[發明專利]基于可變頻率變壓器的變速風電系統及其控制方法

無效

• 申請號: 201210079815.4
• 申請日: 2012-03-23
• 公開（公告）號: CN102624026A
• 公開（公告）日: 2012-08-01
• 發明（設計）人: 陳思哲;張宙;章云;王家聰;楊俊華;張淼
• 申請（專利權）人: 廣東工業大學
• 主分類號: H02J3/38
• 分類號: H02J3/38;H02J3/18;H02J3/16;H02P9/04
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 林麗明

技術領域

本發明屬于風力發電領域，涉及近海風電場開發、現有恒速風電場改造，特別涉及一種基于可變頻率變壓器的變速風電系統及其控制方法。

背景技術

風力發電是目前發展最快、最具規模化開發條件和商業化發展前景的可再生能源發電方式之一。近海風電具有風速高、湍流強度小、風速風向穩定等優點，是今后風電行業發展的必然趨勢。我國近海風能資源豐富，并且靠近東部電力負荷中心，有利于電網消納，避免遠距離輸電，因此大力開發近海風電資源具有顯著的社會和經濟效益。

近海風電機組基礎建造費用高、維護難度大，而且天氣和海洋環境的制約使機組故障后難以得到及時維修，因此提高風電機組單機容量、減少維護工作和增加有效發電時間對于近海風電資源的開發非常重要。在國家電力監管委員會發布的《風電安全監管報告(2011第4號)》中，公布了12家風電運營企業提供的2010全年風電機組故障分類統計數據，在合計約3.5萬臺次的風電機組故障中，變槳距系統占19.3%，變頻系統占14.5%，電氣系統占10.4%，傳感器占9.4%，液壓系統占7.7%，電氣控制系統占6.8%，發電機占6.7%，偏航系統占6.4%，齒輪箱占5.5%，其余部件合計占13.3%。上述統計數據對于風電機組可靠性的提高具有重要的參考價值。

永磁直驅和雙饋風電機組是當前變速恒頻風力發電的主流機型。永磁直驅風電機組消除了齒輪箱，然而多極低速電機的尺寸和重量不利于單機容量的提高，而且永磁體一旦失磁，更換和維護非常困難。雙饋風電機組的優勢在于電力電子變流器僅需傳遞轉差功率，使變流器的容量和成本顯著降低，然而其滑環和電刷需要經常性的維護，這對近海風電而言是不小的負擔。

籠型風電機組無電刷和滑環、結構簡單可靠，若應用于近海風電有利于提高單機容量、減少海上維護工作和增加有效發電時間。現有籠型風電機組通過全功率交-直-交變流器實現變速恒頻發電，然而大容量電力電子變流器的價格昂貴，而且為每臺風電機組單獨配備變流器的方式也較不經濟。此外，根據前述故障統計數據，變頻系統、電氣系統和傳感器故障的比例在各類故障中排第2至4位的事實說明變流器及其測量控制系統的可靠性問題也不可忽視。

近年來，美國通用電氣公司研制了100?MW可變頻率變壓器，并用其成功實現了加拿大魁北克電網與美國紐約電網的異步互聯?？勺冾l率變壓器采用變速調頻方式取代電力電子變流調頻，大大降低了電力電子裝置的容量和成本，并且具有更強的過載能力，該技術為籠型風電機群的變速發電提供了新的思路。

隨著風電裝機容量的增加，從維持電網穩定的角度出發，要求風電機組在電網電壓跌落時能維持不脫網運行，即具備低電壓穿越能力。現有籠型風電機組的低電壓穿越方案分別存在以下問題：①STATCOM或SVC輸出無功功率恢復風電場端電壓的方案，由于STATCOM、SVC的無功功率輸出能力分別與電壓、電壓平方成比例關系，在電壓跌落期間無功輸出能力大大降低，因此需要大容量的無功補償裝置，導致成本過高；②采用串聯動態電壓調節器在電網故障期間將風電機組端電壓維持在額定值的方案，由于串聯動態電壓調節器必須吸收并消耗風電機組發出的大部分有功功率，同樣需要大容量的電力電子裝置；③采用串聯制動電阻提升風電場端電壓并吸收過剩有功功率的方案，由于串聯制動電阻不產生無功，在負荷功率因數較低時無法解決暫態失穩問題。

發明內容

本發明的目的在于考慮上述問題而提供一種不僅能增大風電機組單機容量、降低機組故障率、減少維護工作和增加有效發電時間，而且能提高風能利用率、減小機械應力和輸出功率波動的基于可變頻率變壓器的變速風電系統。

本發明的另一目的在于提供一種控制簡單，操作方便的基于可變頻率變壓器的變速風電系統的控制方法。

本發明的技術方案是：本發明的基于可變頻率變壓器的變速風電系統，包括有籠型風電機群、變頻交流母線、升壓變壓器、高壓輸電線、降壓變壓器、可變頻率變壓器、工頻電網，其中籠型風電機群所發出的變頻交流電匯集在變頻交流母線上，變頻交流母線上的變頻交流電經升壓變壓器升壓后通過高壓輸電線傳輸至降壓變壓器，由降壓變壓器降壓后的變頻交流電進入可變頻率變壓器，可變頻率變壓器通過變速調頻作用將變頻交流電轉換為工頻交流電，且可變頻率變壓器將工頻交流電注入工頻電網。