專(zhuān)利名稱(chēng)：基于可變頻率變壓器的變速風(fēng)電系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，涉及近海風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)發(fā)、現(xiàn)有恒速風(fēng)電場(chǎng)改造，特別涉及一種基于可變頻率變壓器的變速風(fēng)電系統(tǒng)及其控制方法。
背景技術(shù)：
風(fēng)力發(fā)電是目前發(fā)展最快、最具規(guī)?；_(kāi)發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的可再生能源發(fā)電方式之一。近海風(fēng)電具有風(fēng)速高、湍流強(qiáng)度小、風(fēng)速風(fēng)向穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，是今后風(fēng)電行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。我國(guó)近海風(fēng)能資源豐富，并且靠近東部電力負(fù)荷中心，有利于電網(wǎng)消納，避免遠(yuǎn)距離輸電，因此大力開(kāi)發(fā)近海風(fēng)電資源具有顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。近海風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)建造費(fèi)用高、維護(hù)難度大，而且天氣和海洋環(huán)境的制約使機(jī)組故障后難以得到及時(shí)維修，因此提高風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量、減少維護(hù)工作和增加有效發(fā)電時(shí)間對(duì)于近海風(fēng)電資源的開(kāi)發(fā)非常重要。在國(guó)家電力監(jiān)管委員會(huì)發(fā)布的《風(fēng)電安全監(jiān)管報(bào)告(2011第4號(hào))》中，公布了 12家風(fēng)電運(yùn)營(yíng)企業(yè)提供的2010全年風(fēng)電機(jī)組故障分類(lèi)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在合計(jì)約3. 5萬(wàn)臺(tái)次的風(fēng)電機(jī)組故障中，變槳距系統(tǒng)占19. 3%，變頻系統(tǒng)占14. 5%，電氣系統(tǒng)占10. 4%，傳感器占9. 4%，液壓系統(tǒng)占7. 7%，電氣控制系統(tǒng)占6. 8%，發(fā)電機(jī)占6. 7%，偏航系統(tǒng)占6. 4%，齒輪箱占5. 5%，其余部件合計(jì)占13. 3%。上述統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)于風(fēng)電機(jī)組可靠性的提聞具有重要的參考價(jià)值。永磁直驅(qū)和雙饋風(fēng)電機(jī)組是當(dāng)前變速恒頻風(fēng)力發(fā)電的主流機(jī)型。永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組消除了齒輪箱，然而多極低速電機(jī)的尺寸和重量不利于單機(jī)容量的提高，而且永磁體一旦失磁，更換和維護(hù)非常困難。雙饋風(fēng)電機(jī)組的優(yōu)勢(shì)在于電力電子變流器僅需傳遞轉(zhuǎn)差功率，使變流器的容量和成本顯著降低，然而其滑環(huán)和電刷需要經(jīng)常性的維護(hù)，這對(duì)近海風(fēng)電而言是不小的負(fù)擔(dān)?；\型風(fēng)電機(jī)組無(wú)電刷和滑環(huán)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，若應(yīng)用于近海風(fēng)電有利于提高單機(jī)容量、減少海上維護(hù)工作和增加有效發(fā)電時(shí)間。現(xiàn)有籠型風(fēng)電機(jī)組通過(guò)全功率交-直-交變流器實(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電，然而大容量電力電子變流器的價(jià)格昂貴，而且為每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組單獨(dú)配備變流器的方式也較不經(jīng)濟(jì)。此外，根據(jù)前述故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，變頻系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和傳感器故障的比例在各類(lèi)故障中排第2至4位的事實(shí)說(shuō)明變流器及其測(cè)量控制系統(tǒng)的可靠性問(wèn)題也不可忽視。近年來(lái)，美國(guó)通用電氣公司研制了 100麗可變頻率變壓器，并用其成功實(shí)現(xiàn)了加拿大魁北克電網(wǎng)與美國(guó)紐約電網(wǎng)的異步互聯(lián)?？勺冾l率變壓器采用變速調(diào)頻方式取代電力電子變流調(diào)頻，大大降低了電力電子裝置的容量和成本，并且具有更強(qiáng)的過(guò)載能力，該技術(shù)為籠型風(fēng)電機(jī)群的變速發(fā)電提供了新的思路。隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的增加，從維持電網(wǎng)穩(wěn)定的角度出發(fā)，要求風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)能維持不脫網(wǎng)運(yùn)行，即具備低電壓穿越能力?，F(xiàn)有籠型風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越方案分別存在以下問(wèn)題①STATC0M或SVC輸出無(wú)功功率恢復(fù)風(fēng)電場(chǎng)端電壓的方案，由于STATC0M、SVC的無(wú)功功率輸出能力分別與電壓、電壓平方成比例關(guān)系，在電壓跌落期間無(wú)功、輸出能力大大降低，因此需要大容量的無(wú)功補(bǔ)償裝置，導(dǎo)致成本過(guò)高；②采用串聯(lián)動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)器在電網(wǎng)故障期間將風(fēng)電機(jī)組端電壓維持在額定值的方案，由于串聯(lián)動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)器必須吸收并消耗風(fēng)電機(jī)組發(fā)出的大部分有功功率，同樣需要大容量的電力電子裝置；③采用串聯(lián)制動(dòng)電阻提升風(fēng)電場(chǎng)端電壓并吸收過(guò)剩有功功率的方案，由于串聯(lián)制動(dòng)電阻不產(chǎn)生無(wú)功，在負(fù)荷功率因數(shù)較低時(shí)無(wú)法解決暫態(tài)失穩(wěn)問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于考慮上述問(wèn)題而提供一種不僅能增大風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量、降低機(jī)組故障率、減少維護(hù)工作和增加有效發(fā)電時(shí)間，而且能提高風(fēng)能利用率、減小機(jī)械應(yīng)力和輸出功率波動(dòng)的基于可變頻率變壓器的變速風(fēng)電系統(tǒng)。本發(fā)明的另一目的在于提供一種控制簡(jiǎn)單，操作方便的基于可變頻率變壓器的變速風(fēng)電系統(tǒng)的控制方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是本發(fā)明的基于可變頻率變壓器的變速風(fēng)電系統(tǒng)，包括有籠型風(fēng)電機(jī)群、變頻交流母線、升壓變壓器、高壓輸電線、降壓變壓器、可變頻率變壓器、工頻電網(wǎng)，其中籠型風(fēng)電機(jī)群所發(fā)出的變頻交流電匯集在變頻交流母線上，變頻交流母線上的變頻交流電經(jīng)升壓變壓器升壓后通過(guò)高壓輸電線傳輸至降壓變壓器，由降壓變壓器降壓后的變頻交流電進(jìn)入可變頻率變壓器，可變頻率變壓器通過(guò)變速調(diào)頻作用將變頻交流電轉(zhuǎn)換為工頻交流電，且可變頻率變壓器將工頻交流電注入工頻電網(wǎng)。上述可變頻率變壓器包括有同軸機(jī)械連接的雙饋電機(jī)和直流電機(jī)以及直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，其中雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)軸與直流電機(jī)的轉(zhuǎn)軸連接，直流電機(jī)與直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電連接，上述降壓變壓器降壓后的變頻交流電進(jìn)入雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組，雙饋電機(jī)通過(guò)變速調(diào)頻作用將變頻交流電轉(zhuǎn)換為工頻交流電，雙饋電機(jī)的定子繞組將工頻交流電注入工頻電網(wǎng)。上述變頻交流母線還連接有動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置。上述直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器還連接有不間斷電源。本發(fā)明基于可變頻率變壓器的變速風(fēng)電系統(tǒng)的控制方法，上述籠型風(fēng)電機(jī)群轉(zhuǎn)速的控制方法通過(guò)直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩控制雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制變頻交流母線的頻率，使籠型風(fēng)電機(jī)群的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)的最大功率輸出。上述籠型風(fēng)電機(jī)群的轉(zhuǎn)速控制方法的具體步驟如下
1)根據(jù)測(cè)得的各臺(tái)風(fēng)力機(jī)所在位置的風(fēng)速，綜合計(jì)算實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)最大功率輸出時(shí)變頻交流母線的最優(yōu)頻率，從而計(jì)算可變頻率變壓器的轉(zhuǎn)速參考值；
2)根據(jù)可變頻率變壓器的轉(zhuǎn)速參考值與測(cè)量值的偏差產(chǎn)生直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩的指令值，實(shí)現(xiàn)對(duì)可變頻率變壓器轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制，從而間接控制籠型風(fēng)電機(jī)群的轉(zhuǎn)速跟隨平均最優(yōu)風(fēng)速變化，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)的最大功率輸出。上述變頻交流母線的電壓幅值的控制方法通過(guò)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的無(wú)功功率控制變頻交流母線的電壓幅值，使其與母線頻率的比例維持恒定。上述變頻交流母線的電壓幅值的控制方法的具體步驟如下
1)采用鎖相環(huán)技術(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量變頻交流母線的頻率，根據(jù)可變頻率變壓器轉(zhuǎn)子繞組頻率和電壓的比例關(guān)系計(jì)算變頻交流母線的電壓幅值的參考值；
2)根據(jù)變頻交流母線的電壓幅值的參考值與測(cè)量值的偏差產(chǎn)生動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的無(wú)功功率的指令值，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻交流母線的電壓幅值的閉環(huán)控制。上述低電壓穿越控制方法是電網(wǎng)電壓跌落期間由不間斷電源維持直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的正常運(yùn)行，通過(guò)控制可變頻率變壓器的轉(zhuǎn)速使變頻交流母線的頻率隨籠型風(fēng)電機(jī)群的轉(zhuǎn)速變化，使籠型風(fēng)電機(jī)群的轉(zhuǎn)差率維持在額定值，使其在電網(wǎng)故障清除后能迅速恢復(fù)電磁轉(zhuǎn)矩并減少無(wú)功功率消耗，從而避免籠型風(fēng)電機(jī)群的轉(zhuǎn)速和端電壓失穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。上述低電壓穿越控制方法的具體步驟如下
1)在檢測(cè)到工頻電網(wǎng)的電壓跌落后，修改可變頻率變壓器的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的目標(biāo)，將測(cè)得的籠型風(fēng)電機(jī)群(I)的平均轉(zhuǎn)速減去額定轉(zhuǎn)差作為變頻交流母線的期望頻率，并計(jì)算相應(yīng)的可變頻率變壓器的轉(zhuǎn)速參考值，從而控制變頻交流母線的頻率隨風(fēng)電機(jī)群的轉(zhuǎn)速上升，將轉(zhuǎn)差率維持在額定值附近；
2)根據(jù)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置中電力電子器件的參數(shù)設(shè)置輸出電流上限以防止過(guò)流，動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的控制目標(biāo)設(shè)置為控制變頻交流母線的電壓幅值跟蹤給定參考值，或根據(jù)電網(wǎng)需求輸出無(wú)功功率以加快電網(wǎng)電壓恢復(fù)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)
1)本發(fā)明采用無(wú)電刷和滑環(huán)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠的籠型風(fēng)電機(jī)組，有利于提高風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量、減少維護(hù)工作和增加有效發(fā)電時(shí)間；
2)本發(fā)明采用可變頻率變壓器實(shí)現(xiàn)籠型風(fēng)電機(jī)群的變速變頻發(fā)電，有利于提高風(fēng)能利用率、減小機(jī)械應(yīng)力和輸出功率波動(dòng)，同時(shí)大大降低電力電子裝置的容量和成本，提高耐過(guò)電流和過(guò)電壓的能力；
3)本發(fā)明針對(duì)籠型風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)轉(zhuǎn)速和端電壓失穩(wěn)的根本原因，通過(guò)控制變頻交流母線頻率隨籠型風(fēng)電機(jī)群轉(zhuǎn)速上升的方式防止轉(zhuǎn)差越限，從而實(shí)現(xiàn)低電壓穿越，大大降低了動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的容量和成本，具有很高的性?xún)r(jià)比；
4)本發(fā)明由于可變頻率變壓器的固有特性，變頻交流母線電壓的幅值將隨頻率上升，有利于提高系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置和固定電容器組的無(wú)功功率輸出能力，更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電壓的支撐。本發(fā)明是一種不僅能增大風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量、降低機(jī)組故障率、減少維護(hù)工作和增加有效發(fā)電時(shí)間，而且能提高風(fēng)能利用率、減小機(jī)械應(yīng)力和輸出功率波動(dòng)的基于可變頻率變壓器的變速風(fēng)電系統(tǒng)。本發(fā)明的控制方法控制簡(jiǎn)單，操作方便。


圖I為本發(fā)明的原理圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例
本發(fā)明的原理圖如圖I所示，本發(fā)明的基于可變頻率變壓器的變速風(fēng)電系統(tǒng)，包括有籠型風(fēng)電機(jī)群I、變頻交流母線2、升壓變壓器4、高壓輸電線5、降壓變壓器6、可變頻率變壓器10、工頻電網(wǎng)12，其中籠型風(fēng)電機(jī)群I所發(fā)出的變頻交流電匯集在變頻交流母線2上，變頻交流母線2上的變頻交流電經(jīng)升壓變壓器4升壓后通過(guò)高壓輸電線5傳輸至降壓變壓器6，由降壓變壓器6降壓后的變頻交流電進(jìn)入可變頻率變壓器10，可變頻率變壓器10通過(guò)變速調(diào)頻作用將變頻交流電轉(zhuǎn)換為工頻交流電，且可變頻率變壓器10將工頻交流電注入工頻電網(wǎng)12。 本實(shí)施例中，上述可變頻率變壓器10包括有同軸機(jī)械連接的雙饋電機(jī)7和直流電機(jī)8以及直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器9，其中雙饋電機(jī)7的轉(zhuǎn)軸與直流電機(jī)8的轉(zhuǎn)軸連接，直流電機(jī)8與直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器9電連接，上述降壓變壓器6降壓后的變頻交流電進(jìn)入雙饋電機(jī)7的轉(zhuǎn)子繞組，雙饋電機(jī)7通過(guò)變速調(diào)頻作用將變頻交流電轉(zhuǎn)換為工頻交流電，雙饋電機(jī)7的定子繞組將工頻交流電注入工頻電網(wǎng)12。此外，上述變頻交流母線2還連接有動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置3。另外，上述直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器9還連接有不間斷電源11。本發(fā)明基于可變頻率變壓器的變速風(fēng)電系統(tǒng)的控制方法，上述籠型風(fēng)電機(jī)群I轉(zhuǎn)速的控制方法通過(guò)直流電機(jī)8的驅(qū)動(dòng)力矩控制雙饋電機(jī)7的轉(zhuǎn)速，從而控制變頻交流母線2的頻率,使籠型風(fēng)電機(jī)群I的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化,實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)的最大功率輸出。本實(shí)施例中，上述籠型風(fēng)電機(jī)群I的轉(zhuǎn)速控制方法的具體步驟如下
1)根據(jù)測(cè)得的各臺(tái)風(fēng)力機(jī)所在位置的風(fēng)速，綜合計(jì)算實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)最大功率輸出時(shí)變頻交流母線2的最優(yōu)頻率，從而計(jì)算可變頻率變壓器10的轉(zhuǎn)速參考值；
2)根據(jù)可變頻率變壓器10的轉(zhuǎn)速參考值與測(cè)量值的偏差產(chǎn)生直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩的指令值，實(shí)現(xiàn)對(duì)可變頻率變壓器10轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制，從而間接控制籠型風(fēng)電機(jī)群I的轉(zhuǎn)速跟隨平均最優(yōu)風(fēng)速變化，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)的最大功率輸出。本實(shí)施例中，上述變頻交流母線2的電壓幅值的控制方法通過(guò)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置3的無(wú)功功率控制變頻交流母線2的電壓幅值，使其與母線頻率的比例維持恒定。本實(shí)施例中，上述變頻交流母線2的電壓幅值的控制方法的具體步驟如下
1)采用鎖相環(huán)技術(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量變頻交流母線2的頻率，根據(jù)可變頻率變壓器10的轉(zhuǎn)子繞組頻率和電壓的比例關(guān)系計(jì)算變頻交流母線2的電壓幅值的參考值；
2)根據(jù)變頻交流母線2的電壓幅值的參考值與測(cè)量值的偏差產(chǎn)生動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置3的無(wú)功功率的指令值，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻交流母線2的電壓幅值的閉環(huán)控制。上述低電壓穿越控制方法是電網(wǎng)電壓跌落期間由不間斷電源11維持直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器9的正常運(yùn)行，通過(guò)控制可變頻率變壓器10的轉(zhuǎn)速使變頻交流母線2的頻率隨籠型風(fēng)電機(jī)群I的轉(zhuǎn)速變化，使籠型風(fēng)電機(jī)群I的轉(zhuǎn)差率維持在額定值，使其在電網(wǎng)故障清除后能迅速恢復(fù)電磁轉(zhuǎn)矩并減少無(wú)功功率消耗，從而避免籠型風(fēng)電機(jī)群I的轉(zhuǎn)速和端電壓失穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。本實(shí)施例中，上述低電壓穿越控制方法的具體步驟如下
1)在檢測(cè)到工頻電網(wǎng)12的電壓跌落后，修改可變頻率變壓器10的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的目標(biāo)，將測(cè)得的籠型風(fēng)電機(jī)群I的平均轉(zhuǎn)速減去額定轉(zhuǎn)差作為變頻交流母線2的期望頻率，并計(jì)算相應(yīng)的可變頻率變壓器10的轉(zhuǎn)速參考值，從而控制變頻交流母線2的頻率隨風(fēng)電機(jī)群I的轉(zhuǎn)速上升，將轉(zhuǎn)差率維持在額定值附近；
2)根據(jù)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置3中電力電子器件的參數(shù)設(shè)置輸出電流上限以防止過(guò)流，動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置3的控制目標(biāo)可以設(shè)置為控制控制變頻交流母線2的電壓幅值跟蹤給定參考值，或根據(jù)電網(wǎng)需求輸出無(wú)功功率以加快電網(wǎng)電壓恢復(fù)。
本發(fā)明的工作原理如下籠型風(fēng)電機(jī)群I所發(fā)出的變頻交流電匯集在變頻交流母線2上，變頻交流母線2上的變頻交流電經(jīng)升壓變壓器4升壓后通過(guò)高壓輸電線5傳輸至降壓變壓器6，由降壓變壓器6降壓后的變頻交流電進(jìn)入可變頻率變壓器10中的雙饋電機(jī)7的轉(zhuǎn)子繞組，雙饋電機(jī)7通過(guò)變速調(diào)頻作用將變頻交流電轉(zhuǎn)換為工頻交流電，雙饋電機(jī)7的定子繞組將工頻交流電注入工頻電網(wǎng)12。另外，本發(fā)明通過(guò)直流電機(jī)控制雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)變頻交流母線頻率，使籠型風(fēng)電機(jī)群轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速變化，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)的最大功率輸出，通過(guò)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置控制變頻交流母線電壓幅值；此外，電 網(wǎng)電壓跌落期間，控制變頻交流母線頻率隨籠型風(fēng)電機(jī)群轉(zhuǎn)速上升以防止轉(zhuǎn)差率越限，從而實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。本發(fā)明采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠的籠型風(fēng)電機(jī)組，有利于提高單機(jī)容量、減少維護(hù)工作和增加有效發(fā)電時(shí)間；本發(fā)明籠型風(fēng)電機(jī)群運(yùn)行于變速變頻方式，有利于提高風(fēng)能利用率、減小機(jī)械應(yīng)力和輸出功率波動(dòng)；本發(fā)明通過(guò)提高變頻交流母線頻率實(shí)現(xiàn)低電壓穿越的方法可大大減小動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的容量，具有很高的性?xún)r(jià)比。本發(fā)明為近海風(fēng)電資源的大規(guī)模開(kāi)發(fā)、現(xiàn)有恒速風(fēng)電場(chǎng)的升級(jí)改造提供一種經(jīng)濟(jì)、可靠的方案。
權(quán)利要求
1.一種基于可變頻率變壓器的變速風(fēng)電系統(tǒng)，其特征在于包括有籠型風(fēng)電機(jī)群(I)、變頻交流母線(2)、升壓變壓器(4)、高壓輸電線(5)、降壓變壓器￠)、可變頻率變壓器(10)、工頻電網(wǎng)(12)，其中籠型風(fēng)電機(jī)群(I)所發(fā)出的變頻交流電匯集在變頻交流母線(2)上，變頻交流母線(2)上的變頻交流電經(jīng)升壓變壓器(4)升壓后通過(guò)高壓輸電線(5)傳輸至降壓變壓器(6)，由降壓變壓器(6)降壓后的變頻交流電進(jìn)入可變頻率變壓器(10)，可變頻率變壓器(10)通過(guò)變速調(diào)頻作用將變頻交流電轉(zhuǎn)換為工頻交流電，且可變頻率變壓器(10)將工頻交流電注入工頻電網(wǎng)(12)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于可變頻率變壓器的變速風(fēng)電系統(tǒng)，其特征在于上述可變頻率變壓器(10)包括有同軸機(jī)械連接的雙饋電機(jī)(7)和直流電機(jī)(8)以及直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(9)，其中雙饋電機(jī)(7)的轉(zhuǎn)軸與直流電機(jī)⑶的轉(zhuǎn)軸連接，直流電機(jī)⑶與直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(9)電連接，上述降壓變壓器(6)降壓后的變頻交流電進(jìn)入雙饋電機(jī)(7)的轉(zhuǎn)子繞組，雙饋電機(jī)(7)通過(guò)變速調(diào)頻作用將變頻交流電轉(zhuǎn)換為工頻交流電，雙饋電機(jī)(7)的定子繞組將工頻交流電注入工頻電網(wǎng)(12)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于可變頻率變壓器的變速風(fēng)電系統(tǒng)，其特征在于上述變頻交流母線(2)還連接有動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置(3)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的基于可變頻率變壓器的變速風(fēng)電系統(tǒng)，其特征在于上述直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(9)還連接有不間斷電源(11)。
5.一種根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于可變頻率變壓器的變速風(fēng)電系統(tǒng)的控制方法，其特征在于上述籠型風(fēng)電機(jī)群(I)轉(zhuǎn)速的控制方法通過(guò)直流電機(jī)(8)的驅(qū)動(dòng)力矩控制雙饋電機(jī)(7)的轉(zhuǎn)速，從而控制變頻交流母線(2)的頻率，使籠型風(fēng)電機(jī)群(I)的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)的最大功率輸出。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于可變頻率變壓器的變速風(fēng)電系統(tǒng)的控制方法，其特征在于上述籠型風(fēng)電機(jī)群(I)的轉(zhuǎn)速控制方法的具體步驟如下 1)根據(jù)測(cè)得的各臺(tái)風(fēng)力機(jī)所在位置的風(fēng)速，綜合計(jì)算實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)最大功率輸出時(shí)變頻交流母線(2)的最優(yōu)頻率，從而計(jì)算可變頻率變壓器(10)的轉(zhuǎn)速參考值； 2)根據(jù)可變頻率變壓器(10)轉(zhuǎn)速參考值與測(cè)量值的偏差產(chǎn)生直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩的指令值，實(shí)現(xiàn)對(duì)可變頻率變壓器(10)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制，從而間接控制籠型風(fēng)電機(jī)群(I)的轉(zhuǎn)速跟隨平均最優(yōu)風(fēng)速變化，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)的最大功率輸出。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于可變頻率變壓器的變速風(fēng)電系統(tǒng)的控制方法，其特征在于上述變頻交流母線(2)的電壓幅值的控制方法通過(guò)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置(3)的無(wú)功功率控制變頻交流母線(2)的電壓幅值，使其與母線頻率的比例維持恒定。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于可變頻率變壓器的變速風(fēng)電系統(tǒng)的控制方法，其特征在于上述變頻交流母線(2)的電壓幅值的控制方法的具體步驟如下 1)采用鎖相環(huán)技術(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量變頻交流母線⑵的頻率，根據(jù)可變頻率變壓器(10)的轉(zhuǎn)子繞組頻率和電壓的比例關(guān)系計(jì)算變頻交流母線(2)的電壓幅值的參考值； 2)根據(jù)變頻交流母線(2)的電壓幅值的參考值與測(cè)量值的偏差產(chǎn)生動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置(3)的無(wú)功功率的指令值，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻交流母線(2)的電壓幅值的閉環(huán)控制。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于可變頻率變壓器的變速風(fēng)電系統(tǒng)的控制方法，其特征在于上述低電壓穿越控制方法是電網(wǎng)電壓跌落期間由不間斷電源(11)維持直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(9)的正常運(yùn)行，通過(guò)控制可變頻率變壓器(10)的轉(zhuǎn)速使變頻交流母線(2)的頻率隨籠型風(fēng)電機(jī)群(I)的轉(zhuǎn)速變化，使籠型風(fēng)電機(jī)群(I)的轉(zhuǎn)差率維持在額定值，使其在電網(wǎng)故障清除后能迅速恢復(fù)電磁轉(zhuǎn)矩并減少無(wú)功功率消耗，從而避免籠型風(fēng)電機(jī)群(I)的轉(zhuǎn)速和端電壓失穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于可變頻率變壓器的變速風(fēng)電系統(tǒng)的控制方法，其特征在于上述低電壓穿越控制方法的具體步驟如下 . 1)在檢測(cè)到工頻電網(wǎng)(12)的電壓跌落后，修改可變頻率變壓器(10)的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的目標(biāo)，將測(cè)得的籠型風(fēng)電機(jī)群(I)的平均轉(zhuǎn)速減去額定轉(zhuǎn)差作為變頻交流母線(2)的期望頻率，并計(jì)算相應(yīng)的可變頻率變壓器(10)的轉(zhuǎn)速參考值，從而控制變頻交流母線(2)的頻率隨風(fēng)電機(jī)群(I)的轉(zhuǎn)速上升，將轉(zhuǎn)差率維持在額定值附近； . 2)根據(jù)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置(3)中電力電子器件的參數(shù)設(shè)置輸出電流上限以防止過(guò)流，動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置(3)的控制目標(biāo)設(shè)置為控制變頻交流母線(2)的電壓幅值跟蹤給定參考值，或根據(jù)電網(wǎng)需求輸出無(wú)功功率以加快電網(wǎng)電壓恢復(fù)。
全文摘要
本發(fā)明是一種基于可變頻率變壓器的變速風(fēng)電系統(tǒng)及其控制方法。包括籠型風(fēng)電機(jī)群、變頻交流母線、升壓變壓器、高壓輸電線、降壓變壓器、可變頻率變壓器、工頻電網(wǎng)，籠型風(fēng)電機(jī)群所發(fā)出的變頻交流電匯集在變頻交流母線上，變頻交流母線上的變頻交流電經(jīng)升壓變壓器升壓后通過(guò)高壓輸電線傳輸至降壓變壓器，由降壓變壓器降壓后的變頻交流電進(jìn)入可變頻率變壓器，可變頻率變壓器將變頻交流電轉(zhuǎn)換為工頻交流電，且將工頻交流電注入工頻電網(wǎng)。本發(fā)明的基于可變頻率變壓器的變速風(fēng)電系統(tǒng)不僅能增大風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量、降低機(jī)組故障率、減少維護(hù)工作和增加有效發(fā)電時(shí)間，而且能提高風(fēng)能利用率、減小機(jī)械應(yīng)力和輸出功率波動(dòng)；本發(fā)明的控制方法控制簡(jiǎn)單，操作方便。
文檔編號(hào)H02J3/38GK102624026SQ20121007981
公開(kāi)日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月23日
發(fā)明者張宙, 張淼, 楊俊華, 王家聰, 章云, 陳思哲 申請(qǐng)人:廣東工業(yè)大學(xué)