风力发电系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及风力发电技术领域，尤其是涉及一种风力发电系统和风力发电系统的控制方法。


背景技术：

2.传统的风力发电系统包括叶轮、发电机以及变频器，叶轮在风能的带动下转动，进而驱动发电机发电，由于叶轮的转速受风况的影响较大，因此在复杂风况下，若将发动机产生的电能并入电网，需要配合逆变器等电力电子装置，而电力电子装置是一种静态设备，几乎不存在转动惯量，无法为电网提供必要的电压和频率支撑，增大了电网出现大的频率偏差的风险。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种风力发电系统和风力发电系统的控制方法。
4.根据本发明实施例的风力发电系统，包括：叶轮，所述叶轮用于受风能推动而旋转；双馈变速装置，所述双馈变速装置包括外转子、内转子和变流器，所述外转子套设所述内转子，所述叶轮与所述外转子传动连接以驱动所述外转子旋转，所述外转子通过所述变流器从电网取电或向电网放电以产生恒定转速的旋转磁场，所述内转子在所述旋转磁场的作用下恒速旋转；同步发电机，所述内转子与所述同步发电机的输入端传动连接，以驱动所述发电机稳定发电输出恒频电能。
5.根据本发明实施例提供的风力发电系统通过设置变速比可调的双馈变速装置，使叶轮的动能能够稳定输入同步发电机中，使同步发电机能够恒频发电，同步发电机能够直接向电网中输电，替代了传统风力发电系统中的逆变器等电力电子装置。双馈变速装置的恒定输出转速实现了风力发电系统电流频率的稳定输出，可以应对复杂风况，有效地解决了传动风力发电系统中存在的由于风况复杂引起的电流并网难题。
6.此外，由于本技术提供的风力发电系统并网时无需采用电力电子装置解耦、整流、调频、稳压，解决了目前电网中由电力电子装置的使用导致的总的转动惯量不断减小的问题，能够提高电网中的转动惯量，为电网提供必要的电压和频率支撑，降低了电网出现大的频率偏差的风险，使电力系统能够安全稳定的运行，并提高了电网高效接纳新能源的能力。
7.在一些实施例中，所述内转子包括内转子铁芯和内转子绕组，所述外转子包括外转子铁芯和外转子绕组，所述变流器与所述外转子绕组相连。
8.在一些实施例中，所述同步发电机用于将产生的电能输入电网。
9.在一些实施例中，风力发电系统还包括变速装置，所述叶轮与所述变速装置的输入端传动连接，所述变速装置的输出端与所述外转子传动连接。
10.在一些实施例中，所述变速装置为具有固定变速比的变速装置。
11.在一些实施例中，，所述变速装置为变速比可调的变速装置。
12.在一些实施例中，所述变速装置为齿轮变速器、液力变矩器、磁力变液器或永磁变速器。
13.在一些实施例中，风力发电系统包括控制器，所述控制器用于控制所述内转子从电网取电或向电网放电，以使所述外转子的旋转磁场的转速恒定在预设值，所述控制器包括：
14.输入转速检测模块，所述输入转速检测模块用于检测所述外转子的机械转速；
15.运算模块，所述运算模块用于根据所述外转子的旋转磁场转速＝外转子的机械转速+外转子电流匹配的磁场转速，运算出所述外转子电流匹配的磁场转速的理想值；
16.控制模块，所述控制模块用于根据所述外转子电流匹配的磁场转速的理想值，控制所述外转子通过所述变流器从电网取电或向电网放电，以使所述外转子的旋转磁场转速保持恒定。
17.根据本发明另一方面实施例提供的风力发电系统的控制方法，包括：
18.所述叶轮受风能推动而旋转；
19.所述叶轮带动所述外转子旋转；
20.所述外转子通过所述变流器从电网取电或向电网放电，使所述外转子的旋转磁场的转速恒定，所述内转子在所述旋转磁场的作用下旋转且转速保持在预设值；
21.所述同步发电机在所述内转子的驱动下运转，产生频率恒定的电能。
22.在一些实施例中，所述外转子通过所述变流器从电网取电或向电网放电，具体地包括：根据外转子的旋转磁场转速r0＝外转子的机械转速r1+外转子电流匹配的磁场转速r2，
23.当r1小于所述预设值时，所述外转子通过所述变流器从电网取电，使r2为正值，以便使r0等于所述预设值；
24.当r1大于所述预设值时，所述外转子通过所述变流器从电网放电，使r2为负值，以便使r0等于所述预设值。
25.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
26.图1是根据本发明实施例一的风力发电系统的示意图。
27.图2使双馈变速装置的结构示意图。
28.图3是根据本发明实施例二的风力发电系统的示意图。
29.图4是根据本发明实施例三的风力发电系统的示意图。
30.附图标记：
31.风力发电系统1；叶轮11；双馈变速装置12；外转子121；内转子122；同步发电机13；变流器14；第一变速装置15；第二变速装置16。
具体实施方式
32.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
33.下面根据图1-图4描述本发明的实施例的风力发电系统1。如图1所示，本发明实施例提供的风力发电系统1包括叶轮11、双馈变速装置12和同步发电机13。
34.叶轮11用于受风能推动而旋转产生动能。双馈变速装置12用于传导叶轮11由于转动产生的转动惯量，以及驱动同步发电机13产生并输出电能。
35.双馈变速装置12包括内转子122、外转子121和变流器14，外转子121套设内转子122。叶轮11与外转子121传动连接以驱动外转子121旋转，外转子121通过变流器14从电网取电或者向电网放电以产生恒定转速的旋转磁场，内转子122在旋转磁场的作用下恒速旋转。变流器14可以为双向背靠背ig外转子121t电压源变流器。
36.内转子122与同步发电机13的输入端相连，由于内转子122的转速能够保持恒定，同步发电机13发电接入电网并向电网中输入具有稳定频率的电能。外转子121的机械转速与内转子122的机械转速之比可以看作双馈变速装置12的传动比，因此双馈变速装置12是一种可变传动比的变速装置。
37.变流器14能够向外转子121施加转差频率的电流进行励磁，并且可以调节励磁电流的频率、电压、幅值和相位。外转子121实际产生的旋转磁场的转速为经过变流器14通入的电流匹配的旋转磁场转速与其机械转速的叠加，内转子122在旋转磁场的作用下转动，内转子122的转速等于外转子121的磁场转速，从而实现转动惯量的传递。
38.双馈变速器20的外转子121能够通过变流器14与电网进行功率交换，内转子122通过同步发电机13向电网输电。若要使内转子122的转速恒定，设定内转子122的预设转速值，根据外转子121的转速与该预设转速值的差值，外转子121通过变流器14从电网取电或向电网放电，实现外转子121产生恒定转速的旋转磁场，从而使内转子122的转速保持预设转速值，内转子122驱动同步发电机13向电网输入具有稳定频率的电流。
39.功率是馈入外转子121还是从外转子121提取取决于双馈变速装置12的运行条件：在超同步状态，即外转子121的机械转速大于内转子122的预设转速值，功率从外转子121通过变流器14馈入电网，在欠同步状态，即外转子121的机械转速小于内转子122的预设转速值，功率反方向传送，从电网中馈入外转子121。在两种情况(超同步和欠同步)下，内转子122的转速均可恒定在预设转速值。
40.通过双馈变速装置12的作用，同步发电机13能够向电网输入恒频电流。同步发电机13向电网稳定输入电能不受叶轮11的转速的变化的影响，即使叶轮11转速发生改变，同步发电机13也能够向电网稳定输入电能。
41.可选地，内转子122的转速为3000rpm，同步发电机13能够稳定向电网中输入频率为50hz的电流。
42.根据本发明实施例提供的风力发电系统通过设置变速比可调的双馈变速装置，使叶轮的动能能够稳定输入同步发电机中，使同步发电机能够恒频发电，同步发电机能够直接向电网中输电，替代了传统风力发电系统中的逆变器等电力电子装置。双馈变速装置的恒定输出转速实现了风力发电系统电流频率的稳定输出，可以应对复杂风况，有效地解决了传动风力发电系统中存在的由于风况复杂引起的电流并网难题。
43.此外，由于本技术提供的风力发电系统并网时无需采用电力电子装置解耦、整流、调频、稳压，解决了目前电网中由电力电子装置的使用导致的总的转动惯量不断减小的问题，能够提高电网中的转动惯量，为电网提供必要的电压和频率支撑，降低了电网出现大的
频率偏差的风险，使电力系统能够安全稳定的运行，并提高了电网高效接纳新能源的能力。
44.本领域的技术人员可以理解的是，由于风速的不稳定性，叶轮11的转速是在不断变化中的，导致外转子121的机械转速不断变化。因此，若要使内转子122的转速保持不变，可以通过改变通入外转子121的电流实现。
45.具体地，根据公式：
46.外转子121的旋转磁场转速r0＝外转子121的机械转速r1+外转子121电流匹配的磁场转速r2；
47.外转子121的旋转磁场转速r0＝内转子122的机械转速r3。根据外转子121的机械转速r1与内转子122的理想机械转速之间的差值，改变向外转子121传输的电流频率，使外转子121电流匹配的磁场转速r2调整，最终使外转子121的旋转磁场转速r0等于内转子122的理想机械转速。
48.若保持内转子122的机械转速为3000rpm，则：
49.1)当外转子121的机械转速r1小于3000rpm，外转子121从电网取电，即r2为正值；
50.2)当外转子121的机械转速r1等于3000rpm，r2为0；
51.3)当外转子121的机械转速r1大于3000rpm，外转子121向电网输电，即r2为负值。
52.需要说明的是，外转子121电流匹配的磁场转速r2不是机械转速。r2为正值是指，外转子121电流匹配的旋转磁场的转动方向与外转子121的机械转动方向相同。r2为负值是指，外转子121电流匹配的旋转磁场的转动方向与外转子121的机械转动方向相反。通过外转子121旋转产生的机械转速与外转子121电流产生的磁场转速相叠加达到内转子122的理想转速值，实现内转子122的机械转速不受外转子121的转速的变化的影响而始终保持恒定，使同步发电机13能够向电网恒频输电，实现同步发电。
53.也就是说，为了使内转子122的机械转速保持恒定，对其设定预设值，根据外转子121当前的转速，调节外转子121的电流，从而实现使外转子121的磁场转速保持恒定，同步发电机12能够稳定发电。
54.在本实施例中，外转子121包括外转子铁芯和外转子绕组，变流器14与外转子绕组相连。内转子122包括内转子铁芯和内转子绕组。
55.为了使双馈变速装置12更好地通过内转子电流反馈输出稳定的转速，在一些实施例中，风力发电系统1还包括变速装置，变速装置连接在叶轮11与双馈变速装置12之间，变速装置具有输入端和输出端，叶轮11与变速装置的输入端传动连接，变速装置的输出端与外转子121传动连接，变速装置用于变速。
56.也就是说，变速装置用于对叶轮11输入双馈变速装置12的转速进行调速，变速装置的变速比为输入端与输出端之比。通过变速装置变速，能够使叶轮11的输出转速更好地适应双馈变速装置12的转速适用范围，减轻双馈变速装置12的负担，即变速装置的设置可以使叶轮11的输出转速变化到双馈变速装置12的输入转速(外转子121的机械转速)的理想区间内。
57.例如，双馈变速装置12的输入转速的理想区间为(3000
±
1000)rpm，当双馈变速装置12的输入转速(外转子121的机械转速)在(3000
±
1000)rpm范围内时，双馈变速装置12能够对外转子121的转速变化进行更快速地响应，以保持内转子122的机械转速恒定。通过设置具有合适变速比的变速装置，可以使叶轮11的输出转速变化到双馈变速装置12的输入转
速的该理想区间内。
58.可选地，变速装置为具有固定变速比的变速装置(定变速比变速装置)，或者，变速装置为变速比可调的变速装置(变速比可调装置)。变速装置为变速比可调的变速装置是指，变速装置可以为多级变速装置或无级变速装置。变速装置为多级变速装置，其具有多个变速比，且可根据叶轮11的转速情况调节其变速比，变速装置为级变速装置，其可在一定范围内连续调节其变速比。
59.可选地，变速装置的变速比为0.03-333。
60.可选地，变速装置为具有一级或多级变速功能的齿轮变速器、液力变矩器、磁力变液器、永磁变速器或磁耦合器变速装置。
61.需要说明的是，叶轮11的转速通常较小。因此，变速装置可以为增速装置，即变速装置的输出端转速大于输入端转速。
62.在其他实施例中，变速装置也可以连接在双馈变速装置12与同步发电机13之间。
63.可选地，内转子122的转速为3000rpm，同步发电机13能够稳定向电网中输入频率为50hz的电流。需要说明的是，国内的电网频率基准线为50hz，双馈变速装置12的输出转速可以恒定在3000rpm。国外的电网频率基准线为60hz，双馈变速装置12的输出转速可以恒定在3600rpm，即可以根据电网的频率基准，调整双馈变速装置12的输出转速。
64.在一些实施例中，风力发电系统1包括控制器，控制器用于控制外转子121从电网取电或向电网放电，以使外转子121的旋转磁场的转速恒定在预设值，控制器包括：输入转速检测模块、运算模块、控制模块。输入转速检测模块用于检测外转子121的机械转速。运算模块用于根据外转子121的旋转磁场转速＝外转子121的机械转速+外转子121电流匹配的磁场转速，运算出外转子121电流匹配的磁场转速的理想值。控制模块用于根据外转子121电流匹配的磁场转速的理想值，控制外转子121通过变流器14从电网取电或向电网放电，以使外转子121的旋转磁场转速保持恒定。其中，内转子122的转速的预设值可以提前输入控制器中。
65.下面根据图1-图4详细描述本技术提供的若干实施例。
66.实施例一：
67.如图1和图2所示，风力发电系统1包括叶轮11、双馈变速装置12、同步发电机13。双馈变速装置12包括内转子122、外转子121和变流器14。叶轮11与外转子121传动连接，内转子122与同步发电机13传动连接并驱动同步发电机13发电，同步发电机13通过变压器(图中未示出)与电网相连，向电网供电。
68.在本实施例中，内转子122的机械转速恒定在3000rpm。同步发电机13的输出频率稳定在50hz。
69.实施例二：
70.如图3所示，风力发电系统1包括叶轮11、双馈变速装置12、同步发电机13和第一变速装置15。双馈变速装置12与实施例一类似，不作赘述，这里只描述区别部分。第一变速装置15为具有固定变速比的变速装置。且在本实施例中，第一变速装置15为增速装置，即其输出端转速大于输入端转速。
71.在本实施例中，叶轮11与第一变速装置15的输入端相连，第一变速装置15的输出端与外转子121相连，内转子122与同步发电机13的输入端相连。第一变速装置15将叶轮11
的转速提升至双馈变速装置12的理想转速输入区间。
72.通过在叶轮11与双馈变速装置12之间设置第一变速装置15，可以更好地适应双馈变速装置12的转速适用范围，减轻双馈变速装置12的负担，即第一变速装置15的设置可以使叶轮11的输出转速变化到双馈变速装置12的输入转速(外转子121的机械转速)的理想区间内，从而使双馈变速装置12更好地通过转子补偿输出稳定转速。
73.可选地，双馈变速装置12的输入转速的理想区间为(3000
±
1000)rpm，通过设置具有合适变速比的变速装置，可以使叶轮11的输出转速变化到双馈变速装置12的输入转速的该理想区间内。当双馈变速装置12的输入转速在(3000
±
1000)rpm范围内时，双馈变速装置12能够对外转子121的机械转速变化进行更快速地响应，以保持内转子122的机械转速恒定。
74.可选地，第一变速装置15的变速比为0.03-333。
75.可选地，第一变速装置15为具有变速功能的齿轮变速器、液力变矩器、磁力变液器、永磁变速器或磁耦合器变速装置。
76.实施例三：
77.如图4所示，风力发电系统1包括叶轮11、双馈变速装置12、同步发电机13和第二变速装置16。双馈变速装置12与实施例一类似，不作赘述，这里只描述区别部分。第二变速装置16为具有可变变速比的变速装置，即第二变速装置16的变速比可调。且在本实施例中，第二变速装置16为增速装置，即其输出端转速大于输入端转速。
78.在本实施例中，叶轮11与第二变速装置16的输入端相连，第二变速装置16的输出端与外转子121相连，内转子122与同步发电机13的输入端相连。第二变速装置16将叶轮11的转速提升至双馈变速装置12的理想转速输入区间。
79.可选地，第二变速装置16可以为多级变速装置，即第二变速装置16具有多个变速比，且可根据叶轮11的转速情况进行切换。或者，第二变速装置16可以为无级变速装置，即第二变速装置16可在一定范围内连续调节其变速比。
80.可选地，第二变速装置16为具有多级或无级变速功能的齿轮变速器、液力变矩器、磁力变液器、永磁变速器或磁耦合器变速装置。
81.通过在叶轮11与双馈变速装置12之间设置变速比可调的第二变速装置16，并根据叶轮11的当前转速适应性地调整第二变速装置16的变速比，可以使叶轮11的输出转速更好地转变到双馈变速装置12的输入转速(外转子121的机械转速)的理想区间内，进一步减轻双馈变速装置12的电流调节负担，提高双馈变速装置12的适用性。
82.实施例四：
83.本实施例提供了一种风力发电系统的控制方法，该控制方法是针对本发明实施例提供的风力发电系统1的控制方法，包括以下步骤：
84.步骤s101：叶轮11受风能推动而旋转；
85.步骤s102：叶轮11带动双馈变速装置12的外转子121旋转；
86.步骤s103：外转子121通过变流器14从电网取电或向电网放电，使外转子121的旋转磁场的转速恒定，内转子122在旋转磁场的作用下旋转且转速保持在预设值；
87.步骤s104：同步发电机13在转速恒定的内转子122的驱动下运转产生频率恒定的电能。
88.同步发电机13与电网电连接以便向电网中输出电能，由于发电机13能够产生频率恒定的电流，因此同步发电机13能够直接与电网相连，无需采用逆变器等电力电子装置。双馈变速装置12的恒定输出转速实现了风力发电系统1电流频率的稳定输出，可以应对复杂风况，有效地解决了传动风力发电系统1中存在的由于风况复杂引起的电流并网难题。
89.上述步骤s103具体包括以下步骤：
90.根据公式：外转子的旋转磁场转速r0＝外转子的机械转速r1+外转子电流匹配的磁场转速r2；
91.当r1小于预设值时，外转子121通过变流器从电网取电，使r2为正值，以便使r0等于预设值；
92.当r1大于预设值时，外转子121通过变流器从电网放电，使r2为负值，以便使r0等于预设值。
93.因此，本发明实施例提供的风力发电系统1能够应对复杂风况，即使叶轮11的转速随风力的变化而变化，控制器可以通过调控双馈变速装置12的变速比而使其输出转速保持恒定，同步发电机13在双馈变速装置12的输出轴的带动下恒速运行，从而可以实现恒频率的电流的输出，恒频电流可以直接并网。
94.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
95.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
96.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
97.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
98.在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书
中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
99.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。