[实用新型]一种基于可变频率变压器的变速风电系统

说明书

技术领域

本实用新型属于风力发电领域，涉及近海风电场开发、现有恒速风电场改造，特别涉及一种基于可变频率变压器的变速风电系统。

背景技术

风力发电是目前发展最快、最具规模化开发条件和商业化发展前景的可再生能源发电方式之一。近海风电具有风速高、湍流强度小、风速风向稳定等优点，是今后风电行业发展的必然趋势。我国近海风能资源丰富，并且靠近东部电力负荷中心，有利于电网消纳，避免远距离输电，因此大力开发近海风电资源具有显著的社会和经济效益。

近海风电机组基础建造费用高、维护难度大，而且天气和海洋环境的制约使机组故障后难以得到及时维修，因此提高风电机组单机容量、减少维护工作和增加有效发电时间对于近海风电资源的开发非常重要。在国家电力监管委员会发布的《风电安全监管报告(2011第4号)》中，公布了12家风电运营企业提供的2010全年风电机组故障分类统计数据，在合计约3.5万台次的风电机组故障中，变桨距系统占19.3%，变频系统占14.5%，电气系统占10.4%，传感器占9.4%，液压系统占7.7%，电气控制系统占6.8%，发电机占6.7%，偏航系统占6.4%，齿轮箱占5.5%，其余部件合计占13.3%。上述统计数据对于风电机组可靠性的提高具有重要的参考价值。

永磁直驱和双馈风电机组是当前变速恒频风力发电的主流机型。永磁直驱风电机组消除了齿轮箱，然而多极低速电机的尺寸和重量不利于单机容量的提高，而且永磁体一旦失磁，更换和维护非常困难。双馈风电机组的优势在于电力电子变流器仅需传递转差功率，使变流器的容量和成本显著降低，然而其滑环和电刷需要经常性的维护，这对近海风电而言是不小的负担。

笼型风电机组无电刷和滑环、结构简单可靠，若应用于近海风电有利于提高单机容量、减少海上维护工作和增加有效发电时间。现有笼型风电机组通过全功率交-直-交变流器实现变速恒频发电，然而大容量电力电子变流器的价格昂贵，而且为每台风电机组单独配备变流器的方式也较不经济。此外，根据前述故障统计数据，变频系统、电气系统和传感器故障的比例在各类故障中排第2至4位的事实说明变流器及其测量控制系统的可靠性问题也不可忽视。

近年来，美国通用电气公司研制了100 MW可变频率变压器，并用其成功实现了加拿大魁北克电网与美国纽约电网的异步互联。可变频率变压器采用变速调频方式取代电力电子变流调频，大大降低了电力电子装置的容量和成本，并且具有更强的过载能力，该技术为笼型风电机群的变速发电提供了新的思路。

随着风电装机容量的增加，从维持电网稳定的角度出发，要求风电机组在电网电压跌落时能维持不脱网运行，即具备低电压穿越能力。现有笼型风电机组的低电压穿越方案分别存在以下问题：①STATCOM或SVC输出无功功率恢复风电场端电压的方案，由于STATCOM、SVC的无功功率输出能力分别与电压、电压平方成比例关系，在电压跌落期间无功输出能力大大降低，因此需要大容量的无功补偿装置，导致成本过高；②采用串联动态电压调节器在电网故障期间将风电机组端电压维持在额定值的方案，由于串联动态电压调节器必须吸收并消耗风电机组发出的大部分有功功率，同样需要大容量的电力电子装置；③采用串联制动电阻提升风电场端电压并吸收过剩有功功率的方案，由于串联制动电阻不产生无功，在负荷功率因数较低时无法解决暂态失稳问题。

发明内容

本实用新型的目的在于考虑上述问题而提供一种不仅能增大风电机组单机容量、降低机组故障率、减少维护工作和增加有效发电时间，而且能提高风能利用率、减小机械应力和输出功率波动的基于可变频率变压器的变速风电系统。本实用新型控制简单，操作方便。

本实用新型的技术方案是：本实用新型的基于可变频率变压器的变速风电系统，包括有笼型风电机群、变频交流母线、升压变压器、高压输电线、降压变压器、可变频率变压器、工频电网，其中笼型风电机群所发出的变频交流电汇集在变频交流母线上，变频交流母线上的变频交流电经升压变压器升压后通过高压输电线传输至降压变压器，由降压变压器降压后的变频交流电进入可变频率变压器，可变频率变压器通过变速调频作用将变频交流电转换为工频交流电，且可变频率变压器将工频交流电注入工频电网。

上述可变频率变压器包括有同轴机械连接的双馈电机和直流电机以及直流电机驱动器，其中双馈电机的转轴与直流电机的转轴连接，直流电机与直流电机驱动器电连接，上述降压变压器降压后的变频交流电进入双馈电机的转子绕组，双馈电机通过变速调频作用将变频交流电转换为工频交流电，双馈电机的定子绕组将工频交流电注入工频电网。