专利名称：双重单元风力发电并网系统及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种电力电子应用技术和新能源发电并网技术，特别是一种双重单元的风力发电并网系统及其控制方法。
背景技术：
随着风能技术和电力电子技术的进步，叶片变桨距技术和风电机变速恒频技术在兆瓦级风电机组中得到广泛的应用，全球新安装的风电机组中，有90%以上的风电机组已采用变桨变速恒频技术，以实现最大风能跟踪，满足宽速度范围的高效率运行。为了最大限度地捕捉风能，风力发电系统常采用最大功率跟踪控制根据风轮机特性，在某一风速下，使得发电机运行于某一转速，从而最大限度地捕获风能，输出最大的电功率。目前，用于风力发电的变速恒频发电系统有多种，其典型的是异步双馈风力发电系统、电励磁同步风力发电系统和直驱式永磁同步风力发电系统。从功率主回路的结构而言，目前仍以双PWM、不可控整流-DC/DC-PWM逆变并网的形式为主，以提高网侧电流质量、改善并网系统的功率因数。2009年7月，黄苏融、张琪、洪文成、丁烜明、谢国栋提出《独立磁路混合励磁电机》，中国发明专利(No. ZL 200810032392.4)。2010年6月，黄苏融、洪文成、张琪、邹海晏提出《混合励磁风力发电系统的最大功率跟踪与母线电压协调控制方法》，中国发明专利 (No. 200810200814. 4)。
发明内容
本发明的目的在于针对新型双重电枢独立磁路混合励磁同步发电机，提出一种双重单元风力发电并网系统及其控制方法。采用电力电子器件组成的双重单元工作模式切换装置，可灵活地在线改变双重整流和逆变单元的运行模式。当风速在小范围波动时，通过调节混合励磁发电机的电励磁电流，当风速在较大范围波动时，通过改变运行模式，达到直流整流电压恒定的目的，有效地扩大了风能捕捉范围，实现最大功率跟踪。为达到上述目的，本发明的构思是双重单元风力发电并网系统采用双重电枢绕组混合励磁同步发电机与风轮机直接相连，同步发电机各电枢绕组发出的交变感应电势经不可控整流桥后输出直流电压。通过调节电励磁电流来调节气隙磁场的大小、实现磁场平滑可调。通过双重单元工作模式切换装置使双重不可控整流桥工作在独立工作模式或串联工作模式、双重并网逆变单元工作在独立工作模式或并联工作模式。当风速较高，发电机转速较高，双重电枢混合励磁同步发电机的感应电动势经过不可控整流桥输出的直流电压较高，两套并网逆变单元独立并网发电。随着转速降低，逐步投入电励磁，以保证足够高的直流侧电压，使电网侧逆变单元能正常、可靠地工作。当投入最大的电励磁后都无法使并网逆变单元工作，将两套电枢绕组经过不可控整流桥之后输出直流电压串联，抬高直流母线电压，使并网逆变单元继续运行，扩大系统正场运行的风速范围。根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案
一种双单元风力发电并网系统如图1所示，包括风力机(1)、双重电枢绕组混合励磁同步发电机(2)，第一和第二不可控整流单元(3、4)、第一和第二并网逆变单元(5、6)、双重单元工作模式切换装置(7 )和电励磁控制单元(8 )，其特征在于
1)所述风力机(1)和双重电枢绕组混合励磁同步发电机(2 )组成的发电机组的电枢绕组，连接至所述第一和第二不可控整流单元(3、4)，第一和第二不可控整流单元(3、4)的输出电压经多重单元工作模式切换装置(7)，连接至第一和第二并网逆变单元(5、6)，由第一和第二并网逆变单元(5、6)将发电机组发出的能量馈至电网(9)。2 )所述电励磁控制单元(8 )直接连接至双重电枢绕组混合励磁同步发电机(2 )的电励磁绕组，采用直流PWM方式控制电励磁电流。上述双重单元工作模式切换装置，如图2所示，其电路结构
1)由第一和第二限流电阻(R1、R2)与第一和第二短路接触器(J1、J2)分别并联组成第一和第二动态限流单元(U1、U2)。2) 一个第一可控开关器件(Gl)连接第一不可控整流单元(3)的负端(_)和第二不可控整流单元(4)的正端(+ )；—个第二可控开关器件(G2)与第一不可控电力二极管 (D5)串联后，经第一动态限流单元(Ul)连接第一不可控整流单元(3)的正端(+ )和第二并网逆变单元(6)的正端(+ ); —个第三可控开关器件(G3)与第二不可控电力二极管(D6)串联后，经第二动态限流单元(U2)连接第二不可控整流单元(4)的负端(-)和第一并网逆变单元(5)的负端(-)。一种用于上述并网系统的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤
1)当风速较高时，双重单元工作模式切换装置处于独立运行模式，双重电枢绕组混合励磁同步发电机(2)电枢绕组输出的能量经第一和第二不可控整流单元(3和4)第一和第二并网逆变单元(5和6)，将能量馈入三相电网；
2)当风速较低时，第一和第二不可控整流单元(3和4)处于串联运行模式，第一和第二并网逆变单元(5和6)处于单套运行模式或并联运行模式；
3)当风速在小范围波动时，调节混合励磁同步发电机的电励磁电流，保持整流单元输出直流电压恒定。上述方法中，所述双重单元工作模式切换装置处于各种运行模式的控制方法为
1)第一可控开关器件(G1)、第二可控开关器件(G2)和第三可控开关器件(G3)全部关断，第一不可控整流单元(3)与第一并网逆变单元(5)连接，第二不可控整流单元(4)与第二并网逆变单元(6)连接，两套整流和并网逆变单元处于独立运行模式；
2)第一可控开关器件(Gl)开通，第一和第二不可控整流单元(3和4)处于串联运行模式，等效整流单元(3和4串联)的输出电压是单个整流单元输出电压的2倍。3)整流单元处于串联运行模式，第二或第三可控开关器件(G2或G3)开通、第三或第二可控开关器件(G3或G2)关断，等效整流单元(3和4串联)给第一或第二并网逆变单元(5或6)供电，而另一第二或第一并网逆变单元(6或5)应处于关闭状态，并网逆变单元处于单套运行模式。4)整流单元处于串联运行模式，第二和第三可控开关器件(G2和G3)开通，等效整流单元(3和4串联)给第一和第二并网逆变单元5和6供电，两套并网逆变单元处于并联运行模式。5)整流单元在独立运行模式和串联运行模式的切换过程中，应投入第一或第二动态限流单元(Ul或U2)，第一或第二短路接触器(Jl或J2)断开，接入第一或第二限流电阻 (Rl或R2)。待切换完成，整流单元输出电压与并网逆变单元供电电压平衡，第一或第二短路接触器(Jl或J2)闭合，切除第一或第二限流电阻(Rl或R2)。本发明与现有技术相比的突出的实质性特点和显著优点
1) 采用混合励磁同步发电机的方案，通过电励磁调节发电机输出电压，发电机侧只需采用电力二极管组成的整流桥，无需直流/直流变换器，线路结构简单。采用电励磁电流闭环控制，动态性能好，稳态精度高。2)采用双重电枢绕组、双重整流和双重逆变单元的方案，避免了电力电子器件的直接并联，提高了系统的可靠性，增加了系统的冗余度。3)用电力电子器件构成双重单元工作模式切换装置，具有切换速度快、安全可靠等优点，能适应风速频繁、快速的变化。4)采用上述方案，有效地扩大了风能的捕捉范围，实现最大功率跟踪。
图1是双重单元风力发电并网系统结构图。图2是双重单元工作模式切换装置图。图3是独立工作模式等效电路图。图4是不可控整流单元串联、并网逆变单元单套工作模式等效电路图。图5是不可控整流单元串联、并网逆变单元并联工作模式等效电路图。
具体实施例方式本发明的优选实施例结合
如下 实施例一
本双重单元风力发电并网系统如图1所示，第一和第二不可控整流单元(3、4)由6个电力二极管按三相桥式连接，第一和第二并网逆变单元(5、6)由6个带有反并联电力二极管的IGBT模块按三相桥式连接，第一和第二并网逆变单元(5、6)输出端串联三相电抗器。 风力机(1)和双重电枢绕组混合励磁同步发电机(2)机械同轴连接，发电机组的电枢绕组， 连接至第一和第二不可控整流单元(3、4)，第一和第二不可控整流单元(3、4)的输出电压经双重单元工作模式切换装置(7)，连接至第一和第二并网逆变单元(5、6)，由第一和第二并网逆变单元(5、6)将发电机组发出的能量馈至电网(9)。电励磁控制单元(8)直接连接至双重电枢绕组混合励磁同步发电机(2 )的电励磁绕组。实施例二
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于所述双重单元工作模式切换装置(7)如图2所示，第一、第二和第三可控开关器件(Gl、G2和G3)选用带有反并联电力二极管的 IGBT模块。第一和第二限流电阻(R1、R2)分别与第一和第二短路接触器(J1、J2)并联组成第一和第二动态限流单元(Ul、U2)，第一可控开关器件(Gl)连接第一不可控整流单元(3)
6的负端(_)和第二不可控整流单元(4)的正端(+ )；第二可控开关器件(G2)与第一不可控电力二极管(D5)串联后，经第一动态限流单元(Ul)连接第一不可控整流单元(3)的正端 (+ )和第二并网逆变单元(6)的正端(+ );第三可控开关器件(G3)与第二不可控电力二极管 (D6)串联后，经第二动态限流单元(U2)连接第二不可控整流单元(4)的负端(-)和第一并网逆变单元(5)的负端(-)。实施例三
本双重单元风力发电并网系统的控制方法是风力机(1)带动双重电枢绕组混合励磁同步发电机(2)旋转，同步发电机(2)电枢绕组输出交变的感应电势，经第一和第二不可控整流桥(3、4)将交流正弦感应电势变为直流，经直流侧电容滤波后，得到较为平直的直流电压。第一和第二并网逆变单元(5和6)将直流电压逆变为与电网同频的交变电压，并实施控制网侧电流，将能量馈入三相电网。1)当风速较高时，同步发电机达到额定转速，电励磁控制单元(8)输出电流为零， 仅永磁体部分起作用。双重单元工作模式切换装置(7)中的第一、第二和第三可控开关器件(G1、G2和G3)全部关断。第一不可控整流单元(3)与第二并网逆变单元(5)连接，第二不可控整流单元(4)与第二并网逆变单元(6 )连接，处于独立运行模式，等效电路见图3。2)当风速降低时，同步发电机转速将随着风速的同步降低，逐步加大电励磁控制单元(8)输出电流，以维持同步发电机(2)电枢绕组输出感应电势恒定，保持直流电压恒定。双重单元工作模式切换装置(7)中的第一、第二和第三可控开关器件(G1、G2和G3)保持关断状态，系统仍处于独立运行模式。3 )如果风速与同步发电机转速持续降低，且电励磁控制单元(8 )输出电流达到最大，仍不能保持直流电压恒定时，到达工作模式切换点。双重单元工作模式切换装置(7)中第一可控开关器件(Gl)开通，第一和第二不可控整流单元(3和4)处于串联运行模式，等效整流单元(3和4串联)的输出电压是单个整流单元输出电压的2倍。整流单元处于串联运行模式时，并网逆变单元可有两种工作模式。a.双重单元工作模式切换装置(7)中第二 (或第三)可控开关器件G2 (或G3)开通、第三(或第二)可控开关器件G3 (或G2)关断，等效整流单元(3和4串联)给第一(或第二)并网逆变单元5 (或6)供电，而第二 (或第一)并网逆变单元6 (或5)应处于关闭状态， 并网逆变单元处于单套运行模式，等效电路见图4。b.双重单元工作模式切换装置(7)中第二和第三可控开关器件(G2和G3)同时开通，等效整流单元(3和4串联)给第一和第二并网逆变单元(5和6)供电，两套并网逆变单元处于并联运行模式，等效电路见图5。4)由于并网逆变器直流电压的提高，可以令励磁电流为零。随着风速继续减低，再逐步加大励磁电流。并网逆变器可以工作在单套运行模式，也可以运行在并联模式。5)不可控电力二极管Dl至D6的作用是抑制反向电流，第一和第二动态限流电阻 (Rl和R2)在工作模式切换过程中起到抑制瞬态均压电流的作用，工作模式切换完成后，第一和第二短路接触器(Jl或J2)闭合，切除第一和第二限流电阻(Rl或R2)。6)风速由低变高时，工作原理与上述相同，其切换和调节过程相反。
权利要求
1.一种双重单元风力发电并网系统，包括风力机(1)、双重电枢绕组混合励磁同步发电机(2)，第一和第二不可控整流单元(3、4)、第一和第二并网逆变单元(5、6)、双重单元工作模式切换装置(7)和电励磁控制单元(8)的系统结构，其特征在于1)所述风力机(1)和双重电枢绕组混合励磁同步发电机(2)组成的发电机组的电枢绕组，连接至所述第一和第二不可控整流单元(3、4)，所述第一和第二不可控整流单元(3、 4)的输出电压经所述双重单元工作模式切换装置(7)，连接至所述第一和第二并网逆变单元(5、6)，由所述第一和第二并网逆变单元(5、6)将发电机组发出的能量馈至电网(9)；2)所述电励磁控制单元(8)直接连接至所述双重电枢绕组混合励磁同步发电机(2) 的电励磁绕组，采用直流PWM方式控制电励磁电流。
2.根据权利要求1所述的双重单元风力并网系统，其特征在于所述双重单元工作模式切换装置(7)的电路结构1)由第一和第二限流电阻(Rl、R2)与第一和第二短路接触器(Jl、J2)分别并联组成第一和第二动态限流单元(U1、U2)；2)一个第一可控开关器件(Gl)连接第一不可控整流单元(3)的负端(_)和第二不可控整流单元(4)的正端(+ )；—个第二可控开关器件(G2)与一个第一不可控电力二极管 (D5)串联后，经第一动态限流单元(Ul)连接第一不可控整流单元(3)的正端(+ )和第二并网逆变单元(6)的正端(+ )；—个第三可控开关器件(G3)与一个第二不可控电力二极管 (D6)串联后，经第二动态限流单元(U2)连接第二不可控整流单元(4)的负端(-)和第一并网逆变单元(5)的负端(-)。
3.一种用于根据权利要求1所述的双重单元风力发电并网系统的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤1)当风速较高时，双重单元工作模式切换装置处于独立运行模式，双重电枢绕组混合励磁同步发电机(2)电枢绕组输出的能量经第一和第二不可控整流单元(3和4)第一和第二并网逆变单元(5和6)，将能量馈入三相电网；2)当风速较低时，第一和第二不可控整流单元(3和4)处于串联运行模式，第一和第二并网逆变单元(5和6)处于单套运行模式或并联运行模式；3)当风速在小范围波动时，调节混合励磁同步发电机的电励磁电流，保持整流单元输出直流电压恒定。
4.根据权利要求3所述的用于双重单元风力发电并网系统的控制方法，其特征在于， 所述双重单元工作模式切换装置处于各种运行模式的控制方法为1)第一可控开关器件(G1)、第二可控开关器件(G2)和第三可控开关器件(G3)全部关断，第一不可控整流单元(3)与第一并网逆变单元(5)连接，第二不可控整流单元(4)与第二并网逆变单元(6)连接，两套整流和并网逆变单元处于独立运行模式；2)第一可控开关器件(Gl)开通，第一和第二不可控整流单元(3和4)处于串联运行模式，等效整流单元(3和4串联)的输出电压是单个整流单元输出电压的2倍；3)整流单元处于串联运行模式，第二或第三可控开关器件(G2或G3)开通、第三或第二可控开关器件(G3或G2)关断，等效整流单元(3和4串联)给第一或第二并网逆变单元 (5或6)供电，而另一第二或第一并网逆变单元(6或5)应处于关闭状态，并网逆变单元处于单套运行模式；4)整流单元处于串联运行模式，第二和第三可控开关器件(G2和G3)开通，等效整流单元(3和4串联)给第一和第二并网逆变单元5和6供电，两套并网逆变单元处于并联运行模式；5) 整流单元在独立运行模式和串联运行模式的切换过程中，应投入第一或第二动态限流单元(Ul或U2)，第一或第二短路接触器(Jl或J2)断开，接入第一或第二限流电阻(Rl 或R2)，待切换完成，整流单元输出电压与并网逆变单元供电电压平衡，第一或第二短路接触器(Jl或J2)闭合，切除第一或第二限流电阻(Rl或R2)。
全文摘要
本发明涉及一种双重单元风力发电并网系统及其控制方法。本系统包括风力机、双重电枢绕组混合励磁同步发电机，第一和第二不可控整流单元、第一和第二并网逆变单元、双重单元工作模式切换装置和电励磁控制单元的系统结构。所述风力机和双重电枢绕组混合励磁同步发电机组成的发电机组的电枢绕组，连接至所述第一和第二不可控整流单元，所述第一和第二不可控整流单元的输出电压经所述双重单元工作模式切换装置，连接至所述第一和第二并网逆变单元，由所述第一和第二并网逆变单元将发电机组发出的能量馈至电网；所述电励磁控制单元直接连接至所述双重电枢绕组混合励磁同步发电机的电励磁绕组，采用直流PWM方式控制电励磁电流。当风速在小范围波动时，通过调节混合励磁发电机的电励磁电流，当风速在较大范围波动时，通过改变运行模式，达到直流整流电压恒定的目的，有效地扩大了风能捕捉范围，实现最大功率跟踪。
文档编号H02J3/38GK102185550SQ201110093930
公开日2011年9月14日 申请日期2011年4月15日 优先权日2011年4月15日
发明者叶斌英, 宗剑, 杨勇, 沈阳, 赵梅花, 阮毅 申请人:上海大学