双馈‑异步风力发电系统及其运行方法与流程

本发明属于风力发电技术领域，涉及双馈-异步风力发电系统及其运行方法，在小风时双馈风力发电机组实现双馈运行模式和异步运行模式无缝切换。

背景技术：

风能，是一种清洁的可再生能源，风力发电是当前我国新能源政策的重点发展方向。可将风能转化为电能的发电技术有多种，如定桨距失速型风力发电机组、变速恒频双馈式风力发电系统机组以及变速恒频全功率直驱式风力发电机组等。双馈风力发电机组可以根据风速的变化最大限度的捕获风能，并且实现与电网的柔性连接，有效地减少对机组和电网的冲击。

随着风资源的不断开发，TC3类以上风资源所剩不多，TC3类以下风资源竞争越来越激烈，因此，市场对满足TC3类以下低风速区域运行要求的大兆瓦机组需求已越来越强烈。以我司在山西某EPC项目投标情况为例，在风资源较差、风场征地面积紧张的情况下，大兆瓦、低风速型机组以占地少、风场千瓦造价低的优势得到了业主的认可。因此大功率、大叶片、低风速机组将成为市场重点。

随着叶片长度增加，由于双馈变流器受限于IGBT功率单元及直流母线电压，当风速减小，导致双馈异步发电机转子转速随之降低时，从而导致双馈风力发电机组频繁切入和切出。

为了防止发电机组频繁并网动作而损伤机组和变流器，需要等待一段时间后（通常是10分钟）再判断风速的大小，如果风速大小范围适合机组的发电，重新启动风力发电机组，等待发电机转速升至适合并网发电转速时，启动励磁系统，之后并网发电。传统的双馈式发电机组从变流器脱网到重新并网发电这段时间的风能没有得到利用，风资源被浪费。

以某风场为例，由于业主方在前期风资源测量原因，该风电场在2013年平均风速只有4.42m/s,在风力发电机组20年运营都无法收回成本。

本发明公开了双馈-异步风力发电系统。当风速降低时，主控系统通过检测发电机转速，并通过通讯方式给双馈变流器发送指令，使双馈风力发电机组在小风情况继续保持发电状态有效的保证了风能的利用率。

技术实现要素：

为此，本发明所要解决的技术问题在于传统的双馈变流器和双馈发电机转速运行范围较窄，小风时无法正常运行发电，导致频繁切入/切出，从而导致的风力发电机组发电量损失及硬件寿命降低。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

具有特殊工况的双馈-异步风力发电系统，在风力发电机组在小风（低转速）启动/运行的过程中，通过将发电机运行于双馈发电机模式和异步发电机模式，并确保双馈风力发电机组不切出，实现在更低风速情况下发电目的。

本发明技术方案如下：

一种双馈-异步风力发电系统，双馈-异步风力发电系统，包括双馈异步风力发电机组、用于驱动双馈异步发电机工作的动力源驱动装置、用于将双馈异步发电机定子并入电网的定子并网接触器，其特征在于：还包括用于实时检测双馈异步风力发电机组转速的编码器装置、用于在双馈异步风力发电机组与电网同步并网情况下闭合发电机定子电路的定子短接接触器、根据工况控制信号控制定子短接接触器开合的双馈变流器以及根据编码器装置当前转速信号向双馈变流器发送对应工况控制信号进而驱动双馈异步风力发电机在异步模式或双馈模式下运行的主控系统，所述定子短接接触器安装在定子并网接触器与双馈异步风力发电机组之间，编码器装置输出端与所述主控系统连接，主控系统与双馈异步风力发电机组通讯连接，双馈变流器控制端与定子短接接触器连接。

进一步地，所述双馈风力发电机组低风速时以异步模式运行。

进一步地，双馈异步风力发电机组的机舱上设有风向风速仪，所述的风速仪包括风向标和风速仪，风向标安装在双馈异步风力发电机组的机舱顶部，风速仪安装在机舱上防雷支架上。

进一步地，风向标和风速仪的内部均装有用于实现低温自动加热的加热器。

进一步地，还包括控制叶片的变桨系统，变桨系统采用直流电机伺服控制系统。

进一步地，每个叶片上均安装有变桨电机编码器和SSI绝对值编码器。

进一步地，每个变桨电机编码器上均独立配置有后备电源。

一种双馈-异步风力发电系统的运行方法，其特征在于：低风速度模式下异步运行模式和双馈运行模式切换方式如下：

第一步，启动时，当主控系统检测到发电机转速在850rpm<n<1000rpm时，主控系统通过通讯方式发送异步发电状态命令至双馈变流器，双馈变流器接受到异步发电状态命令后，启动双馈变流器网侧IGBT模块控制单元，开始给直流母线充电；当双馈变流器直流母线充电完毕后，双馈变流器控制发电机的定子短接接触器闭合，将发电机定子回路短接，从而实现发电机组异步发电模式；

第二步，当机组处于异步发电模式，当主控系统检测到发电机转速在n>1000rpm时，主控系统通过通讯方式发送双馈发电状态命令至双馈变流器，双馈变流器接受到双馈发电状态命令后，停止变流器电机侧模块，断开发电机定子短接接触器，启动变流器电机侧模块，闭合定子并网接触器，实现风力发电机组从异步运行模式切换至双馈发电模式；

第三步，当机组处于双馈发电模式，主控系统实时检测发电机转速n，当850rpm< n<900rpm阶段时,持续时间不少于1分钟时，主控系统通过通讯方式发送异步发电状态命令至双馈变流器，双馈变流器接受到双馈发电状态命令后，变流器控制定子并网接触器断开，停止变流器机侧IGBT模块控制单元，并将发电机转速保持在850rpm< n<900rpm之间，并实时检测发电机与电网同步性，在机组达到同步情况下闭合定子短接接触器，风力发电机组由双馈发电模式进入异步机模式运行。

进一步地，第二步步骤中当主控系统检测到发电机转速在n>1000rpm，持续时间达不少于一分钟，主控系统发送双馈发电状态命令至双馈变流器。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

（1）本发明提供一种具有特殊工况运行双馈风力发电机组运行模式，在风力发电机组运行过程中，对发电机转速进行实时检测，根据不同转速实现异步运行模式和双馈运行模式切换。克服了双馈风力发电机组小风情况下无法发电问题，提供风力发电机组发电量及经济效益，同时也提高了变流器断路器及接触器的硬件寿命。构思巧妙，控制逻辑简单，易于实现。

（2）本发明提供一种具有特殊工况运行双馈风力发电机组运行模式，利用传统风力发电机组双馈变流器基础上，增加发电机定子短路器接触，将双馈发电机按异步发电机形式运行。通过定子短路器接触克服了小风发电难的问题，成本较低，便于实现。

附图说明

图1是本发明提供一种具有特殊工况运行双馈风力发电机组运行模式逻辑控制方框图；

图2是本发明提供一种具有特殊工况运行双馈风力发电机组运行模式结构框图。

具体实施方式

实施例：

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

本实施例提供一种具有特殊工况的双馈-异步风力发电系统，包括双馈异步风力发电机组、用于驱动双馈异步发电机工作的动力源驱动装置、用于将双馈异步发电机定子并入电网的定子并网接触器，其特征在于：还包括用于实时检测双馈异步风力发电机组转速的编码器装置、用于在双馈异步风力发电机组与电网同步并网情况下闭合发电机定子电路的定子短接接触器、根据工况控制信号控制定子短接接触器开合的双馈变流器以及根据编码器装置当前转速信号向双馈变流器发送对应工况控制信号进而驱动双馈异步风力发电机在异步模式或双馈模式下运行的主控系统，所述定子短接接触器安装在定子并网接触器与双馈异步风力发电机组之间，编码器装置输出端与所述主控系统连接，主控系统与双馈异步风力发电机组通讯连接，双馈变流器控制端与定子短接接触器连接。

变桨控制系统采用三套直流电机伺服控制系统，每个叶片都有自己独立的变桨电机编码器和桨叶SSI绝对值编码器。每个桨叶的桨角进行控制，桨距角的变化速度一般不超过每秒 ，桨叶控制范围0°~90°。也配备了三个独立的后备电源，我们的后备电源采用的蓄电池的方式，在电网突然断电后，它能及时且平稳的使叶片变到正常的停机位。

桨叶控制主要以变桨电机编码器为准，变桨电机编码器采用旋转编码器形式，控制精度达到0.01°/s , 由伺服驱动系统实现转速速度闭环控制和变桨控制器实现的转角位置闭环控制。在轮毂内齿圈的安装第二个SSI绝对值编码器，直接检测变桨轴承内齿圈转动的角度，即桨距角变化，该SSI绝对值编码器作为冗余控制的参考值。

1）定位功能

当风力发电机组正常运行时，需要将桨叶变桨至特定位置。此时变桨系统检测变桨电机编码器，实时检测桨叶位置，确保桨叶变桨至指定位置，精度可达到0.01°。如启动阶段，此时机组命令桨叶需要变桨至0°位置。

2）比较功能

当变桨电机编码器检测到桨叶角度值，与变桨轴承上SSI绝对值编码器检测到值相差超过2°时，会出现两个转角传感器所测数据不一致的现象，此时机组将报同一桨叶角度比较故障。同时，三个桨叶变桨电机编码器检测到数值进行比较，如检测到数值超过2°，变桨将报三个桨叶不同步故障。

通过以上比较来保证三个桨叶在变桨过程中的同步性，保证风力发电机组平稳运行。

采用二套风向风速仪，其安装在发电机机舱尾部的防雷支架上。其最大抗风能力达到70m/s,风速仪和风向标内部都带有加热器，在低温自动加热，使风速仪和风向标保持在一个比较高的温度，即使在雨雪条件下也不可能在上面堆积，并且程序中也有检测风速仪之间，风向标之间的误差。同时这套风速仪和风向标在内蒙地区都能正常使用，所以测风设备在低温、雨雪以及沙尘天气时不会对风机控制器正常运行产生影响。

当空气流动的方向改变时，风向传感器的风向标随之变换响应角度，铝合金壳体内装有霍尔元件、单片机及输出电路，风向角度变换采用永久磁铁与霍尔元件进行电信号转换，经过单片机进行模数转换和数据处理，可输出为4-20mA电流输出，其对应着0°~360°输出。

在风力发电机组机舱罩顶部安装2个风向标用于风向测试，并将测量到4-20mA电流信号传递到PLC模块，PLC模块计算后得出25s、60s平均风向。同时将8°和15°两个等级

风向分为2个等级，即与当前风向偏差达到8°~15°，并持续120s，或大于15°， 并持续20s。

第一步，当风向偏差达到偏航条件后，等待2s时间，松开偏航电机刹车，同时控制液压电磁阀将偏航液压余压降低45bar，保证偏航过程中的稳定。

第二步，在等待4s后，确保压力完全泄压至45bar，PLC发送启动左偏航或右偏航命令。机组开始执行偏航动作。

第三步，吸合偏航电机供电回路，此时偏航软启动开始工作，平缓将电压上升至400Vac,分别控制电机执行偏航动作。

第四步，通过偏航接近开关实时监测偏航位置和速度值，如位置和速度与设定值偏差时，停止偏航。

第五步，当偏航至主风向±5°，并持续20s，停止偏航。

以上偏航控制有效保证了风有效利用率，使机组转速保持在正常运行范围，避免因偏离主风向，从而导致机组转速过低停机。

对于双馈-异步风力发电系统方法的逻辑控制流程图如图1所示，具体包括：

第一、根据风电场实际情况，在主控系统中将发电机转速检测分为V1（850rpm）、V2（900rpm）、V3（1000rpm）三个不同阶段。主控系统系统实时检测风速情况，在10min内平均风速大于3.5m/s情况下，主控系统给变桨发送启动命令字，变桨系统开始执行变桨，桨叶顺桨至0°，特殊工况下运行模式是指在低风速情况由双馈发电模式切换至异步发电模式。

主控系统系统实时检测发电机转速n，当850rpm< n<1000rpm阶段时，主控系统给双馈变流器发送异步发电命令。变流器接受到该信号后进行网侧变流器励磁、直流母线槽环节进行充电，并实时检测发电机与电网同步性，在机组达到同步情况下闭合发电机定子短接接触器，将发电机定子连接回路短接。此时是将双馈发电机按异步发电机模式进行运行，双馈变流器按全功率变流器模式进行运行，且功率只有双馈发电运行方式下的1/3。

第二、当机组处于异步发电模式，主控系统实时检测发电机转速n，当n>1000rpm时,并持续1min。此时主控系统将给变流器发送双馈运行模式命令字，变流器接受到双馈发电状态命令字后，变流器停止电机侧IGBT模块控制单元，使风力发电机组处于自由旋转状态，并将发电机转速保持在1000rpm左右，断开发电机定子旁路接触器，将发电机从异步模式切换至双馈模式，变流器启动电机侧IGBT模块控制单元，并实时检测发电机与电网同步性，在机组达到同步情况下闭合定子并网接触器。此时，风力发电机组进入双馈发电模式。

第三、当机组处于双馈发电模式，主控系统实时检测发电机转速n，当850rpm< n<900rpm阶段时,并持续1min。主控系统通过通讯方式发送异步发电状态命令。变流器接受到双馈发电状态命令字后，变流器控制并网接触器断开，停止变流器机侧IGBT模块控制单元，并将发电机转速保持在850rpm< n<900rpm之间，并实时检测发电机与电网同步性，在机组达到同步情况下闭合定子短接接触器。此时，风力发电机组进入异步机模式运行。

本实施例提供一种具有特殊工况的双馈-异步风力发电系统及其运行方法，在进行异步发电模式切换的过程中，对发电机转速实时检测，通过短接方式将双馈发电机按异步发电机方式运行。克服了双馈风力发电机组在在3m以下风速无法实现发电，且在4m以下风速情况容易导致双馈风力发电机组频繁切入和切出问题。特别是在风速风电场，大大提高了风力发电机组发电量，提高了经济效率，从我司风电场来看，单台1.5MW机组一年可提高100小时发电量，33台机组一年直接增加经济效率300万。构思巧妙，方法简单，易于实现。特别适用于风力发电机组的主控系统与监控系统的通讯。

对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其架构形式能够灵活多变，只是做出若干简单推演或替换，都应当视为属于由本发明所提交的权利要求书确定的专利保护范围。