一种分频输电系统用风力发电机系统及其控制方法

技术领域

本发明属于新能源及电力工程技术领域，涉及一种分频输电系统用风力发电机系统及其控制方法。

背景技术

风力发电机作为风能和电能的转换单元，是分频输电系统中的核心组件之一。目前已有学者针对适用于分频输电系统的发电机类型进行了研究，结果表明传统低速直驱永磁发电机可以用于分频输电系统。不过传统直驱永磁发电机在接入电网时，为了输出频率稳定的50/3赫兹交流电，需要使用全功率的功率变流器进行整流逆变，这对大功率海上风力发电机而言，所需要的变流器容量和成本是非常巨大的。此外，传统直驱永磁风力发电机用于分频输电系统时，只能发出50/3赫兹的电能，而发电厂的用电系统则需要50赫兹的电能，因此为满足厂用电系统的需求，通常还需要增加额外的变频装置，这使得分频输电系统的成本进一步增大。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种分频输电系统用风力发电机系统及其控制方法，该系统及其控制方法能够避免额外增加变频装置，其能够降低分频输电系统的成本。

为达到上述目的，本发明公开了一种分频输电系统用风力发电机系统，包括风轮机、发电机、变流器及50/3Hz电网；

风轮机的输出轴与发电机的驱动轴相连接，所述发电机包括第一套绕组及第二套绕组，其中，第一套绕组在工作时能够发出频率为50/3赫兹的电能，第二套绕组在工作时能够发出频率为50赫兹的电能；

第一套绕组的输出端与50/3Hz电网相连接，第二套绕组的输出端经变流器与50/3Hz电网相连接。

还包括变压设备、厂用电系统及电厂储能系统，第二套绕组的输出端经变压设备与厂用电系统及电厂储能系统相连接。

所述电厂储能系统与厂用电系统相连接。

本发明公开了一种分频输电系统用风力发电机系统的控制方法，包括以下步骤：

发电机在启动及加速过程中，第一套绕组与50/3Hz电网断开，通过控制变流器，使电能从50/3Hz电网流向发电机的第二套绕组，此时发电机中的第二套绕组工作于电动状态；

当发电机的转速达到额定转速后，当第一套绕组中感应产生电能的频率为50/3赫兹时，则将第一套绕组并入50/3Hz电网，此时第一套绕组向50/3Hz电网发出频率为50/3赫兹的电能；同时通过控制变流器，以控制第二套绕组中的电能，使发电机的转速保持不变。

当发电机的转速达到额定转速后，发电机的负载转矩始终等于风轮机提供的转矩，发电机的负载转矩等于第一套绕组产生的转矩分量与第二套绕组产生的转矩分量之和。

所述通过控制变流器，以控制第二套绕组中的电能，使发电机的转速保持不变的具体过程为：

设发电机的额定工作状态，从发电机的额定工作状态开始，当风轮机捕获的风能减小时，此时风轮机提供的转矩小于发电机的额定转矩，通过控制变流器，以减小第二套绕组流向50/3Hz电网的电能，使第二套绕组产生的转矩分量减小，发电机总的负载转矩减小且等于风轮机提供的转矩，转速维持不变；当风轮机捕获的风能继续减小时，则控制变流器，使第二套绕组向电网输出的电能继续减小直至为零，此时第二套绕组产生的负载转矩分量为零，风轮机提供的转矩等于第一套绕组产生的负载转矩分量，转速保持不变；当风轮机捕获的风能进一步减小时，则通过控制变流器，使得电能从50/3Hz电网流入第二套绕组，此时第二套绕组工作于电动状态，第二套绕组产生的转矩分量加上风轮机提供的转矩等于第一套绕组产生的负载转矩分量，转速保持不变；当风轮机捕获的风能减小至低于最低风能P

从发电机的额定工作状态开始，当风轮机捕获的风能增加时，则风轮机提供的转矩大于发电机的额定转矩，此时通过控制变流器，以增加第二套绕组流入分频输电电网的电能，使第二套绕组产生的转矩分量增大，发电机总的负载转矩增大且等于风轮机提供的转矩，转速不变；当风轮机捕获的风能增加至超过最大风能P

在发电机的额定工作状态下，发电机中第一套绕组及第二套绕组均工作于发电状态，且风轮机捕获的风能P

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的分频输电系统用风力发电机系统及其控制方法在具体操作时，第一套绕组在工作时能够发出频率为50/3赫兹的电能，第二套绕组在工作时能够发出频率为50赫兹的电能，其中，第一套绕组的输出端与50/3Hz电网相连接，第二套绕组的输出端经变流器与50/3Hz电网相连接，从而省掉中间的变频装置，使分频输电系统的经济性和运行可靠性得到提高；第二套绕组还可以通过变压设备与厂用电系统相连接，从而省掉分频风力发电机与发电厂厂用电系统之间的变频装置，使整个系统的经济性和运行可靠性得到进一步提高；同时，本发明只需对产生频率为50赫兹电能的绕组进行控制，就能实现对风力发电机运行状态的调整和控制，因此控制系统可以得到简化，整个系统的经济性和可靠性进一步提高。

附图说明

图1为本发明的系统连接意图；

图2为本发明中电机电枢绕组的示意图；

图3为本发明的转矩变化示意图。

其中，1为发电机、2为第一套绕组、3为第二套绕组。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

参考图1，本发明所述的分频输电系统用风力发电机系统包括风轮机、发电机1、变流器、变压设备、厂用电系统、电厂储能系统及50/3Hz电网。

参考图2，风轮机的输出轴与发电机1的驱动轴相连接，所述发电机1包括第一套绕组2及第二套绕组3，其中，第一套绕组2在工作时发出频率为50/3赫兹的电能，第二套绕组3在工作时发出频率为50赫兹的电能；

第一套绕组2的输出端与50/3Hz电网相连接，第二套绕组3的输出端分为两路，其中一路经变流器与50/3Hz电网相连接，另一路经变压设备与厂用电系统及电厂储能系统相连接，所述电厂储能系统与厂用电系统相连接。

本发明所述分频输电系统用风力发电机系统的控制方法包括以下步骤：

所述发电机1在启动及加速过程中，第一套绕组2与50/3Hz电网断开，通过控制变流器，使电能从50/3Hz电网流向发电机1的第二套绕组3，此时发电机1中的第二套绕组3工作于电动状态。

当发电机1的转速达到额定转速后，此时第一套绕组2中感应产生电能的频率为50/3赫兹时，则将第一套绕组2并入50/3Hz电网，此时第一套绕组2向50/3Hz电网发出频率为50/3赫兹的电能。

当发电机1的转速到达额定转速后，通过控制变流器，以控制第二套绕组3中的电能，使发电机1的转速保持不变。

具体的，发电机1转速保持过程为：

为保持发电机1的转速不变，发电机1的负载转矩始终等于风轮机提供的转矩，在忽略机械损耗的情况下，由转矩平衡可知，发电机1的负载转矩等于第一套绕组2产生的转矩分量与第二套绕组3产生的转矩分量之和。

参见图3，风轮机提供的转矩与风轮机捕获的风能正相关，该转矩随着捕获风能的变化而变化；由于第一套绕组2与50/3Hz电网直接相连，第一套绕组2产生的转矩分量不可控制，该转矩分量随电网功角的变化而波动；第二套绕组3通过变流器接入50/3Hz电网，可以通过控制变流器来控制第二套绕组3产生的转矩分量。

设发电机1的额定工作状态，该状态下，发电机1中第一套绕组2及第二套绕组3均工作于发电状态，且风轮机捕获的风能P

从额定工作状态开始，当风轮机捕获的风能减小时，即风轮机捕获的风能位于P

从额定工作状态开始，当风轮机捕获的风能增加时，即风轮机捕获的风能位于P

本发明中的发电机1包括第一套绕组2及第二套绕组3，在工作时，第一套绕组2及第二套绕组3分别发出频率为50/3赫兹的电能和50赫兹的电能，50/3赫兹的电能可以直接输送至50/3Hz电网(分频输电电网)，从而省掉中间的变频装置，使分频输电系统的经济性及运行可靠性得到提高；50赫兹电能可以通过变流器或者旋转变频器与分频输电电网相连接，同时通过变压设备与发电厂的厂用电系统相连接，从而省掉风力发电机1与发电厂之间的变频装置，使整个系统的经济性和运行可靠性得到进一步提高；同时，本发明只需对产生频率为50赫兹电能的绕组进行控制，就能够实现对风力发电机1运行状态的调整和控制，因此控制系统可以得到简化，整个系统的经济性和可靠性进一步提高。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。