[发明专利]基于直流输电的低速齿轮箱双馈型风电机组优化设计方法

说明书

本发明涉及一种基于直流输电的低速齿轮箱双馈型风电机组优化设计方法，属于风电领域。该方法采用一种双馈型风力发电系统拓扑结构对包括齿轮箱、双馈发电机(DFIG)和直流变流器的双馈型风电机组进行优化设计及控制；首先采用定子磁通矢量定向控制策略，求优化前后所述DFIG的定转子电流、总电流及直流变流器总电流之比；其次求优化后双馈型风电机组总成本C_s2；最后求风电机组优化设计参数：根据C_s2公式，绘制C_s2‑λ曲线，λ为优化前后齿轮箱增速比之比，求得C_s2的最小值和λ的最优值，由此获得优化后齿轮箱增速比和DFIG的定转子电流、同步转速、定子额定频率。本发明使齿轮箱增速比降低，可降低故障率和成本，提升系统运行可靠性。

技术领域

本发明涉及一种优化设计方法，尤其是一种基于直流输电的低速齿轮箱双馈型风电机组优化设计方法，属于风力发电技术领域。

背景技术

双馈型风力发电系统主要由风力机、齿轮箱、双馈型风力发电机(DFIG)、变流器等构成。DFIG是一个高速、体积小的发电机，由于风力机低转速运行，因此通常采用高增速比的增速齿轮箱把较低的风力机转速提升到高速的转子转速。齿轮箱的增速比越高，DFIG的体积和成本越小；但齿轮箱增速比越大，齿轮箱的体积、成本越高，能量损耗、故障率越大，使整机系统的可靠性越差。双馈型风力发电系统的主要损耗来源于齿轮箱和变流器系统，其中每年大约有65％左右的系统损耗来源于齿轮箱。因此，有必要研究采用低增速比的齿轮箱，以期降低系统的成本、损耗，提高系统运行的可靠性。但传统的DFIG定子通常直接与交流电网相连，DFIG必须采用恒压恒频运行机制，以确保定子的频率与电网频率一致，因而无法采用低增速比的齿轮箱。

目前直流输电技术因其具有运行可靠、远距离、成本低、损耗小等诸多优势而深受关注，成为连接远距离大规模风电场和电网的理想技术，广泛应用于风力发电输电系统中。实用新型专利ZL201420171452.1公开了一种用于柔性直流输电系统的双馈型风电机组变流器拓扑结构，该变流器包括定子侧变流器、机侧变流器、网侧DC-DC变换器，可以直接将双馈型风力发电机输出功率接入直流电网，其中定子侧变流器与DFIG的定子连接，实现整流，也就是说DFIG的定子不与交流电网连接，因而定子的输出电压和频率无需恒压恒频，变流器可灵活调节定子频率和定子电压，这使得定子的频率可以低于电网频率(如50Hz)，因此发电机的同步转速可以降低，从而可采用低增速比的齿轮箱。但齿轮箱增速比降低、同步转速下降将会导致DFIG定子、转子电流增大，齿轮箱体积、成本上升，为此必须解决由此带来的全系统优化设计及控制问题。

发明内容

本发明的主要目的在于：针对现有技术的不足和空白，根据柔性直流输电系统的特点，提出一种通过选择最佳齿轮箱变速比对双馈型风电机组进行优化设计方法，以降低齿轮箱增速比、降低双馈型风力发电机组成本、提高系统可靠性。

为了达到以上目的，本发明一种基于直流输电的低速齿轮箱双馈型风电机组优化设计方法，采用一种基于直流输电的双馈型风力发电系统拓扑结构对双馈型风电机组进行优化设计及控制，所述双馈型风力发电系统包括风力机、齿轮箱、双馈型风力发电机、直流变流器、直流母线，所述直流变流器包括定子侧变流器和转子侧变流器，所述双馈型风电机组包括所述齿轮箱、所述双馈型风力发电机和所述直流变流器，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，假设优化前后所述风力机的功率不变，所述双馈型风力发电机的极对数及其定子的感抗、转子的感抗和定转子之间的互感保持不变，定子磁通保持不变，令：

λ＝M/N (1)

式中，N、M分别为优化前所述齿轮箱的增速比和优化后所述齿轮箱的增速比，且MN，λ为优化后所述齿轮箱的增速比与优化前所述齿轮箱的增速比之比；

采用定子磁通矢量定向控制策略，求优化前后所述双馈型风力发电机的定子电流、转子电流、总电流和所述直流变流器的总电流之比，其计算公式分别为：