專利名稱：風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的切換系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及風(fēng)力發(fā)電與電力電子技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的切 換系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，從70年代中期開始受到世界各國的重視，其 中，直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機組是風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的趨勢。目前，大型機組并網(wǎng)發(fā)電，已成為世界風(fēng)能利用的主要形式?，F(xiàn)有技術(shù)中，直驅(qū)式 風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)變流器功率等級與發(fā)電機相當(dāng)，發(fā)電機發(fā)出的電能全部通過變流器變 換為頻率、電壓恒定的交流電饋入電網(wǎng)，并通過對電機側(cè)變流器電流的控制而控制電磁轉(zhuǎn) 矩，使之實現(xiàn)最大功率輸出。如果外界沒有風(fēng)，風(fēng)很小或風(fēng)很大，風(fēng)力發(fā)電機將停止運行，不能發(fā)電。在并網(wǎng)型 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)力發(fā)電突然停止，將對電網(wǎng)造成很大沖擊，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的運行安全。 當(dāng)風(fēng)機停止輸出時，目前有采用并網(wǎng)發(fā)電和電網(wǎng)無功功率補償一體化的方法，使逆變器單 獨對電網(wǎng)進行無功補償，改善電能質(zhì)量。當(dāng)風(fēng)機出力很小時，通過設(shè)置壓縮空氣儲能系統(tǒng)的 方法，為風(fēng)能轉(zhuǎn)換機構(gòu)提供穩(wěn)定的風(fēng)力，保證風(fēng)機的連續(xù)穩(wěn)定發(fā)電，或者通過在發(fā)電機定子 繞組分段抽頭形成能夠進行多級調(diào)整功率的發(fā)變電系統(tǒng)，穩(wěn)定風(fēng)機的輸出。但是在現(xiàn)有技術(shù)中，沒有提出一種當(dāng)風(fēng)機出力很大時風(fēng)能的更大利用辦法。風(fēng)機
輸入功率為Pt 二 JP^ 3，其中P為空氣密度，A為風(fēng)機葉片掃掠面積，V為當(dāng)前風(fēng)速，
風(fēng)機輸出功率則為P=I^v3Cp ，其中Cp為風(fēng)能利用系數(shù)，即風(fēng)機將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械
能的效率，它與風(fēng)速、風(fēng)機的葉片轉(zhuǎn)速、葉片直徑和槳葉節(jié)距角有關(guān)，是葉尖速比λ和槳葉 節(jié)距角β的函數(shù)。在槳葉節(jié)距角不變時，風(fēng)能利用系數(shù)只與葉尖速比λ有關(guān)，因此，在某 一風(fēng)速下，調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速，使其運行在最佳葉尖速比，就能獲得最大風(fēng)能利用系數(shù)Cpmax,達(dá) 到最大風(fēng)能捕獲的目的。為了在任意風(fēng)速時刻均能捕獲最大風(fēng)能，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速必須與風(fēng)速匹配，通常當(dāng) 風(fēng)速小于額定風(fēng)速時，可以通過變流器調(diào)節(jié)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化，獲得最大風(fēng)能轉(zhuǎn)換 效率。但是當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速而低于風(fēng)機切出風(fēng)速時，現(xiàn)有技術(shù)需要調(diào)整風(fēng)機槳葉節(jié)距 角以調(diào)節(jié)饋入系統(tǒng)的風(fēng)能，維持風(fēng)機在額定功率運行，實際上此刻的風(fēng)機可以輸出更多能 量，但是由于風(fēng)力發(fā)電機或變流器額定功率的限制，導(dǎo)致該能量不能并入電網(wǎng)而白白損失， 降低了風(fēng)能的利用效率。如果研制更大功率的變流器以減小風(fēng)速過高時能量的損失，則會 增加系統(tǒng)成本和研制周期。
實用新型內(nèi)容本實用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的切換系統(tǒng)，能夠提高風(fēng) 能的利用效率。[0009]為解決上述技術(shù)問題，本實用新型的實施例提供技術(shù)方案如下一方面，提供一種風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的切換系統(tǒng)，包括風(fēng)電機組，所述風(fēng)電機組包括順 序連接的風(fēng)機、發(fā)電機和變流器，所述風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的切換系統(tǒng)還包括一開關(guān)，與所述發(fā)電機的輸出端連接；在所述開關(guān)斷開時，所述發(fā)電機的輸出電能通過所述變流器輸出；在所述開關(guān)閉合時，所述發(fā)電機的輸出電能通過所述開關(guān)輸出。其中，所述風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的切換系統(tǒng)還包括一風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的切換裝置，用于測量所述風(fēng)機的輸出功率，并比較所述風(fēng)機的 輸出功率與所述變流器的額定功率，根據(jù)比較結(jié)果斷開或閉合所述開關(guān)。其中，所述變流器包括發(fā)電機側(cè)三相電容、三相電感、三相最低充電電平LCL并網(wǎng) 濾波電路、發(fā)電機側(cè)三相脈沖寬度調(diào)制PWM全控變流器以及PWM網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)變流器，所述發(fā)電 機電連接于所述發(fā)電機側(cè)三相電容，所述發(fā)電機側(cè)三相電容與所述三相電感連接，所述三 相電感與所述發(fā)電機側(cè)三相PWM全控變流器相連接，所述發(fā)電機側(cè)三相PWM全控變流器并 聯(lián)一組平波電容后與PWM網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)變流器相連接，所述PWM網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)變流器與所述三相LCL 并網(wǎng)濾波電路的輸入端相連接，所述三相LCL并網(wǎng)濾波電路的輸出端與電網(wǎng)相連。其中，所述發(fā)電機側(cè)三相PWM全控變流器為全控三相橋，由六個開關(guān)器件構(gòu)成三 相橋臂并聯(lián)而成，功率開關(guān)器件均為絕緣柵雙極型晶體管IGBT ；所述PWM網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)變流器由三相全控橋構(gòu)成，由六個開關(guān)器件構(gòu)成三相橋臂并聯(lián) 組成，功率開關(guān)器件均為IGBT。其中，所述風(fēng)機與所述發(fā)電機的額定功率相同，所述變流器的額定功率小于所述 風(fēng)機的額定功率。其中，所述風(fēng)機的額定功率為3 5兆瓦，所述發(fā)電機的額定功率為3 5兆瓦， 所述開關(guān)的額定功率為3 5兆瓦，所述變流器的額定功率為1 2兆瓦，所述發(fā)電機的額 定轉(zhuǎn)速為50赫茲。其中，所述開關(guān)為可控硅開關(guān)。本實用新型的實施例具有以下有益效果上述方案中，變流器與一開關(guān)并聯(lián)，當(dāng)風(fēng)機輸出功率小于或等于變流器額定功率 時，可以將該開關(guān)斷開，使得風(fēng)機發(fā)出的能量全部通過變流器并網(wǎng)，能夠提高風(fēng)電機組并網(wǎng) 的可靠性和運行效率，減小對電網(wǎng)和發(fā)電機的沖擊，實現(xiàn)風(fēng)電機組最佳穩(wěn)定運行，并實現(xiàn)了 快速功率傳輸；而當(dāng)風(fēng)機輸出功率超過變流器額定功率時，可以將該開關(guān)閉合，使變流器短 路，以使風(fēng)機發(fā)出的能量直接通過開關(guān)并入電網(wǎng)，能夠最大限度地將風(fēng)速升高后的能量通 過發(fā)電機傳送到網(wǎng)側(cè)，增加風(fēng)機的發(fā)電量，提高了風(fēng)能的轉(zhuǎn)換效率。
圖1為本實用新型的風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的切換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實用新型的風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的切換系統(tǒng)的另一結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本實用新型的變流器結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
為使本實用新型的實施例要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將 結(jié)合附圖及具體實施例進行詳細(xì)描述。[0030]本實用新型的實施例針對現(xiàn)有技術(shù)中風(fēng)能的利用效率較低的問題，提供一種風(fēng)力 發(fā)電并網(wǎng)的切換系統(tǒng)，能夠提高風(fēng)能的利用效率。本實用新型提供了一種風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的切換系統(tǒng)，如圖1所示，該系統(tǒng)包括風(fēng)機1，發(fā)電機2，變流器3，以及開關(guān)4、風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的切換裝置8。風(fēng)機1和發(fā)電機2同軸連接，發(fā)電機2的輸出連接變流器3和開關(guān)4，開關(guān)4與變 流器3并聯(lián)連接，在開關(guān)4斷開時，發(fā)電機2的輸出電能通過變流器3并入電網(wǎng)中，在開關(guān)4 閉合時，發(fā)電機2的輸出電能通過開關(guān)4并入電網(wǎng)中。風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的切換裝置8與風(fēng)機 1和開關(guān)4相連接，用于測量風(fēng)機1的輸出功率，并比較風(fēng)機1的輸出功率與變流器3的額 定功率，根據(jù)比較結(jié)果斷開或閉合開關(guān)4。其中，風(fēng)機1、發(fā)電機2以及開關(guān)4的額定功率相等，均大于變流器3的額定功率。其中，風(fēng)機1、發(fā)電機2以及開關(guān)4的額定功率可以均為3 5兆瓦，變流器3的額 定功率可以為1 2兆瓦，低于風(fēng)機的額定功率，發(fā)電機的額定轉(zhuǎn)速可以設(shè)計在50赫茲。其中，如圖2所示，變流器3可以為三相全功率變流器，開關(guān)4可以為可控硅開關(guān)。 下面以圖2所示的風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的切換系統(tǒng)為例，對本實用新型進行詳細(xì)介紹當(dāng)風(fēng)速較小，低于額定風(fēng)速時，風(fēng)機1的輸出功率小于或等于全功率變流器3的額 定功率時，風(fēng)力發(fā)電機2在風(fēng)機1帶動下發(fā)電，可控硅開關(guān)4處于斷開狀態(tài)，風(fēng)力發(fā)電機2 產(chǎn)生的電能通過三相全功率變流器3控制并入電網(wǎng)；此時風(fēng)機1和風(fēng)力發(fā)電機2都在額定 功率以下運行，變流器3在小于或等于額定功率運行，風(fēng)機1在低于額定風(fēng)速運行，風(fēng)力發(fā) 電機2在額定轉(zhuǎn)速運行；當(dāng)風(fēng)速升高，風(fēng)機1輸出功率大于全功率變流器3的額定功率時，可控硅開關(guān)4閉 合，使全功率變流器3短路，在風(fēng)輪帶動下發(fā)電的永磁同步風(fēng)力發(fā)電機2通過可控硅開關(guān)4 直接并入電網(wǎng)，此時通過調(diào)節(jié)變槳系統(tǒng)使發(fā)電機2轉(zhuǎn)速保持不變，通過網(wǎng)側(cè)調(diào)度中心調(diào)節(jié) 負(fù)載增大發(fā)電機輸出電流，將風(fēng)機產(chǎn)生的能量傳到電網(wǎng)。如圖3所示，變流器3包括電機側(cè)三相電容5、三相電感6和三相最低充電電平 (lowest charge level，以下簡稱LCL)并網(wǎng)濾波電路7，風(fēng)力發(fā)電機2通過電纜連接到三相 三角形連接的電容5，然后連接到三相電感6，三相電感6連接發(fā)電機側(cè)三相脈沖寬度調(diào)制 (Pulse Width Modulation，以下簡稱PWM)全控變流器，發(fā)電機側(cè)三相PWM全控變流器并聯(lián) 一組平波電容后與PWM網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)變流器相連，PWM網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)變流器連接三相并網(wǎng)LCL電路 的輸入端，三相并網(wǎng)LCL電路的輸出端與電網(wǎng)相連。其中，發(fā)電機側(cè)三相PWM全控變流器是全控三相橋，由六個開關(guān)器件構(gòu)成三 相橋臂并聯(lián)而成，功率開關(guān)器件采用絕緣柵雙極型晶體管(Insulated GateBipolar Transistor,以下簡稱IGBT) ；PWM網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)變流器由三相全控橋構(gòu)成，由六個開關(guān)器件構(gòu) 成三相橋臂并聯(lián)組成，功率開關(guān)器件均為IGBT。工作時，風(fēng)機1帶動風(fēng)力發(fā)電機2發(fā)出三相頻率及幅值都變化的交流電，經(jīng)過發(fā)電 機側(cè)濾波電容濾波后進入發(fā)電機側(cè)平波電感。平波電感既可以對三相電起到平波的作用， 又可以與發(fā)電機側(cè)全控變流器一起構(gòu)成升壓變流器，這樣就可以使得風(fēng)力發(fā)電機組在很大 風(fēng)速范圍內(nèi)按最佳功率運行，即使在較低風(fēng)速下，全控變流器的升壓控制也能保證直流母 線電壓的穩(wěn)定，從而保證系統(tǒng)滿足并網(wǎng)條件。由平波電感輸出來的交流電經(jīng)過發(fā)電機側(cè)全 控變流器的整流和直流側(cè)濾波電容的濾波后，作為網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)變流器的直流母線直接饋電到網(wǎng)側(cè)變流器。經(jīng)過PWM控制的網(wǎng)側(cè)變流器輸出恒頻恒幅與電網(wǎng)同相的三相準(zhǔn)正弦交流電， 滿足并網(wǎng)條件，可直接并入低壓電網(wǎng)。當(dāng)風(fēng)速很大風(fēng)機1輸出功率超過變流器3額定功率 時，及時合上可控硅開關(guān)4，使風(fēng)力發(fā)電機2的能量直接通過開關(guān)并入電網(wǎng)，此時需要同時 調(diào)節(jié)風(fēng)機的葉尖速比，使得發(fā)電機2保持額定轉(zhuǎn)速不變，并通過網(wǎng)側(cè)調(diào)度中心增大負(fù)載，以 增加風(fēng)力發(fā)電機2的電流而增大輸出功率，將風(fēng)機1產(chǎn)生的能量快速地最大限度地并入電 網(wǎng)。本實施例的風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的切換系統(tǒng)，變流器與一開關(guān)并聯(lián)，當(dāng)風(fēng)機輸出功率小 于或等于變流器額定功率時，可以將該開關(guān)斷開，使得風(fēng)機發(fā)出的能量全部通過變流器并 網(wǎng)，能夠提高風(fēng)電機組并網(wǎng)的可靠性和運行效率，減小對電網(wǎng)和發(fā)電機的沖擊，實現(xiàn)風(fēng)電機 組最佳穩(wěn)定運行，并實現(xiàn)了快速功率傳輸；而當(dāng)風(fēng)機輸出功率超過變流器額定功率時，可以 將該開關(guān)閉合，使變流器短路，以使風(fēng)機發(fā)出的能量直接通過開關(guān)并入電網(wǎng)，能夠最大限度 地將風(fēng)速升高后的能量通過發(fā)電機傳送到網(wǎng)側(cè)，增加風(fēng)機的發(fā)電量，提高了風(fēng)能的轉(zhuǎn)換效以上所述是本實用新型的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員來說，在不脫離本實用新型所述原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進 和潤飾也應(yīng)視為本實用新型的保護范圍。
權(quán)利要求一種風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的切換系統(tǒng)，包括風(fēng)電機組，所述風(fēng)電機組包括順序連接的風(fēng)機、發(fā)電機和變流器，其特征在于，所述風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的切換系統(tǒng)還包括一開關(guān)，與所述發(fā)電機的輸出端連接；在所述開關(guān)斷開時，所述發(fā)電機的輸出電能通過所述變流器輸出；在所述開關(guān)閉合時，所述發(fā)電機的輸出電能通過所述開關(guān)輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的切換系統(tǒng)，其特征在于，還包括一風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的切換裝置，用于測量所述風(fēng)機的輸出功率，并比較所述風(fēng)機的輸出 功率與所述變流器的額定功率，根據(jù)比較結(jié)果斷開或閉合所述開關(guān)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的切換系統(tǒng)，其特征在于，所述變流器包括發(fā) 電機側(cè)三相電容、三相電感、三相最低充電電平LCL并網(wǎng)濾波電路、發(fā)電機側(cè)三相脈沖寬度 調(diào)制PWM全控變流器以及PWM網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)變流器，所述發(fā)電機電連接于所述發(fā)電機側(cè)三相電 容，所述發(fā)電機側(cè)三相電容與所述三相電感連接，所述三相電感與所述發(fā)電機側(cè)三相PWM 全控變流器相連接，所述發(fā)電機側(cè)三相PWM全控變流器并聯(lián)一組平波電容后與PWM網(wǎng)側(cè)并 網(wǎng)變流器相連接，所述PWM網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)變流器與所述三相LCL并網(wǎng)濾波電路的輸入端相連接， 所述三相LCL并網(wǎng)濾波電路的輸出端與電網(wǎng)相連。
4.根據(jù)權(quán)利按要求3所述的風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的切換系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)電機側(cè)三 相PWM全控變流器為全控三相橋，由六個開關(guān)器件構(gòu)成三相橋臂并聯(lián)而成，功率開關(guān)器件 均為絕緣柵雙極型晶體管IGBT ；所述PWM網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)變流器由三相全控橋構(gòu)成，由六個開關(guān)器件構(gòu)成三相橋臂并聯(lián)組 成，功率開關(guān)器件均為IGBT。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的切換系統(tǒng)，其特征在于，所述風(fēng)機與所述發(fā) 電機的額定功率相同，所述變流器的額定功率小于所述風(fēng)機的額定功率。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的切換系統(tǒng)，其特征在于，所述風(fēng)機的額定功 率為3 5兆瓦，所述發(fā)電機的額定功率為3 5兆瓦，所述開關(guān)的額定功率為3 5兆瓦， 所述變流器的額定功率為1 2兆瓦，所述發(fā)電機的額定轉(zhuǎn)速為50赫茲。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的切換系統(tǒng)，其特征在于，所述開關(guān)為可控硅 開關(guān)。
專利摘要本實用新型公開了一種風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的切換系統(tǒng)，屬于風(fēng)力發(fā)電與電力電子技術(shù)領(lǐng)域，該風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的切換系統(tǒng)包括風(fēng)電機組，所述風(fēng)電機組包括順序連接的風(fēng)機、發(fā)電機和變流器，所述風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的切換系統(tǒng)還包括一開關(guān)，與所述發(fā)電機的輸出端連接；在所述開關(guān)斷開時，所述發(fā)電機的輸出電能通過所述變流器輸出；在所述開關(guān)閉合時，所述發(fā)電機的輸出電能通過所述開關(guān)輸出。本實用新型能夠提高風(fēng)能的利用效率。本實用新型可以廣泛應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中。
文檔編號H02J3/38GK201682291SQ20102011741
公開日2010年12月22日 申請日期2010年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月22日
發(fā)明者劉萌, 吳曉玲, 李一凡, 王東, 王天亮, 秦秀娟, 苗玉杰, 袁寧, 謝清明 申請人:北京動力機械研究所