一种电网友好型风力发电机组及其控制方法

摘要

本发明涉及一种电网友好型风力发电机组，包括风轮、与风轮连接的传动装置、由传动装置驱动的永磁同步电机、电励磁同步发电机，永磁同步电机总的额定功率占风力发电机组额定功率的1/3，电励磁同步发电机的额定功率占风力发电机组额定功率的2/3，永磁同步电机电连接有控制永磁同步电机工作状态的变流器，变流器的控制系统根据风速及永磁同步电机的转速控制永磁同步电机分别作为发电机或电动机使用，电励磁同步发电机连接有调整同步发电机输出有功功率分量或无功功率分量的励磁控制装置。本发明仅需使用相当于风力发电机组1/3功率的变流器即可实现与电网的稳定连接，成本较低。

说明书

技术领域

本发明涉及并网型风力发电机组技术领域，尤其是一种电网友好型风力发 电机组及其控制方法。

背景技术

风力发电最大的问题就是与电网的连接不稳定，使得电网对它的接纳能力 受到很大的限制，重点表现在低电压穿越、电能质量、风力发电的可靠性、风 功率预测和有功及无功功率的远程调节5个方面。针对低电压穿越这种情况， 目前比较有效的技术措施主要有以下两种：

一种是采用同步发电机或异步发电机加全功率变流并网，另一种方式是在 同步发电机前加一个无级调速装置，使同步发电机的转速保持恒定，使风力发 电机的同步发电机能像水轮发电机一样直接并网发电。

上述技术方案中采用全功率变流并网会极大地增大风力发电机组的制造成 本，同时其可靠性也受到影响、并且仅能应对短时间内的电压跌落。而增加无 级调速装置的方法会使风力发电机组传动链的结构更为复杂，并降低机组的效 率和可靠性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种电网友 好型风力发电机组及其控制方法，使用较低的成本提高风力发电机组与电 网连接的稳定性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种电网友好型风力发电 机组，包括风轮、与风轮连接的传动装置、由传动装置驱动的永磁同步电机、 电励磁同步发电机，所述的永磁同步电机总的额定功率占风力发电机组额定功 率的1/3，所述的电励磁同步发电机的额定功率占风力发电机组额定功率的2/3， 所述的永磁同步电机电连接有控制永磁同步电机工作状态的变流器。

所述的变流器的控制系统根据风速及永磁同步电机的转速控制永磁同 步电机分别作为发电机或电动机使用，所述的永磁同步电机作为发电机时所 述的变流器可调节永磁同步电机的功率因数。

所述的传动装置的结构为：所述的传动装置包括传动轴、增速箱，传动轴 两端分别连接风轮及增速箱，所述的增速箱的后端设有后动力输出轴，所述的 增速箱的后动力输出轴与电励磁同步发电机连接，所述的永磁同步电机与电励 磁同步发电机同轴连接。

所述的传动装置的结构为：所述的传动装置包括传动轴、增速箱，传动轴 两端分别连接风轮及增速箱，所述的增速箱的前端设有一个以上的前动力输出 轴，所述的增速箱的后端设有后动力输出轴，一个以上的前动力输出轴分别与 一个以上的永磁同步电机连接，所述的后动力输出轴与电励磁同步发电机连接。

所述的永磁同步电机的数量为3-4台，所述的前动力输出轴的数量与永磁 同步电机的数量相同。

所述的电励磁同步发电机连接有调整电励磁同步发电机输出有功功率分量 或无功功率分量的励磁控制装置。

一种控制所述的电网友好型风力发电机组的控制方法，具体为：

(1)当风速大于风力发电机组的切入风速后，变流器的控制系统控制永磁 同步电机作为发电机使用，永磁同步电机进入发电状态，永磁同步电机通过变 流器向外界电网输送电能，变流器的控制系统控制永磁同步电机的有功功率输 出分量并逐步增大永磁同步电机的有功功率输出分量，电励磁同步发电机处于 空载运行状态。

(2)永磁同步电机达到额定功率发电后，此时，永磁同步电机的转速也达 到额定转速，电励磁同步发电机与电网接通，电励磁同步发电机进入发电状态， 电励磁同步发电机的发电功率逐步增大的同时永磁同步电机的有功功率输出逐 渐减小直至完全停止，永磁同步电机的有功功率输出停止时变流器的控制系统 控制永磁同步电机作为电动机使用，变流器的控制系统控制永磁同步电机输出 无功功率，永磁同步电机按额定转速运行。

(3)当电励磁同步发电机达到额定功率发电后，变流器的控制系统控制永 磁同步电机再次作为发电机使用，永磁同步电机进入发电状态，永磁同步电机 通过变流器向外界电网输送电能，电励磁同步发电机与永磁同步电机同时向外 界电网发电所述的电励磁同步发电机连接有励磁控制装置，所述的励磁控制装 置对电励磁同步发电机的励磁方式为过励磁或正常励磁或欠励磁，在外界电网 电压跌落时，励磁控制装置根据外部电力调度的要求选择不同的励磁方式调整 电励磁同步发电机输出有功功率分量或无功功率分量。

当风速大于风力发电机组的切出风速后，永磁同步电机和电励磁同步发电 机均停止运行。

所述的电励磁同步发电机连接有励磁控制装置，所述的励磁控制装置对电 励磁同步发电机的励磁方式为过励磁或正常励磁或欠励磁，在外界电网电压跌 落时，励磁控制装置根据外部电力调度的要求选择不同的励磁方式调整电励磁 同步发电机输出有功功率分量或无功功率分量。

步骤(2)中，变流器的控制系统控制永磁同步电机输出无功功率，永磁同 步电机按额定转速运行之后，如果永磁同步电机的转速大于永磁同步电机的额 定转速，变流器的控制系统控制永磁同步电机发出相应的有功功率使永磁同步 电机的转速回归额定转速；如果永磁同步电机的转速小于永磁同步电机的额定 转速，变流器的控制系统控制永磁同步电机发出相应的无功功率使永磁同步电 机的转速回归额定转速，从而保证永磁同步电机以及电励磁同步发电机的转速 稳定。

当风速大于风力发电机组的切出风速后，永磁同步电机和电励磁同步发电 机均停止运行。

本发明的有益效果是：本发明仅需使用相当于风力发电机组1/3功率 的变流器即可实现与电网的稳定连接，成本较低。变流器的控制系统根据 风速的变化在不同的转速内控制永磁同步电机分别作为发电机和电动机 使用。本发明使得风力发电机组对电网的友好性有了进一步地提高，励磁 控制装置根据外部电力调度的要求选择不同的励磁方式调整电励磁同步发电机 输出有功功率分量或无功功率分量，同时，变流器控制永磁同步电机输出相应 的有功功率或无功功率分量，从而对电网提供支持，这种形式的支持优于现有 技术中的直驱型风力发电机组或者双馈型风力发电机组。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是本发明中传动装置的实施例一的结构示意图；

图2是本发明中传动装置的实施例二的结构示意图；

其中：1.传动轴，2.增速箱，3.永磁同步电机，4.电励磁同步发电机。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步的说明。这些附图均为简化的示意图仅以 示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

一种电网友好型风力发电机组，包括风轮、与风轮连接的传动装置、由传 动装置驱动的永磁同步电机3、电励磁同步发电机4，如图1所示，传动装置的 实施例一：传动装置包括传动轴1、增速箱2，传动轴1两端分别连接风轮及增 速箱2，增速箱2的后端设有后动力输出轴，增速箱2的后动力输出轴与电励 磁同步发电机4连接，永磁同步电机3与电励磁同步发电机4同轴连接。

如图2所示，传动装置的实施例二：传动装置包括传动轴1、增速箱2，传 动轴1两端分别连接风轮及增速箱2，与实施例一的区别在于：增速箱2的前 端设有3个的前动力输出轴，增速箱2的后端设有后动力输出轴，3个前动力输 出轴分别与3个永磁同步电机3连接，后动力输出轴与电励磁同步发电机4连 接。

传动装置无论采用实施例一的结构还是实施例二的结构，本发明的风力发电 机组中的风轮安装有测速机构，永磁同步电机3与变流器电连接，传动轴1尾 部安装有测速盘及变浆装置。永磁同步电机3总的额定功率占风力发电机组额 定功率的1/3，由直流电励磁的电励磁同步发电机4的额定功率占风力发电机组 额定功率的2/3，永磁同步电机3电连接有控制永磁同步电机工作状态的变流器。 变流器的控制系统根据风速及永磁同步电机的转速控制永磁同步电机分 别作为发电机或电动机使用，永磁同步电机作为发电机时所述的变流器可调 节永磁同步电机的功率因数。

变流器的控制系统控制永磁同步电机3输出有功功率的分量或输出无功功 率的分量。电励磁同步发电机4连接有调整电励磁同步发电机4输出有功功率 分量或无功功率分量的励磁控制装置。

一种控制电网友好型风力发电机组的控制方法，具体为：(1)当风速大于 风力发电机组的切入风速后，变流器的控制系统控制永磁同步电机3作为发电 机使用，永磁同步电机3进入发电状态，永磁同步电机3通过变流器向外界电 网输送电能，变流器的控制系统控制永磁同步电机3的有功功率输出分量并逐 步增大永磁同步电机3的有功功率输出分量，电励磁同步发电机4处于空载运 行状态；

(2)永磁同步电机3达到额定功率发电后，此时，永磁同步电机3的转速 也达到额定转速，电励磁同步发电机4与电网接通，电励磁同步发电机4进入 发电状态，电励磁同步发电机4的发电功率逐步增大的同时永磁同步电机3的 有功功率输出逐渐减小直至完全停止，永磁同步电机3的有功功率输出停止时 变流器的控制系统控制永磁同步电机3作为电动机使用，变流器的控制系统控 制永磁同步电机3输出无功功率，永磁同步电机3按额定转速运行；

如果永磁同步电机3的转速大于永磁同步电机3的额定转速，变流器的控 制系统控制永磁同步电机3发出相应的有功功率使永磁同步电机3的转速回归 额定转速；

如果永磁同步电机3的转速小于永磁同步电机3的额定转速，变流器的控 制系统控制永磁同步电机3发出相应的无功功率使永磁同步电机3的转速回归 额定转速，从而保证永磁同步电机3以及电励磁同步发电机4的转速稳定。

(3)当电励磁同步发电机4达到额定功率发电后，变流器的控制系统控制 永磁同步电机3再次作为发电机使用，永磁同步电机3进入发电状态，永磁同 步电机3通过变流器向外界电网输送电能，电励磁同步发电机4与永磁同步电 机3同时向外界电网发电，实现对电网的支持。

若永磁同步电机3作为电动机达到最大功率后仍不能维持额定转速运行， 则电励磁同步发电机4退出发电状态，变流器的控制系统控制永磁同步电机3 作为发电机使用。当风速大于风力发电机组的切出风速后，永磁同步电机3和 电励磁同步发电机4均停止运行。

励磁控制装置对电励磁同步发电机4的励磁方式为过励磁或正常励磁或欠 励磁，在外界电网电压跌落时，励磁控制装置根据外部电力调度的要求选择不 同的励磁方式调整电励磁同步发电机4输出有功功率分量或无功功率分量。同 时，变流器的控制系统也可以控制永磁同步电机3输出相应的无功功率分量， 对外界电网提供有效的支持。

本发明仅需使用相当于风力发电机组1/3功率的变流器，实现永磁同步电 机3的有功功率及无功功率的输出，并对外界电网提供有效支持，实现低电压 穿越功能，成本较低。永磁同步电机3与电励磁同步发电机4的转速均能保持 稳定，无需经过大功率的变流器，提高了外界电网的电能质量。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作 人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。 本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围 来确定其技术性范围。