[發明專利]一種風電場全直流電能匯聚系統

有效

• 申請號: 201410690430.0
• 申請日: 2014-11-25
• 公開（公告）號: CN104332986B
• 公開（公告）日: 2017-07-07
• 發明（設計）人: 孫冠群
• 申請（專利權）人: 中國計量學院
• 主分類號: H02J1/10
• 分類號: H02J1/10
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及風力發電領域，具體涉及采用直接輸出直流電能的開關磁阻發電機為風力發電機，全直流電能匯聚及直流輸電的結構簡單的風電場電氣系統。

背景技術

隨著石油、煤炭等一次性石化資源的大規模開發，能源危機和環境惡化造成的危害已經日益嚴峻，要解決這一難題的唯一途徑就是加快對可持續資源的開發。在現有可再生能源中，無論規模，還是可利用率，風能都是最高的資源之一，并且風能在利用過程中不用消耗礦產資源，不排放有害物質，被人們視為清潔、綠色、環保的能源。

從新疆到內蒙古一線是我國陸上風能資源最為豐富的地區，該地區風速穩定、地廣人稀，很適合建設大型風電場。十余年來這些區域的風能開發非常迅速，但由于附近區域的電力需求不高，大量的風電難以就近消化。如果要把多余的風電傳輸到電力需求巨大的東南部地區，風電波動性強的特點又會使傳輸的難度和成本加劇，并對電網安全造成威脅。而另一方面，我國東部海岸線長，風能資源好，風能質量好，具備大規模發展海上風電的資源條件，而且礦產資源匱乏，電力需求巨大，海上風電可以就近吸納，因此在這一區域發展海上風電具有廣闊的前景。

海上風能的另一個優點是風速更高、風力更持續，和陸上風能相比，開放性海域的風速要高30％-40％，近海區域要高15％-20％，能夠多發50％-70％的電能；并且目前能夠容納大型風場的陸上空間已很難找到，大規模海上風電場的建設已成為風能利用的主要方向。

雖然人們對風電的開發已有五十年之久，但主要集中在陸地上，建設大型海上風電場的經驗比較缺乏。海上風電的主要缺點是在海水中建設塔架和平臺(海上變電站)的成本高，維護運行的成本高等，從而對風電機組及其電力傳輸的高效、穩定、可靠要求更高，同時在變流、輸電等多項技術上也有著不同的特點和要求。

目前功率在兆瓦級以上的大型風電機組主要以雙饋型異步風力發電機組和直驅全功率變換型永磁同步風力發電機組為主。雙饋型異步風力發電機組有較好的性價比，但對電網故障的穿越能力和支撐能力較弱，它的傳動鏈必須要有大功率齒輪箱，這對機組的可靠性和可維護性提出了更苛刻的要求。直驅全功率變換型永磁同步風力發電機組通過變頻器并網，對電網故障的穿越能力較強，有一定的支撐電網能力，避免了大功率齒輪箱的維護工作量，可靠性有所提高，但由于其轉速很低，隨著功率的增大，多極數永磁同步發電機的制造工藝復雜，技術難度大，電機體積大，造價高，海上安裝成本更高，同時隨著機組容量的不斷增大，配套的大功率變頻器價格昂貴更增加了其使用成本。

開關磁阻發電機(Switched Reluctance Generator，簡稱：SRG)結構簡單，轉子上無刷、無繞組、無永久磁體。其運行時相當于一個電流源，這樣在一定轉速范圍內，輸出端電壓不會隨著轉速的變化而變化，這非常適合于當前主流的變速運行的風力機，可提高風能的利用效率；更重要的是它直接發出為直流電，適應了當前海上風電以高效的直流方式進行電力傳輸趨勢的需要，省去了整流環節。由于這些特性，SRG可以在風力直接驅動下實現較高的發電效率，從而省去了齒輪箱，使整個發電系統結構更加簡潔、可靠，這也正是風力發電系統的發展趨勢。而在運行過程中，SRG可控參數多，如開通角、關斷角控制，電流斬波控制等，可方便的實現比較復雜的控制策略，靈活的控制輸出直流電壓和電流，也大大降低了低電壓穿越的技術壓力。可見，SRG引入海上風電，完全符合安裝困難、成本高、維護保養困難的海上風電發展的需要，即高效率的實現風能的轉換，結構的簡潔化意味著更高的可靠性更少的維護以及更低的安裝成本和設備采購成本。

對開關磁阻電機進行電動運行的研究開展的較早，目前已廣泛應用于電力牽引、需要四象限運行調速系統和在寬廣的速度范圍內實現高效率運行的系統中。但對其發電運行特性的研究，直到20世紀80年代末才得到重視，并在航天起動/發電機等應用領域中展開了探索性的研究。