電機F之間增設(shè)勵磁電機L,所述勵 磁電機L的轉(zhuǎn)子與發(fā)電機F的轉(zhuǎn)子同軸固定連接，且兩轉(zhuǎn)子的線圈相連接，勵磁電機L的定 子線圈接逆變器NB的輸出端。上述單饋同步風(fēng)力發(fā)電機組，所述逆變器NB的供電電源由勵磁變壓器LT和整流器ZL 組成，所述勵磁變壓器LT的原邊線圈經(jīng)勵磁斷路器K2接電網(wǎng)，副邊線圈經(jīng)整流器ZL接逆變 器NB。上述單饋同步風(fēng)力發(fā)電機組，所述整流器ZL為晶閘管或IGBT組成的三相調(diào)壓整流橋， 所述逆變器NB為調(diào)頻和調(diào)相逆變器，整流器ZL和逆變器NB的控制器由發(fā)電機端電壓、網(wǎng)側(cè) 電壓和主變壓器ZB輸出電流三個反饋量控制。本發(fā)明的發(fā)電機轉(zhuǎn)子與風(fēng)輪直接連接，省去了笨重的增速齒輪箱，既降低了成本，又提 高了能量轉(zhuǎn)換效率；利用逆變器向轉(zhuǎn)子提供調(diào)頻調(diào)壓調(diào)相位的控制信號，使發(fā)電機與電網(wǎng)同 步發(fā)電，發(fā)電機定子輸出的能量可以直接(經(jīng)過升壓變壓器)送入電網(wǎng)，省去大功率(發(fā)電 機全容量)變流器，僅用一臺小容量(勵磁)變流器就可控制發(fā)電機的運行，不僅控制器的 調(diào)節(jié)方法簡單，而且減少了制造成本；使用勵磁電機給發(fā)電機轉(zhuǎn)子提供勵磁電流，可省去滑 環(huán)和碳刷，在降低維護工作量的同時，提高了設(shè)備的使用壽命。同現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電機相比，本 發(fā)明不僅結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低，而且提高了能量轉(zhuǎn)換效率。


圖l是本發(fā)明的電原理圖；圖2是本發(fā)明主回路的等效電路圖；圖3是相關(guān)電壓、電流向量之間的關(guān)系圖。圖中各標(biāo)號為F、發(fā)電機，Kl、主斷路器，ZB、主變壓器，K2、勵磁斷路器，LT、勵磁變壓器，ZL、整流器，NB、逆變器，L、勵磁電機，CT1、 CT2、電壓互感器，CT、電流互感器， S、功率角，Xd、發(fā)電機的縱軸電抗，Xt、主變壓器電抗，1、發(fā)電機電勢，t/:,、電網(wǎng)電壓，^g、主變壓器二次側(cè)電壓，力、發(fā)電機電流，A^、發(fā)電機電勢與電網(wǎng)電壓的差，/。、有功電流，^ 、無功電流。文中所用符號fz、向轉(zhuǎn)子供電的電源頻率，P、轉(zhuǎn)子極對數(shù)，nd、轉(zhuǎn)子發(fā)出的旋轉(zhuǎn)磁 場相對于定子的轉(zhuǎn)速(同步轉(zhuǎn)速)，nj、轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)速；nz、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子自身 的轉(zhuǎn)速，f、發(fā)電機發(fā)出的頻率，Af、勵磁變頻器與電網(wǎng)的頻率差。
具體實施方式
風(fēng)力發(fā)電機組作為一個成套設(shè)備而言是一個系統(tǒng)，它可以分為風(fēng)輪槳葉、輪轂、變槳 距裝置、主軸和軸承、高速制動系統(tǒng)、連軸器和增速齒輪箱、偏航總成、機艙底盤、發(fā)電機、 電力電子設(shè)備，外罩、塔筒等部分。但是從能量轉(zhuǎn)換的觀點看，風(fēng)力發(fā)電只是將風(fēng)能先通過 機械裝置轉(zhuǎn)換為機械能，然后通過發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)換為電能。本專利涉及的范圍僅限于發(fā) 電機的機械能轉(zhuǎn)換為電能的環(huán)節(jié)。本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)子上不采用直流勵磁或永久磁鐵(在原理上直流勵磁相當(dāng)于永久 磁鐵)，而是采用交流勵磁(這一點與通常的雙饋風(fēng)力發(fā)電機相似)；但是發(fā)電機的轉(zhuǎn)子回路 在功能上只是從機端(網(wǎng)側(cè))變壓器取能，通過整流器先將交流電整流成直流電("交一直")， 然后將直流電通過逆變器轉(zhuǎn)換為交流電("直一交")，給轉(zhuǎn)子提供一個"適當(dāng)"頻率的三相正 弦交流電源，在這里該能源的流動方向是單方向的，即電能只需要考慮從機端變壓器通過"交 一直一交"變流器送到轉(zhuǎn)子，而沒有從轉(zhuǎn)子側(cè)將能量反饋到電網(wǎng)的運行狀態(tài)，即轉(zhuǎn)子能量的 流動方向是單方向的("單饋")，這一特征是與永磁和雙饋風(fēng)力發(fā)電的根本區(qū)別之一。送到轉(zhuǎn)子側(cè)的交流電源頻率(頻率在50赫茲以下)是可變的，本發(fā)明的關(guān)鍵是控制其頻 率(包括幅值和相位角)，使得定子發(fā)出的交流電源與電網(wǎng)完全同步，因此定子側(cè)無需大功率 "交一直一交"變流設(shè)備，即發(fā)電機定子可以通過升壓變壓器直接并網(wǎng)，這一特征是與永磁 和雙饋風(fēng)力發(fā)電根本區(qū)別之二。向發(fā)電機轉(zhuǎn)子供電的交流電源其頻率是可變的，最高頻率為50赫茲；最低頻率應(yīng)該保證 在發(fā)電機最高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，定子感應(yīng)出來的電壓也是50赫茲。由于變流器輸出頻率始終在 50赫茲附近(略低于50赫茲)，變流器的調(diào)頻調(diào)壓范圍比較窄，相對于一般變頻器更為簡單， 但是其中的相位控制是普通變頻器所不具備的，這一特征是與上述永磁和雙饋風(fēng)力發(fā)電根本 區(qū)別之三。本發(fā)明為直驅(qū)式(無增速齒輪箱)風(fēng)力發(fā)電，因為轉(zhuǎn)子在正常運行條件下的機械轉(zhuǎn)速本 來就很低(相對于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速要求)，如果忽略轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)速，對于變頻器而言最高頻 率輸出50赫茲已經(jīng)足夠。目前頻率為零至50赫茲的調(diào)頻調(diào)壓逆變器己經(jīng)成為常規(guī)產(chǎn)品，因 此本專利使用直驅(qū)式發(fā)電不僅僅是理論上可行的，而且在技術(shù)上也已經(jīng)完全成熟。利用轉(zhuǎn)子提供調(diào)頻調(diào)壓調(diào)相位的綜合技術(shù)(有別于普通的異步電動機調(diào)速)，不僅可以 取消齒輪箱(直驅(qū)式)，做到低速發(fā)電機與電網(wǎng)同步發(fā)電的目的，而且依靠控制一臺小容量(勵 磁)變流器達到控制發(fā)電機全部運行情況(包括有功和無功的調(diào)節(jié))的目的，這也是與上述 永磁和雙饋風(fēng)力發(fā)電根本區(qū)別之四。 本發(fā)明的工作原理實施本發(fā)明的關(guān)鍵是通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電源的頻率、電壓、和相位控制發(fā)電機定子的各種運 行狀態(tài)。對轉(zhuǎn)子進行三相正弦交流供電，在轉(zhuǎn)子上一定會產(chǎn)生一個與電源頻率相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)磁場， 轉(zhuǎn)速取決于極對數(shù)和電源頻率。相對于轉(zhuǎn)子自身的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速為nz-nz= (fzX60) /P 其中fz為向轉(zhuǎn)子供電的電源頻率；p為轉(zhuǎn)子極對數(shù)。定義轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)子的機械運動方向為同方向，這樣轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場切割定子的相對速度為兩者之和。轉(zhuǎn)子發(fā)出的旋轉(zhuǎn)磁場相對于定子的轉(zhuǎn)速為nd: 貝lj nd=nj+nz其中nj為轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)速；nz為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子自身的轉(zhuǎn)速。 控制的要點是nd的旋轉(zhuǎn)磁場相對于定子而言要絕對與電網(wǎng)同步，而且在相位上也緊緊 地咬合上，這樣發(fā)電機在電氣原理上就如同一臺同步發(fā)電機，所以稱為單饋"同步"發(fā)電。 為了保證發(fā)電機與電網(wǎng)同步，發(fā)電機發(fā)出的電源頻率應(yīng)該為50赫茲。假定風(fēng)力發(fā)電機定子上三相繞組與通常的火力發(fā)電與水力發(fā)電一樣設(shè)計，而轉(zhuǎn)子的三相 繞組與通常的異步電動機定子繞組一樣設(shè)計(指繞組的展開圖的設(shè)計是一樣的，而具體"結(jié) 構(gòu)"上，發(fā)電機繞組是布置在環(huán)形鐵心的內(nèi)側(cè)，而電動機繞組則布置在轉(zhuǎn)子鐵心的外緣。)， 極對數(shù)為P。發(fā)電機發(fā)出的頻率(f)當(dāng)然等于同步轉(zhuǎn)速(nd)乘以極對數(shù)(P)被60除，f= (ndXP) /60，其中，F(xiàn)為同步頻率(50赫茲)。因為ndwj+nz;而且轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)速相對于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速是很低的，即nd"nz。 所以提供轉(zhuǎn)子的交流電源頻率也很接近50赫茲。由于發(fā)電機轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)動，所以轉(zhuǎn)子由于交流勵磁而產(chǎn)生的圍繞轉(zhuǎn)子自身的旋轉(zhuǎn)磁場 的轉(zhuǎn)速可以減少一個轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)速的量，這個轉(zhuǎn)速差可以轉(zhuǎn)換為勵磁變頻器應(yīng)該減少的(與 50赫茲相比)頻率差(Af)。 △ f = (njXP) /60。對于通?；痣姀S的汽輪發(fā)電機而言，它的勵磁是直流勵磁，極對數(shù)為一 (直流勵磁使轉(zhuǎn) 子形成具有一個N極和一個S極的磁鐵)，定子繞組為三相，而發(fā)電機的轉(zhuǎn)子是依靠汽輪機驅(qū) 動的，轉(zhuǎn)子磁極產(chǎn)生的磁力線切割定子繞組而發(fā)電。因為要求發(fā)電機的頻率等于50赫茲，所 以發(fā)電機的轉(zhuǎn)速應(yīng)該等于60秒/分X50赫茲=3000轉(zhuǎn)/分。在發(fā)電機轉(zhuǎn)子上鑲嵌有三相交流繞組，繞組的分布如同普通異步電動機的定子那樣，假 定極對數(shù)設(shè)計為三，那么只要旋轉(zhuǎn)磁場(相對于定子而言)的轉(zhuǎn)速等于1000轉(zhuǎn)/分，定子上 就會產(chǎn)生50赫茲的正弦波。如果直驅(qū)式轉(zhuǎn)子的機械運動相對于定子為20轉(zhuǎn)/分，那么我們 令轉(zhuǎn)子產(chǎn)生一個相對于轉(zhuǎn)子自身而言為1000—20=980 (轉(zhuǎn)/分)的旋轉(zhuǎn)磁場，即逆變器的 輸出信號的頻率為980X3/60=49 (赫茲)。此時對于定子而言，其旋轉(zhuǎn)磁場還是1000轉(zhuǎn)/分， 所以發(fā)電機定子輸出的三相交流電的頻率還是等于50赫茲。反過來說，如果當(dāng)時風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)葉的轉(zhuǎn)速為20轉(zhuǎn)/分，本專利為直驅(qū)式(不用增速齒 輪箱)，那么發(fā)電機轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)速也是20轉(zhuǎn)/分，相應(yīng)的Af-(njXP)/6(M，其中nj、20， P=3，所以Af-l。所以提供一組50—1二49 (赫茲)的三相交流電就能夠讓定子發(fā)出50赫茲 的交流電了。其余依此類推。由于本發(fā)明原理上的需要，發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組必須設(shè)計成和定子繞組相似的繞組結(jié)構(gòu)， 這樣在轉(zhuǎn)子上如果接入三相交流S源，可以保證在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生一個與電源頻率相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)磁 場(定義旋轉(zhuǎn)方向應(yīng)該與轉(zhuǎn)子的機械運動方向相同)，控制的要點是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場相對于定子 是基本不變，保證定子發(fā)出的電源頻率為50赫茲與電網(wǎng)頻率同步，其效果就如同普通的同步 發(fā)電機。這是對發(fā)電機在結(jié)構(gòu)上的要求。在原理的敘述上，本發(fā)明運用了 "轉(zhuǎn)速"這個詞，但是在控制技術(shù)上，我們運用的是控 制轉(zhuǎn)子電源的頻率、相位和電壓。參見圖1，從發(fā)電機F的定子輸出端經(jīng)過主斷路器Kl接通主變壓器ZB，將電能送入電網(wǎng)。 發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組的能量由電網(wǎng)經(jīng)過勵磁斷路器K2接通勵磁變壓器LT，經(jīng)過整流器ZL(由IGBT 組成的三相橋)整流成直流電源，再由逆變器NB將直流逆變成交流勵磁電源。勵磁電機L的定子線圈接逆變器NB的輸出端，勵磁電機L的轉(zhuǎn)子給發(fā)電機F的轉(zhuǎn)子提供勵磁電流?？刂?器通過電壓互感器PT1、 PT2和電流互感器CT采集發(fā)電機F的端電壓和網(wǎng)側(cè)電壓的幅值、頻 率和相位以及發(fā)電機電流信號，并控制整流器ZL和逆變器NB的運行?？刂普麟娫粗饕獮榱苏{(diào)壓；讓逆變器只負責(zé)變頻和調(diào)節(jié)相位。從原則上講，整流電路 用二極管(不控)也是可行的，全部調(diào)節(jié)工作均由逆變電路來完成，但是這樣就加重了逆變 器控制系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性，影響快速性和控制精度。普通的交流變頻就是調(diào)頻調(diào)壓的，但是不調(diào)相。為了逆變電路控制系統(tǒng)設(shè)計的合理性， 把直流母線電壓(整流器輸出到逆變器輸入)的控制讓給整流器完成，無論使用晶閘管或IGBT 完成穩(wěn)壓閉環(huán)控制都是一件極簡單的事情，這樣逆變器的控制系統(tǒng)只要管理交流電壓的調(diào)頻 和調(diào)相(發(fā)電機端電壓和電網(wǎng)電壓的相位)。在原理上改變交流電壓幅值，不但會影響發(fā)電機輸出的無功功率，同時也要影響到發(fā)電 機輸出的有功功率，同樣的道理，改變發(fā)電機與電網(wǎng)間的相位角S，不但影響發(fā)電機輸出的 有功功率，同時也影響到發(fā)電機輸出的無功功率(從圖3可以看得出)。因此我們的控制是用 兩個控制手段(調(diào)壓和調(diào)相位角)同時控制一個對象(發(fā)電機)的兩個目標(biāo)(發(fā)電機的有功 和無功)。但是發(fā)電機的功率角實際上是不能直接檢測到的，要通過圖2間接運算得到，這樣就使 得調(diào)節(jié)器的設(shè)計比較復(fù)雜而且誤差比較大。 所以本發(fā)明提出"更為直接的方法"。艮P:用控制逆變器輸出的交流電壓幅值這一手段(實際上本發(fā)明的設(shè)計是控制整流器的輸出 電壓，即逆變器輸入的電源電壓，達到控制逆變器輸出交流電壓的幅值的目的)，單一地控制 發(fā)電機向電網(wǎng)送出的無功功率。用控制逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓之間的相位角(并網(wǎng)前用 來控制發(fā)電機頻率)這一手段(因為縱軸電抗隱含在發(fā)電機內(nèi)部，根本無法直接測量功率角 S，但是我們知道S角永遠是和機端電壓與電網(wǎng)電壓之間的相角成正比的這一物理關(guān)系)，單一地控制發(fā)電機向電網(wǎng)送出的有功功率。因為發(fā)電機的有功和無功是電廠的控制的目標(biāo)，用它作為反饋量當(dāng)然是最直觀和方便的。無功閉環(huán)(目標(biāo)是發(fā)電機的無功)用發(fā)電機電壓Ug (這就是參數(shù))作為手段；有功閉環(huán)(目標(biāo)是發(fā)電機的有功)用發(fā)電機的功率角S (這就是參數(shù))作為手段。如果用解耦的方法，那么根據(jù)圖3可以導(dǎo)出有功功率P和Ug，以及無功功率Q和S的計算公式。目前交流變頻技術(shù)已經(jīng)十分普及和成熟，本專利無須描述。與雙饋風(fēng)力發(fā)電的區(qū)別是本專利的轉(zhuǎn)子繞組能量只需單方向傳遞，其中整流器ZL可以是晶閘管也可以是IGBT組成的三 相橋，逆變部分的拓撲與雙饋風(fēng)力發(fā)電完全相同，但是雙饋風(fēng)力發(fā)電方案中轉(zhuǎn)子繞組的能量 是要求雙向傳遞的，因此逆變器就比較復(fù)雜，容量也比較大。 本專利發(fā)電機從起勵到并網(wǎng)的主要控制過程如下在風(fēng)力足夠大的情況下，發(fā)電機勵磁能量先取自電網(wǎng)，通過勵磁變壓器獲得電能，由控 制器控制整流器和逆變器，調(diào)整發(fā)電機勵磁繞組電源的頻率、相位和電壓幅值，使得發(fā)電機 定子輸出的頻率、相位、電壓和電網(wǎng)的頻率、相位、電壓符合并網(wǎng)條件。所謂"并網(wǎng)條件"，即發(fā)電機端電壓經(jīng)過升壓變壓器后略高于電網(wǎng)電壓，以保證發(fā)電機在 并網(wǎng)瞬間發(fā)電機向電網(wǎng)送出無功而不是吸收無功；發(fā)電機頻率略微高于電網(wǎng)頻率，而且相位 略超前一點，以保證發(fā)電機在并網(wǎng)瞬間發(fā)電機向電網(wǎng)送出有功而不是吸收有功。這種并網(wǎng)方 式與一般火力發(fā)電廠或水電站是完全一樣的，因此控制器的設(shè)計在技術(shù)上沒有困難。并網(wǎng)前發(fā)電機端電壓的幅值、頻率和相位取自發(fā)電機端的電壓互感器PT1,而網(wǎng)側(cè)電壓 的幅值、頻率和相位(與發(fā)電機不同步)取自網(wǎng)側(cè)的電壓互感器PT2。因為發(fā)電機與網(wǎng)不同 步，需要這些量作為反饋，通過調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)交流勵磁電源。以發(fā)電機的端電壓(經(jīng)過升壓變 壓器)略高于網(wǎng)側(cè)電壓、頻率相同、相位略超前與電網(wǎng)，作為并網(wǎng)條件。升高逆變電源的幅值可以提高發(fā)電機端電壓，反之亦然。提高逆變電源的頻率可以提高發(fā)電機的頻率，反之亦然。并網(wǎng)條件微調(diào)逆變器的頻率，在發(fā)電機頻率高于網(wǎng)側(cè)0. 1Hz左右，而且發(fā)電機相位略超前于電網(wǎng) (考慮斷路器合閘時間)，同時發(fā)電機(經(jīng)過升壓變壓器)端電壓略高于網(wǎng)側(cè)電壓時(考慮并 網(wǎng)瞬時發(fā)電機向電網(wǎng)送出無功而不造成無功沖擊。合閘主斷路器實現(xiàn)并網(wǎng)。這種并網(wǎng)的方式與普通火電廠或水電站完全相同，但是控制原理根本不同。圖2標(biāo)明了發(fā)電機內(nèi)電勢、發(fā)電機機端電壓和發(fā)電網(wǎng)電壓之間的相互關(guān)系，它們之間有 發(fā)電機縱軸電抗和主變壓器電抗相聯(lián)結(jié)，并網(wǎng)后它們的電壓、電流的輻值和相位關(guān)系表示在 圖3中(當(dāng)然頻率不相等只發(fā)生在并網(wǎng)以前)。從圖2和圖3可見，發(fā)電機輸出的有功功率與發(fā)電機電勢和電網(wǎng)電壓夾角S的正弦成正 比例，S為功率角。Xd是發(fā)電機的縱軸電抗(由發(fā)電機制造參數(shù)決定)，通常標(biāo)明在發(fā)電機 銘牌上，也可以通過測量方法求得，Xt是主變壓器電抗。At// (Xd+Xt) =/,。上述的量都是向量。力在C/二向量上的投影就是有功電流，/)在義，向量的垂直方向投影就是無功電流。有功電流乘以網(wǎng)側(cè)電壓就是有功功率；無功電流乘以網(wǎng)側(cè)電壓就是無功功 率。簡而言之，如果我們要調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出的無功功率，首先調(diào)節(jié)發(fā)電機的內(nèi)電勢(相當(dāng)于 調(diào)節(jié)水電站或火電站的直流勵磁)，達到要求的無功輸出，然后修正一下有功輸出；如果我們 要調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出的有功功率，首先調(diào)節(jié)發(fā)電機內(nèi)電勢與電網(wǎng)的相角，即調(diào)節(jié)功率角S (相 當(dāng)于調(diào)節(jié)水電站或火電站的水閘門或汽門)，達到要求的有功輸出，然后修正一下無功輸出， 參見圖3。我們知道Xd在物理上是隱含在發(fā)電機內(nèi)部的，所以在并網(wǎng)后一旦發(fā)電機有電流人通過， Xd上就有電壓降，我們就測量不到真正的E和S，這一點要特別注意。我們能夠測到的只是 主變壓器二次側(cè)電壓Ug，但是我們在己知Xd和Xt的條件下，根據(jù)圖2的網(wǎng)絡(luò)，完全可以間接求出i:和s 。本專利推薦的是一種更為直接的控制方式?？紤]到發(fā)電機已經(jīng)并網(wǎng)，發(fā)電機輸出的有功和無功在網(wǎng)側(cè)的有功和無功傳感器上均可直接得到反饋，所以不必經(jīng)過計算間接得到。但是s的值還是要密切注意的，防止在風(fēng)力過小 的情況下企圖輸出大的有功功率，否則s大到不適當(dāng)?shù)奈恢脤?dǎo)致發(fā)電機與電網(wǎng)失步，這是絕對不允許的。根據(jù)風(fēng)速的大小控制發(fā)電機的功率角在合理范圍內(nèi)運行，不但可以保證風(fēng)力 發(fā)電機不失步，而且可以使風(fēng)力發(fā)電機組達到最佳運行狀態(tài)，盡可能地多發(fā)電。此外，控制角的控制還應(yīng)該考慮電力系統(tǒng)在小震蕩情況下，發(fā)電機具有對電網(wǎng)的阻尼功 能，使得整個風(fēng)場的電力系統(tǒng)具有良好的系統(tǒng)穩(wěn)定性能。當(dāng)風(fēng)速低于一定范圍，發(fā)電機應(yīng)該與電網(wǎng)先解列，然后停機。根據(jù)風(fēng)速反饋，在低風(fēng)速時發(fā)電機輸出的有功和無功已經(jīng)很小，發(fā)電機應(yīng)該停止運行。 停機前應(yīng)該先降低發(fā)電機電勢(減少無功輸出)和減小運行的功率角，使發(fā)電機輸出的有功 和無功功率降低到零，然后切斷主斷路器，使發(fā)電機與電網(wǎng)解列，最后降低發(fā)電機轉(zhuǎn)子的勵 磁電壓到零。最后停機和切斷勵磁變壓器的電源。發(fā)電機同軸帶有一臺勵磁電機，勵磁電機的定子和轉(zhuǎn)子都有三相交流繞組，我們外部 變流器控制其勵磁電機的定子，勵磁電機轉(zhuǎn)子(發(fā)電)直接向主發(fā)電機轉(zhuǎn)子供電，這樣控制 勵磁電機的定子可以間接控制主發(fā)電機電壓的幅值、頻率和相位。取消滑環(huán)和碳刷是一個優(yōu)點，增加一臺勵磁電機是一個缺點。但是增加了勵磁電機， 變流設(shè)備從向主發(fā)電機轉(zhuǎn)子供電，改為向勵磁電機定子供電，變流設(shè)備的容量大大地減小了， 又是帶來好處的。具體工程設(shè)計應(yīng)該做經(jīng)濟技術(shù)比較?？傮w來講，當(dāng)機組容量不大時，可以不要勵磁電機組，當(dāng)主發(fā)電機容量很大時，用勵 磁電機組是一個好的選擇。
權(quán)利要求
1、一種單饋同步風(fēng)力發(fā)電機組，其特征是，它由發(fā)電機(F)、主斷路器(K1)、主變壓器(ZB)和逆變器(NB)組成，所述發(fā)電機(F)的轉(zhuǎn)子與風(fēng)輪直接連接，定子的輸出端依次經(jīng)主斷路器(K1)和主變壓器(ZB)接電網(wǎng)，所述逆變器(NB)的輸出端接發(fā)電機(F)的轉(zhuǎn)子線圈，逆變器(NB)的輸出信號是正弦波，其頻率等于工頻頻率減去風(fēng)輪的機械轉(zhuǎn)動頻率與轉(zhuǎn)子極對數(shù)的乘積再除以60后所得商的差；所述發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組和定子繞組的繞組結(jié)構(gòu)相同。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述單饋同步風(fēng)力發(fā)電機組，其特征是，在所述逆變器(NB)與發(fā)電 機(F)之間增設(shè)勵磁電機(L)，所述勵磁電機(L)的轉(zhuǎn)子與發(fā)電機(F)的轉(zhuǎn)子同軸固定連 接，且兩轉(zhuǎn)子的線圈相連接，勵磁電機(L)的定子線圈接逆變器(NB)的輸出端。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述單饋同步風(fēng)力發(fā)電機組，其特征是，所述逆變器(NB)的供 電電源由勵磁變壓器(LT)和整流器(ZL)組成，所述勵磁變壓器(LT)的原邊線圈經(jīng)勵磁 斷路器(K2)接電網(wǎng)，副邊線圈經(jīng)整流器(ZL)接逆變器(NB)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述單饋同步風(fēng)力發(fā)電機組，其特征是，所述整流器(ZL)為由晶間 管或IGBT組成的三相調(diào)壓整流橋，所述逆變器(NB)為調(diào)頻和調(diào)相逆變器，整流器(ZL)和 逆變器(NB)的控制器由發(fā)電機端電壓、網(wǎng)側(cè)電壓和主變壓器(ZB)輸出電流三個反饋量控 制。
全文摘要
一種單饋同步風(fēng)力發(fā)電機組，屬風(fēng)力發(fā)動機技術(shù)領(lǐng)域，用于解決風(fēng)力發(fā)電問題。其技術(shù)方案是它由發(fā)電機、主斷路器、主變壓器和逆變器組成，所述發(fā)電機的轉(zhuǎn)子與風(fēng)輪直接連接，定子的輸出端依次經(jīng)主斷路器和主變壓器接電網(wǎng)，所述逆變器的輸出端接發(fā)電機的轉(zhuǎn)子線圈，逆變器的輸出信號是頻率等于電網(wǎng)頻率減去轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)動頻率與轉(zhuǎn)子極對數(shù)的乘積的差的正弦波。同現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電機相比，本發(fā)明不僅結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低，而且提高了能量轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號H02P9/42GK101257275SQ20081005478
公開日2008年9月3日 申請日期2008年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月15日
發(fā)明者寧 張, 朱世良 申請人:保定萊特整流器制造有限公司