[发明专利]多直流支路组合调节的宽风速直驱永磁发电系统

说明书

本系统属于直驱永磁风电领域，涉及多直流支路组合调节的宽风速直驱永磁发电系统。本系统组成为：多支路直驱永磁发电机，其定子多支路独立接整流模块后接入支路切换单元并与直流母线相连，直流母线通过网侧逆变器与电网相连；本发明中的支路切换单元改变发电机的投入运行支路数和支路的组合方式控制母线电压值满足在网侧变流器需求。此系统拓展了风力发电机的可发电风速范围并在可发电风速范围内保持了最佳功率运行，提高风能利用率，同时支路投切的可选择性增加了支路的容错性。同时本发明提出的与此系统匹配的支路切换拓扑结构具有结构简单，扩展性强的特点。

技术领域

本发明属于直驱永磁风电领域，涉及直驱永磁风力发电机及其控制领域的相关技术，具体为一种可用于宽风速范围运行的直驱永磁风力发电系统。

背景技术

该专利得到863计划（SS2012AA061303）和国家重大科学仪器设备开发专项（2012YQ050242）资助。

近年来，双馈式风力发电系统和直驱永磁同步风力发电系统是目前主流风力发电系统。双馈式风力发电系统是目前较成熟的风电系统，但双馈型机组存在需升速齿轮箱和滑环等增加故障率和传递效率的机械结构，同时双馈式风机存在着运行转速范围的下限使发电系统不能在可发电风速范围内始终处于最佳运行工况。直驱永磁风力发电系统无需齿轮箱和电励磁装置，提高了系统效率和可靠性，同时永磁发电机与电网的柔性连接提高了系统的低电压穿越能力。目前直驱永磁风力发电系统常采用成本低且控制简单的升压斩波来维持母线电压恒定，但由于升压斩波电路中的功率开关管的导通时间的上下限，限制了发电系统的调速能力。

发明内容

发明目的：为扩展发电机捕风范围，使发电机在可发电风速范围内皆可运行在最佳功率点，提高风力发电系统整体的运行能力，本发明提供了一种多直流支路组合调节的宽风速直驱风力发电系统。此系统采用多支路永磁直驱发电机，各支路彼此相互独立，在风力机的驱动下，多支路发电机的各支路发出的m相交流电分别经整流模块整流后分别接入支路切换控制单元，此单元控制发电机的投入运行支路数和支路的组合方式保证支路电压在宽范围变化时母线电压满足网侧变流器需求。因发电机各支路的输出电压与发电机的转速成正比，故支路输出电压范围的拓展也可扩展发电机转速范围，使发电机在可发电风速范围内皆可运行在最佳功率点，提高发电机的捕风效率。同时直驱永磁发电机的采用消除齿轮箱和励磁线圈的损耗，提高了传动效率，降低了机组的切入风速，扩展了系统捕风范围。

针对本系统对支路切换单元的功能要求，本发明提出了一种支路切换单元的拓扑结构可实现运行支路数和支路组合方式的可选择性，降低发电机支路的冗余性和容错性，提高发电机系统运行的可靠性。

技术方案：

一种多直流支路组合调节的宽风速直驱永磁发电系统，其特征在于：该系统包括风力机、由风力机驱动的多支路永磁发电机、机侧变流器、网测变流器；所述多支路永磁发电机为并联多支路结构，各支路均为m相对称绕组，所述各支路分别连接机侧变流器中的整流单元形成独立直流单元；各独立直流单元与支路切换单元连接，所述支路切换单元对运行支路数和支路组合方式进行控制并通过直流母排与网侧逆变器相连，网侧逆变器与电网连接。

所述的多直流支路组合调节的宽风速直驱永磁发电系统，其特征在于：所述支路切换单元为可调节投入运行的直流单元数和直流单元组合方式的矩阵式支路切换单元，该支路切换单元通过电力二极管、直流接触器或全控型器件组成支路切换子模块并与树形拓扑结构相结合组成。

所述的多直流支路组合调节的宽风速直驱永磁发电系统，其特征在于：所述支路切换单元根据发电机转速调节直流单元的组合方式；所述支路切换单元对直流单元组合时遵循以下原则：

1）发电机系统在整个转速运行范围内，通过直流支路切换单元的控制可使与网侧逆变器相连的母线电压既满足网侧逆变需求又不超过变流器的耐压需求；