專利名稱：風力發(fā)電機組智能單元矩陣并網(wǎng)技術及其專用設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于大型風電并網(wǎng)技術領域，具體為風力發(fā)電機組智能單元矩陣并網(wǎng)技術及其專用設備。
背景技術：
2010年全國由于風電場建設工期不匹配和風電不穩(wěn)定等原因不能讓風電上網(wǎng)，只能將風機停止發(fā)電即“棄風”，棄風的發(fā)電量超過60億千瓦時。2011年2月M日、4月17 日、4月M日和4月25日，我國甘肅省酒泉地區(qū)和河北省張家口地區(qū)分別發(fā)生了由電氣設備故障引起的風機大規(guī)模脫網(wǎng)事故。在電監(jiān)會對事故的通報中，已投運機組不具備低電壓穿越能力被列在事故原因的第一位，一時間，大量關于我國風機低電壓穿越存在問題的報道見諸報端，風力發(fā)電機、風電成為眾人責難的對象?！妒拙勰茉床┯[網(wǎng)》記者近日在風電發(fā)展最快的兩個省區(qū)甘肅和內蒙采訪發(fā)現(xiàn)，今年以來，一些風電基地不斷發(fā)生風電機組脫網(wǎng)事故。而并網(wǎng)后的“棄風”現(xiàn)象日漸突出。2011年2月M日，中電酒泉風電公司橋西第一風電場出現(xiàn)電纜頭故障，導致16個風電場598臺風電機組脫網(wǎng)。國家電監(jiān)會認為此次事故是近幾年中國風電“對電網(wǎng)影響最大的一起事故”;4月17日，甘肅瓜州協(xié)合風電公司干河口西第二風電場因電纜頭擊穿，造成15個風電場702臺機組脫網(wǎng)。同日，在河北張家口，國華佳鑫風電場也發(fā)生事故，644臺風電機組脫網(wǎng)；4月25日，酒泉風電基地再次發(fā)生事故，上千臺風機脫網(wǎng)。業(yè)內人士認為，集體“掉鏈子”的風機已經(jīng)成為一把“雙刃劍”?！鞍殡S著風電并網(wǎng)容量不斷增加，風電場開始進入事故高發(fā)期?！备拭C省電力公司風電技術中心主任汪寧渤說?！帮L電機組集中脫網(wǎng)，導致電網(wǎng)系統(tǒng)電壓、頻率大幅度波動，威脅到電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。”據(jù)甘肅省電力公司介紹，截至4月底，酒泉風電基地風電場累計發(fā)生各類事故43 次，其中發(fā)生風電機組脫網(wǎng)超過1000臺、影響范圍較大故障7次。除4月25日事故是電網(wǎng)事故波及到風電場以外，其他事故均是風電場事故影響到電網(wǎng)。記者了解到，風電發(fā)展較快的內蒙古、吉林、河北和甘肅等地先后發(fā)生過風電機組脫網(wǎng)事故。2008年4月，吉林白城的 4個風電場風機跳間。與此同時，記者采訪獲悉，在國家要求電網(wǎng)保障性收購風電后，多地出現(xiàn)“棄風”現(xiàn)象——并網(wǎng)風機發(fā)電上不了網(wǎng)?，F(xiàn)在的大型風力發(fā)電機組毫無例外的都是采用“電子變流器直接并網(wǎng)”方式，并且沒有儲存電能的能力，所以也沒有“低電壓穿越”能力，電子變流器方式，是將大功率的電力能源通過昂貴的大功率電子設備直接調制出“相似”或者是“模擬”的“正弦波”電能(此種相似或者模擬的所謂正弦波電能在示波器上可以清晰的看到波形是由極多的小尖刺組成的一條相似與正弦波的波形，其小尖刺就是多次諧波，由多種低中高頻率的諧波組成，對電網(wǎng)污染很大，往往使眾多的電子設備用戶受影響，對高精尖等科研部門的電力用戶影響更大)而非“標準正弦波”電能進行并網(wǎng)的。當風力發(fā)電機的總功率不大時這種并網(wǎng)方式對電網(wǎng)的影響是較小的，電網(wǎng)還能夠消化和吸納的，然而隨著風力發(fā)電機組的突飛猛進的“大躍進”式發(fā)展，千萬千瓦級風電場的迅速建成，其總功率容量達到十分巨大的程度。據(jù)報道，我國最大型的風電場裝機總容量(總功率)已經(jīng)大到“陸上三峽”的發(fā)電量規(guī)模，達到千萬千瓦級了，并且如此規(guī)模的風電已經(jīng)規(guī)劃了 8個風電場，單臺風力發(fā)電機組最小也有1000千瓦(1兆瓦)，一般是1. 5兆瓦和2兆瓦機組，3兆瓦及更大型號的機組也已經(jīng)加快研制，據(jù)說近期就能夠面市。如此大的電力能量完全是依靠風能情況忽大忽小、 時有時無，又以“不穩(wěn)定、不可調”的狀態(tài)并入電網(wǎng)，因為沒有低電壓穿越能力，在電網(wǎng)發(fā)生微小的故障時，就急速而且事前毫無征兆的大批量逃離電網(wǎng)，即“脫網(wǎng)”，給電網(wǎng)造成巨大的波動，導致電壓、頻率失穩(wěn)，影響面特別巨大，這是任何電網(wǎng)都不能夠承受和消納的。在改造 “低電壓穿越^fe能方面，“根據(jù)測算，一臺風機要進行低電壓穿越能力改造的最低價是50萬元?！贝筇菩履茉垂景l(fā)展規(guī)劃部副主任張新斌對《新能源導刊》記者說，如果按照這一數(shù)字測算，全國超過2萬臺風機所需的改造費用恐在百億元以上?？偨Y以上的目前風力發(fā)電并網(wǎng)信息，我們認為當前的這種風力發(fā)電機組并網(wǎng)技術并不是最好的，眾多的風機逃網(wǎng)事故證明這種技術至少還不完善，毋庸置疑，這些事故的發(fā)生說明此種模式(電子變流器模式)并不是一種可以做到十分安全十分穩(wěn)定的技術，要達到安全可靠的水平，還有很長的研發(fā)之路要走。電力作為基礎能源已經(jīng)發(fā)展了一百多年，時至今日已經(jīng)是人類文明社會不可須臾離開的能源，其安全性和穩(wěn)定性一直是最重要的問題，風能作為一種取之不盡用之不竭的新能源，絕對應該替代傳統(tǒng)的化石能源登上一次能源的舞臺，但是必須解決安全并網(wǎng)穩(wěn)定并網(wǎng)的問題，如果不解決這個問題，盡管有良好的用心，美好的愿望其實都是于事無補的。 所以如何將現(xiàn)有的并網(wǎng)模式進行突破性創(chuàng)新性的改造，應該提出更好的方法，下面介紹我們的這種并網(wǎng)技術的特點和優(yōu)點。

發(fā)明內容
針對現(xiàn)有技術中存在的上述問題，本發(fā)明的目的在于設計提供一種大型風力發(fā)電機組智能單元矩陣并網(wǎng)技術及其專用設備的技術方案，實施后可使風機具有低電壓穿越功能，大幅度提高風能利用效率，使風機能夠安全穩(wěn)定運行，并且向電網(wǎng)輸入“標準的正弦波” 電能，解決了諧波污染電網(wǎng)問題。所述的風力發(fā)電機組智能單元矩陣并網(wǎng)技術，其特征在于風力發(fā)電機組發(fā)出的三相交流電通過三相橋式整流器整流后與蓄電池組連接進行充電，同時還經(jīng)過直流母線與一組并聯(lián)的自控發(fā)電單元機組連接，所述的自控發(fā)電單元機組由電壓繼電器、直流電動機、 交流發(fā)電機、復合無觸點開關和限流電抗器連接構成，自控發(fā)電單元機組的輸出端并入電網(wǎng)，蓄電池組還輸出一路電流為UPS不間斷電源供電，UPS不間斷電源通過電源線給風力發(fā)電機組的偏航系統(tǒng)和電壓繼電器供電，UPS不間斷電源還與中央控制臺控制系統(tǒng)連接，直流母線上串接超載電流繼電器與風力發(fā)電機組的偏航調速機構連接，向其提供控制信號進行偏航調速，減少風力發(fā)電機組的出力，維持直流母線的電流在規(guī)定的范圍內。所述的風力發(fā)電機組智能單元矩陣并網(wǎng)技術，其特征在于所述的三相橋式整流器采用大功率高電壓硅整流二極管組成，選擇匹配單個元件的最大型號的散熱器，單個二極管的耐壓3 1000V，電流3 200A，其設計容量為風力發(fā)電機組額定電流的3-5倍。所述的風力發(fā)電機組智能單元矩陣并網(wǎng)技術，其特征在于所述的蓄電池組為鋰離子蓄電池、鋰離子動力蓄電池、磷酸鐵鋰蓄電池、超級電容器、鋰離子型大容量蓄電池中的一種或一種以上的組合，可以單獨使用、也可以并聯(lián)、串聯(lián)或復聯(lián)使用，蓄電池組的功率容量是風力發(fā)電機組額定容量的1/20-1/40。所述的風力發(fā)電機組智能單元矩陣并網(wǎng)技術，其特征在于所述的UPS不間斷電源的容量為5-20千瓦。所述的風力發(fā)電機組智能單元矩陣并網(wǎng)技術，其特征在于所述的直流母線為可供風力發(fā)電機組額定電流的3-5倍長期通過的線排。所述的風力發(fā)電機組智能單元矩陣并網(wǎng)技術，其特征在于所述電壓繼電器的動作電壓整定值為風力發(fā)電機組額定電壓的85%-100%，整定規(guī)律是從第一個自控發(fā)電單元機組開始，后一個機組比前一個機組的動作整定值高1-100V，優(yōu)選10-50V，更優(yōu)選5-10V ；電壓繼電器中的延時繼電器設定數(shù)據(jù)是1-180秒，優(yōu)選10-50秒，更優(yōu)選3-8秒。所述的風力發(fā)電機組智能單元矩陣并網(wǎng)技術，其特征在于所述電壓繼電器為普通機械式電壓繼電器、電子式電壓繼電器、智能型電壓繼電器、邏輯型電壓繼電器或高精度電壓繼電器。所述的風力發(fā)電機組智能單元矩陣并網(wǎng)技術，其特征在于所述電壓繼電器為直流型電壓繼電器或交流型電壓繼電器，工作電壓范圍220-1000V的直流電或者交流電。所述的風力發(fā)電機組智能單元矩陣并網(wǎng)技術，其特征在于所述的直流電動機為普通直流電動機、無刷直流電動機、無刷永磁直流電動機、盤式無刷直流電動機或盤式無刷永磁直流電動機；所述的交流發(fā)電機為普通交流同步發(fā)電機、無刷交流同步發(fā)電機、自勵恒壓硅整流同步交流發(fā)電機、永磁交流發(fā)電機或同步交流發(fā)電機；所述的復合無觸點開關為交流接觸器、直流接觸器、無觸點開關、晶閘管開關、自動負荷開關、復合式無觸點開關或混合式無觸點開關；所述的限流電抗器為空心式限流電抗器、鐵芯式限流電抗器、電子式限流電抗器或智能型限流電抗器。所述的風力發(fā)電機組智能單元矩陣并網(wǎng)的專用設備，其特征在于包括風力發(fā)電機組通過三相橋式整流器與蓄電池組連接，同時還經(jīng)過直流母線與一組并聯(lián)的自控發(fā)電單元機組連接，所述的自控發(fā)電單元機組由電壓繼電器、直流電動機、交流發(fā)電機、復合無觸點開關和限流電抗器連接構成，自控發(fā)電單元機組的輸出端并入電網(wǎng)，蓄電池組與UPS不間斷電源電路連接，UPS不間斷電源通過電源線給風力發(fā)電機組的偏航系統(tǒng)和電壓繼電器連接，UPS不間斷電源還與中央控制臺控制連接，直流母線上串接超載電流繼電器，超載電流繼電器與風力發(fā)電機組控制連接。上述風力發(fā)電機組智能單元矩陣并網(wǎng)技術及其專用設備，實施后可使風機具有低電壓穿越功能，大幅度提高風能利用效率，使風機能夠安全穩(wěn)定運行，并且向電網(wǎng)輸入“標準的正弦波”電能，解決了諧波污染電網(wǎng)問題。本發(fā)明與當前使用的并網(wǎng)方式相比，具有成本低、效果好，耐用，可以長期無故障運行，能通過國家有關風電上網(wǎng)的嚴格標準。


圖1為本發(fā)明的結構示意圖2為本發(fā)明一組并聯(lián)的自控發(fā)電單元機組的示意圖； 圖3為本發(fā)明的電壓繼電器工作整定值示意圖中1-風力發(fā)電機組、2-三相橋式整流器、3-蓄電池組、4- UPS不間斷電源、5-中央控制臺、6-自控發(fā)電單元機組、601-電壓繼電器、602-直流電動機、603-交流發(fā)電機、604-復合無觸點開關、605-限流電抗器、7-直流母線、8-超載電流繼電器、9-第一個自控發(fā)電單元機組整定值的數(shù)據(jù)點、9-第一個自控發(fā)電單元機組整定值的數(shù)據(jù)點、9-第一個自控發(fā)電單元機組整定值的數(shù)據(jù)點、10-第二個自控發(fā)電單元機組整定值的數(shù)據(jù)點、11-第三個自控發(fā)電單元機組整定值的數(shù)據(jù)點、12-第四個自控發(fā)電單元機組整定值的數(shù)據(jù)點、13-第五個自控發(fā)電單元機組整定值的數(shù)據(jù)點、14-第六個自控發(fā)電單元機組整定值的數(shù)據(jù)點、 15-第N個自控發(fā)電單元機組整定值的數(shù)據(jù)點。
具體實施例方式以下結合說明書附圖1-3對本發(fā)明作進一步說明。風力發(fā)電機組并網(wǎng)技術具體為風力發(fā)電機組1發(fā)出的三相交流電通過三相橋式整流器2整流后與蓄電池組3連接進行充電，同時還經(jīng)過直流母線7與一組并聯(lián)的自控發(fā)電單元機組6連接，所述的自控發(fā)電單元機組6由電壓繼電器601、直流電動機602、交流發(fā)電機603、復合無觸點開關604和限流電抗器605連接構成，自控發(fā)電單元機組6的輸出端并入電網(wǎng)，蓄電池組3還輸出一路電流為UPS不間斷電源4供電，UPS不間斷電源4通過電源線給風力發(fā)電機組1的偏航系統(tǒng)和電壓繼電器601供電，UPS不間斷電源4還與中央控制臺5控制連接，直流母線7上串接超載電流繼電器8，超載電流繼電器8與風力發(fā)電機組 1控制連接。所述的風力發(fā)電機組并網(wǎng)的專用設備，包括風力發(fā)電機組1，風力發(fā)電機組1通過三相橋式整流器2與蓄電池組3連接，同時還經(jīng)過直流母線7與一組并聯(lián)的自控發(fā)電單元機組6連接，所述的自控發(fā)電單元機組6由電壓繼電器601、直流電動機602、交流發(fā)電機 603、復合無觸點開關604和限流電抗器605連接構成，自控發(fā)電單元機組6的輸出端并入電網(wǎng)，蓄電池組3與UPS不間斷電源4電路連接，UPS不間斷電源4通過電源線給風力發(fā)電機組1的偏航系統(tǒng)和電壓繼電器601連接，UPS不間斷電源4還與中央控制臺5控制連接， 接受中央控制臺的指令，直流母線7上串接超載電流繼電器8，超載電流繼電器8與風力發(fā)電機組1控制連接。所述的風力發(fā)電機組1 是指能夠獨立發(fā)電的風力發(fā)電機組，如配置為勵磁發(fā)電機和直驅永磁發(fā)電機的風力發(fā)電機組，配置異步發(fā)電機的風力發(fā)電機組，由于不能夠產生含有功功率的電能，所以不能直接使用此項技術，需要進行改造，可以通過并聯(lián)電容器或者更換轉子的方式改造成有全功率輸出的發(fā)電機，即含有有功功率和無功功率輸出的發(fā)電機，雙饋型風力發(fā)電機只要將轉子線圈引入直流電即可?；緱l件是根據(jù)風能情況產生有功電能(含無功電能)即可，在低風速時能夠產生達到額定電壓的性能，如果低風速時電壓過低(在風速5-lOm/s范圍)可加裝一個小型升壓變壓器以提高電壓，風速超過lOm/s時即可切除，在中高風速時電壓達到額定電壓即可。在低風速時產生額定值的電壓，可以大幅度的提高風能利用效率，現(xiàn)在的并網(wǎng)大型風力發(fā)電機組需要的額定風速都很高，一般風速是 12-15m/s (米/秒)范圍，實際上在5m/s風速時風機已經(jīng)開始轉動發(fā)電了，只是電壓很低但還不能并網(wǎng)，因為風機達不到并網(wǎng)所需要的額定電壓，只有達到3 lOm/s風速時電壓才達到額定值才能夠并網(wǎng)，但這時輸入到電網(wǎng)里的功率很小，大部分僅是輸入“無功功率”。達到額定風速時電壓會略高于電網(wǎng)電壓，這時才能夠全額輸入電網(wǎng)(含有功功率與無功功率)， 如果在低風速(5-lOm/s)達到額定的電壓，就能夠通過蓄電池的儲能作用和穩(wěn)壓作用將這一部分風能利用起來，效率將大大提高。永磁直驅式風機在低風速時(5-lOm/s)也是如此辦理，風速高時切除這個“小型升壓變壓器”即可。因為我國的10m/S以上的風能資源很少， 僅占8%，而5-lOm/s的風速范圍很大，占68%，能夠將這部分中低風速利用起來的話，將大大的提高風能轉化為電能的效率，初步估算也能夠提高一半或者至少是1/3，意義巨大。本發(fā)明中所述的風力發(fā)電機組1在超過額定最大風速，需要調速或停機時主要采用“偏航方式” 減少功率輸出和停機(現(xiàn)在的大部分已經(jīng)安裝好的風力發(fā)電機組都有此功能)，可以大大增加超過額定風速時的功率輸出，大幅度的提高了風能利用效率，這也是一種最安全的調節(jié)方式，因為與儲能蓄電池和智能發(fā)電單元機組有可靠的連接，所以即便偏航速度很慢，也能有充裕的時間很穩(wěn)定的進行調節(jié)和控制，從而保證了風機不會“飛車”，偏航機構的驅動電力由UPS不間斷電源4提供，可以可靠的保證此功能的執(zhí)行，偏航動作信號由超載電流繼電器8提供。所述的三相橋式整流器2采用大功率高電壓硅整流二極管組成，選擇匹配單個元件的最大型號的散熱器，單個二極管的耐壓3 1000V，電流3 200A，其設計容量為風力發(fā)電機組1額定電流的5-6倍，這是因為風能中的風功率是按風速的3次方的比例增大的，當風速增大一倍時功率要增大8倍，當額定風速由12m/s增大到16m/s時功率將增大1倍以上， 所以要使整流器有至少5倍于額定電流的整流電流能力，方可承擔快速增大的功率電流， 保證在20年內不會被超載發(fā)熱損壞。所述的蓄電池組3為鋰離子蓄電池、鋰離子動力蓄電池、磷酸鐵鋰蓄電池、超級電容器、鋰離子型大容量蓄電池、鋰離子蓄電池或超級電容器單獨、并聯(lián)、串聯(lián)或復聯(lián)構成；蓄電池組3在一組并聯(lián)的自控發(fā)電單元機組6整個矩陣運行時充當一個超大型的“穩(wěn)壓器” 的角色，但其容量是風力發(fā)電機組額定容量的1/20-1/40范圍，如額定1000千瓦的風力發(fā)電機組1，則蓄電池組3的容量是50千瓦至25千瓦；風能資源好的地區(qū)可以采用1/40，較差的地區(qū)采用1/20，根據(jù)現(xiàn)場風能資源決定；這樣可以大幅度的降低配置儲能蓄電池的設備成本，并且大幅度提高并網(wǎng)的實際效率。另外，此蓄電池組3還要輸出一路電流，為5-10 千瓦容量的UPS不間斷電源4供電，通過此UPS電源轉化為精度高而穩(wěn)定的正弦波交流電輸出，供給各個自控發(fā)電單元機組6用電，因為UPS不間斷電源4另外配置了蓄電池，所以可保證保證M小時不間斷。這是供給全部風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)使用的電源，不受風力發(fā)電機組1的影響，無論風力發(fā)電機組1發(fā)電或者是不發(fā)電都是M小時連續(xù)供電的，此穩(wěn)定的電能將為整個風力發(fā)電機組1的偏航系統(tǒng)和全部自控發(fā)電單元機組6提供穩(wěn)定不間斷的高精度電源，使整個機組的控制系統(tǒng)穩(wěn)定安全又有切實的用電保證，風力發(fā)電機組1如果長期不使用或者是在維修狀態(tài)此電源可以關閉。蓄電池組3的容量并不是全部依靠蓄電池的儲電容量進行全功率的電能轉化并網(wǎng)的，這是不同于傳統(tǒng)的全額定容量配置蓄電池并且通過電子變流器并網(wǎng)的設計理念的。 蓄電池組3僅利用蓄電池的很小部分容量進行“儲能”，大部分的容量進行“穩(wěn)壓”，使其在風力發(fā)電機組1輸出功率電壓大幅度波動時，直流母線7上的電壓呈緩慢的波動狀態(tài)，可以穩(wěn)定安全的供發(fā)電單元組使用。如圖2所示，一組并聯(lián)的自控發(fā)電單元機組6，也稱智能矩陣發(fā)電單元組，蓄電池組3通過直流母線7與其并聯(lián)，不但發(fā)揮了蓄電池組3的儲能特點而且在向大電網(wǎng)并網(wǎng)輸電時利用“智能矩陣發(fā)電單元組”的優(yōu)良的自動調整功率的并網(wǎng)特性和多陣列的布置方式，隨風力發(fā)電機組功率變化而自動的增、減發(fā)電單元組，達到最高效率最佳匹配的利用風能的目的。這就完全避免了全部風能僅靠蓄電池組3轉化的弊病，如抗沖擊、抗過載、抗短路等，自控發(fā)電單元機組6的超強的抗過載、抗干擾、抗短路、抗電磁干擾、抗電網(wǎng)故障的特性是大大優(yōu)于傳統(tǒng)電子變流器并網(wǎng)方式，另外也達到了“標準的正弦波”入網(wǎng)的特點，為電網(wǎng)的安全可靠打下牢固的基礎，這也是我們這個發(fā)明的顯著特點之一。所述的直流母線7是指從風力發(fā)電機組1發(fā)出的三相交流電經(jīng)過三相橋式整流器2變成直流電后，供直流電通過的電流較大的線排，拿1000千瓦的風力發(fā)電機組來說，額定滿發(fā)時的電流有1449A，必須使此母線能夠過載3-5倍的額定電流即必須能夠長期通過 3000A (24小時)，短期通過最大7000A (5-10分鐘)的電流，才能夠保證輸出最大的功率電能，其中串接了超載電流繼電器8對其電流量進行測控，如果超過設定值時，就立即給風力發(fā)電機組1發(fā)出偏航信號，使其進入偏航狀態(tài)，調整或者逐步減少輸出電量的額定值，這也是本發(fā)明的特點之一。第一個自控發(fā)電單元機組6是與直流母線7最先連接，通過吸收直流母線7的直流電使直流電動機602旋轉并且?guī)油S連接在一起的交流發(fā)電機603發(fā)電，并與相應的電壓繼電器601、復合無觸點開關604、限流電抗器605 —起實現(xiàn)與大電網(wǎng)的無火花無噪音的接通和斷開，在正常運轉時向電網(wǎng)輸出“標準的正弦波”電能，在有故障時是依靠串聯(lián)在交流發(fā)電機603輸出端的限流電抗器605進行輸出電流的限制，保證了自控發(fā)電單元機組 6的正常運轉，不超過交流發(fā)電機603的極限電流，如果發(fā)生交流發(fā)電機603的嚴重故障， 如輸出線燒斷，交流發(fā)電機603不發(fā)電了，這時電網(wǎng)端的電流將會向交流發(fā)電機603倒流， 極短時間就會損壞交流發(fā)電機603，此時限流電抗器605就起作用了，在整定的時間內可以自動動作，切斷并網(wǎng)開關，使交流發(fā)電機603和電網(wǎng)都得到安全保護，也不會使故障繼續(xù)擴大，有保護交流發(fā)電機603不受超額電流和瞬間超電壓的沖擊而造成損壞的特性，此特性是雙向作用的，確保了并網(wǎng)的安全和機組的安全。根據(jù)邏輯指令，第一個自控發(fā)電單元機組6是最先接通直流母線7而最后斷開直流母線7的機組，是根據(jù)電壓繼電器601的設定實現(xiàn)這個目的的，根據(jù)風況的大小下面闡述智能矩陣發(fā)電單元組在不同風況時的運行情況
在風機啟動后到額定風速前的這段低風速區(qū)，將會有較小的電流充到蓄電池組3里面，蓄電池組3及與其并聯(lián)的直流母線7電壓未達到額定電壓時第一個自控發(fā)電單元機組 6并不工作，只有到直流母線7電壓升高到略低于額定電壓時(根據(jù)整定值)此電壓繼電器 601才接通母線，第一個自控發(fā)電單元機組6就首先開始工作。工作方式是，先接通直流電動機602轉動，適當延時后當機組轉速穩(wěn)定時就自動合上復合無觸點開關604與大電網(wǎng)連接，并網(wǎng)的方法是使用準同期并網(wǎng)方法，從而實現(xiàn)了無沖擊柔和并網(wǎng)。在額定風速時，直流母線7的電壓達到額定值時第一個自控發(fā)電單元機組6就向電網(wǎng)輸出額定功率的電能，輸出的功率大小是與母線電壓成正比的關系，也是與風力發(fā)電機組1的輸出成正比的，即風速高時輸入電網(wǎng)的功率就大，風速低時輸入電網(wǎng)的功率就小， 是自動調整功率輸出的狀態(tài)。這種直流電動機602加交流發(fā)電機603的方式可以承受比額定值高15_30%甚至是50%的超功率、超電壓、超電流輸出而保證不出故障，這正是我們這種智能型并網(wǎng)技術的最大特點，在功率變化很大的風力發(fā)電機上實現(xiàn)了 “平穩(wěn)無沖擊柔和理想的”高水平并網(wǎng)， 并網(wǎng)后自動進行高效的功率輸出調整，此種變流器也可以稱為“電磁式變流器”與現(xiàn)在采用的“電子變流器”并網(wǎng)方式有本質的區(qū)別，這也是我們發(fā)明的最顯著的特點之一。在不斷增加的風速中，其它的自控發(fā)電單元機組6根據(jù)不同的電壓階段自動陸續(xù)的投入到并網(wǎng)狀態(tài)進行大幅度的功率調節(jié)，首先是第一個自控發(fā)電單元機組6并網(wǎng)，隨著風速的增大母線電壓將緩慢升高當達到第二個自控發(fā)電單元機組6的整定值時第二個自控發(fā)電單元機組6立即動作并入電網(wǎng)，如果母線電壓又升高了達到略高于額定電壓時，即第三個自控發(fā)電單元機組6的整定值時，第三個自控發(fā)電單元機組6就自動并網(wǎng)，如此類推，每臺機組的并網(wǎng)電壓設定值都比前一臺機組高一點，這樣就可以根據(jù)母線的電壓情況使矩陣中的多個發(fā)電單元機組自動的按照設定好的先后次序進行并網(wǎng)或者是離網(wǎng)。如果全部自控發(fā)電單元機組6都并網(wǎng)后母線電壓仍然還在升高(全部發(fā)電單元的總合功率是按照風力發(fā)電機組的額定1.3-2.0倍設計的，因為是模塊化的方式，可以方便的增加或者減少發(fā)電單元機組到需要的功率范圍)，就說明此時風力發(fā)電機組1已經(jīng)超載了，超載電流繼電器8會自動發(fā)出信號給風力發(fā)電機組1，使之進入偏航卸載調整狀態(tài)，調整風力發(fā)電機的偏航角度卸去一部分負荷。如果風速還在繼續(xù)增大，就繼續(xù)調整偏航角度使風力發(fā)電機組1的輸出繼續(xù)減少，當角度達到與來風方向呈90° -145°時就會全部卸載停機了，這種“連續(xù)柔性卸載和停機”方式是本發(fā)明的特點配合風力發(fā)電機組1產生的，也可以說為風力發(fā)電機組1的卸載、停機提供了一種新的“柔性的耗能制動”控制模式，可以避免風力發(fā)電機組1受到“硬性的”卸載調節(jié)方式的沖擊(如葉尖減速傘；全漿動漿距；葉片尖部動漿；液壓剎車卸載方式等，這些方式都是“硬性的”卸載調節(jié)方式，會在“轉動慣量力”的作用下使風機受損)，確實是一種最好的風力發(fā)電機組調節(jié)和卸載方式，大大減少了風力發(fā)電機組1的故障發(fā)生率， 延長了安全使用壽命，也是本發(fā)明提供的特點之一。當風速逐步的減小時，上述的情況是反向進行的，因為整定的電壓繼電器601的動作值是一個比一個高，所以反向動作時隨著母線電壓的逐步降低，最后并網(wǎng)的機組最先退出并網(wǎng)，逐步的自動減少并網(wǎng)機組，達到風力發(fā)電機的輸出電能與風能相平衡的狀態(tài)。如果是風力急速的減少，這些機組也會快速的做出反應，迅速的依次退出電網(wǎng)，但是第一個自控發(fā)電單元機組6因為整定的動作值最低，所以一直與電網(wǎng)并聯(lián)，就是馬上停風或者是風力發(fā)電機組突然損壞(如葉片斷裂、發(fā)電機短路、輸出主線擊穿、瞬間雷擊等極端事故)風力發(fā)電機組瞬間停止發(fā)電時，因為有蓄電池組3的支持作用，第一個自控發(fā)電單元機組6仍然會正常運轉不受影響，這時可以立即向大電網(wǎng)的總調度臺發(fā)出信號，需要緊急停機了，這時僅憑蓄電池組3內儲存的電量足可以繼續(xù)按照第一個自控發(fā)電單元機組6 的額定功率堅持5-10分鐘，這樣就徹底的解決了 “低電壓穿越”問題。另外，在聯(lián)網(wǎng)運行時，如果發(fā)生諸如“電纜頭故障”，電網(wǎng)電壓波動時，因為有限流電抗器605的作用，限制了自控發(fā)電單元機組6的電流輸出量和輸入量，即便外界短路時， 此自控發(fā)電單元機組6仍然會在限流電抗器605所限制的電流內繼續(xù)向電網(wǎng)輸出電能，起到穩(wěn)定電網(wǎng)電壓的良好作用。上述的直流電動機602和交流發(fā)電機603是共軸式連接方式共同安裝在一個底座上形成一個整體機組，并且配上電壓繼電器601，通過電壓繼電器601的吸合控制直流電動機602的開關使之運轉并且使交流發(fā)電機603處在運轉待命狀態(tài)，延時后再接通復合無觸點開關604使標準正弦波電能流過限流電抗器605后，以“準同期方式”平穩(wěn)而柔和的并入電網(wǎng)。所述電壓繼電器601為普通機械式電壓繼電器、電子式電壓繼電器、智能型電壓繼電器、邏輯型電壓繼電器或高精度電壓繼電器。所述電壓繼電器601為直流型繼電器或交流型繼電器，工作電壓S IOOOV0強雷暴地區(qū)首選機械式電壓繼電器，可以防止雷暴強電磁場的影響和破壞；信號是取自直流母線7的電壓，電壓繼電器601本身的用電是由UPS不間斷電源4提供的，供給繼電器測量元件和吸合釋放線圈，所以特別穩(wěn)定、可靠。遇到極端的情況，如洪水、泥石流、龍卷風、強沙塵暴、臺風襲擊、雷暴擊中時，機組的一部分(或者大部分)系統(tǒng)會被破壞，因為單元機組的各個部分都是有密切聯(lián)系的平衡系統(tǒng)，系統(tǒng)中只要一個點受到破壞，立即會引起快速反應，立即自動停機，這樣就保護了全部的設備完好。另外，還可以由中央控制臺5切斷UPS不間斷電源4向自控發(fā)電單元機組6的輸出線，也可以實現(xiàn)立即脫離電網(wǎng)并立即停機的目的，是雙回路保護機制，能夠切實保護全部設備免受損壞。所述的直流電動機602為普通直流電動機、無刷直流電動機、無刷永磁直流電動機、盤式無刷直流電動機或盤式無刷永磁直流電動機。所述的交流發(fā)電機603為普通交流同步發(fā)電機、無刷交流同步發(fā)電機、自勵恒壓硅整流同步交流發(fā)電機、永磁交流發(fā)電機或同步交流發(fā)電機，交流發(fā)電機603有自動調整電壓、功率功能的。而直流電動機轉速和功率的變化是根據(jù)母線的電壓自動進行的，這正是直流電動機的最基本的可以自動調節(jié)輸出功率的特點，當母線電壓升高時功率也隨之自動增加，反之亦然，我們正是充分的發(fā)揮出直流電動機的這種基本特性，再加上智能化的調節(jié)程序，這樣就達到了即安全可靠自動調整又簡單方便成本低廉的狀態(tài)，這也是本發(fā)明的特
；ο所述的復合無觸點開關604為交流接觸器、直流接觸器、無觸點開關、晶閘管開關、自動負荷開關、復合式無觸點開關或混合式無觸點開關是根據(jù)現(xiàn)場的需要組合而成的， 形成“智能化的開關”。所述的限流電抗器605為空心式限流電抗器、鐵芯式限流電抗器、電子式限流電抗器或智能型限流電抗器也是根據(jù)現(xiàn)場的需要選擇配合使用的。每個自控單元發(fā)電機組6結構完全一樣，都是設計成模塊化的方式僅僅是每個機組的動作點整定值不同，可以任意互換，根據(jù)風力發(fā)電機組1的功率安排3組至N組不等， 每個單元機組都是獨立工作狀態(tài)。所謂的邏輯控制都是通過整定電壓繼電器601的接通、 斷開動作點電壓整定值方式達到自動并網(wǎng)與自動離網(wǎng)的狀態(tài)，無須全部使用中央集中控制方式，這就大大的減少了整個控制設備的投資并且大大減少了故障點，簡化了控制信號的數(shù)據(jù)量，保證了整個風力發(fā)電機組系統(tǒng)并網(wǎng)的安全與穩(wěn)定，同時也大幅度降低了成本。所述電壓繼電器601的動作電壓整定值為風力發(fā)電機組額定電壓的85%_100%。 整定規(guī)律是從第一個自控發(fā)電單元機組6開始，后一個機組比前一個機組的動作整定值高1-100V，優(yōu)選10-50V，更優(yōu)選5-10V ；—個比一個高一點，而斷開的電壓也是一個比一個高一點，形成一個自動控制的邏輯電路。電壓繼電器601中的延時數(shù)據(jù)是1-180秒，優(yōu)選10-50秒，更優(yōu)選3-8秒。簡述邏輯控制過程
風力發(fā)電機組1低風速階段5-10n/s階段此時風速較低，如果蓄電池組3還沒有充電到最低電壓，那么就暫時不接通自控發(fā)電單元機組6的供電，此狀態(tài)是由電壓繼電器601負責的，在達不到最低吸合電壓點時就不接通，其電壓控制點是由繼電器根據(jù)設定好的，可以調節(jié)的動作電壓設定的，電壓繼電器601在設定好的基礎上，自動測量判斷的。當風力發(fā)電機組1達到額定風速正常發(fā)電時，在母線上并聯(lián)的多臺自控發(fā)電單元機組6自動跟隨母線的電壓進行并網(wǎng)或者離網(wǎng)，因為風力是隨時變化的所以母線的電壓也是隨時變化的，但是由于蓄電池組3的穩(wěn)定作用，母線電壓不會大幅度的劇烈的波動，是平緩的變化的，投入自控發(fā)電單元機組6并網(wǎng)，實際上是將這種波動進一步的“平穩(wěn)化”與當時的風能情況形成良好的匹配。本發(fā)明除新穎的邏輯程序控制方法外，所采用的都是經(jīng)過長期考驗的技術成熟的電氣工業(yè)的設備、器件，但是在每個部位都加上了智能化的控制系統(tǒng)，達到風力發(fā)電機組1 (含發(fā)電單元控制繼電器等)的整個系統(tǒng)及每個小部分都形成“智能化、程序化、邏輯化、自動化”的自我管理運行狀態(tài)，配合創(chuàng)新的邏輯程序設定和自動管理模塊化方式，達到了在保證安全穩(wěn)定基礎上的全自動無沖擊并網(wǎng)，具有低電壓穿越功能、有可靠的防止事故擴大化的功能，并且大幅度的提高了風力發(fā)電機組的整機風能轉換效率，，使原先的1臺風力發(fā)電機組變成1臺半(按照輸出功率)的風力發(fā)電機組，委實是一種少投入、產出大的改造現(xiàn)有風力發(fā)電機組的好技術方案。按照此技術方案改造后的風力發(fā)電機組具有耐用壽命長、成本低廉易推廣、結構簡單易改造，維修方便好管理，而且是向電網(wǎng)輸出標準的正弦波電能的理想入網(wǎng)狀態(tài)，如果能夠得以大規(guī)模推廣，可以徹底解決大型風力發(fā)電機組“并網(wǎng)難”問題，保證風力發(fā)電機組在20年的使用期間內安全平穩(wěn)的運轉加倍提供巨大的綠色能源。因為是由多個自控發(fā)電單元機組6組成的陣列，每個單元都是嚴格的按所設定好的邏輯程序，分先后逐一的進行并網(wǎng)或者離網(wǎng)運行的，是按照邏輯規(guī)律進行工作的因此稱為邏輯單元矩陣，這種獨立的發(fā)電單元機組各自遵守自己的規(guī)定，執(zhí)行自己的分內工作，遇到特別極端的情況，不但能夠實行自我保護，又能夠按照中央管理系統(tǒng)發(fā)出的極少信號指令進行快速執(zhí)行，整個風力發(fā)電機組就像有智力一樣，因此稱為智能單元矩陣并網(wǎng)技術。采用本發(fā)明所述并網(wǎng)技術，經(jīng)濟效益分析
以1000千瓦風力發(fā)電機組為例，所配用的鋰離子蓄電池組3為50千瓦功率容量，參考價格15萬元；所配三相橋式整流器2和直流母線7為2200A規(guī)格，參考價格5萬元；所配 UPS不間斷電源4為10千瓦規(guī)格參考價格3萬元；所配自控發(fā)電單元機組6五組每組200 千瓦功率規(guī)格，參考價每組1. 5萬元，共計7. 5萬元；總計為30. 5萬元。風能資源好的地區(qū)花費總計23萬元，蓄電池按照7. 5萬元計算。這比如前所述的計劃的每臺風力發(fā)電機組 50萬元的低電壓穿越改造費約少一半，但是在保證安全可靠長壽命方面將是目前的電子變流器方式無可比擬的。電子變流器據(jù)說是最好的，但是大量的事故證明并非如此，加之其價格昂貴又極易損壞，隨著風力發(fā)電機組1的單個功率和總功率的越來越大，前景堪憂。本發(fā)明完全脫離了電子變流器的電能變流方式，而使用“技術成熟、結構簡單、皮實耐用、物美價廉”的“電磁變流器”方式解決電能與電網(wǎng)的連接，使風電并網(wǎng)建立在安全牢靠的基礎上，不但價格便宜，也是一種實實在在的具有低電壓穿越功能的方式，可以有保證的應對電網(wǎng)的各種故障， 更是向電網(wǎng)提供了 “標準的正弦波”電能，為廣大的用戶(高端和低端用戶)排除了 “諧波污染”的潛在隱患，還為風力發(fā)電機組1提供了一種安全可靠的調速卸載方法，避免風機“飛車”故障，經(jīng)濟效益良好。 另外，在20年的使用期內，損耗的僅是幾副軸承，價值極低幾乎可以不計，其耐用、故障極少、維修方便、配件易得、設備器件成本低、安全使用周期特別長，是潛在的經(jīng)濟效益。整個系統(tǒng)所含的銅材、鋼鐵等均是無損的存在，20年完成使用期后僅賣廢銅、廢鐵也還能夠獲得不菲的收益。
權利要求
1.風力發(fā)電機組智能單元矩陣并網(wǎng)技術，其特征在于風力發(fā)電機組(1)發(fā)出的三相交流電通過三相橋式整流器(2)整流后與蓄電池組(3)連接進行充電，同時還經(jīng)過直流母線(7)與一組并聯(lián)的自控發(fā)電單元機組(6)連接，所述的自控發(fā)電單元機組(6)由電壓繼電器(601)、直流電動機(602)、交流發(fā)電機(603)、復合無觸點開關(604)和限流電抗器(605) 連接構成，自控發(fā)電單元機組(6)的輸出端并入電網(wǎng)，蓄電池組(3)還輸出一路電流為UPS 不間斷電源(4)供電，UPS不間斷電源(4)通過電源線給風力發(fā)電機組(1)的偏航系統(tǒng)和電壓繼電器(601)供電，UPS不間斷電源(4)還與中央控制臺(5)控制系統(tǒng)連接，直流母線(7) 上串接超載電流繼電器(8)與風力發(fā)電機組(1)的偏航調速機構連接，向其提供控制信號進行偏航調速，減少風力發(fā)電機組(1)的出力，維持直流母線(7)的電流在規(guī)定的范圍內。
2.如權利要求1所述的風力發(fā)電機組智能單元矩陣并網(wǎng)技術，其特征在于所述的三相橋式整流器(2)采用大功率高電壓硅整流二極管組成，選擇匹配單個元件的最大型號的散熱器，單個二極管的耐壓3 1000V,電流3 200A，其設計容量為風力發(fā)電機組(1)額定電流的3-5倍。
3.如權利要求1所述的風力發(fā)電機組智能單元矩陣并網(wǎng)技術，其特征在于所述的蓄電池組(3)為鋰離子蓄電池、鋰離子動力蓄電池、磷酸鐵鋰蓄電池、超級電容器、鋰離子型大容量蓄電池中的一種或一種以上的組合，可以單獨使用、也可以并聯(lián)、串聯(lián)或復聯(lián)使用，蓄電池組(3)的功率容量是風力發(fā)電機組(1)額定容量的1/20-1/40。
4.如權利要求1所述的風力發(fā)電機組智能單元矩陣并網(wǎng)技術，其特征在于所述的UPS 不間斷電源(4)的容量為5-20千瓦。
5.如權利要求1所述的風力發(fā)電機組智能單元矩陣并網(wǎng)技術，其特征在于所述的直流母線(7)為可供風力發(fā)電機組(1)額定電流的3-5倍長期通過的線排。
6.如權利要求1所述的風力發(fā)電機組智能單元矩陣并網(wǎng)技術，其特征在于所述電壓繼電器(601)的動作電壓整定值為風力發(fā)電機組額定電壓的85%-100%，整定規(guī)律是從第一個自控發(fā)電單元機組(6)開始，后一個機組比前一個機組的動作整定值高1-100V，優(yōu)選10-50V，更優(yōu)選5-10V;電壓繼電器(601)中的延時繼電器設定數(shù)據(jù)是1_180秒，優(yōu)選 10-50秒，更優(yōu)選3-8秒。
7.如權利要求1所述的風力發(fā)電機組智能單元矩陣并網(wǎng)技術，其特征在于所述電壓繼電器(601)為普通機械式電壓繼電器、電子式電壓繼電器、智能型電壓繼電器、邏輯型電壓繼電器或高精度電壓繼電器。
8.如權利要求1所述的風力發(fā)電機組智能單元矩陣并網(wǎng)技術，其特征在于所述電壓繼電器(601)為直流型電壓繼電器或交流型電壓繼電器，工作電壓范圍220-1000V的直流電或者交流電。
9.如權利要求1所述的風力發(fā)電機組智能單元矩陣并網(wǎng)技術，其特征在于所述的直流電動機(602 )為普通直流電動機、無刷直流電動機、無刷永磁直流電動機、盤式無刷直流電動機或盤式無刷永磁直流電動機；所述的交流發(fā)電機(603)為普通交流同步發(fā)電機、無刷交流同步發(fā)電機、自勵恒壓硅整流同步交流發(fā)電機、永磁交流發(fā)電機或同步交流發(fā)電機； 所述的復合無觸點開關(604)為交流接觸器、直流接觸器、無觸點開關、晶閘管開關、自動負荷開關、復合式無觸點開關或混合式無觸點開關；所述的限流電抗器(605)為空心式限流電抗器、鐵芯式限流電抗器、電子式限流電抗器或智能型限流電抗器。
10.如權利要求1所述的風力發(fā)電機組智能單元矩陣并網(wǎng)的專用設備，其特征在于包括風力發(fā)電機組(1)通過三相橋式整流器(2)與蓄電池組(3)連接，同時還經(jīng)過直流母線 (7)與一組并聯(lián)的自控發(fā)電單元機組(6)連接，所述的自控發(fā)電單元機組(6)由電壓繼電器 (601)、直流電動機(602)、交流發(fā)電機(603)、復合無觸點開關(604)和限流電抗器(605)連接構成，自控發(fā)電單元機組(6)的輸出端并入電網(wǎng)，蓄電池組(3)與UPS不間斷電源(4)電路連接，UPS不間斷電源(4)通過電源線給風力發(fā)電機組(1)的偏航系統(tǒng)和電壓繼電器(601) 連接，UPS不間斷電源(4 )還與中央控制臺(5 )控制連接，直流母線(7 )上串接超載電流繼電器(8 )，超載電流繼電器(8 )與風力發(fā)電機組(1)控制連接。
全文摘要
風力發(fā)電機組智能單元矩陣并網(wǎng)技術及其專用設備，屬于風電并網(wǎng)技術領域。其特征在于風力發(fā)電機組通過三相橋式整流器整流后與蓄電池組連接，同時經(jīng)直流母線與一組并聯(lián)的自控發(fā)電單元機組連接，所述自控發(fā)電單元機組由電壓繼電器、直流電動機、交流發(fā)電機、復合無觸點開關和限流電抗器連接構成，自控發(fā)電單元機組的輸出端并入電網(wǎng)，蓄電池組為UPS不間斷電源供電，UPS不間斷電源通過給風力發(fā)電機組的偏航系統(tǒng)和電壓繼電器供電，UPS不間斷電源還與中央控制臺控制連接，直流母線上串接超載電流繼電器。該并網(wǎng)技術實施后可使風機具有低電壓穿越功能，大幅度提高風能利用效率，其成本低、效果好、耐用，能通過國家有關風電上網(wǎng)的嚴格標準。
文檔編號H02J3/01GK102255334SQ20111020484
公開日2011年11月23日 申請日期2011年7月21日 優(yōu)先權日2011年7月21日
發(fā)明者俞海鍵, 鄭爾歷 申請人:浙江日月昇科技有限公司