基于公共直流母线的直驱风力发电系统

成果编号：21553

价格：5

完成单位：盐城工学院

单位类别：其他高校

完成时间：2016年

成熟程度：其他

服务产业领域：电子信息、装备制造、能源环保

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发布人：rc_abc 离线

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所有的可再生能源发电系统中，风能作为一种具有很强竞争力的新能源发电技术得到了全社会的高度重视，其装机容量近乎以20[%]的速度递增。为转换和获得更多的风能，变速恒频风力发电机组逐步取代恒速恒频风力发电机组。而其中，直驱式永磁同步风力发电系统因其具有无增速齿轮箱、效率高、可靠性高、运行维护成本低等优点，逐渐成为行内人士关注的焦点，逐步成为市场上流行的变速恒频风力发电机组之一。当前，针对直驱式风力发电系统，其基本结构以风力机带动多极永磁同步发电机+不控整流+Boost变换器+PWM变流器、和发电机+背靠背双PWM变流器的两种结构。对于后者，由于发电机控制由PWM变流器实现，可以获得比较高的性能，如：谐波少、功率因素高、功率双向流转、响应性能好等，但相对前者其装置的投入成本自然要高、电路复杂、可靠性也相应的较低。当前，对这两者的应用研究均比较多，其系统结构都是一对一模式，即一台发电机对应一部变流器（整流、逆变），将风能馈入电网。然而，众所周知的是，对于需要建立的风电场而言，不可能就是一台风力发电机组，大多在风场区域范围内逐步建立并发展成为一个发电机组群，如果所有的风力发电机组均按以上模式组建，系统总投入与运行成本将比较大。此外，在大多数运行情况下，并不是所有风力发电系统总是运行在全功率状态，因此，一对一模式的风力发电系统其并网逆变器并未按照容量充分发挥其自身潜能，系统的运行效益较低。文献[1直驱式永磁风力发电机组病网控制，杨晓萍，郭鑫，电力系统及其自动化，2011Vol.23 No.6]提出一种直驱式永磁风力发电机组并网控制方法，该控制方法的思想是，系统只使用一台全功率变流器将所有直驱永磁风力发电机并接在低频交流母线上，电能以低频长距离送入背靠背换流站，在换流站中变换为工频送入电网。这种方法可以显著降低风力发电系统的初始设备投资，一条低频母线上的所有发电机等效成一台发电机，各机组的转速相同。显然，运行于风电场不同位置的风力发电机组，由于地面形状的不同，风流形成的差异，风电场各处的风速肯定会有比较大的差别，让所有风力发电机都运行在相同转速肯定是不合理的。由于各机组风速不同而转速相同，使得大部分机组不能运行在最佳风能曲线上，不能让各机组充分发挥各自优势利用风力资源。

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成果介绍

科技计划：

成果形式：新技术

合作方式：技术转让、技术开发

参与活动：驻苏高校院所苏北五市产学研合作对接活动第七届中国江苏产学研合作大会

专利情况：正在申请 ,其中:发明专利 0 项
已授权专利,其中:发明专利 1 项

成果简介

成果概况

创新要点

1、形成风电场直驱风力发电系统的新型结构。本发明提出各风力发电机组通过一组公共直流母线相连，比起一对一模式的直驱式风力发电系统，系统构成的成本投入较小。 2、充分利用各风力发电机组的自身潜力。本发明所提出采用一组公共直流母线将风电场所有直驱风力发电机组联接在一起，各机组根据自身所处环境风速的情况运行在各个不同的转速上，各机组都可以实现追踪最大风能的控制，使每个风力发电机尽可能多地发电，提高整个系统的运行效率。 3、方便系统的构成，并为其它可再生能源的并网提供便利。本发明中，各风力发电机发出的变压、变频交流电经过不控整流器－升压变换器将风能馈入直流母线，或者通过全控整流电路将变压、变频交流电直接变换为直流电馈入直流母线，各风力发电机组的交/直变换均以直流母线电压为控制目标，与需要同期并网的交流系统相比，系统构成比较简捷方便。同时，这种结构也为其它分布式能源的并网提供了便利（如光伏发电等），其它可再生能源发电装置只要以该公共直流母线电压为控制的约束条件，将电能馈入即可。 3、本发明中的功率控制开关可以方便各风力发电机组并入公共直流母线。本发明中，风力发电机组投入运行时，整流器输出端（或斩波器输出端）口通过功率控制开关直接联接到公共直流母线，因此，系统连接并网比较方便。 4、本发明中给出了风电场中的系统连接方法。针对风电场的系统连接，由于各风力发电机组均按照直流母线电压等级向其馈送电能，直流母线的结构方式可按照环形、放射形、串联形等方式连接。从系统运行可靠性方面考虑，环形连接方式具有更高的可靠性。从系统构成成本方面考虑，放射形系统相对成本较高，而环形和串联形连接的系统其成本相当。 5、本发明中给出了变电站逆变器的设置方法。当所有风力发电机组将风能均汇聚到直流母线上后，需要并网逆变器将其转换成与电网同频的交流电能并馈入电网。变电站的逆变器可以分级并联设置，按照风力发电机组馈入直流母线的电能大小，设置投入运行的逆变器个数及接入顺序。

主要技术指标

本发明提出一种新型直驱风力发电系统的组成结构，该系统借助于一条公共直流母线将风电场所有直驱风力发电机联系在一起。各风力发电机所发出电功率的大小取决于各机组风力机的输入，与机组装备所处地点的风速有关，各发电机的转速可以得到灵活的控制，各风力发电机可以运行在最佳风能曲线上。传输到公共直流母线上的电能汇聚到变电站，由变电站的逆变器完成直/交变换，将风能馈送到电网上。采用公共直流母线的结构形式，风电系统在建设时组建灵活，可随着工程的推进逐步增加风电场中风力发电机组的数目，不需要给每个风力发电机组配备逆变器，项目的实施对设备的投资有所节省。各发电机组机侧变流器均以输出同等级电压的直流电能为目标，根据各发电机产生风能的多少向公共直流母线馈入电能，系统的构成比较灵活方便。为方便各风力发电机组并入直流母线，在每台风力发电机组的入口处串入功率方向控制开关，该开关的结构由馈电大功率二极管、旁路开关及功率方向检测与开关控制电路构成。各风力发电机组在并入电网时，直接通过功率方向控制开关与公共直流母线相连，系统的功率馈入控制比较平滑，可靠性高。针对风电场的系统连接，由于各风力发电机组均按照直流母线电压等级向其馈送电能，直流母线的结构方式可以按照环形、放射形、串联形等方式连接。从系统运行可靠性方面考虑，环形连接方式具有更高的可靠性。从系统构成成本方面考虑，放射形系统相对成本较高，而环形和串联形连接的成本相当。当所有风力发电机组将风能均汇聚到直流母线上后，考虑到风电的随机性以及实际风电系统运行的具体情况，变电站逆变器可分级并联设置，将系统整体容量分成多等份，按照风力发电机组馈入直流母线的电能大小，设置投入运行的逆变器个数，每个逆变器控制均按照恒定的直流母线电压设定逆变器向电网馈入的电能大小，直到该逆变器满载为止。规定了逆变器的管理与切换控制器锁需要完成的功能。

其他说明

本发明在直驱风力发电系统获得应用，可以有效降低风电场的建设成本，增加直驱风力发电系统构成的灵活性，提高直驱风力发电系统并网运行的稳定性，方便风力发电机组的并网操作与运行，并为其它分布式能源的并网运行提供了机遇。

完成人信息

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