CN102751820A - 全风速增能增效型同步风力发电机组 - Google Patents
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Abstract
全风速增能增效型同步风力发电机组，利用相电压的三相倍压整流器，能在各挡不同的风速下提高发电量，尤其是能将额定功率输出增加15％之多，使系统能够更多地吸收风中的能量，提高系统的发电量和性价比，并创造更高的投资效益。本发明可以用于改造原有旧风机，提高旧风机的发电量，也可用于新风机的设计制造，使新风机具有更高的技术性能。几乎适用于目前所有的中外风机中的各种同步发电机系统，特别是变速恒频直驱机，经济效益非常大。
Description
技术领域
本发明属于电学技术中的发电机和整流器技术领域，具体地说，是提出一种能增加风机发电能力和效率的风力发电机组装置。
背景技术
在风力发电机组技术领域，目前小型机广泛采用永磁同步发电机，而大型机多采用变速变桨发电系统，其中有二大发电机型式——同步发电机和异步发电机。同步发电机主要有永磁同步直驱机和励磁同步直驱机。
同步直驱风力发电机组的造价高于异步机，性价比降低，使风电场投资费用偏大，同时造成发电成本高企，如果没有政策支持和资金补贴，很难作为替代能源，替换化石能源，影响到节能减排目标的实施。
中国发明专利A201010571789.8《微风增能型风力发电机/整流器系统》，所披露的微风增能型风电系统仅对微风发电有增压增能效果，其实还可以作进一步改进，使系统能在各种风速下都能增效增能，系统的发电能力将有比原有发明更大幅度的提高。
发明内容
本发明的目的是通过挖掘同步发电机和整流器的技术潜力，采用一定结构的发电机，结合能把整流电压升高一定倍率的倍压整流器，使新机组不论在微风中，还是在中风速(有效风速)、额定风速和额定以上风速中，都能比原有同步风电组多发电，从而使新机组能从风中获得更多能量，使度电成本以比较大的幅度降下来。
本发明的机组是这样实现的，一种由同步发电机(1)和整流器(2)、滤波电容(3)组成的风力发电机组，其特征为，同步发电机(1)为带零线输出的三相同步电机；整流器(2)的三条并联支路均由同向串联的二个整流管组成，每条并联支路中所串联的二个整流管的中点接同步发电机的输出相线；整流器(2)的二个输出端的一端为负极，另一端为正极，正负二端并联连接到滤波电容(3)二端后作为机组直流电压输出端；滤波电容(3)由电容器C1和C2相串联；C1和C2的中点接到风力发电机(1)的零线。
本发明的实质在于以下二大改变：将利用发电机的线电压输出改变为利用发电机的相电压输出；将整流器的性质在结构硬件基本不变的前提下由桥式整流器改变为倍压整流器。改进可使机组直流电压获得较大提升，直流输出功率增加，最终使机组发电能力提高，因而降低了风电成本。
附图说明
图1为本发明的全风速增能增效型同步风力发电机组原理线路图。
图2为三相电压矢量图。
图3为未经滤波的三相倍压整流器各部分电压波形图。
图4为本发明整流器直流输出电压波形与传统整流器比较图。
图5为本发明发电/整流系统直流输出电压与现有传统整流器比较图。
图6为本发明发电/整流系统在永磁型同步发电机中降低切入风速的原理图。
图7为本发明发电/整流系统在励磁型同步发电机中降低切入风速的原理图。
图8为本发明的多相风力发电/整流机组的原理线路图。
图9为本发明的双三相绕组风力发电/整流机组的原理线路图。
具体实施方式
图1为本发明的全风速增能增效型同步风力发电机组原理线路图。从图中可以看出，三相整流器由3个正输出整流二极管D1～D3和3个负输出整流二极管D4～D6六管分别按D1与D4、D2与D5、D3与D6同向串联组成3条支路，3条串联支路的中点分别接到同步风力发电机(1)的三条相线。3个正输出整流管的负端相并联，成为直流电源正极，3个负输出整流管的正端相并联，成为直流电源负极；同步风力发电机(1)为带零线的星形绕组电机，共有4根输出线的永磁或励磁交流同步发电机。
滤波电容(3)由相同容量和足够耐压的二个或二组电容器C1和C2串联而成，如用电解电容器，则电容器的正端接直流电源正极，负端接直流电源负极，C1的负极接C2的正极。C1和C2的中点接同步风力发电机(1)的零线。
图2为三相相电压矢量图。相电压分别为Ua、Ub和Uc，其反相电压分别为-Ua、-Ub和-Uc，分别与其相电压相差180°电角度。
图3为未经滤波的三相倍压整流器各部分电压波形图，即各相电压对于时间的函数。三相交流Uac的三个相电压波形曲线分别为a、b、c，它们的正峰分别在0°、120°、240°，经D1-D3三个整流管换向成为直流电压Ud，而它们的负峰分别在180°、300°、60°，经D4-D6整流管换向成为直流电压Ue，Ud与Ue均为三脉波交变电压，且Ud曲线的峰谷恰好与Ue的峰谷交错对应，使其电压差Ude＝Ud-Ue为六脉波交变电压，且峰谷差缩小。由于C1和C2的容量非常小，所以相电压的零线形同虚设，没有起到任何作用。直流输出电压Ude的波形与数值均与普通三相线电压经桥式整流器输出的直流电压相同。
图4反映了二种不同整流器接入滤波电容器后的不同情况下的直流电压曲线。对于传统三相线电压通过桥式整流器的直流电路，滤波电容器仅对Ude进行滤波，而Ude本身为六脉波形交变电压，峰谷电压值相差不多，所需要的滤波电容量较小，但反过来分析，通过滤波电容器后的电压增幅也就不会很大，如Ude函数中的曲线db所示。
而对于本发明的三相相电压经倍压整流器的直流电路来说，电容器C1和C2分别对二个三相半波整流后的直流电压Ud和Ue滤波，而Ud和Ue均为三脉波形交变电压，本身的峰谷电压值相差较大，所需要的滤波电容器容量大，但通过滤波电容器后的电压增幅也远比传统桥式整流大，使Ud和Ue的平均电压增加比较多，所以其Ude增量也就很大，使直流输出电压和功率增幅最高能达到15.5％。本发明的三相相电压经倍压整流器的直流Ude函数如图4中的da曲线所示。
从图4的直流输出电压波形与传统整流器比较图中可以发现，滤波电容器C1和C2的容量对本发明风机系统的增压增能起着不可低估的作用。C1和C2的容量应该比传统整流器大，但是，其工作电压却比传统整流器低40％左右。C1和C2可以用较小电容量的电容器并联以增大容量，在并联使用中，应保证每个电容器的耐压高于工作电压。也可以用串联连接增加电容器的耐压，在串联连接中，串联中电容器的容量相同而工作电压可以相同或不同，只要超过允许耐压即可，但都需要在每组电容器上并联与其工作电压相称的分压电阻。当然，C1和C2也可以采用复联连接以同时扩大容量和提高耐压。
目前传统的三相同步风力发电机，通常采用线电压和三相桥式整流器，如滤波电容量足够，其输出最高直流电压Emax.为：
UL＝(3)1/2·UФ，
Emax.＝(2)1/2·UL＝(2)1/2·(3)1/2·UФ≈2.449UФ (式-1)
而当采用本发明的相电压输入和三相倍压整流器时，倍压整流桥相当于二个三相半波整流器相串联叠加的运行模式，如滤波电容量足够，其输出最高直流电压Udemax.为：
Udemax.＝2·(2)1/2·UФ≈2.828UФ (式-2)
从上述二式可以计算出，当采用本发明的三相相电压经三相倍压整流器整流后，经过充分滤波蓄能，最高直流输出电压可以比通常采用线电压和三相桥式整流器，高约15.5％。
图5为本发明发电/整流系统直流输出电压与现有传统整流器比较图。从图中可以看出，前者的直流输出曲线为a，而b为传统发电/整流系统直流输出电压曲线，a总是比b高一个数值。
图5中右下角的正弦波形代表风力发电机并网的电压波形，为了使风电符合并网要求，只有当本发明发电机组的直流输出电压U1大于电网峰值电压，机组才能通过变换器生成一个符合要求的正弦输出，将机组所发电能送入电网。曲线b达到U1的点所对应的S坐标点称为切入风速。
图6为本发明发电/整流系统在永磁型同步发电机中降低切入风速的原理图。曲线b所示为典型的大型变速变桨恒频同步发电机在不同的风速S或者说转速下的发电/整流后输出的直流电压Ude示意图(风轮机转速N与风速S正相关)。图中，S1为切入风速，S2为额定风速，S3为切出风速。风轮机应该在S1之前就起动运转发电，但是那时所得到的直流电压Ude还比起拟逆变产生的正弦交流电压的峰值电压U1低，显然无法通过变频器中的电子开关生成一个纯正的正弦波形(如图中右下角所示)，只有当超过S1切入风速后，此时的直流电压Ude才能超过U1，显然U1应该略高于机组额定交流输出电压值的1.414倍。
图7为本发明发电/整流系统在励磁型同步发电机中降低切入风速的原理图。励磁型同步发电机可以通过励磁器调节发电机电压，除了与永磁发电机一样，需要满足U1电压条件外，由于励磁需要额外增加能量，不管励磁能量由电能提供还是由机械能提供，都必须使励磁能量小于同步发电机(4)所输出的电能量才能定出真正的切入风速S1。由于本发明的Ude曲线a在原有曲线b的上方，与励磁能量曲线e的交点决定着二种系统有不同的切入风速S1，显然本发明对于励磁型同步发电机的切入风速S1′仍小于S1，所以对于励磁型同步发电机而言，同样有在微风中增加发电能量的效果。
在S1′-S1风速区间，传统机组根本无法发电，而本发明的机组可以向电网输出电功率，可以说，在S1附近微风区间，本发明机组的发电能力增长倍数将是很大的，将远远超出15.5％的程度。
目前，国内多家风机制造厂推出永磁型直驱同步风力发电机，当风轮机在中风速(即有效风速的前半段)运行时，机组所产生的直电压Ude和功率输出将随着风速增大同时增高，不论在什么风速下，本发明机组的Ude和功率输出都比不采用本技术的传统机组高，但是考虑到风轮机所截获的能量是有限的，虽然本技术的Ude可能增加15.5％，但并不意味着风中有15.5％的能量增加。不过，有一点是明确的，那就是由于电功率是发电机电压和有功电流的乘积，由于本技术能充分利用升高的发电机电压，而使发电机在输出同样的有功功率时，可通过控制减小电流值，而电流值的减小能降低发电机中的铜损，将提高发电机效率。因此，即使风轮机保持原有的机械能输出不变，靠本发明的机组效率的提高，本发明机组截获的风能仍高于传统机组，所以本发明机组中风速时具有损耗低的特点，可能向电网输送的功率也比传统机组高。
当风轮机到达额定风速或在额定风速以上的S2至S3区间(即有效风速的后半段)运行时，机组所产生的直流电压Ude和功率输出同样可比传统机组高15.5％。这意味着，本发明的机组在输出相同的有功电流时，发电机的总功耗，包括铁损和铜损均与原来机组相同，也就是说，对于本发明的机组，即使功率超载15.5％，发电机也不会过载，发电机的输出功率几乎可能以零成本提高15.5％。只要机组的其它部件，例如轴系、风轮机、变流器允许增能不超限，机组额定功率将同时提升15.5％。这样一来，不只是风电机组将在大风区获得大量增发电能，降低度电成本，获得更高的投资效益，而且由于机组制造厂也将因增加的额定容量而获得更多的销售收益，获利同样丰厚。
例如，对于许多著名的全球直驱型同步风力发电机制造商，德国Enercon公司的E-112型4.5兆瓦电励型同步机组，如采用本发明，对发电机组而言，4.5兆瓦机就可能成为接近5.2兆瓦额定输出功率的风机。
另一种产品，西门子的公司的SWT-3.6-107型3.6兆瓦机组就将通过本发明变为4.1兆瓦风机组，只要机组的其它部件，例如轴系、风轮机、变流器允许超限，机组功率将提升500千瓦。
对于美国Clipper公司的齿轮箱高速多电机同步机组产品，原来2.5兆瓦机组将借助本发明增能到接近2.9兆瓦的机组。
以国内风机制造企业而言，金风科技公司的2.5MW机为例，采用本发明，原有机组的额定功率可在增加不多成本的前提下升为2.9MW机，湘电风能的5MW或金风科技的6MW机组则升级为5.7MW或6.9MW机组。
本发明的发电机(1)可以是下列风力发电机类型：
1、低速直驱电励型同步风力发电机；
2、低速直驱永磁型同步风力发电机；
3、中速半直驱型同步风力发电机；
4、高速齿轮箱型永磁同步风力发电机；
5、高速齿轮箱型无刷同步风力发电机；
6、齿轮箱型驱动多台同步风力发电机组。
图8为本发明的多相风力发电/整流机组的原理线路图。
本发明的发电机(1)也可以是三相以上的多相绕组，例如五相、六相、七相、八相、九相发电机，多相发电机也都可以采用本发明的发电/整流机组线路结构提高机组功率和效率。对于多相绕组的风力发电机，可参照图8的接线方式连结成机组。
图9为本发明的双三相绕组风力发电/整流机组的原理线路图。
为了提高发电机的输出性能，本发明的发电机(1)有时也采用相差一定电角度的双星形三相绕组。对于多相绕组的风力发电机，可参照图9的接线方式连结成机组。双星形三相绕组可以采用公共零线，也可以分别引出各自的零线，二个绕组分别由二个三相倍压整流器整流后将直流输出端并联在一起，如图9所示。
为提高同步发电机直流输出电压的稳定度，大型风机的整流器可能采用可控整流器，图9为本发明采用半控型电力电子开关整流管的整流器线路图。半控型电力电子开关主要为晶闸管等半控型器件，晶闸管整流器在正偏压时被触发导通，在交流电过零反偏时自动关断。
图10为本发明采用全控型电力电子开关整流管的整流器线路图。为提高同步发电机交流输出电流的功率因数可用全控型电力电子开关整流管代替普通整流管，全控型电力电子开关整流管的整流效率更高，比采用晶闸管整流器有更小的谐波电流流过发电机绕组，有利于降低发电机的发热，提高发电机效率。全控型电力电子开关整流管的种类非常多，常用的有IGBT(绝缘栅双极型晶体管)开关管、MOSFET或VMOS(金属氧化物)场效应管、GTO(门极可关断晶闸管)、大功率开关晶体管、达林顿管等。
由于本发明的系统原理清晰，构成简单，成本低廉，所以不管是用于改造原有旧风机系统，还是用于新风机系统的设计制造，都可以采用本发明的新发电机/整流器系统，以提高风机的发电量和性价比，创造更高的经济效益。
Claims (7)
1.全风速增能增效型同步风力发电机组，机组由同步风力发电机(1)和整流器(2)、滤波电容(3)组成的风力发电机组，其特征为，同步风力发电机(1)为带零线输出的三相同步电机；整流器(2)的三条并联支路均由同向串联的二个整流管组成，每条并联支路中所串联的二个整流管的中点接同步发电机的输出相线；整流器(2)的二个输出端的一端为负极，另一端为正极，正负二端并联连接到滤波电容(3)二端后作为机组直流电压输出端；滤波电容(3)由电容器C1和C2相串联；C1和C2的中点接到同步风力发电机(1)的零线。
2.权利要求1所述的全风速增能增效型同步风力发电机组，其特征为，整流器(2)为不可控的硅二极管。
3.权利要求1所述的全风速增能增效型同步风力发电机组，其特征为，同步风力发电机(1)为带零线的三相同步发电机。
4.权利要求1所述的全风速增能增效型同步风力发电机组，其特征为，同步风力发电机(1)为带零线的五相或七相等奇数相的同步发电机。
5.权利要求1、权利要求3或权利要求4所述的全风速增能增效型同步风力发电机组，其特征为，同步风力发电机(1)可以是永磁发电机、励磁发电机、有齿轮箱高速发电机、无齿轮箱低速直驱发电机、无刷励磁发电机、PCT极组合式同步发电机、不对称多相同步发电机或混合磁场同步发电机中的一种。
6.权利要求1或权利要求3所述的全风速增能增效型同步风力发电机组，其特征为，整流器(2)采用晶闸管等半控型电力电子开关。
7.权利要求1或权利要求3所述的全风速增能增效型同步风力发电机组，其特征为，整流器(2)采用IGBT(绝缘栅双极型晶体管)开关管、MOSFET或VMOS(金属氧化物)场效应管、GTO(门极可关断晶闸管)、大功率开关晶体管、达林顿管等全控型器件。
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