一种自封闭型电磁耦合调速风电机组及其控制方法技术

本发明专利技术提出了一种自封闭型电磁耦合调速风电机组及其控制方法，解决了当前双馈型和全功率变换型风电机组与常规电厂中的同步发电机组相比在并网接口上不同的问题。本发明专利技术提出了一种自封闭型电磁耦合调速风电机组，采用自封闭型电磁耦合调速装置联接齿轮箱高速轴和电励磁同步发电机转子轴，使功率从齿轮箱侧向电励磁同步发电机侧传递，并网接口为所述电励磁同步发电机。本发明专利技术的自封闭型电磁耦合调速风电机组及其控制方法，避免了风电机组因变频器与电网相连对电网可能造成的污染，实现了风电机组和常规电厂在并网接口上的统一，真正实现了风电机组“电网友好型”的目标，有利于促进风电这一清洁能源的进一步发展。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及风电领域，特别涉及一种自封闭型电磁耦合调速风电机组，还涉及一种自封闭型电磁耦合调速风电机组控制方法。
技术介绍
当前主流的风力发电机组是双馈型和全功率变换型风电机组，这两种风电机组都能使风轮转速随风速的变化而改变，从而实现了最大限度捕获风能的能力。然而随着风电在电网中所占比重的提高，风电机组参与支撑电网电压和频率的需求不断提高，在这两方面当前风力发电单元与常规发电单元相比存在不足。在电网电压支撑方面，双馈型风电机组中发电机定子与电网直接相连，电网电压发生跌落会造成定、转子过流和直流母线过压。由于双馈型风电机组的变流器容量有限，因此变流器对双馈发电机的控制能力不足，这就造成了双馈型风电机组对电网电压跌落等故障非常敏感。为了防止双馈发电机转子过压、过流和变流器直流母线过压，一种有效的方法是增加硬件Crowbar电路，但是一旦Crowbar投入，转子侧变流器将失去对转子电流主动控制的能力，双馈发电机相当于一台鼠笼异步电机运行，变流器不再具有对风电机组输出有功功率和无功功率独立控制的能力。此时，风电机组不仅无法发出无功功率支撑电网电压，反而由于发电机励磁的需要从电网吸收一定无功功率。对于全功率变换型风电机组，背靠背变流器将发电机和电网隔离，因此该机组的低电压穿越能力要优于双馈型风电机组。当电网电压发生跌落时，网侧变流器向电网发出无功功率支撑电网电压，投入直流母线卸荷电阻以消耗掉直流侧积累的多余能量，防止直流母线过压。尽管如此，由于电力电子开关装置对过电压和过电流非常敏感，很短时间内过压或过流都可能造成开关装置的损坏，因此电力电子开关装置与同步发电机相比其过载能力非常有限，这就造成了双馈型和全功率变换型风电机组在电网电压跌落时发出的无功功率难以支撑电网电压。在电网频率支撑方面，双馈型和全功率变换型风电机组的接入造成了电网频率稳定性的降低。电网频率稳定性取决于所有发电单元发出的有功功率和负载消耗的有功功率之间的平衡。由于同步发电机的转子转速和电网频率成正比，当输入功率和输出功率出现不平衡时，同步发电机的转速就会发生变化，从而引起电网频率的改变。同步发电机转速的改变将释放或者增加存储于同步发电机转子中的动能，限制电网频率的变化。电网频率的变化率取决于整个电网的惯量，其为所有同步发电机惯量的总和。电网惯量越小，出现功率不平衡后电网频率的变化率和最大频率偏差就越大，这就给电网的稳定运行带来了挑战。随着风电在电网中所占比重越来越大，频率控制就成为保证电网安全、稳定运行的一个关键问题。由于变流器在双馈型和全功率变换型风电机组中的使用，发电机与电网之间得到了解耦，这就造成了风电机组的风轮转速与电网频率之间的解耦，因此当前主流风电机组的应用造成了电网惯量的减小以及电网频率稳定性的降低。造成上述问题的原因是当前双馈型和全功率变换型风电机组与常规电厂中的同步发电机组相比在并网接口上的不同，从表面上看这两种风电机组的并网接口不再是同步发电机，从本质上来说，这两种风电机组是电流控制型电源而同步发电机组是电压控制型电源。
技术实现思路
为解决上述现有技术中的不足，本专利技术提出一种自封闭型电磁耦合调速风电机组及其控制方法，该机组并网接口为一台电励磁同步发电机，自封闭型电磁耦合调速装置联接齿轮箱高速轴和同步发电机转子轴，并实现功率从齿轮箱侧向同步发电机侧的传递。本专利技术的技术方案是这样实现的：一种自封闭型电磁耦合调速风电机组，采用自封闭型电磁耦合调速装置联接齿轮箱高速轴和电励磁同步发电机转子轴，使功率从齿轮箱侧向电励磁同步发电机侧传递，并网接口为所述电励磁同步发电机；所述自封闭型电磁耦合调速装置由电磁耦合器、变频器以及永磁同步发电机组成，永磁同步发电机用于给变频器供电；所述电磁耦合器有两根转轴，分别与齿轮箱和电励磁同步发电机相联并都转动，变频器控制电磁耦合器两根转轴的相对转速和电磁转矩；所述齿轮箱的高速轴与所述电磁耦合器的一根轴相联构成前轴系，所述电磁耦合器的另一根轴与所述电励磁同步发电机的转子轴相联构成后轴系，前、后轴系为2个独立的轴系，所述永磁同步发电机与前轴系同轴实现对所述变频器供电。可选地，所述电磁耦合器为一台具有两根转轴的鼠笼异步机。本专利技术还提供了一种自封闭型电磁耦合调速风电机组的控制方法，包括：启动过程；启动过程完成后，电励磁同步发电机投入励磁，风电机组转入同期并网过程；机组并网后的最大限度捕获风能以及停机过程。可选地，所述启动过程划分为三个阶段：首先，在第一阶段，通过变桨控制，使风轮转速逐渐上升，当前轴系转速足够高时，永磁同步发电机的输出电压满足变频器供电电压要求，此时启动变频器并设为转速控制模式，通过变频器控制电磁耦合器，使后轴系逐渐加速至前轴系转速；接下来，进入第二阶段，通过变频器控制使前、后轴系同步旋转，直至接近设定的低于电励磁同步发电机同步速的转速值： n I = n I I < n 1 = 60 f p - - - ( 1 ) ]]>式中：nI为前轴系的转速；nII为后轴系的转速；n1为电励磁同步发电机的同步速；f为电网频率；p为电励磁同步发电机的极对数；最后，进入第三阶段，由变桨控制保持前轴系转速不变，并通过变频器控制电磁耦合器使后轴系继续升速，直至高于电励磁同步发电机同步速Δn；nII＝nI+Δn (2)可选地，启动阶段完成后，电励磁同步发电机投入励磁，风电机组转入同期并网过程，并网控制柜根据测量得到的电励磁发电机机端电压与电网电压之间的幅值差和相位差，动态调节励磁电流和变频器输出的频率，当这些幅值差和相位差减小到并网要求允许值时，并网开关自动合闸，这时，变频器由转速控制模式切换为转矩控制模式。可选地，风电机组并网后，需要将电励磁同步发电机的输出功率调节至与当前风况相适应的某一功率，在自封闭型电磁耦合调速风电机组中，功率调节是通过变频器控制电磁耦合器的电磁转矩完成的，为了减缓电励磁同步发电机加卸载过程对电网的冲击，需要在功率指令中设置斜坡函数进行过渡。可选地，当风速低于额定风速时，风电机组运行在欠功率状态，桨叶节距角θ保持在0度附近，风电机组采用不依赖于风速测量的最大功率点跟踪策略；其中，电磁耦合器的电磁转矩作为调节风轮转速的控制变量；根据当前的风轮转速，从预置的风轮最优机械特性曲线中通过查表获得转矩的指令值，交由变频器控制电磁耦合器的电磁转矩；当风速高于额定风速时，风电机组运行在恒功率状态；这时，电磁耦合器的电磁转矩维持在额定转矩值，由变桨控制保持风轮转速在额定转速附近；当风电机组从电网正常解列时，首先逐步减小电磁耦合器的电磁转矩，卸去电励磁同步发电机的负载，达到空载状态后，再断开并网控制柜中的并网开关；风电机组脱网后，变频器由转矩控制模式切换到转速控制模式。可选地，所述停机过程分为2个阶段：首先，由变桨控制使前轴系转速保持在并网开关分闸时的转速，并通过变频器控制电磁耦合器实现本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自封闭型电磁耦合调速风电机组，其特征在于，采用自封闭型电磁耦合调速装置联接齿轮箱高速轴和电励磁同步发电机转子轴，使功率从齿轮箱侧向电励磁同步发电机侧传递，并网接口为所述电励磁同步发电机；所述自封闭型电磁耦合调速装置由电磁耦合器、变频器以及永磁同步发电机组成，永磁同步发电机用于给变频器供电；所述电磁耦合器有两根转轴，分别与齿轮箱和电励磁同步发电机相联并都转动，变频器控制电磁耦合器两根转轴的相对转速和电磁转矩；所述齿轮箱的高速轴与所述电磁耦合器的一根轴相联构成前轴系，所述电磁耦合器的另一根轴与所述电励磁同步发电机的转子轴相联构成后轴系，前、后轴系为2个独立的轴系，所述永磁同步发电机与前轴系同轴实现对所述变频器供电。

【技术特征摘要】
1.一种自封闭型电磁耦合调速风电机组，其特征在于，采用自封闭型电磁耦合调速装置联接齿轮箱高速轴和电励磁同步发电机转子轴，使功率从齿轮箱侧向电励磁同步发电机侧传递，并网接口为所述电励磁同步发电机；所述自封闭型电磁耦合调速装置由电磁耦合器、变频器以及永磁同步发电机组成，永磁同步发电机用于给变频器供电；所述电磁耦合器有两根转轴，分别与齿轮箱和电励磁同步发电机相联并都转动，变频器控制电磁耦合器两根转轴的相对转速和电磁转矩；所述齿轮箱的高速轴与所述电磁耦合器的一根轴相联构成前轴系，所述电磁耦合器的另一根轴与所述电励磁同步发电机的转子轴相联构成后轴系，前、后轴系为2个独立的轴系，所述永磁同步发电机与前轴系同轴实现对所述变频器供电。2.如权利要求1所述的一种自封闭型电磁耦合调速风电机组，其特征在于，所述电磁耦合器为一台具有两根转轴的鼠笼异步机。3.一种权利要求1或2所述自封闭型电磁耦合调速风电机组的控制方法，其特征在于，包括：启动过程；启动过程完成后，电励磁同步发电机投入励磁，风电机组转入同期并网过程；机组并网后的最大限度捕获风能以及停机过程。4.如权利要求3所述的自封闭型电磁耦合调速风电机组的控制方法，其特征在于，所述启动过程划分为三个阶段：首先，在第一阶段，通过变桨控制，使风轮转速逐渐上升，当前轴系转速足够高时，永磁同步发电机的输出电压满足变频器供电电压要求，此时启动变频器并设为转速控制模式，通过变频器控制电磁耦合器，使后轴系逐渐加速至前轴系转速；接下来，进入第二阶段，通过变频器控制使前、后轴系同步旋转，直至接近设定的低于电励磁同步发电机同步速的转速值： n I = n I I < n 1 = 60 f p - - - ( 1 ) ]]>式中：nI为前轴系的转速；nII为后轴系的转速；n1为电励磁同步发电机的同步速；f为电网频率；p为电励磁同步发电机的极对数；最后，进入第三阶段，由变桨控制保持前...

【专利技术属性】
技术研发人员：由蕤，柴建云，孙旭东，
申请(专利权)人：青岛大学，
类型：发明
国别省市：山东;37