一种分频输电用定子控制型双馈风机系统及其控制方法 |
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| 申请号 | CN202410050265.6 | 申请日 | 2024-01-12 | 公开(公告)号 | CN117879416A | 公开(公告)日 | 2024-04-12 |
| 申请人 | 西安交通大学; | 发明人 | 贾少锋; 林俊; 袁志东; 梁得亮; 王曙鸿; 王秀丽; 王锡凡; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种分频输电用 定子 控制型双馈 风 机系统及其控制方法，包括风轮机组、 齿轮 箱、双馈 风 力 发 电机 、交‑直‑交变流器、分频 电网 、第二 变压器 及第一变压器；双馈风力发电机的 转子 绕组通过第一变压器与分频电网相连，双馈风力发电机的定子绕组通过交‑直‑交变流器及第二变压器与分频电网相连，风轮机组的 输出轴 与齿轮箱的输入相连接，齿轮箱的输出轴与双馈风力发电机的 驱动轴 相连接，该系统及其控制方法解决分频输电系统用风力发电机的成本及体积问题。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种分频输电用定子控制型双馈风机系统，其特征在于，包括风轮机组(1)、齿轮箱(2)、双馈风力发电机(3)、交‑直‑交变流器(4)、分频电网(6)、第二变压器(5)及第一变压器(7)； |
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| 说明书全文 | 一种分频输电用定子控制型双馈风机系统及其控制方法技术领域背景技术[0002] 随着化石能源日益枯竭、全球气候环境问题日益严峻，传统火力发电等能源形式面临着巨大挑战。发展以风能为代表的新型可再生清洁能源是缓解上述问题的重要手段。而风力富集地区大多为远离用电负荷区的沙漠、海洋等地，这就导致了风电的普及伴随着远距离输电的难点。由于较大的工频线路电抗，传统交流输电在远距离输电时容量受限。在此基础上，西安交通大学王锡凡院士提出了三分频输电的思想，通过降低输电系统的频率来降低电抗，从而提升输电容量，较为适用于远距离电能传输。 [0003] 可以输出工频三分之一频率的风力发电机是分频输电系统中重要的一环。相关研究得出，永磁同步发电机与双馈异步发电机在理论上均可以用于分频系统，但都存在一些缺点。其中，永磁同步发电机输出电压频率随着风速变化而变化，需要通过全功率变流器才能输出恒压恒频的交流电接入电网，成本高昂且控制复杂。传统转子控制型双馈电机通过定子绕组直接接入分频电网，转子绕组通过变流器接入电网，如果将传统双馈电机直接应用于分频输电系统，这将导致定子频率过低从而使额定转速过低，由电机主要尺寸公式可知，这会使电机体积过大，增加成本的同时不利于风机塔架的铺设。 发明内容[0004] 本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种分频输电用定子控制型双馈风机系统及其控制方法，该系统及其控制方法解决分频输电系统用风力发电机的成本及体积问题。 [0006] 双馈风力发电机的转子绕组通过第一变压器与分频电网相连，双馈风力发电机的定子绕组通过交‑直‑交变流器及第二变压器与分频电网相连，风轮机组的输出轴与齿轮箱的输入相连接，齿轮箱的输出轴与双馈风力发电机的驱动轴相连接。 [0008] 第一变压器经第二断路器/隔离开关与分频电网相连接。 [0009] 第二变压器经第三断路器/隔离开关与分频电网相连接。 [0010] 风轮机组的输出轴通过转轴与齿轮箱的输入相连接。 [0011] 本发明公开了一种分频输电用定子控制型双馈风机系统的控制方法，包括以下步骤： [0012] 当风轮机组的转速变化，导致双馈风力发电机的转速变化时，通过调节交‑直‑交变流器，以调整定子侧电压的相位及幅值，继而保持转子侧恒压恒频输出。 [0013] 以超同步运行为例，当外界风力变化导致风轮机组转速上升时，则转子转速同步上升，此时控制交‑直‑交变流器，使定子的电压电流频率f1上升，从而使转子的电压电流频率保持不变，同时，根据电流与磁势的关系，调节交‑直‑交变流器，使定子的电流幅值不变，以保持定子的磁势不变，从而使转子侧的感应电压幅值不变。 [0014] 当外界风力变化导致风轮机组转速下降时，则转子转速同步下降，此时调整交‑直‑交变流器的开关频率，使定子的电压电流频率f1下降，从而使转子的电压电流频率保持不变；同时，根据电流与磁势的关系，调节交‑直‑交变流器，使定子的电流幅值不变，以保持定子磁势不变，从而使转子侧的感应电压幅值不变。 [0015] 分频电网为三分频电网。 [0016] 本发明具有以下有益效果： [0017] 本发明所述的分频输电用定子控制型双馈风机系统及其控制方法在具体操作时，采用转子绕组直接连接分频电网，定子电压频率与工频接近，因此发电机可以直接使用传统工频电网下的双馈风力发电机，且输出功率等性能与工频下差异较小，同时也具有变速恒频等特性，解决分频输电系统用风力发电机的成本及体积问题。另外，当风轮机组的转速变化，导致双馈风力发电机的转速变化时，通过调节交‑直‑交变流器，以调整定子侧电压的相位及幅值，继而保持转子侧恒压恒频输出。附图说明 [0018] 图1为现有技术的结构图； [0019] 图2为本发明的结构图； [0020] 图3为额定工况下转子输出电压电流的波形图。 [0021] 其中，1为风轮机组、2为齿轮箱、3为双馈风力发电机、4为交‑直‑交变流器、5为第二变压器、6为分频电网、7为第一变压器。 具体实施方式[0022] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。 [0023] 在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。 [0024] 参考图1，双馈风力发电机3与绕线式异步电机基本相同，含有定转子两套绕组，传统转子控制型接线方式中，定子绕组通过变压器直接与分频电网6相连，转子绕组通过变流器及变压器与电网相连。 [0025] 参考图2，本发明所述分频输电用定子控制型双馈风机系统包括风轮机组1、齿轮箱2、双馈风力发电机3、交‑直‑交变流器4、第二变压器5、分频电网6及第一变压器7； [0026] 双馈风力发电机3的转子绕组通过第一变压器7与分频电网6相连，双馈风力发电机3的定子绕组通过交‑直‑交变流器4及第二变压器5与分频电网6相连，风轮机组1的输出轴通过转轴与齿轮箱2的输入相连接，齿轮箱2的输出轴与双馈风力发电机3的驱动轴相连接。 [0027] 双馈风力发电机3的定子绕组经第一断路器/隔离开关与交‑直‑交变流器4相连接；第一变压器7经第二断路器/隔离开关与分频电网6相连接；第二变压器5经第三断路器/隔离开关与分频电网6相连接。 [0028] 需要说明的是，转子绕组需要直接连接电网，因此所述转子绕组为恒定三分频输出；定子绕组为控制侧，通过变流器接入电网，因此定子绕组频率可变，且与电网频率之间存在转差率绝对值的倍数关系。 [0029] 参考图2，本发明所述分频输电用定子控制型双馈风机系统的控制方法包括： [0030] 在正常运行时，风轮机组1的转速是变化的，从而导致双馈风力发电机3的转速变化，此时，可以通过调节交‑直‑交变流器4，从而调整定子侧电压的相位及幅值，以保持转子侧恒压恒频输出。 [0031] 转子侧保持恒压恒频输出的原理为： [0032] 为定子控制，定转子电压频率之间的数值关系为： [0033] [0034] 超同步运行与亚同步运行类似，此处说明以超同步运行工况为例。在额定转速工作时，转子转速不变，此时定转子输出端皆为恒频恒压输出。 [0035] 当外界风力变化导致风轮机组1转速上升时，则转子转速同步上升，此时控制交‑直‑交变流器4，使定子的电压电流频率f1上升，从而使转子的电压电流频率保持不变。同时，根据电流与磁势的关系，调节交‑直‑交变流器4，使定子的电流幅值不变，即可保持定子的磁势不变，从而使转子侧的感应电压幅值不变。 [0036] 当外界风力变化导致风轮机组1转速下降时，则转子转速同步下降，此时调整交‑直‑交变流器4的开关频率，使定子的电压电流频率f1下降，从而使转子的电压电流频率保持不变。同时，根据电流与磁势的关系，调节交‑直‑交变流器4，使定子的电流幅值不变，即可保持定子磁势不变，使转子侧的感应电压幅值不变。 [0037] 实施例一 [0038] 参考图2，本实施例采用一台定子72槽转子96槽、两对极的双馈风力发电机3作为实例，转子通过第一变压器7连接到分频电网6，定子通过交‑直‑交变流器4及第二变压器5连接到分频电网6，分频电网6为三分频电网。 [0039] 参考图3，本发明所述双馈风力发电机3在额定工况下的转子输出电压频率为三分频。 [0040] 转子直接连接三分频电网，则定子的电流频率接近于工频，而当极数一定时，转速与频率成正比，因此转子的实际转速接近工频下的转速。由主要尺寸公式知，该双馈风力发电机3与相同功率等级的传统工频双馈风力发电机的体积参数基本相同。 [0041] 发电机变速恒频的原理： [0042] 定转子电压频率间的数值关系为： [0043] [0044] 超同步运行与亚同步运行类似，此处说明，以超同步运行工况为例。在额定转速工作时，转子转速不变，此时定转子输出端皆为恒频恒压输出。 [0045] 当转速变大时，调整交‑直‑交变流器4，使定子的电压电流频率f1上升，从而使转子得电压电流频率保持不变。同时，根据电流与磁势的关系，保持定子侧的电流源幅值不变，即可保持定子的磁势不变，从而使转子侧的电压幅值不变。 [0046] 当转速变小时，调整交‑直‑交变流器4，使定子的电压电流频率f1下降，从而使转子的电压电流频率保持不变。同时，根据电流与磁势的关系，保持定子侧的电流源幅值不变，即可保持定子磁势不变，从而使转子侧电压幅值不变。 [0047] 结合以上实例，本发明能够直接使用传统工频电网中的双馈风力发电机3，并且能够较好地适用于分频输电系统。 |
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