[发明专利]非直接并网的功率绕组连接方式可变的风力发电机及方法

说明书

技术领域

本发明所涉及的是一种在宽风速范围内均能满足逆变器输出电压要求的功率绕组“Y-△”连接可控的风力发电机及控制方法。

背景技术

煤炭、石油、天然气等化石能源的大量消耗和对环境的恶化，极大地推动了对新能源和可再生能源的开发和应用。风能作为一种的清洁能源，在存储量、分布区域和污染等方面具有先天的优势，越来越多地受到了世界各国的重视，已成为发展最快的绿色新能源。

现有主流的变速恒频风力发电系统中，采用最多的就是双馈电机和永磁同步电机两种机组。双馈发电机主要输出恒频三相交流电，必须通过齿轮箱增速达到高速工频，降低了风能的利用效率，而且受转差功率和励磁变换器容量的限制，电机工作的转速范围有限，转速范围在1:2左右，限制了双馈电机对低风速的风能利用。

如图4所示，永磁同步发电机风力发电系统示意图。直驱式永磁同步电机系统由于励磁不可控，电机功率绕组输出的电压是随着风速变化的，需要整流输出直流电后才能全功率逆变上网或供负载使用。为了能使逆变电路输出电压高于并网电压的交流电，必须在整流电路和逆变器之间施加DC-DC升压环节。如果要利用低风速时发出的电能，由于此时永磁发电机整流电压较低，DC-DC升压电路升压比必然会较高。而升压电路对功率器件的要求较高，并且BOOST变换器的升压比受到占空比的限制不宜过大，否则控制效果不佳，因此同样存在低速下不能充分利用风能的缺点，这样极大地影响了在风力资源不是很丰富、常年平均风速不太高的区域风电的应用发展。

发明内容

本发明目的是为了使风力发电机具备在低风速区的应用能力，克服在低风速区功率绕组输出电压低的不足，如图1所示，采用了一种新的功率绕组“Y-△”连接结构的风力发电机，利用控制开关控制其实现“Y-△”连接切换，减轻DC-DC升压变换器的负担，可缩小低速下的整流输出电压范围，使系统在宽风速范围内均能满足逆变器的输出要求。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明一种非直接并网的功率绕组连接方式可变的风力发电机，其特征在于由风力发电机、功率绕组、控制开关、控制器组成；其中功率绕组为风力发电机的三相输出绕组，共留出6个抽头，由控制开关来改变连接方式，控制开关的输出端为3根抽头，当前风速、电机转速和电机输出功率的检测信号与控制器输入端相连，控制器的输出端接控制开关的输入端。

所述风力发电机的三相功率绕组抽出6根出头，由控制开关来控制实现功率绕组的“Y-△”连接，其中控制开关由两个三相交流接触器构成，第一三相交流接触器的一端接至功率绕组的三相输入端，另一端三相短接，可组成Y接法，第二个三相交流接触器的一端接功率绕组的三相输入端，另一端分别接功率绕组的另外三个三相输出端，保证三相交流接触器每相开关的一端接一相绕组的入端，另一端接另一相绕组的出端，这样首尾相连，组成△接法。在功率绕组的三个输入端接一套Y接法的三相电容，作为功率绕组“Y-△”之间切换的能量通道。

所述的一种非直接并网的功率绕组连接方式可变的风力发电机，其运行特征如下：

（1）在低风速区发电运行控制的特征：在低风速区，风力发电机转速较低，电机的功率绕组整流输出的电压较低，达不到逆变器的输出要求或经BOOST升压后达不到后续逆变器要求的指令电压，控制器根据检测到风速、发电机转速和电机输出功率，判断发出控制信号给控制开关，使控制开关动作将功率绕组实现Y连接，输出电压为△连接时的                                               倍，有利于整流输出或通过BOOST变换器将电压升至逆变器要求的输出电压。

（2）高风速区发电运行控制的特征：在高风速区，风力发电机转速较高，电机的功率绕组整流输出的电压较高或经BOOST变换器升压后完全可以达到输出的指令电压，控制器根据检测到风速、发电机转速和电机输出功率，判断发出控制信号给控制开关，使控制开关动作将功率绕组实现△连接。

（3）为了实现高低风速区的平滑过渡，实现控制开关控制功率绕组“Y-△”连接的快速切换，同时又能避免系统状态的频繁变化，应注意低速到高速和高速到低速之间的切换条件有所区分，可通过设置一个滞环来实现，同时开关的瞬间应尽可能地迅速，做到先断开后闭合，避免绕组短接。