多发电机柔性组合的兆瓦级变速风力发电机组及控制方法

摘要

本发明提供一种多发电机柔性组合的兆瓦级变速风力发电机组，所述发电机组主要包括塔架、底座、低速永磁同步发电机、中速永磁同步发电机、变流器和带有叶片的轮毂；所述带有叶片的轮毂与低速永磁同步发电机连接，低速永磁同步发电机通过一级升速齿轮箱与中速永磁同步发电机连接；低速永磁同步发电机、一级升速齿轮箱和中速永磁同步发电机设置在底座上，底座设置在塔架上；所述低速永磁同步发电机和中速永磁同步发电机在使用时分别通过各自独立的变流器接入电网。该发明结构简洁合理，实用性强，稳定高效，比较利于大范围的推广应用。

说明书

技术领域：本发明涉及风力发电机组技术领域，具体的说是一种多发电机柔性组合的兆瓦级变速风力发电机组。

背景技术：近年来，随着风力发电技术的发展，变速风力发电机组已成为大型并网风力发电机组的主流机型。与恒速风力发电机组相比，变速风力发电机组的优越性在于：低风速时它能够根据风速变化，在运行中始终保持最佳叶尖速比以获得最大风能；高风速时利用风轮转速的变化，储存或释放部分能量，提高传动系统的柔性，使功率输出更加平稳。因而在更大容量上，变速风力发电机组将取代恒速风力发电机组而成为风力发电的主流机型。

目前流行的变速风力发电机组之驱动系统主要有三种方案：

第一种是高速异步发电机双馈系统，它主要由三级增速齿轮箱+绕线式异步发电机+双向变流器构成。其特点是发电机转速可以在同步转速上、下两个方向变化，转速变化范围通常为发电机额定转速的±1/3，相应变流器的功率只有发电机功率的1/3。该方案必须使用三级升速齿轮箱，配高速异步发电机(通常采用4-6极发电机)。升速齿轮箱速比大、负荷重、随风速变化冲击波动大，易疲劳损坏，故障率高等是该方案的主要缺点。绕线异步发电机转子绕组馈送电需要电刷和滑环，位置测量需要编码器是本方案的另一个缺点，影响可靠性、增加维护工作量。

第二种是低速永磁同步发电机直驱系统，它主要由低速永磁同步发电机+全功率变流器构成。它的特点是：没有升速齿轮箱，叶轮直接驱动低速永磁同步发电机转子，消除了高速异步发电机双馈系统齿轮增速的薄弱环节，大大提高了机组的可靠性，降低维护工作量；由于设备少，布置较紧凑。由于发电机定子绕组通过输入频率范围较宽的变流器与电网相连接，发电机额定频率可以降低，使电机极对数减少至合理值。从原理上说同步发电机采用励磁式和永磁式都可以，但因励磁式体积较大，效率较低，还需要一套励磁装置，所以较少在风力发电机组中使用。此外，永磁同步发电机没有电刷和滑环，也有助于提高可靠性，减少维护工作量。低速永磁同步发电机直驱系统的缺点是：其低速永磁发电机体积大，变流器要输送发电机全功率，因此它的电机和变流器价格都比高速异步发电机双馈系统要高。

第三种是单级升速+中速永磁同步发电机的半直驱系统，它主要由一级升速齿轮箱+中速永磁同步发电机+全功率变流器构成。它是介于高速异步发电机双馈系统和低速永磁同步发电机直驱系统之间的折衷方案，利用一级齿轮升速，把电机额定转速升到一较高值，使其极对数减少，大大减少了永磁同步发电机的体积和造价，而齿轮箱又较简单、体积小、可靠、维护方便。该方案机舱较小，布置非常紧凑。它的变频器也是全功率变频器，需要输送发电机的全功率。

以上三种风力发电机的驱动系统中，第三种驱动系统在大功率机型中是最有发展潜力的一个。但由于以上三种驱动系统都采用单一发电机，很难调节其在低风速下的运行，低风速时风能利用系数和驱动系统的效率都会显著降低。同时，由于采用单一发电机，其配套的变流器和齿轮箱的大小都要跟发电机的功率大小匹配，对于5MW及以上的风力发电机组而言，其发电机、变流器和齿轮箱的研发、制造、运输、安装、维护成本都将大大提高，一定程度上限制了这三种驱动系统的发展。

为了解决这些问题，有人提出了多发电机组合发电的变速驱动系统。

现有的变速驱动系统采用的方案是在上述三种驱动系统中选择一种作为结构基础，增加一台或多台同速旋转的发电机构成驱动系统，其采用大功率发电机和小功率发电机组合发电的形式，发电机大多通过变流装置并网，在不同风速时在多台发电机之间进行切换以提高各风速段的风能利用率和发电效率。

例如：中国专利号ZL200820110240.7，授权公开号CN201260146Y，授权公告日2009年6月17日，发明创造的名称为混合型风力发电机组，该发明公开了一种同轴双发电机变速风力发电机组，其驱动系统是在高速异步发电机双馈系统的结构基础上增加了一个小功率发电机和与其配套的变流器，其特点是：双馈发电机与小功率发电机的转子同轴连接后经齿轮箱与轮毂连接，双馈发电机的转子侧连接有变流器，小功率发电机的定子侧连接有变流器，两台发电机通过两个变流器分别独立与电网连接。其优点是：在低风速时，通过切换至小功率发电机和对应的小变流器，使传动链效率保持较高水平；当风速达到额定风速时，叶片一定程度上能保持最佳叶尖速比，风能利用系数在大部分情况下保持最佳。其不足之处为：升速齿轮箱速比大、负荷重、随风速变化波动大且频繁，造价高、易疲劳损坏；设备多、机舱大，布置不紧凑；绕线异步电机有电刷和滑环，影响可靠性、增加维护工作量；双馈发电机转速在同步转速上、下两个方向变化，变化范围有限制，虽然可以减小变流器的容量，但在进行小功率发电机与双馈发电机的切换时，双馈发电机的转矩无法从零开始变化，两发电机的总转矩在切换时必然会有跳跃，不能实现风能利用系数恒定最佳。

又如：中国专利公开号CN101257214A，公开日2008年9月3日，发明创造的名称为大型变速永磁风力发电系统，该专利的驱动系统是在单级升速+中速永磁同步发电机的半直驱系统的结构基础上增加了一个小功率永磁同步发电机，其特点是：两发电机的转子同轴连接后经齿轮箱与轮毂连接，只配置了与小功率发电机相匹配的逆变器。其不足之处为：在进行小功率发电机与大功率发电机之间的切换时，只有一个与小功率发电机相匹配的逆变器，只能调节一台发电机的转矩，且大功率发电机的转矩不能任意调节，故必然存在转矩在切换时的跳跃，降低了风能利用系数和驱动系统的效率。而且，由风力驱动、仅靠机械变桨调节的永磁同步发电机直接并网基本是不可实现的。

以上两种驱动系统存在的共同问题为：1、两台发电机都通过齿轮箱与轮毂连接，而齿轮箱是高故障率部件，当齿轮箱故障时发电机组必须停止工作进行检修；2、在进行小功率发电机与大功率发电机的切换时，发电机的转矩无法实现从零开始连续变化，两发电机的总转矩在切换时总会有跳跃，不能实现风能利用系数最佳化，且会对主轴和电网造成冲击。

发明内容：

发明目的：本发明提供一种多发电机柔性组合的兆瓦级变速风力发电机组，其目的是解决以下问题：1、以往的单一发电机变速风力发电机组在低风速时风能利用系数和效率降低的问题；2、以往的单一发电机变速风力发电机组，对于5MW及以上的风力发电机组，其发电机、变流器和齿轮箱的研发、制造、运输、安装、维护成本大大提高的问题；3、以往的多发电机变速风力发电机组，其两台发电机都通过齿轮箱与轮毂连接，当齿轮箱故障时发电机组必须停机检修的问题；4、以往的多发电机变速风力发电机组，在进行发电机之间的切换时，发电机的总转矩总会有跳跃，不能实现风能利用系数最佳化，且会对主轴和电网造成冲击的问题。

技术方案：本发明是通过以下技术方案实现的：

一种多发电机柔性组合的兆瓦级变速风力发电机组，其特征在于：所述发电机组主要包括塔架、底座、低速永磁同步发电机、中速永磁同步发电机、变流器、偏航系统、变桨系统和带有叶片的轮毂；所述带有叶片的轮毂与低速永磁同步发电机连接，低速永磁同步发电机通过一级升速齿轮箱与中速永磁同步发电机连接；低速永磁同步发电机、一级升速齿轮箱和中速永磁同步发电机设置在底座上，底座设置在塔架上；所述低速永磁同步发电机和中速永磁同步发电机分别通过各自独立的变流器接入电网。

所述低速永磁同步发电机的输出端通过可断开的联轴器与一级升速齿轮箱连接。

所述发电机组的整机设计容量范围为不小于5MW。

如上所述的多发电机柔性组合的兆瓦级变速风力发电机组的控制方法，其特征在于：所述发电方法的具体步骤如下：

(一)、功率增加的控制步骤：

a、当风速高于所述发电机组的切入风速时，将低速永磁同步发电机并入电网，通过与低速永磁同步发电机配套的变流器控制其转矩，使叶片始终保持最佳叶尖速比，风能利用系数保持最佳；

b、随着风速继续增大，当低速永磁同步发电机功率达到其自身的额定功率时，将中速永磁同步发电机并入电网，低速永磁同步发电机转矩逐渐降低直到退出并网，中速永磁同步发电机转矩逐渐增加直到达到自身的额定功率运行，此过程中，分别通过与低速永磁同步发电机和中速永磁同步发电机各自配套的变流器控制其转矩，使总的转矩按照设定的曲线变化；

c、当中速永磁同步发电机的功率达到额定功率时，将低速永磁同步发电机再次并入电网，低速永磁同步发电机转矩不断上升直到额定转矩，中速永磁同步发电机转矩逐步降低直到额定转矩，此后两发电机转速同步增加，此过程中，其总的转矩始终按照设定曲线变化；

d、当两台发电机同步转速达到额定转速之后，通过变桨系统调节桨距角，保持转速恒定不变，功率不断增加；

e、当两台发电机的总功率高于额定功率时，通过变桨系统调节桨距角实行功率控制，保持功率不变；

(二)、功率减小的控制步骤：

a、当风速降低时，通过变桨系统调节桨距角，保持转速恒定不变，功率不断减小；

b、当两台发电机的总功率低于额定功率时，控制两个发电机的转速同步降低，功率不断减小；

c、低速永磁同步发电机的转矩不断降低直到退出并网，中速永磁同步发电机转矩逐步增大直到中速永磁同步发电机达到额定功率，总转矩沿设定曲线变化；这时，中速永磁同步发电机单独运行；

d、随着风速继续减小，当风轮功率降低至低速永磁同步发电机的功率时，将低速永磁同步发电机并入电网，低速永磁同步发电机的转矩逐渐增加，中速永磁同步发电机转矩逐渐降低直到退出并网，使总的转矩按照设定的曲线变化。

e、中速永磁同步发电机退出电网后，低速永磁同步发电机单独运行，随着风速降低，转矩随之减小，使风能利用系数保持最佳。

所述设定的曲线是指保证最佳叶尖速比，以实现风能利用系数最佳状态的曲线。

优点及效果：本发明提供一种多发电机柔性组合的兆瓦级变速风力发电机组，所述发电机组主要包括塔架、底座、低速永磁同步发电机、中速永磁同步发电机、变流器、和带有叶片的轮毂；所述带有叶片的轮毂与低速永磁同步发电机连接，低速永磁同步发电机通过一级升速齿轮箱与中速永磁同步发电机连接；低速永磁同步发电机、一级升速齿轮箱和中速永磁同步发电机设置在底座上，底座设置在塔架上；所述低速永磁同步发电机和中速永磁同步发电机在使用时分别通过各自独立的变流器接入电网。

采用上述技术方案的有益效果是：

1、采用多发电机变速方案，在低风速时风能利用系数和发电机效率显著提高；

2、使用多发电机，使单个发电机容量减小，对于5MW以上的大型风力发电机组，其发电机、变频器和齿轮箱的研发、制造、运输、安装、维护成本显著降低；

3、齿轮箱设在低速永磁同步发电机和中速永磁同步发电机之间，且低速永磁同步发电机的输出轴通过可断开的联轴器与一级升速齿轮箱连接，在齿轮箱故障时可断开其与低速永磁同步发电机的连接，保证风力机在齿轮箱故障时仍可发电；

4、低速永磁同步发电机和中速永磁同步发电机分别通过各自独立的全功率变流器与电网连接，两台发电机之间的切换通过全功率变流器合理分配转矩实现柔性切换，使发电机的总转矩在运行风速范围内满足设定曲线的规律，结合变桨系统对桨距角的控制，实现风能利用系数最佳化，且不会对主轴和电网造成冲击。

5、驱动系统采取低速永磁同步发电机直驱系统和单级升速+中速永磁同步发电机的半直驱系统组合的方式，集合了两种方案的优点：其发电机都是永磁同步电机，没有电刷和滑环，有助于提高可靠性，减少维护工作量。利用一级齿轮升速，把电机额定转速升到一较高值，使其极对数减少，大大减少了中速永磁同步发电机的体积和造价，而齿轮箱又较简单、体积小、可靠、维护方便。同时，低速永磁同步发电机为小功率发电机，取整机容量的1/5至1/3，从而减小了发电机的直径，避免了低速永磁同步发电机直驱系统的缺点。此种布置方式使机舱内部结构非常紧凑，提高了机舱空间利用利率，且重心位置合理，增加了机舱的稳定性。

该发明结构简洁合理，实用性强，系统稳定可靠，风电转换效率高，比较利于大范围的推广应用。

附图说明：

图1为本发明的一个实施例的结构示意图；

图2为图1的局部剖视图；

图3为本发明的一个实施例的运行原理框图；

图4为本发明的功率曲线图。

图中1.轮毂，2.变桨系统，3.叶片，4.低速永磁同步发电机，5.底座，6.齿轮箱，7.齿轮箱的减震装置，8.偏航系统，9.中速永磁同步发电机，10.塔架，11.全功率变流器，12.全功率变流器，13.电网，14.低速永磁同步发电机的中轴，15.低速永磁同步发电机的定子，16.中速永磁同步发电机的转子，17.可断开联轴器，18.联轴器，19.中速永磁同步发电机的减震装置。

具体实施方式：下面结合附图对本发明做进一步的说明：

如图1所示，本发明提供一种多发电机柔性组合的兆瓦级变速风力发电机组，所述发电机组主要包括塔架10、底座5、低速永磁同步发电机4、中速永磁同步发电机9、变流器、和带有叶片3的轮毂1；所述带有叶片3的轮毂1与低速永磁同步发电机4连接，低速永磁同步发电机4通过一级升速齿轮箱6与中速永磁同步发电机9连接；低速永磁同步发电机4、一级升速齿轮箱6和中速永磁同步发电机9设置在底座5上，底座5设置在塔架10上；所述低速永磁同步发电机4和中速永磁同步发电机9在使用时分别通过各自独立的全功率变流器11、12接入电网13；两台发电机之间通过全功率变流器11、12合理分配转矩实现柔性切换。所述底座5通过偏航系统8设置在底座5上；在所述轮毂1中还设置有变桨系统2。所述低速永磁同步发电机4的输出端通过可断开的联轴器17与一级升速齿轮箱6连接。所述发电机组的整机设计容量范围为不小于5MW。所述低速永磁同步发电机4为小功率发电机，取为整机容量的1/5至1/3，所述中速永磁同步发电机9为大功率发电机，取为整机容量2/3至4/5。

更具体一点的说，低速永磁同步发电机4固定安装在底座5的前端，低速永磁同步发电机4的中轴14的前端与轮毂1同轴固定连接，其中低速永磁同步发电机4的中轴14的中段与低速永磁同步发电机的转子16同轴固定连接，低速永磁同步发电机4的中轴14后端通过可断开联轴器17与齿轮箱6的输入轴同轴连接；齿轮箱6通过齿轮箱的减震装置7支撑安装在底座5上，所述齿轮箱的减震装置7安装在底座5的侧壁上；所述齿轮箱6的输出轴与中速永磁同步发电机9的输入轴固定连接；中速永磁同步发电机9通过中速永磁同步发电机的减震装置19支撑安装在底座5的上，所述永磁同步发电机的减震装置19也设置在底座5的侧壁上；所述中速永磁同步发电机9的输入轴与齿轮箱6的输出轴通过联轴器18连接。

在所述底座5与塔架10之间还设置有偏航系统8。也就是说偏航系统8安装于底座5下部，塔架10的顶部；偏航系统8之上的部分也就是底座5和设置在底座5上的所有构件通过偏航系统8的旋转驱动，就会绕塔架10旋转。

多发电机柔性组合的兆瓦级变速风力发电机组的控制方法，的具体步骤如下：

(一)、功率增加的控制步骤：

a、当风速高于所述发电机组的切入风速时，将低速永磁同步发电机4并入电网13，通过与低速永磁同步发电机4配套的变流器11控制其转速，使叶片3始终保持最佳叶尖速比，让风能利用系数保持最佳；

b、随着风速继续增大，当低速永磁同步发电机4功率达到其自身的额定功率时，将中速永磁同步发电机9并入电网13，低速永磁同步发电机4转矩逐渐降低直到退出并网，中速永磁同步发电机9转矩逐渐增加直到达到自身的额定功率运行，此过程中，分别通过与低速永磁同步发电机4和中速永磁同步发电机9各自配套的变流器控制其转矩，使总的转矩按照设定的曲线变化；

c、当中速永磁同步发电机9的功率达到额定功率时，将低速永磁同步发电机4再次并入电网，低速永磁同步发电机4转矩不断上升直到额定转矩，中速永磁同步发电机9转矩逐步降低直到额定转矩，此后两发电机转速同步增加，此过程中，其总的转矩始终按照设定曲线变化；

d、当两台发电机同步转速达到额定转速之后，通过变桨系统2调节桨距角，保持转速恒定不变，功率不断增加；

e、当两台发电机的总功率高于额定功率时，通过变桨系统2调节桨距角实行功率控制，保持功率不变；

(二)、功率减小的控制步骤：

a、当风速降低时，通过变桨系统2调节桨距角，保持转速恒定不变，功率不断减小；

b、当两台发电机的总功率低于额定功率时，控制两个发电机的转速同步降低，功率不断减小；

c、低速永磁同步发电机4的转矩不断降低直到退出并网，中速永磁同步发电机9转矩逐步增大直到中速永磁同步发电机9达到额定功率，总转矩沿设定曲线变化；这时，中速永磁同步发电机9单独运行；

d、随着风速继续减小，当风轮功率降低至低速永磁同步发电机4的功率时，将低速永磁同步发电机4并入电网13，低速永磁同步发电机4的转矩逐渐增加，中速永磁同步发电机9转矩逐渐降低直到退出并网，使总的转矩按照设定的曲线变化。

e、中速永磁同步发电机9退出电网后，低速永磁同步发电机4单独运行，随着风速降低，转矩随之减小，使风能利用系数保持最佳。

以上所述的设定的曲线是指实现风能利用系数最佳状态，保证最佳叶尖速比的曲线。

实施例1：

下面是本发明的一个具体例子，以便更加详细的说明其原理。

设整机额定功率为5MW，切入风速为2.5m/s，额定转速13rpm，叶片长度61m，风轮直径为124m，塔架高度为106m；低速永磁同步发电机，额定功率为2MW，额定风速为10m/s，直接与轮毂连接，级数为160；中速永磁同步发电机，额定功率为3MW，额定风速为12m/s，一级增速齿轮箱增速比为1∶25，发电机同步转速为325rpm，级数为18。

其运行过程示意图如图3所示：

(一)、功率增加的控制步骤：

当风速高于切入风速2.5m/s时，将低速永磁同步发电机4并入电网，通过与低速永磁同步发电机4配套的变流器11控制其转速，使叶片始终保持最佳叶尖速比，风能利用系数保持最佳；

随着风速继续增大，当低速永磁同步发电机4功率达到额定功率2MW时，将中速永磁同步发电机9并入电网，低速永磁同步发电机4转矩逐渐降低直到退出并网，中速永磁同步发电机9转矩逐渐增加直到额定功率运行，此过程中，分别通过与两台发电机各自配套的变流器控制其转矩，使总的转矩按照设定的曲线变化，以保持最佳叶尖速比，实现风能利用系数始终保持最佳。

当中速永磁同步发电机9的功率达到额定功率3MW时，将低速永磁同步发电机4再次并入电网，低速永磁同步发电机4转矩不断上升直到额定转矩，中速永磁同步发电机9转矩逐步降低直到额定转矩，此后两发电机转速同步增加，此过程中，其总的转矩始终按照如图3所示的设定曲线变化，以实现风能利用系数最佳。

当两台发电机同步转速达到额定转速之后，通过变桨系统2调节桨距角，保持转速恒定不变；功率不断增加；

当两台发电机的总功率高于额定功率时，通过变桨系统调节桨距角实行功率控制，保持功率不变；

(二)、功率减小的控制步骤：其功率降低的过程同上述过程相反，如图3：

当风速降低时，通过变桨系统2调节桨距角，保持转速恒定不变，功率不断减小；

当两台发电机的总功率低于额定功率时，控制两个发电机的转速同步降低，功率不断减小；

低速永磁同步发电机4的转矩不断降低直到退出并网，中速永磁同步发电机9转矩逐步增大直到中速永磁同步发电机9达到额定功率，总转矩沿设定曲线变化；这时，中速永磁同步发电机9单独运行；

随着风速继续减小，当风轮功率降低至低速永磁同步发电机4的功率时，将低速永磁同步发电机4并入电网13，低速永磁同步发电机4的转矩逐渐增加，中速永磁同步发电机9转矩逐渐降低直到退出并网，使总的转矩按照设定的曲线变化。

中速永磁同步发电机9退出电网后，低速永磁同步发电机4单独运行，随着风速降低，转矩随之减小，使风能利用系数保持最佳。

以上所述的设定的曲线是指保证最佳叶尖速比，以实现风能利用系数最佳状态的曲线。

图4是本发明的功率曲线图，图中所示的各个符号的表示意义为：Vc：低速永磁同步发电机切入风速；V1：中速永磁同步发电机切入风速；V2：低速永磁同步发电机切出风速；V3：低速永磁同步发电机再次切入风速；V4：两发电机同步增速区起始风速；Vp：风力机额定风速。

图4中，2MW的低速永磁同步发电机的功率曲线和3MW的中速永磁同步发电机的功率曲线叠加后即是总体的功率曲线，可以看出，由于采用了柔性切换，5MW的功率曲线连续平滑，即整机功率变化平稳，不会对主轴和电网造成冲击。

该发明结构简洁合理，实用性强，系统稳定可靠，风电转换效率高，比较利于大范围的推广应用。