[发明专利]半直驱亚中速笼型转子交-交变频风力发电系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种半直驱亚中速笼型转子交-交变频风力发电系统，其包括亚中 速笼型多极异步电机、单级行星齿轮增速器、电力电子变流器、Y延边联结升压 变压器、统一时间基准的DSP控制器和谐波自治。

背景技术

风电成本和故障率“双高”问题日益突出。早期进口的大型风电机组单机总投 资高达3000万元。国产化后，某200MW风电场共投资18亿元，按1.5MW平 均计算单机投资约1300万元，基本上是火电厂的两倍。永磁机为了与低速风轮 配合，2MW永磁机组已做成60极，体积十分庞大，仅发电机售价就高达450 万元。双馈机组利用率小于95％。即每百台机组中有着多于5台的机组故障停运， 这个数目随着时间的推移还在继续增长，其主要原因在于高速齿轮箱故障率太 高。

风电技术难度要比大型火电厂容易得多，“双高”问题充分表明其技术路线不 尽合理。昂贵的永磁机未能全部取消齿轮传动环节，动力链上三个变桨系统及偏 航系统的齿轮变速器依然存在。双馈机组齿轮箱中的高速级齿轮在高达32转每 秒的速度下长期连续运转，故障率自然会高。永磁机定子和双馈机转子均属有源， 对PWM变流技术提出挑战，目前无论是进口还是国产变流器的稳定性均不理 想。PWM技术还要求增强永磁机定子和双馈机转子的绝缘。双馈机虽励磁功率 小，但其特有的过同步点调速不稳定性对齿轮箱带来额外冲击。

笼型异步发电机定子励磁属无源性质，在亚中速下运行时，使用国产可控硅 交-交变流器即可解决问题，且稳定性好。我国在绿色风电领域不宜全部进口 IGBT或大功率IPM半成品，因电动机变频调速行业已经并正在大批进口而且严 重依赖IGBT。

发明内容

技术问题：本发明要解决的技术问题是针对现有技术的问题提出一种半直驱 亚中速笼型转子交-交变频风力发电系统，使用技术成熟、价格低廉的国产异步电 机，不用高速齿轮箱，配置国产普通晶闸管三相交-交变流器，在不改变风电场 主拓扑前提下、不用传统滤波器、使用风电场10KV升压变压器硬件和控制器软 件双重“分布移相”技术自治谐波。

技术方案：本发明半直驱亚中速笼型转子交-交变频风力发电系统，其特征在 于该系统包括n个由笼型转子异步发电机单元、三相交-交变流器、Y延边联结升压 变压器、可调自激励电容组和统一时间基准单元控制器构成的结构相同子系统，其 中笼型转子异步发电机单元分别与三相交-交变流器和可调自激励电容组连接，三相 交-交变流器与Y延边联结升压变压器连接，统一时间基准单元控制器的输出端分别 接三相交-交变流器和可调自激励电容组的输入端，n个统一时间基准单元控制器通 过统一时间基准光纤网相互连接，其中n为自然数。

所述笼型转子异步发电机单元由单级行星齿轮变速器与发电机集成，所述单 级行星齿轮变速器的太阳轮与发电机共轴，单级行星齿轮变速器的输出轴即行星 架大轴与风轮的轮毂直接相连。

所述发电机为极数大于2的笼型异步电动机，额定电压690-3000V，额定转 速为同步速的1/3～1/2，额定频率为12-20Hz。

所述三相交-交变流器由三个单相晶闸管交-交变流器输出Y形联结而成，单 相晶闸管交-交变流器变流器输出直接与发电机定子输出相连，单相晶闸管交-交 变流器的三相输出端直接与Y延边联结升压变压器的输入端相连。

所述单相晶闸管交-交变流器还采用IGBT或矩阵变流器模块实现。

Y延边联结升压变压器由多个风电场升压变压器构成，风电场升压变压器的主 绕组和延边绕组匝数及其连结方式由“对称矢量法”确定，移项范围超过±30°；风 电场升压变压器分成若干组，各组变压器的“硬件分布移相”相互错开以消除有关谐 波。

所述可调自激励电容组由多个固态继电器串接定子励磁电容组构成的可调自 激励单元构成，固态继电器分别与笼型转子异步发电机单元和统一时间基准单元控 制器连接。

统一时间基准单元控制器由型号为TMS320F28335的DSP芯片构成。

有益效果：

1、发电机、变速器和变流器等主要设备均得到间化，也无需直流电解电容 和软启动器，系统成本大为降低，经核算约为现有价格的一半，即实施本方案后 建设一个风电场所需费用可建两个风电场。

2、不用高速齿轮箱，无滑环，发电机结构简单，变流器由鲁棒性高的晶闸 管构成，系统可靠，故障率低，机组利用率提高。