CN107465208A - 改进式双馈风力发电机***及其控制方法 - Google Patents

改进式双馈风力发电机***及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种改进式双馈风力发电机***及其控制方法，其***包括齿轮增速箱、双馈风力发电机、无极变速器以及磁变流器，齿轮增速箱前端连接风电叶片，后端连接双馈风力发电机电机轴，双馈风力发电机电机轴还连接无极变速器和离合器，双馈风力发电机电压输出端分别连接磁变流器和逆变器，逆变器通过电源线连接电源***。本发明***和方法能应对电网不稳定状况，通过采用分级控制策略，选择性使用磁变流器、无极变速器和离合器，对双馈风力发电机的主轴的扭矩进行自动调控，能够避免发生电机组和风电片加速，而导致机轴受过大扭矩变形，甚至轮轴断裂现象，保障双馈风力发电机***的正常工作，并提高设备的使用寿命。

Description

改进式双馈风力发电机***及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种双馈风力发电机及其控制方法，特别是涉及一种能具有分级控制策略的双馈风力发电机及其控制方法，应用于风力发电和控制技术领域。
背景技术
把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能，这就是风力发电。风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三米的微风速度，便可以开始发电。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染。
风力发电所需要的装置，称作风力发电机组。这种风力发电机组，大体上可分风轮、发电机和铁塔三部分，其中风轮还包括尾舵。风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13～25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。
目前对于双馈式变速风电机组，在电网发生而故障导致电机端电压跌落时，发电机定子电流会增加，快速增加的定子电流会导致转子电流急速上升，风轮若在此时不降低风能输入，而风电机组由于机端电压降低，不能正常向电网输送有功功率，即有一部分能量无法输入电网，这些不平衡能量将导致风电机组出现直流环节电容充电、直流电压快速上升、风电机组加速等一系列问题，影响设备的生产使用，并威胁设备的使用寿命，这成为亟待解决的技术难题。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种改进式双馈风力发电机***及其控制方法，能应对电网不稳定状况，通过采用分级控制策略，选择性使用磁变流器、无极变速器和离合器，对双馈风力发电机的主轴的扭矩进行自动调控，能够避免发生电机组和风电片加速，而导致机轴受过大扭矩变形，甚至轮轴断裂现象，保障双馈风力发电机***的正常工作，并提高设备的使用寿命。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种双馈风力发电机的控制方法，采用三级控制方案对双馈风力发电机的工作方式进行选择控制，设定扭矩参考值的关系为J1﹤J2﹤J3，根据扭矩参考值实施对双馈风力发电机的不同工作状态的选择控制，具体如下：
a.第一级控制方案：
当主控制***检测到双馈风力发电机的主轴的扭矩未达到设定的明显扭矩参考值J1时，采用磁变流器控制方法，通过增大双馈风力发电机的风电叶片阻尼，来减小双馈风力发电机的主轴的扭矩，实现双馈风力发电机转子的减速控制；
b.第二级控制方案：
当主控制***检测到双馈风力发电机的主轴的扭矩达到明显扭矩参考值J2时，或者超过明显扭矩参考值J2时，但未达到需要停机操作时的双馈风力发电机的主轴工作极限扭矩参考值J3时，采用无级变速器控制方法，来减小双馈风力发电机的主轴的扭矩，实现双馈风力发电机转子的减速控制；
c.第三级控制方案：
当主控制***检测到双馈风力发电机的主轴的扭矩达到双馈风力发电机的主轴工作极限扭矩参考值J3时，采用自动离合控制方法，来减小双馈风力发电机的主轴的扭矩，控制离合器脱开双馈风力发电机的风电叶片和转子，切断风电叶片和转子之间的动力传输，能使双馈风力发电机的转子处于空载状态。
本发明还提供一种改进式双馈风力发电机***，包括风电叶片、齿轮增速箱、双馈风力发电机和逆变装置，齿轮增速箱前端连接风电叶片，后端连接双馈风力发电机的电机主轴，还设有磁变流器、无极变速器、离合器和主控制***，双馈风力发电机电机轴连接无极变速器和离合器，双馈风力发电机电压输出端分别连接磁变流器和AC-DC-AC逆变器，其中，AC-DC-AC逆变器还通过电源线连接电源***，双馈风力发电机通过AC-DC-AC逆变器与电网连接；
采用三级控制方案对双馈风力发电机的工作方式进行选择控制，设定扭矩参考值的关系为J1﹤J2﹤J3，根据扭矩参考值由主控制***实施对双馈风力发电机的不同工作状态的选择控制，具体如下：
a.第一级控制方案：
当主控制***检测到双馈风力发电机的主轴的扭矩未达到设定的明显扭矩参考值J1时，采用磁变流器控制方法，通过主控制***控制磁变流器来增大双馈风力发电机的风电叶片的阻尼，来减小双馈风力发电机的主轴的扭矩，实现双馈风力发电机的转子的减速控制；
b.第二级控制方案：
当主控制***检测到双馈风力发电机的主轴的扭矩达到明显扭矩参考值J2时，或者超过明显扭矩参考值J2时，但未达到需要停机操作时的双馈风力发电机的主轴工作极限扭矩参考值J3时，采用无级变速器控制方法，通过主控制***控制无极变速器来减小双馈风力发电机的主轴的扭矩，实现双馈风力发电机的转子的减速控制；
c.第三级控制方案：
当主控制***检测到双馈风力发电机的主轴的扭矩达到双馈风力发电机的主轴工作极限扭矩参考值J3时，采用自动离合控制方法，来减小双馈风力发电机的主轴的扭矩，主控制***控制离合器脱开双馈风力发电机的风电叶片和转子，切断风电叶片和转子之间的动力传输，能使双馈风力发电机的转子处于空载状态。本发明通过上述三级控制方案，实现改进式双馈风力发电机***有效应对电网不稳定状况，通过不同的途径来减小电机主轴受扭矩工况，稳定改进式双馈风力发电机***的工作状态。
作为本发明优选技术方案，磁变流器包括网侧模块和转子侧模块以及周边电路***，转子侧模块与双馈风力发电机信号连接，在双馈风力发电机和网侧模块之间设置周边电路***，周边电路***依次由并网接触器、电网侧断路器、电网侧软启接触器、电阻和电感串联形成，其中并网接触器的一个触头与双馈风力发电机连接，并网接触器的另一个触头同时与电网侧断路器的一个触点和熔断器的一端分别连接，电网侧断路器的另一个触点与电网侧软启接触器的一个触点和电网分别连接，电网侧软启接触器的另一个触点与电阻的一端连接，电阻的另一端同时与熔断器的另一端和电感的一端连接，电感的另一端与网侧模块连接，在电网和网侧模块之间，由电网侧软启接触器、电阻和电感依次串联形成上网工作电路，并由电网侧断路器、熔断器和电感依次串联形成保护电路，在网侧模块与转子侧模块之间并接直流母线电容。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明能够避免发生电机组和风电片加速，而导致机轴受过大扭矩变形，甚至轮轴断裂现象，通过不同的途径来减小电机主轴受扭矩工况，稳定改进式双馈风力发电机***的工作状态；
2.本发明采用的磁变流器稳定性好，安装维护方便，能够实现长期挂网运行且故障率低；
3.本发明采用无级变速器控制方法，提高了控制效率，采用自动离合控制方法，实现了对设备安全性的有效保障，为设备的使用寿命提供有效支持。
附图说明
图1为本发明优选实施例改进式双馈风力发电机***的整体结构示意图。
图2为本发明优选实施例的磁变流器结构示意图。
具体实施方式
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
在本实施例中，参见图1和图2，一种改进式双馈风力发电机***，包括风电叶片5、齿轮增速箱1、双馈风力发电机2和逆变装置，齿轮增速箱1前端连接风电叶片5，后端连接双馈风力发电机2的电机主轴，还设有磁变流器4、无极变速器3、离合器6和主控制***，双馈风力发电机2电机轴还连接无极变速器3和离合器6，双馈风力发电机2电压输出端分别连接磁变流器4和AC-DC-AC逆变器7，其中，AC-DC-AC逆变器7还通过电源线连接电源***8，双馈风力发电机2通过AC-DC-AC逆变器7与电网连接；
采用三级控制方案对双馈风力发电机2的工作方式进行选择控制，设定扭矩参考值的关系为J1﹤J2﹤J3，根据扭矩参考值由主控制***实施对双馈风力发电机2的不同工作状态的选择控制，具体如下：
a.第一级控制方案：
当主控制***检测到双馈风力发电机2的主轴的扭矩未达到设定的明显扭矩参考值J1时，采用磁变流器控制方法，通过主控制***控制磁变流器4来增大双馈风力发电机2的风电叶片5的阻尼，来减小双馈风力发电机2的主轴的扭矩，实现双馈风力发电机2的转子的减速控制；
b.第二级控制方案：
当主控制***检测到双馈风力发电机2的主轴的扭矩达到明显扭矩参考值J2时，或者超过明显扭矩参考值J2时，但未达到需要停机操作时的双馈风力发电机2的主轴工作极限扭矩参考值J3时，采用无级变速器控制方法，通过主控制***控制无极变速器3来减小双馈风力发电机2的主轴的扭矩，实现双馈风力发电机2的转子的减速控制；
c.第三级控制方案：
当主控制***检测到双馈风力发电机2的主轴的扭矩达到双馈风力发电机2的主轴工作极限扭矩参考值J3时，采用自动离合控制方法，来减小双馈风力发电机2的主轴的扭矩，主控制***控制离合器6脱开双馈风力发电机2的风电叶片5和转子，切断风电叶片5和转子之间的动力传输，能使双馈风力发电机2的转子处于空载状态。本发明通过上述三级控制方案，实现改进式双馈风力发电机***有效应对电网不稳定状况，通过不同的途径来减小电机主轴受扭矩工况，稳定改进式双馈风力发电机***的工作状态。
在本实施例中，参见图1和图2，磁变流器4包括网侧模块9和转子侧模块10以及周边电路***，转子侧模块10与双馈风力发电机2信号连接，在双馈风力发电机2和网侧模块9之间设置周边电路***，周边电路***依次由并网接触器12、电网侧断路器11、电网侧软启接触器13、电阻14和电感15串联形成，其中并网接触器12的一个触头与双馈风力发电机2连接，并网接触器12的另一个触头同时与电网侧断路器11的一个触点和熔断器17的一端分别连接，电网侧断路器11的另一个触点与电网侧软启接触器13的一个触点和电网分别连接，电网侧软启接触器13的另一个触点与电阻14的一端连接，电阻14的另一端同时与熔断器17的另一端和电感15的一端连接，电感15的另一端与网侧模块9连接，在电网和网侧模块9之间，由电网侧软启接触器13、电阻14和电感15依次串联形成上网工作电路，并由电网侧断路器11、熔断器17和电感15依次串联形成保护电路，在网侧模块9与转子侧模块10之间并接直流母线电容16。本实施例采用的磁变流器4稳定性好，安装维护方便，能够实现长期挂网运行且故障率低。
综上，本实施例能够避免发生电机组和风电片加速，而导致点击主轴受过大扭矩变形，甚至轮轴断裂现象，能最大程度地应对电网不稳定状况。本实施例采用磁变流器控制方法，增加控制的灵活性；采用无级变速器控制方法，提高了控制效率；采用自动离合控制方法，实现了对设备安全性的有效保障，为设备的使用寿命提供有效支持。
上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明改进式双馈风力发电机***及其控制方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种双馈风力发电机的控制方法，其特征在于，采用三级控制方案对双馈风力发电机的工作方式进行选择控制，设定扭矩参考值的关系为J1﹤J2﹤J3，根据扭矩参考值实施对双馈风力发电机的不同工作状态的选择控制，具体如下：
a.第一级控制方案：
当主控制***检测到双馈风力发电机的主轴的扭矩未达到设定的明显扭矩参考值J1时，采用磁变流器控制方法，通过增大双馈风力发电机的风电叶片阻尼，来减小双馈风力发电机的主轴的扭矩，实现双馈风力发电机转子的减速控制；
b.第二级控制方案：
当主控制***检测到双馈风力发电机的主轴的扭矩达到明显扭矩参考值J2时，或者超过明显扭矩参考值J2时，但未达到需要停机操作时的双馈风力发电机的主轴工作极限扭矩参考值J3时，采用无级变速器控制方法，来减小双馈风力发电机的主轴的扭矩，实现双馈风力发电机转子的减速控制；
c.第三级控制方案：
当主控制***检测到双馈风力发电机的主轴的扭矩达到双馈风力发电机的主轴工作极限扭矩参考值J3时，采用自动离合控制方法，来减小双馈风力发电机的主轴的扭矩，控制离合器脱开双馈风力发电机的风电叶片和转子，切断风电叶片和转子之间的动力传输，能使双馈风力发电机的转子处于空载状态。
2.一种改进式双馈风力发电机***，包括风电叶片(5)、齿轮增速箱(1)、双馈风力发电机(2)和逆变装置，所述齿轮增速箱(1)前端连接风电叶片(5)，后端连接双馈风力发电机(2)的电机主轴，其特征在于：还设有磁变流器(4)、无极变速器(3)、离合器(6)和主控制***，所述双馈风力发电机(2)电机轴还连接无极变速器(3)和离合器(6)，所述双馈风力发电机(2)电压输出端分别连接磁变流器(4)和AC-DC-AC逆变器(7)，其中，所述AC-DC-AC逆变器(7)还通过电源线连接电源***(8)，所述双馈风力发电机(2)通过AC-DC-AC逆变器(7)与电网连接；
采用三级控制方案对双馈风力发电机(2)的工作方式进行选择控制，设定扭矩参考值的关系为J1﹤J2﹤J3，根据扭矩参考值由主控制***实施对双馈风力发电机(2)的不同工作状态的选择控制，具体如下：
a.第一级控制方案：
当主控制***检测到双馈风力发电机(2)的主轴的扭矩未达到设定的明显扭矩参考值J1时，采用磁变流器控制方法，通过主控制***控制磁变流器(4)来增大双馈风力发电机(2)的风电叶片(5)的阻尼，来减小双馈风力发电机(2)的主轴的扭矩，实现双馈风力发电机(2)的转子的减速控制；
b.第二级控制方案：
当主控制***检测到双馈风力发电机(2)的主轴的扭矩达到明显扭矩参考值J2时，或者超过明显扭矩参考值J2时，但未达到需要停机操作时的双馈风力发电机(2)的主轴工作极限扭矩参考值J3时，采用无级变速器控制方法，通过主控制***控制无极变速器(3)来减小双馈风力发电机(2)的主轴的扭矩，实现双馈风力发电机(2)的转子的减速控制；
c.第三级控制方案：
当主控制***检测到双馈风力发电机(2)的主轴的扭矩达到双馈风力发电机(2)的主轴工作极限扭矩参考值J3时，采用自动离合控制方法，来减小双馈风力发电机(2)的主轴的扭矩，主控制***控制离合器(6)脱开双馈风力发电机(2)的风电叶片(5)和转子，切断风电叶片(5)和转子之间的动力传输，能使双馈风力发电机(2)的转子处于空载状态。
3.根据权利要求2所述改进式双馈风力发电机***，其特征在于：所述磁变流器(4)包括网侧模块(9)和转子侧模块(10)以及周边电路***，所述转子侧模块(10)与双馈风力发电机(2)信号连接，在双馈风力发电机(2)和网侧模块(9)之间设置周边电路***，周边电路***依次由并网接触器(12)、电网侧断路器(11)、电网侧软启接触器(13)、电阻(14)和电感(15)串联形成，其中并网接触器(12)的一个触头与双馈风力发电机(2)连接，并网接触器(12)的另一个触头同时与电网侧断路器(11)的一个触点和熔断器(17)的一端分别连接，电网侧断路器(11)的另一个触点与电网侧软启接触器(13)的一个触点和电网分别连接，电网侧软启接触器(13)的另一个触点与电阻(14)的一端连接，电阻(14)的另一端同时与熔断器(17)的另一端和电感(15)的一端连接，电感(15)的另一端与网侧模块(9)连接，在电网和网侧模块(9)之间，由电网侧软启接触器(13)、电阻(14)和电感(15)依次串联形成上网工作电路，并由电网侧断路器(11)、熔断器(17)和电感(15)依次串联形成保护电路，在所述网侧模块(9)与转子侧模块(10)之间并接直流母线电容(16)。
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