[发明专利]同步电机变极变速风力发电系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种同步电机变极变速风力发电系统的构成与控制策略，属于风力发电领域。 

背景技术

绿色能源中，风能不仅储量大，可利用率高，而且便于大规模开发。我国可开发利用的风能资源陆地为2.53亿kW，近海7.5亿kW，合计10.03亿kW，仅次于俄罗斯和美国，居世界第三位。近年来，我国风力发电装机容量增加较快。国家能源局官员讲，到2020年我国风电总装机容量由30000MW提升到1亿kW。 

当前国内外运行的可变速风电系统主要有两种，一种是永磁同步经变流器并网系统，另一种是双馈发电系统。永磁同步风力发电系统的风能利用较好，但由于其变流器容量必须与发电机容量相一致，而且永磁材料价格较高，因而系统成本也较高；而双馈风力发电系统的变流器容量为励磁容量，变流器成本低于直接并网变流器，因而较受欢迎，但风能利用率低，控制策略较为复杂，低电压穿越能力弱，在电网波动时容易脱网。而采用变极变速发电机则不需要变流器，因此系统成本较小，通过特殊的控制策略，可获得非常良好的风能利用率，并且在电网波动时能稳定发电，不易脱网。从而大大降低了大型风电系统的成本，同时提高了风电系统的可靠性。 

发明内容

本发明的目的是通过提供一种采用混合励磁可变极变速同步发电机的风力发电系统结构，加上相应控制策略的风力发电技术，实现以较低成本获得良好风能利用率，提高风电机组性能的目标。 

本发明通过采用一台混合励磁可变极同步发电机、一套直流励磁系统，相 应控制系统以及含有特殊控制策略的控制软件来实现。配上塔筒、风轮、变桨系统、偏航系统、传感器等其他电控系统，形成完整的风力发电机组。 

本发明的优点是： 

1.不采用变流器，而采用直流励磁装置，系统成本大幅下降。 

2.通过控制发电机变极，可在不同转速下使发电机恒定输出额定频率50HZ。 

3.当电网发生波动时，可通过调节电励磁(低电压时强励)实现低电压穿越，不脱网稳定运行。 

4.根据风速、转速和桨叶角度的三角形关系来调节变桨角度来提高风能利用率。 

附图说明

图1是表示本发明的变极变速电机的电气原理图。 

图2是本发明中变极变速电机高低转速转换的绕组接法。其中左侧接线图为电机低转速时的接法，右侧接线图为电机高转速时的接法。 

图3是本发明中变极变速电机控制励磁电流方向使电机转子为6极模式。 

图4是本发明中变极变速电机控制励磁电流方向使电机转子为4极模式。 

具体实施方式

以下用附图详细说明本发明。 

定义：WIND_SP----风速；P1----发电机的极对数6极；P2----发电机的极对数4极；N1----6极对应的转速1000r/min，N2----4极对应的转速1500r/min，P----发电机的额定功率；Pout----发电机的输出功率；F----发电机的额定频率。 

本发明为可变极同步发电机结构，以1.5MW风力发电机组为例，发电机为4极/6极，发电机转速为1500转/1000转，额定频率为50HZ，发电机的转子采用混合励磁即永磁体加直流电励磁。系统配有发电机匹配的直流励磁系统、相应控制开关以及系统控制器和含有特殊控制策略的相应控制软件，配上塔筒、 风轮、变桨系统、偏航系统、传感器等电控系统，形成完整的风力发电机组。 

图1为变极变速发电机电气原理图，此发电机的转速分为2档，当风速在3-8m/s时，机组先空转运行至12r/min左右(根据齿轮箱变比，使电机转速为1000r/min)，然后控制系统控制空气开关QF并入三相电网，控制起动按钮SB2，交流接触器KM1线圈回路通电并自锁，KM1主触头闭合，为发电机接入三相电网，L1接U1、L2接V1、L3接W1；L2、V2、W2悬空。发电机在Δ接法下运行，如图2左侧接线图所示。同时控制转子励磁装置，通过调整励磁电流方向，使转子磁极如图3所示。此时，发电机P1＝6、N1＝1000r/min，发电机的输出频率F＝50Hz。此时根据风速、转速和桨叶角度的三角形关系来调节变桨角度提高风能利用率。