一种双转子调速风力发电系统技术方案

本实用新型专利技术涉及一种双转子调速风力发电系统，包括风轮、齿轮箱、双转子调速电机、电励磁同步发电机、变流器、整流器、变压器和开关；其特征在于：所述双转子调速电机包括永磁外转子和绕线内转子，永磁外转子为永磁体，绕线内转子上绕有电枢绕组，且永磁外转子与绕线内转子呈相对旋转的构造；风轮的主传动轴通过齿轮箱及联轴器与永磁外转子连接；所述变流器包括内转子侧整流器和网侧逆变器，内转子侧整流器的交流端连接双转子调速电机的绕线内转子，内转子侧整流器的直流端通过直流线路连接网侧逆变器的直流端，网侧逆变器的交流端连接变压器的低压侧，变压器的高压侧连接电网。

【技术实现步骤摘要】
一种双转子调速风力发电系统
本技术属于风力发电装置
，具体涉及一种双转子调速风力发电系统及其控制方法。
技术介绍
海上风能资源丰富，具有许多陆上风电无法比拟的优势，且海上风电机组呈现向远距离大容量发展的趋势。然而开发难度大、建设成本高、技术不成熟、运维费用高等因素制约了海上风电的进一步开发。当前主流风电机组如双馈和直驱机型均具有并网能力差的缺点，且机组大型化后无法兼顾成本和可靠性指标。因此产生了调速型风电机组的理念，即在风力机和发电机之间通过调速装置将变化的风速调节为恒速，从而驱动同步发电机输出恒频电能。《基于永磁双转子电机调速的新型风力发电系统设计》一文提出的发电系统由调速装置(含调速机和变频器)和同步发电机组成。调速机由永磁外转子和绕线内转子构成，内、外转子呈相对旋转构造；绕线内转子与齿轮箱机械连接，与变频器电气连接，变频器连接电网；永磁外转子与同步发电机转子机械连接；同步发电机定子连接电网。系统工作时，变频器从电网吸收电能提供给调速机使其处于电动调速状态，则与调速机外转子相连的输出轴转速为恒速，从而驱动同步发电机向电网发出恒频交流电。该系统具有电能质量高、变流器容量小、有效隔离发电机故障对齿轮箱的破坏等优势。但调速机需通过变频器从电网吸收部分电能才能工作在电动调速状态，故系统发电效率不高；变频器中电力电子器件的故障率较高，使得系统可靠性并未得到明显提升。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本技术拟解决的技术问题是，提出一种双转子调速风力发电系统及其控制方法。该系统利用双转子调速电机连接齿轮箱与同步发电机，克服了传统风电机组电能质量不高、电网适应性不强、可靠性低、维护成本高的弊端，将随风速变化的不可控量转变为可控量，实现电能和机械能的同时传递与调节，达到体积小、成本低、可靠性高、便于控制以及较高电能质量和较强电网适应性的目标，更好地适应风电机组大型化的发展趋势。本技术解决所述技术问题采用的技术方案是：提出一种双转子调速风力发电系统，包括风轮、齿轮箱、双转子调速电机、电励磁同步发电机、变流器、整流器、变压器和开关；其特征在于：所述双转子调速电机包括永磁外转子和绕线内转子，永磁外转子为永磁体，绕线内转子上绕有电枢绕组，且永磁外转子与绕线内转子呈相对旋转的构造；风轮的主传动轴通过齿轮箱及联轴器与永磁外转子连接；所述变流器包括内转子侧整流器和网侧逆变器，内转子侧整流器的交流端连接双转子调速电机的绕线内转子，内转子侧整流器的直流端通过直流线路连接网侧逆变器的直流端，网侧逆变器的交流端连接变压器的低压侧，变压器的高压侧连接电网；所述电励磁同步发电机包括转子和定子，所述转子与绕线内转子之间通过轴或杆件连接；转子同时连接整流器的直流输出端，整流器的交流输入端连接变压器的低压侧，定子通过开关与变压器的低压侧连接；整流器将电网的交流电整流成直流电为电励磁同步发电机的转子提供直流励磁；变压器低压侧的电压经变压器升压至10kV后，连接至电网。一种双转子调速风力发电系统的控制方法，对双转子调速电机永磁外转子转速的控制采用调节绕线内转子上电枢绕组电流的有功分量来实现；对双转子调速电机绕线内转子转速的控制采用调节绕线内转子上电枢绕组电流的频率来实现；当永磁外转子转速低于绕线内转子转速时，绕线内转子电枢绕组电流所形成旋转磁场的转向与永磁外转子转向相同，与绕线内转子转向相反，变流器向绕线内转子提供交流励磁，双转子调速电机通过变流器从电网吸收有功功率，处于电动调速状态；当永磁外转子转速等于绕线内转子转速时，绕线内转子电枢绕组电流频率为0，变流器向绕线内转子提供直流励磁，双转子调速电机与电网之间无直接能量交换，处于调速状态；当永磁外转子转速高于绕线内转子转速时，绕线内转子电枢绕组电流所形成旋转磁场的转向与永磁外转子转向相反，与绕线内转子转向相同，双转子调速电机通过变流器向电网发出有功功率，处于调速发电状态；电励磁同步发电机自转速达到同步转速后始终处于同步发电状态，向电网提供有功功率。与现有技术相比，本技术的有益效果是：本技术双转子调速风力发电系统由双转子调速电机和电励磁同步发电机通过轴或杆件串装而成，即调速电机的永磁外转子和齿轮箱机械连接，调速电机的绕线内转子和电励磁同步发电机的转子机械连接，能够将随风速变化的不可控量转变为可控量，实现电能和机械能的同时传递与调节，具有体积小、成本低、可靠性高、发电效率高、便于控制以及较高电能质量和较强电网适应性等优势，具体如下：1.双转子调速电机的内转子设计为绕线结构，外转子设计为永磁材料，有利于在永磁外转子高速旋转时通过双转子调速电机的外壳向外散热。2.本技术系统设计成两个背靠背双PWM变流器并联的冗余结构，一旦系统检测到变流器故障，将自动切换至备份变流器上继续运行，降低了系统由于变流器故障引起的停机时间，系统故障率与无冗余结构设计的机组相比将降低50％。3.本技术系统的工作状态包括四个阶段：第一阶段，双转子调速电机仅发电不调速，电励磁同步发电机不工作；第二阶段，双转子调速电机作为电动机工作，起调速作用，从电网吸收电能，电励磁同步发电机向电网发电且功率为电励磁同步发电机的额定功率PSN；第三阶段，双转子调速电机作为发电机工作，既调速又发电，向电网发出电能，电励磁同步发电机依然向电网发出额定功率为PSN的电能；第四阶段，双转子调速电机向电网发出双转子调速电机的额定功率PfN，同时电励磁同步发电机向电网发出电励磁同步发电机的额定功率PSN。4.风轮吸收的随风速变化的风能经双转子调速电机调速成恒频后传递给电励磁同步发电机，最终由电励磁同步发电机向电网发出电能，故该系统具有常规电站类似的电能质量和并网特性，克服了由于风资源的不确定性导致的传统风电机组出现的输出功率呈波动性进而影响电网的电能质量如电压偏差、电压波动和闪变以及谐波等缺点。5.当双转子调速电机的永磁外转子转速高于绕线内转子转速时，风轮吸收的风能一部分经双转子调速电机调速成恒频后传递给电励磁同步发电机并由电励磁同步发电机向电网输送电能，另一部分风能由双转子调速电机转化成电能后通过变流器输送到电网，实现了由双转子调速电机和电励磁同步发电机同时向电网馈送电能，故系统发电量与相同额定功率的传统全功率变流器风电机组相比可增加0.8％。6.双转子调速电机的额定功率与电励磁同步发电机额定功率之比为1:2时，调速机在电动调速和调速发电两种工作状态下均能够达到额定功率的运行点，可以最大限度的将风能转化成电能，也就提高了调速机的利用率。因此，与双转子调速电机的绕线内转子相连的变流器容量与额定功率相同的传统全功率变流器机组的变流器容量相比降低了67％，故体积可降低41％，重量可减轻63％。附图说明图1为双转子调速风力发电系统结构图。图2为不同风速下双转子调速风力发电系统的转速及功率变化趋势。图2中，1风轮、2齿轮箱、3双转子调速电机(或调速机)、4电励磁同步发电机(或同步机)、5变流器、6整流器、7变压器、3.1永磁外转子、3.2绕线内转子、4.1定子、4.2转子、5.1内转子侧整流器、5.2网侧逆变器。具体实施方式下面结合实施例及附图进一步解释本技术，但并不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。本技术双转子本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双转子调速风力发电系统，包括风轮、齿轮箱、双转子调速电机、电励磁同步发电机、变流器、整流器、变压器和开关；其特征在于：所述双转子调速电机包括永磁外转子和绕线内转子，永磁外转子为永磁体，绕线内转子上绕有电枢绕组，且永磁外转子与绕线内转子呈相对旋转的构造；风轮的主传动轴通过齿轮箱及联轴器与永磁外转子连接；所述变流器包括内转子侧整流器和网侧逆变器，内转子侧整流器的交流端连接双转子调速电机的绕线内转子，内转子侧整流器的直流端通过直流线路连接网侧逆变器的直流端，网侧逆变器的交流端连接变压器的低压侧，变压器的高压侧连接电网；所述电励磁同步发电机包括转子和定子，所述转子与绕线内转子之间通过轴或杆件连接；转子同时连接整流器的直流输出端，整流器的交流输入端连接变压器的低压侧，定子通过开关与变压器的低压侧连接。

【技术特征摘要】
1.一种双转子调速风力发电系统，包括风轮、齿轮箱、双转子调速电机、电励磁同步发电机、变流器、整流器、变压器和开关；其特征在于：所述双转子调速电机包括永磁外转子和绕线内转子，永磁外转子为永磁体，绕线内转子上绕有电枢绕组，且永磁外转子与绕线内转子呈相对旋转的构造；风轮的主传动轴通过齿轮箱及联轴器与永磁外转子连接；所述变流器包括内转子侧整流器和网侧逆变器，内转子侧整流器的交流端连接双转子调速电机的绕线内转子，内转子侧整流器的直流端通过直流线路连接网侧逆变器的直流端，网侧逆变器的交流端连接变压器的低压侧，变压器的高压侧连接电网；...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨鹏，李亚楠，王华君，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：新型
国别省市：天津,12