[实用新型]风力发电设备

说明书

技术领域

本实用新型涉及应用电力电子变频及并网技术以及电机控制技术的风力发电设备技术领域。

背景技术

风能是目前运用最广的可再生清洁能源之一。为提高风力捕捉性能，目前大功率的风力发电系统多为变速双馈风力发电系统。双馈异步发电机的定子侧直接或通过变压器与电网连接，转子测与电力电子变频器相连接，从而控制转子侧的频率、电流幅值及相位，达到控制发电机，捕捉最大风能等目的。电力电子变频器由整流器和逆变器组成，中间通过直流母线连接，配有滤波电容。这种风力发电系统的优点在于电力电子变频器的额定功率通常只有整个发电系统额定功率的百分之三十。但是由于转子侧电路需要通过滑环与电力电子变频器连接，增加了系统维护成本，同时也降低了系统的可靠性。另外，异步电机功率密度相对较低，同样功率的异步发电机建设及安装成本要高于同步发电机特别是永磁同步发电机。

由于上述问题，运用永磁同步发电机和全功率电力电子变频器的大功率风力发电系统越来越受到关注。这种系统采用效率更高的永磁同步发电机从而达到更高的发电效率降低风机建设安装成本。其中有些系统还通过增加发电机电极数的设计减少加速齿轮的级数，甚至彻底避免使用加速齿轮箱从而降低损耗、增强系统可靠性。但是这种系统需要昂贵的全功率电力电子变频器。一种降低变频器成本的方法是不使用背靠背（back-to-back）的两个全可控电压源变频器，而使用二极管整流器替代发电机测的可控变频器。由于二极管整流器不可控，如果要实现发电机控制和优化风能捕捉，必须在二极管整流器和直流母线之间增加一个直流升压变换器（boost converter）。虽然在拓扑结构上升压变换器只是用了一个电力电子开关器件，但是在实际的系统中，升压变换器串联于系统中，必须按照全功率来设计。因而拓扑中的开关器件在实际中常常需要通过多个开关器件串、并联来实现。另外，基于二极管整流器的风力发电系统，由于交流测电压不可控，发电功率经常会小于发电机的额定功率。也就是说需要安装在风机塔顶的发电机不能得到充分利用，既浪费了电机生产如稀土磁铁，磁钢及铜等材料，又无谓地增加了风机塔的建设成本。因此，这种运用二极管整流器的风力发电系统并没有在大功率风力发电中得到广泛的运用。

发明内容

为了克服传统的全功率可控电力电子变频器风力发电系统和二极管整流器加直流升压变换器风力发电系统的缺点，本实用新型提出了一种风力发电设备，旨在保证风力捕捉性能的基础上大大降低电力电子逆变器成本，提高发电机利用效率，解决传统使用二极管整流器的风力发电设备发电机利用率低的问题。

本实用新型的目的通过如下技术方案实现。

风力发电设备，包括使用独立绕组的永磁同步交流风力发电机，在发电机三相绕组的一端串联连接二极管整流器，二极管整流器直流端与网侧逆变器的直流母线连接，二极管整流器作为发电机与直流母线间的能量转换元件，将发电机的交流电能转化为直流电能；发电机三相绕组的另一端串联接入补偿电压源逆变器；在网侧逆变器和补偿电压源逆变器之间还串联有可注入电路的电压幅值和相位的控制器；网侧逆变器的交流输出端与并网变压器连接，并网变压器与电网连接。

本实用新型在二极管整流器交流侧上还可以并联连接滤波器。

本实用新型所述二极管整流器为使用两电平的整流器或多变频的二极管整流器。

本实用新型所述补偿电压源逆变器为电压源电力电子变频器。

本实用新型所述网侧逆变器为全控的两电平逆变器或多电平逆变器。

本实用新型在串联补偿逆变器的直流母线上连接有储能元件。

本实用新型在保证风力捕捉性能的基础上可大大降低电力电子逆变器成本，提高发电机利用效率，解决传统使用二极管整流器的风力发电设备发电机利用率低的问题。

下面结合说明书附图进一步阐述本实用新型内容。

附图说明

图1为本实用新型示意图；

图2为本实用新型的基于两电平整流器和逆变器的实例电路图；

图3为本实用新型补偿变压器工作相量示意图；

图4为本实用新型与恒转速风机配合使用实例的控制方法示意图；

图5为本实用新型与变转速风机配合使用实例的控制方法示意图。

具体实施方式