CN105604796A - 直接并网发电的风力发电机组及其控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了直接并网发电的风力发电机组及其控制装置，风力发电机组包括叶轮装置、双转子电机和同步发电机，控制装置包括：同步发电机控制组件，用于控制同步发电机并网及励磁调节；双转子电机控制组件，用于控制双转子电机的内转子和外转子之间的转速差，以使同步发电机的转速达到所需并网转速；机组控制组件，与双转子电机控制组件和同步发电机控制组件连接，用于风力发电机组、双转子电机控制组件和同步发电机控制组件的协调控制，并在同步发电机的转速达到并网转速后，发出并网指令。本发明可实现风力发电机组的直接并网发电，省去传统风力发电机组并网发电所需的全功率变频器或双馈变频器，节省成本，提高风力发电机组发电的电能质量。

Description

直接并网发电的风力发电机组及其控制装置

技术领域

本发明涉及风力发电领域，尤其涉及直接并网发电的风力发电机组及其控制装置。

背景技术

在风力发电领域主要有两种不同类型的风力发电方式，即独立运行的离网型和接入电力***运行的并网型。其中并网型的风力发电是规模较大的风力发电场，容量大约为几兆瓦到几百兆瓦，由几十台甚至成百上千台风电机组构成。并网运行的风力发电场可以得到大电网的补偿和支撑，更加充分的开发可利用的风力资源，是国内外风力发电的主要发展方向。

在并网发电中，可将风力发电产生的电能并入到电网中，目前功率在兆瓦级及以上的大型风力发电机组主要以双馈型发电机组和直驱型风力发电机组为主。直驱(或半直驱)型风力发电机组使用的发电机由于转速随风速的变化而变化，因此发出的电能首先需要通过全功率变频器逆变才能进行并网发电；而双馈型风力发电机组需要使用约三分之一机组额定功率容量的双馈变流器对双馈发电机转子加以控制方可并网发电。

基于上述原因，现有的风力发电机组无法直接完成风力发电机组与传统的电网直接并网发电，在风力发电机组中还需要使用增速齿轮箱，增速齿轮箱的制造难度较高，还增加了机组制造成本后期运行维护成本。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的为提供一种直接并网发电的风力发电机组及其控制装置，以解决现有技术中无法直接完成风力发电机组与传统的电网直接并网发电的技术问题。

为实现上述目的，一方面，

本发明提供了一种直接并网发电的风力发电机组的控制装置，所述风力发电机组包括依次连接的叶轮装置、双转子电机和同步发电机，所述控制装置包括：

同步发电机控制组件，用于控制所述同步发电机并网以及励磁调节；

双转子电机控制组件，用于控制双转子电机的内转子和外转子之间的转速差，以使所述同步发电机的转速达到并网转速，其中所述并网转速为所述同步发电机并网所需的转速；

机组控制组件，与所述双转子电机控制组件和所述同步发电机控制组件连接，用于所述风力发电机组、所述双转子电机控制组件和所述同步发电机控制组件的协调控制，并在所述同步发电机的转速达到所述并网转速后，发出并网指令。

根据本发明的一个实施例，还包括：

第一光电编码器，与所述外转子同轴设置，用于测量所述外转子的运行速度，并传输至所述双转子电机控制组件；

第二光电编码器，与所述内转子同轴设置，用于测量所述内转子的运行速度，并传输至所述双转子电机控制组件。根据本发明的另一个实施例，所述同步发电机控制组件与所述同步发电机和所述机组控制组件连接，用于在所述同步发电机的转速达到所述并网转速后控制所述同步发电机并网。

根据本发明的另一个实施例，还包括并网开关，设置于所述机组控制组件或所述同步发电机控制组件内，用于控制将所述同步发电机的定子并入电网。

另一方面，

本发明还提供了一种直接并网发电的风力发电机组，包括以上所述的控制装置。

根据本发明的一个实施例，还包括叶轮装置和双转子电机，所述双转子电机与所述控制装置中的双转子电机控制组件连接。

根据本发明的另一个实施例，还包括滑环装置，与所述叶轮装置和所述控制装置中的机组控制组件连接，用于根据所述机组控制组件输出的控制信号调控所述叶轮装置的转速。

根据本发明的另一个实施例，还包括齿轮箱，所述齿轮箱连接所述叶轮装置和所述双转子电机的外转子，且所述滑环装置设置于所述齿轮箱上。

根据本发明的另一个实施例，还包括同步发电机，与所述双转子电机、所述机组控制组件和所述控制装置中的同步发电机控制组件连接。

根据本发明的另一个实施例，所述同步发电机为自励同步发电机或它励同步发电机。

本发明有益的技术效果在于，通过双转子电机控制组件获得的同步发电机并网所需要的并网转速以及双转子电机的外转子与内转子之间的转速差，对内转子以及为外转子之间的转速差进行控制，以保证同步发电机进行并网的并网转速。通过该控制装置，可以实现风力发电机组的直接并网发电，省去传统风力发电机组并网发电所需的全功率变频器或双馈变频器，节省成本，提高风力发电机组发电的电能质量。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的直接并网发电的风力发电机组的控制组件的组成结构示意图。

图2为本发明实施例二提供的风力发电机组与直接并网发电的风力发电机组的控制装置连接的结构示意图。

附图中标记说明如下：

1、叶轮装置

2、第一传动轴

3、齿轮箱

4、第二传动轴

5、第一光电编码器

6、双转子电机

61、外转子

62、内转子

7、第二光电编码器

8、第三传动轴

9、同步电动机

91、同步发电机定子

92、同步发电机转子

10、机组控制组件

11、双转子电机控制组件

12、同步发电机控制组件

13、电网

具体实施方式

体现本发明特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是，本发明能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及附图在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。

为解决上述问题，给出以下几个实施例对本发明进行解释和说明。

实施例一

本实施例提供了一种直接并网发电的风力发电机组的控制装置，风力发电机组包括依次连接的叶轮装置1、双转子电机6和同步发电机9，控制装置包括：

同步发电机控制组件12，用于控制同步发电机9并网以及励磁调节，并获取同步发电机9并网所需的转速，也就是并网转速；

双转子电机控制组件11，用于根据同步发电机9的实时状态控制双转子电机6的内转子62和外转子61之间的转速差，以使同步发电机9的转速达到并网转速，并在同步发电机9并网后传递能量；

机组控制组件10，与双转子电机控制组件11和同步发电机控制组件12连接，用于风力发电机组、双转子电机控制组件11和同步发电机控制组件12的协调控制，并在同步发电机9的转速达到并网转速后，通过同步发电机控制组件发出并网指令。

通过同步发电机控制组件12获取的同步发电机9并网所需要的并网转速以及通过双转子电机控制组件11所获取的双转子电机6的外转子61与内转子62之间的转速差，对内转子62以及为外转子61之间的转速差进行控制，同步发电机9并网时其所发出的电能必需与当时电网的相序和电压有效值相同且相位\频率在一定范围内一致，因此，需要对同步发电机9的转速\励磁等进行控制。在本发明提供的***中，同步发电机9的转速可通过双转子电机控制组件11进行转速调节，励磁控制可通过同步发电机控制组件12进行调节，以保证同步发电机9的转速达到进行并网所需的并网转速。最后再通过机组控制组件10实现同步发电机9到电网13的并网发电。

该控制装置中同步发电机控制组件12还可以与同步发电机9和机组控制组件10连接，用于在同步发电机9的转速达到并网转速后控制同步发电机9并网。

根据上述，本实施例提供的控制装置的组成示意图如图1所示，双转子电机控制组件11与双转子电机6连接，用于控制双转子电机6的内外转子的转速差，目的是使与双转子电机6的内转子62相连的同步发电机9的转速保持并网所需的并网转速。机组控制组件10与双转子电机控制组件11及同步发电机控制组件12均连接，通过这三个组件对依次电性连接起来的叶轮装置1、双转子电机6以及同步发电机9进行控制。当双转子电机6外转子61的转速达到一定速度后，机组控制组件10经由双转子电机控制组件11驱动双转子电机6的内转子62开始转动，进一步的，双转子电机6的内转子62的转动带动同步发电机9的转子开始转动。

该控制装置中还包括：

第一光电编码器5，与外转子61同轴设置，用于测量外转子61的运行速度，并传输至双转子电机控制组件11；

第二光电编码器7，与内转子62同轴设置，用于测量内转子62的运行速度，并传输至双转子电机控制组件11。

叶轮装置1与双转子电机6之间还连接有齿轮箱3，叶轮装置1与齿轮箱3之间设置有传递运动能量的第一传动轴2(即主传动轴)，用于连接叶轮装置1与齿轮箱3输入轴；齿轮箱3与双转子电机6之间设置有传递运动能量的第二传动轴4(即二级传动轴)，用于连接齿轮箱3输出轴与双转子电机6的外转子61。另外，还在与双转子电机6的外转子61同轴转动的机组部件上设置第一光电编码器5，通过第一光电编码器5来测量与其同轴的外转子61的转速；同理，还在与双转子电机6的内转子62同轴转动的机组部件上设置第二光电编码器7，通过第二光电编码器7来测量与其同轴的内转子62的转速。

该控制装置中还包括并网开关(图中未示出)，设置于机组控制组件10或同步发电机控制组件12内，用于控制将同步发电机9的定子并入电网13。其中并网开关可以设置在机组控制组件10或同步发电机控制组件12中,一般可根据连接方便或归类等因素可将其设置在同步发电机控制组件12中,动作受机组控制组件10的信号根据整机状态统一控制。同步发电机9与双转子电机6的内转子62之间设置有用于传递运动能量的第三传动轴8(即高速传动轴)，用于连接双转子电机6的内转子62与同步发电机9的转子92输入轴。同步发电机9还与同步发电机控制组件12连接，优选的，同步发电机9的定子91与同步发电机控制组件12连接，因此同步发电机9可以在双转子电机的内外转子的转速差满足并网的并网转速的条件下，通过位于同步发电机控制组件12或机组控制组件10内的并网开关直接并入电网13。

综上所述，由于大容量功率器件的存在，风力发电机组都会或多或少的存在发电质量以及低电压穿越、解决电网电源不平衡等难题，通过采用本实施例提供的控制装置，还能够对这些问题有所缓解。通过双转子电机控制组件获得的同步发电机并网所需要的并网转速以及双转子电机的外转子与内转子之间的转速差，对内转子以及为外转子之间的转速差进行控制，以保证同步发电机进行并网的并网转速。通过该控制装置，可以实现风力发电机组的直接并网发电，省去传统风力发电机组并网发电所需的全功率变频器或双馈变频器，节省成本，提高风力发电机组发电的电能质量。

实施例二

基于上述，本实施例还提供了一种直接并网发电的风力发电机组，包括实施例一中的控制装置，该风力发电机组与直接并网发电的风力发电机组的控制装置连接的结构示意图如图2所示，风力发电机组中包括叶轮装置1和双转子电机6，双转子电机6与双转子电机控制组件11连接，通过双转子电机控制组件11对双转子电机6的外转子61和内转子62转速进行控制。

该风力发电机组中还包括滑环装置14，与叶轮装置1和机组控制组件10连接，用于根据机组控制组件10输出的控制信号调控叶轮装置1的转速。滑环装置14一般安装在设备的旋转中心上，用于将电信号从静止部件传递到运动部件上，滑环装置14也包含有滑环定子和滑环转子。

该风力发电机组中还包括齿轮箱3，齿轮箱3连接叶轮装置1和双转子电机6的外转子61。优选的，叶轮装置1与齿轮箱3之间设置有传递运动能量的第一传动轴2(即主传动轴)，用于连接叶轮装置1与齿轮箱3输入轴；齿轮箱3与双转子电机6之间设置有传递运动能量的第二传动轴4(即二级传动轴)，用于连接齿轮箱3输出轴与双转子电机6的外转子61。另外，还可以优选的将滑环装置14设置于齿轮箱3上，使得滑环转子与主传动轴2同轴转动。

该风力发电机组中还包括同步发电机9，与双转子电机6、机组控制组件10和同步发电机控制组件12连接。优选的，同步发电机9的转子92与双转子电机6的内转子62连接，同步发电机9的定子91与同步发电机控制组件12连接，同时同步发电机9还与机组控制组件10和同步发电机9连接。

优选的，该同步发电机9为自励同步发电机或它励同步发电机，是火电、核电等电力行业广泛使用的发电设备，可以完全利用现有成熟技术解决上述问题，并降低了机组制造使用成本。

根据上述，控制装置实现直接并网发电的工作过程为：

1)当外界风速达到机组切入风速时，机组控制组件10经过系列逻辑运算输出信号，通过滑环装置14控制叶轮装置1内变桨***使叶轮装置1开始转动；

2)叶轮装置1的转动通过主传动轴2传递到齿轮箱3输入轴，经齿轮箱3内齿轮啮合由齿轮箱3输出轴输出；

3)齿轮箱3输出轴的转动通过二级传动轴4带动双转子电机6外转子61转动；

4)双转子电机6外转子61转速达到一定速度后，机组控制组件10经由双转子电机控制组件11驱动双转子电机6的内转子62开始转动；

5)双转子电机6的内转子62的转动通过高速传动轴8带动同步发电机9(它励或自励)的转子92运转；

6)由于同步发电机9(它励或自励)并网所需的并网转速与当时电网状态有关，由同步发电机制装置12和机组控制组件10获得，并将此信号传递给双转子电机控制组件11；

7)双转子电机控制组件11将得到的同步发电机9并网所需的并网转速与测得的双转子电机6的外转子61的转速和双转子电机6的内转子62的转速相比较，对双转子电机6的内外转子之间的转速差进行控制，以保证同步发电机9进行并网所需的并网转速；

8)同步发电机9达到并网所需的并网转速后，由同步发电机控制组件12和机组控制组件10控制并网；

9)同步发电机9并网后，随着风速的变化，双转子电机控制组件11通过控制双转子电机6的转矩变化来进行叶轮与同步发电机9间能量的传递，也就是同步发电机9的发电功率。

本发明提供的控制装置能够使风力发电机组能通过使用已在传统发电行业已获得广泛应用的同步发电机(它励或自励)进行直接并网发电，从而避免了当前主流风电机组(直驱、半直驱、双馈机组)所面临的问题，直接将风力发电机组与传统发电行业带到同一起跑线上，本发明具有的主要优点为：

1)实现了风力发电机组的直接并网发电。

2)取消了当前风电机组并网发电所需的中间环节：全功率变频器或双馈变频器，因此回避了这些中间环节存在的问题

3)本发明实现了风电机组的发电质量与现有电力行业的要求完全一致。

本领域技术人员应当意识到在不脱离本发明所附的权利要求所揭示的本发明的范围和精神的情况下所作的更动与润饰，均属本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种直接并网发电的风力发电机组的控制装置，所述风力发电机组包括依次连接的叶轮装置、双转子电机和同步发电机，其特征在于，所述控制组件包括：

同步发电机控制组件，用于控制所述同步发电机并网以及励磁调节；

双转子电机控制组件，用于控制所述双转子电机的内转子和外转子之间的转速差，以使所述同步发电机的转速达到并网转速，其中所述并网转速为所述同步发电机并网所需的转速；

机组控制组件，与所述双转子电机控制组件和所述同步发电机控制组件连接，用于所述风力发电机组、所述双转子电机控制组件和所述同步发电机控制组件的协调控制，并在所述同步发电机的转速达到所述并网转速后，发出并网指令。

2.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于，还包括：

第一光电编码器，与所述外转子同轴设置，用于测量所述外转子的运行速度，并传输至所述双转子电机控制组件；

第二光电编码器，与所述内转子同轴设置，用于测量所述内转子的运行速度，并传输至所述双转子电机控制组件。

3.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述同步发电机控制组件与所述同步发电机和所述机组控制组件连接，用于在所述同步发电机的转速达到所述并网转速后控制所述同步发电机并网。

4.如权利要求3所述的控制装置，其特征在于，还包括并网开关，设置于所述机组控制组件或所述同步发电机控制组件内，用于控制将所述同步发电机的定子并入电网。

5.一种直接并网发电的风力发电机组，其特征在于，包括权利要求1-4中任一项所述的控制装置。

6.如权利要求5所述的风力发电机组，其特征在于，还包括叶轮装置和双转子电机，所述双转子电机与所述控制装置中的双转子电机控制组件连接。

7.如权利要求6所述的风力发电机组，其特征在于，还包括滑环装置，与所述叶轮装置和所述控制装置中的机组控制组件连接，用于根据所述机组控制组件输出的控制信号调控所述叶轮装置的转速。

8.如权利要求7所述的风力发电机组，其特征在于，还包括齿轮箱，所述齿轮箱连接所述叶轮装置和所述双转子电机的外转子，且所述滑环装置设置于所述齿轮箱上。

9.如权利要求6所述的风力发电机组，其特征在于，还包括同步发电机，与所述双转子电机、所述机组控制组件和所述控制装置中的同步发电机控制组件连接。

10.如权利要求9所述的风力发电机组，其特征在于，所述同步发电机为自励同步发电机或它励同步发电机。