一种混合风力发电系统 【技术领域】
本发明涉及一种风力发电系统，特别是关于一种将风电转换成电能的混合风力发电系统。
背景技术
一般风力发电系统分为恒速恒频和变速恒频两种。恒速恒频风力发电机组结构简单，早期的风力发电系统大都采用恒速恒频技术，但是由于恒速恒频风力发电机组在很大风速范围内不能保持最佳叶尖速比，所以其对风能的利用率不高。随着控制技术及电力电子器件水平的发展，变速恒频技术于20世纪90年代开始兴起。变速恒频风力发电机组的风轮转速随着风速的变化而变化，可以更有效地利用风能，通过变速恒频技术得到恒定频率的电能。目前，变速恒频风力发电技术日益成熟，兆瓦级以上的风电机组大都采用该技术。
双馈风力发电技术是变速恒频风力发电技术的一种，其双馈发电机定子绕组直接与电网相连，转子轴通过增速齿轮箱与风机同轴，转子绕组通过转子变流器与电网连接，转子变流器调节向转子绕组输出的电流，实现双馈风力发电变速恒频的目的。双馈风力发电的特点是转子变流器容量小(相当于整个发电容量的20％～25％)，成本低，当发电机转速低于同步速时，转子绕组通过转子变流器从电网馈入功率，当发电机转速高于同步速时，转子绕组通过转子变流器向电网输出功率。
由于风力机转速很低，因此在双馈风力发电系统中，发电机必须通过增速齿轮箱提升转速才能正常工作。由于增速齿轮箱增速比高(100左右比1)，需要采用三级增速才能实现这么高的增速比，所以技术难度大，一旦出现故障，维修所花时间长。风场统计表明，齿轮箱故障引起的维修时间占总设备维修时间的70％以上。因此，省去增速齿轮箱的永磁直驱发电机受到人们的关注。
采用永磁发电机可以做到风力机与发电机的直接藕合，省去齿轮箱，即为直接驱动式结构，这样可大大减小系统运行噪声，提高可靠性。永磁式发电机的转子为永磁式结构，无需外部提供励磁电源，提高了效率，但其主要缺点是尽管实现了直接藕合，但是永磁发电机的转速很低，所以其发电机体积大、成本高，并且存在失磁的问题。永磁发电机的输出经过交直交变换器与电网相连，其变速恒频功能由交直交变换器控制实现，交直交变换器的容量与发电机的额定容量相同。对于大容量的永磁直驱风电系统，为了维持直流母线电压的恒定和风能的最大功率跟踪，电机定子的交直交变换器采用基于绝缘门栅极晶体管即IGBT阀体技术的全容量四象限变流器，其功率大、损耗大，设计难度高、可靠性低。
【发明内容】
针对上述问题，本发明的目的是提供一种既能避免变速恒频双馈风力发电系统中增速齿轮箱的故障问题，又能克服变速恒频直驱永磁风力发电系统的永磁发电机失磁、体积过大及损耗大的问题的混合风力发电系统。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种混合风力发电系统，其特征在于：它包括一风轮，所述风轮通过主轴连接一低增速比齿轮箱的输入端，所述低增速比齿轮箱的输出端通过一连轴器连接一绕线双馈式感应发电机，所述绕线双馈式感应发电机的转子绕组与一转子变流器的一端相连，所述绕线双馈式感应发电机的定子绕组与一定子交直交变换器的一端相连，所述转子变流器和定子交直交变换器的另一端接入电网。
当所述低增速比齿轮箱采取一级增速时，输出、输入的增速比小于10∶1，当所述低增速比齿轮箱采取二级增速时，输出、输入的增速比小于60∶1。
所述绕线双馈式感应发电机的转速低于800转每分钟。
所述绕线双馈式感应发电机的转速低于800转每分钟。
所述定子交直交变换器包括一交直变换器，所述交直变换器一端与所述定子绕组相连，且并接一滤波电路，所述交直变换器另一端连接一直交变换器，所述直交变换器的逆变侧通过12脉升压变压器与所述电网相连，且并接一无功补偿器。
所述交直变换器是由无控制功能的整流二极管组成的整流电路，所述直交变换器是由可控硅整流元件组成的逆变电路，所述滤波电路是滤波器或12脉升压变压器的一种。
所述转子变流器是采用基于绝缘门栅极晶体管技术制成的四象限转子变流器。
所述转子变流器包括直交变换器和交直变换器，所述直交变换器一端与所述绕线双馈式感应发电机的转子绕组相连，另一端连接所述交直变换器，所述交直变换器另一端连接所述电网。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用一级或两级较低增速比的齿轮箱，克服了高增速比齿轮箱带来的可靠性问题，大大提高了系统的可靠性。2、本发明采用成熟、可靠的绕线双馈式感应发电机，不存在电机失磁、体积大的问题，使得整个系统技术成熟、可靠性高。3、本发明由于将绕线双馈式感应发电机与较低增速比的齿轮箱相连，所以其运行转速较低，通过调节转子电流可使定子输出较低频率的稳定电压。4、本发明采用的绕线双馈式感应发电机地转子绕组通过四象限运行的转子变流器与电网相连，通过转子变流器调节转子电流的幅值、频率、相位，实现了变速恒频的功能。5、本发明采用的基于二极管整流和可控硅逆变技术的定子交直交变换器，功率大，技术成熟、可靠性高；采用的基于绝缘门栅极晶体管技术的转子变流器能实现功率的双向流动，通过转子变流器调节转子电流可实现变速恒频的功能。本发明可广泛用于风力发电过程中。
【附图说明】
图1是本发明组成示意图
图2是本发明其他相关系统示意图
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明包括一风轮1，风轮1通过轴承连接一主轴2，主轴2与低增速比齿轮箱3相连，低增速比齿轮箱3通过连轴器与可在较低转速下运行的绕线双馈式感应发电机4连接，绕线双馈式感应发电机4的转速低于800转每分钟，绕线双馈式感应发电机4转子绕组41与四象限运行的转子变流器5的一端相连，转子变流器5的另一端接入电网7，绕线双馈式感应发电机4定子绕组42与定子交直交变换器6的一端相连，定子交直交变换器6的另一端接入电网7。
上述实施例中，风轮1由桨叶11和轮毂12固定在一起组成，桨叶11捕获风能，风力吹动桨叶11时，桨叶11带动轮毂12旋转，将风能转化为机械能。
低增速比齿轮箱3采取一级增速时，输出、输入的增速比小于10∶1，采取二级增速时，输出、输入的增速比小于60∶1。低增速比齿轮箱3采取一级或二级增速比传动降低了齿轮箱的设计难度、提高了齿轮箱的可靠性。低增速比齿轮箱3的低速输入轴与主轴2相连，高速输出轴通过连轴器与绕线双馈式感应发电机4相连，实现了将低速的风轮1与高速的绕线双馈式感应发电机4相连接的功能。
绕线双馈式感应发电机4包括转子绕组41和定子绕组42。为了不增加转子变流器5的容量，绕线双馈式感应发电机4运行在较低的转速，每分钟为几十转到几百转，且不高于800转，由转子变流器5提供励磁，实现变速恒频运行，输出频率为几赫兹或一、二十赫兹的稳定的正弦电压。当风速较低时，绕线双馈式感应发电机4的转子绕组41通过转子变流器5从电网7吸收功率，当风速较高时，转子绕组41通过转子变流器5向电网7输出功率，实现了功率的双向流动。
转子变流器5是采用基于绝缘门栅极晶体管即IGBT阀体技术制成的四象限转子变流器，包括一直交变换器51和一交直变换器52。直交变换器51一端与转子绕组41相连，主要功能是对绕线双馈式感应发电机4实行交流励磁，通过改变励磁电流幅值、励磁电流频率、励磁电流相位，调节绕线双馈式感应发电机4的转速而实现变速恒频运行，达到有功功率和无功功率控制的目的。直交变换器51的另一端连接交直变换器52，交直变换器52的输出端并入电网7，主要功能是维持直流电压恒定并控制网侧无功功率。转子变流器5控制转子电流的频率很低，为0～几赫兹，这样转子变流器5的容量小，只有整个发电容量的20％～25％。用绝缘门栅极晶体管即IGBT阀体技术制成四象限转子变流器为本领域的成熟技术，故在此不予详述。
定子交直交变换器6包括交直变换器61、直交变换器62、无功补偿器63、滤波器64、12脉升压变压器65。交直变换器61与定子绕组42相连，且并接滤波器64，交直变换器61是由无控制功能的整流二极管组成的整流电路，可靠性很高，主要功能是将绕线双馈式感应发电机4输出的交流电压整流为直流电压，滤波器64用于减小绕线双馈式感应发电机4定子的谐波量。交直变换器61的输出连接直交变换器62，直交变换器62是由可控硅整流元件组成的逆变电路，主要功能是将直流电压逆变成交流电压，可控硅逆变控制简单，通过控制可控硅触发角，控制输出的功率。直交变换器62的逆变侧通过12脉升压变压器65与电网7相连，且并接无功补偿器63。定子交直交变换器6将绕线双馈式感应发电机4输出的交流电压整流为直流电压然后逆变为交流电压，通过12脉升压变压器65减小向电网7注入的谐波，换向所需无功由无功补偿器63补偿。
上述实施例中，滤波器64的功能也可以用12脉升压变压器来实现，但12脉升压变压器成本比较高，所以本发明选用滤波器来减小绕线双馈式感应发电机4定子的谐波量。
本发明中还包括其他系统，这些系统的应用属于已有技术，为了使本发明能够更好地实施，现对其他系统的介绍如下：
如图2所示，机舱8中放置了风电机组的大部分零件，包括变桨系统81、轮毂12、偏航系统82、主轴2、液压系统83、刹车系统84、低增速比齿轮箱3、绕线双馈式感应发电机4、主控系统中的机舱控制柜85等。整个机舱8由几十米高的塔筒9支撑，不在机舱8内的其他设备如转子变流器5、定子交直交变换器6、主控系统中的塔底控制柜和风力控制系统(图中未示出)等都安装在塔筒9内。
变桨系统81由变桨执行机构和变桨控制机构构成，安装在轮毂12上的桨叶11借助变桨控制机构和变桨执行机构改变桨距角的大小和叶片气动特性，从而改善桨叶11和整个机舱8的受力状况。
偏航系统82也称为对风装置，包括风向标、偏航电机、偏航行星齿轮减速器、回转体大齿轮等。其作用在于当风速矢量的方向变化时，能够快速平稳地对准风向，以便使风轮1能获得最大的风能。
液压系统83是一个机电液一体化的系统，它主要负责叶尖扰流器的收拢和低增速比齿轮箱3高速刹车的释放，以及偏航闸刹车、驱动变桨机构的功能。液压系统83的核心是液压站，它由电动机、液压泵、各种电磁阀、压力继电器、管路、油箱、过滤器、蓄能器、压力表或传感器等部件组成，其中液压缸中的液压泵是执行机构。
刹车系统84主要由叶尖阻尼制动器和液压制动器这两套相互独立的刹车机构构成。液压制动器上的圆盘闸刹车制动装在低增速比齿轮箱3的低速输入轴上，这样在刹车过程中对低增速比齿轮箱3的冲击力小。刹车系统84接到风力控制系统的停机命令后对风力机进行制动，均匀分布的三个叶片的叶尖阻尼板动作，桨叶11打开，然后再由圆盘闸刹车制动，降低速度，实行软刹车，液压制动器动作，抱闸刹车，使桨叶11停止转动，这就使刹车过程变得较为平稳，振动小。刹车系统84的两套刹车机构是相互独立的，即不会由于一套刹车系统失灵而造成另一套也失去工作能力。例如当液压制动器故障，压力建立不起来，圆盘闸不能正常刹车时，叶尖阻尼板恰好因为失压而被弹出来，起到了阻尼刹车的作用，这样增强了刹车系统84的可靠性。刹车系统84设有失速保护机构：在桨叶11根部装有一个离心式压力缸，当风力机失去控制而将飞车时，在离心力的作用下，压力缸压力上升到内部压力，开关动作压力缸被打开，飞车安全阀被接通，叶尖阻尼板中的压力被泄放，阻尼板弹出，起到了保护作用。
主控系统由塔底控制柜、机舱控制柜85、风力控制系统组成。塔底控制柜包括功率柜和计算机柜。功率柜与计算机柜背靠背放置。机舱控制柜85包括机舱8内传感器信号的处理与转换，同时，也为机舱8内的偏航电机、液压泵、齿轮油泵、冷却电机、提升机、发电机加热、齿轮油加热器、机舱照明、机舱维护插座等提供电源。
本发明将风电转化为电能包括以下步骤：
1、启动控制，当风速检测系统在一段持续时间内测得风速平均值达到切入风速，并且系统自检无故障时，主控制系统发出释放制动器的命令，打开桨叶11，机组由待风状态进入低风速起动状态。
2、并网控制，启动转子变流器5，绕线双馈式感应发电机4输出电压，当输出电压达到给定值时，通过定子交直交变换器6整流逆变，执行并网操作。为了减小对电网7的冲击，应使定子交直交变换器6逆变输出的电压与电网7的电压相位、幅值、频率一致。
3、最大功率点跟踪。并网前，通过调节转子变流器5输给转子绕组41的电流，控制绕线双馈式感应发电机4的输出电压；并网后，进行功率控制，为了捕获最大风能，获得最佳叶尖速比，由主控系统输出功率给定值，通过通讯口送给转子变流器5，从而跟踪一个特定的风速下的风力机最大功率，使风力机获得最大的能量转换效率。
4、转子变流器控制，转子变流器5的一端与绕线双馈式感应发电机4的转子绕组41相连，另一端与电网7相连，与电网7相连的交直变换器51的主要功能是维持直流电压恒定并控制网侧无功功率，控制由内、外两环构成，内环采用直接电流控制，外环进行直流电压控制和无功给定控制。与转子绕组41相连的直交变换器52的主要功能是对绕线双馈式感应发电机4实行交流励磁，控制也由内、外两环构成，内环为电流控制，外环并网前为绕线双馈式感应发电机4定子电压给定控制，控制相对简单，并网后为有功、无功给定控制，通过改变励磁电流幅值、励磁电流频率、励磁电流相位，调节绕线双馈式感应发电机4的输出功率从而实现功率给定跟踪。当风速较低时，绕线双馈式感应发电机4的转子绕组41通过转子变流器5从电网7吸收功率，当风速较高时，转子绕组41通过转子变流器5向电网7输出功率。
5、定子交直交变换器控制，定子交直交变换器6将绕线双馈式感应发电机4输出的交流电压整流为直流电压然后逆变为交流电压，通过12脉升压变压器65减小向电网7注入的谐波，换向所需无功由无功补偿器63补偿，利用滤波器64减小绕线双馈式感应发电机4定子的谐波量。定子交直交变换器6的二极管整流不需控制，可控硅逆变控制简单，通过控制可控硅触发角，控制输出的功率，依据电网7运行状况的变化及时调整输出功率。转子变流器5的功率调节功能也可以由定子交直交变换器6的功率调节功能实现。
6、主控系统实现脱网控制，当风速低于切入风速时，控制已并网的绕线双馈式感应发电机4脱离电网，并在风速很低时进行机械制动。
7、偏航与解缆，偏航控制即根据风向自动跟风。由于连续跟踪风向可能造成电缆缠绕，因此控制系统还具有解缆功能。风向标作为感应元件将风向的变化用电信号传递到偏航电机控制回路的处理器里，经过比较后处理器给偏航电机发出顺时针或逆时针的偏航命令，为了减少偏航时的陀螺力矩，偏航电机的转速将通过同轴联接的减速器减速后，将偏航力矩作用在回转体大齿轮上，带动风轮偏航对风，当对风完成后，风向标失去电信号，偏航电机停止工作，偏航过程结束。
8、限速及刹车，当转速超越上限发生飞车时，绕线双馈式感应发电机4自动脱离电网7，桨叶11打开，实行软刹车，液压制动器动作，抱闸刹车，使桨叶11停止转动，调向系统将机舱8整体偏转90度侧风，对整个塔筒9实施保护。
9、根据功率以及风速自动进行转速和功率控制，根据功率因数自动调整相应的无功补偿。机组运行过程中，对电网、风况和机组运行状况进行检测和记录，对出现的异常情况自行判断并采取相应的保护措施，而且还能根据记录的数据生成各种图表，以反映风力发电机组的各项性能指标。
10、运行过程中，控制系统需要实时监测主要参数，并且具备远程通信功能，参数包括以下几个方面：
1)电力参数——电网三相电压、发电机输出的三相电流、电网频率及发电机功率因数等。
2)风力参数——风速、风向。
3)机组状态参数——转速(发电机、风轮)、温度(发电机、控制器、轴承、增速器油温等)、电缆扭转、机械刹车状况、机舱振动、油位(润滑油位、液压系统油位)。
4)反馈信号——回收叶间扰流器、松开机械刹车、松开偏航制动器、发电机脱网及脱网后的转速降落信号。
上述实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、设置位置及连接方式都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。