本發(fā)明涉及一種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，尤其是一種基于直流輸電的低速齒輪箱雙饋型風(fēng)電機(jī)組優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，屬于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)力機(jī)、齒輪箱、雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)(dfig)、變流器等構(gòu)成。dfig是一個(gè)高速、體積小的發(fā)電機(jī)，由于風(fēng)力機(jī)低轉(zhuǎn)速運(yùn)行，因此通常采用高增速比的增速齒輪箱把較低的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速提升到高速的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。齒輪箱的增速比越高，dfig的體積和成本越??；但齒輪箱增速比越大，齒輪箱的體積、成本越高，能量損耗、故障率越大，使整機(jī)系統(tǒng)的可靠性越差。雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主要損耗來(lái)源于齒輪箱和變流器系統(tǒng)，其中每年大約有65％左右的系統(tǒng)損耗來(lái)源于齒輪箱。因此，有必要研究采用低增速比的齒輪箱，以期降低系統(tǒng)的成本、損耗，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。但傳統(tǒng)的dfig定子通常直接與交流電網(wǎng)相連，dfig必須采用恒壓恒頻運(yùn)行機(jī)制，以確保定子的頻率與電網(wǎng)頻率一致，因而無(wú)法采用低增速比的齒輪箱。

目前直流輸電技術(shù)因其具有運(yùn)行可靠、遠(yuǎn)距離、成本低、損耗小等諸多優(yōu)勢(shì)而深受關(guān)注，成為連接遠(yuǎn)距離大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)和電網(wǎng)的理想技術(shù)，廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電輸電系統(tǒng)中。實(shí)用新型專利zl201420171452.1公開(kāi)了一種用于柔性直流輸電系統(tǒng)的雙饋型風(fēng)電機(jī)組變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該變流器包括定子側(cè)變流器、機(jī)側(cè)變流器、網(wǎng)側(cè)dc-dc變換器，可以直接將雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率接入直流電網(wǎng)，其中定子側(cè)變流器與dfig的定子連接，實(shí)現(xiàn)整流，也就是說(shuō)dfig的定子不與交流電網(wǎng)連接，因而定子的輸出電壓和頻率無(wú)需恒壓恒頻，變流器可靈活調(diào)節(jié)定子頻率和定子電壓，這使得定子的頻率可以低于電網(wǎng)頻率(如50hz)，因此發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速可以降低，從而可采用低增速比的齒輪箱。但齒輪箱增速比降低、同步轉(zhuǎn)速下降將會(huì)導(dǎo)致dfig定子、轉(zhuǎn)子電流增大，齒輪箱體積、成本上升，為此必須解決由此帶來(lái)的全系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)及控制問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足和空白，根據(jù)柔性直流輸電系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出一種通過(guò)選擇最佳齒輪箱變速比對(duì)雙饋型風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以降低齒輪箱增速比、降低雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成本、提高系統(tǒng)可靠性。

為了達(dá)到以上目的，本發(fā)明一種基于直流輸電的低速齒輪箱雙饋型風(fēng)電機(jī)組優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，采用一種基于直流輸電的雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)雙饋型風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)及控制，所述雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)包括風(fēng)力機(jī)、齒輪箱、雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)、直流變流器、直流母線，所述直流變流器包括定子側(cè)變流器和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器，所述雙饋型風(fēng)電機(jī)組包括所述齒輪箱、所述雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)和所述直流變流器，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1，假設(shè)優(yōu)化前后所述風(fēng)力機(jī)的功率不變，所述雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)及其定子的感抗、轉(zhuǎn)子的感抗和定轉(zhuǎn)子之間的互感保持不變，定子磁通保持不變，令：

λ＝m/n(1)

式中，n、m分別為優(yōu)化前所述齒輪箱的增速比和優(yōu)化后所述齒輪箱的增速比，且m<n，λ為優(yōu)化后所述齒輪箱的增速比與優(yōu)化前所述齒輪箱的增速比之比；

采用定子磁通矢量定向控制策略，求優(yōu)化前后所述雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子電流、轉(zhuǎn)子電流、總電流和所述直流變流器的總電流之比，其計(jì)算公式分別為：

式中，is1、isd1、isq1、ir1、it1分別為優(yōu)化前所述雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子電流、定子電流d軸分量、定子電流q軸分量、轉(zhuǎn)子電流、總電流，ic1為優(yōu)化前所述直流變流器的總電流；is2、isd2、isq2、ir2、it2分別為優(yōu)化后所述雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子電流、定子電流d軸分量、定子電流q軸分量、轉(zhuǎn)子電流、總電流，ic2為優(yōu)化后所述直流變流器的總電流；β為所述雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子自感l(wèi)s與定轉(zhuǎn)子互感l(wèi)m的比值，即β＝ls/lm；α＝ird1/isq1。

步驟2，建立優(yōu)化后所述雙饋型風(fēng)電機(jī)組的總成本的計(jì)算模型；其計(jì)算模型為：

式中，cs2為優(yōu)化后所述雙饋型風(fēng)電機(jī)組的總成本，ct1、cg1、cc1分別為優(yōu)化前所述雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的成本、所述齒輪箱的成本、所述直流變流器的成本，k0、k1、k2、k3分別為所述齒輪箱的成本曲線的擬合系數(shù)。

步驟3，根據(jù)步驟2中所述計(jì)算模型求所述雙饋型風(fēng)電機(jī)組的優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，具體包括以下步驟：

1)以λ為橫坐標(biāo)、成本為縱坐標(biāo)，根據(jù)式(6)繪制曲線，求得所述雙饋型風(fēng)電機(jī)組的總成本cs2的最小值cs2min，即優(yōu)化后所述雙饋型風(fēng)電機(jī)組的最優(yōu)成本，與之對(duì)應(yīng)的λ即為最優(yōu)齒輪箱增速比之比λopt；

2)將λ＝λopt代入式(1)，求得優(yōu)化后所述齒輪箱的增速比m＝λoptn；

3)將λ＝λopt分別代入式(2)、(3)，獲得優(yōu)化后所述雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子電流is2和轉(zhuǎn)子電流ir2分別為：

4)根據(jù)優(yōu)化后與優(yōu)化前所述雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速之比：

式中，n1n、n1m分別為優(yōu)化前、優(yōu)化后的所述雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，ωm1、ωm2分別為優(yōu)化前、優(yōu)化后的所述雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，nw為所述風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速；

將λ＝λopt代入式(9)，求得優(yōu)化后的所述雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n1m＝λoptn1n；

5)根據(jù)

式中，n1為所述雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)得的同步轉(zhuǎn)速，f1為所述雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子額定頻率，np為所述雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)；

將n1＝n1m＝λoptn1n代入式(10)，求得優(yōu)化后所述雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子額定頻率f1n＝npλoptn1n/60。

本發(fā)明的有益效果是：隨著齒輪箱增速比的降低，齒輪箱的體積減少，成本降低，故障率降低，從而整機(jī)系統(tǒng)的成本降低，系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性提升。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明采用的雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為優(yōu)化后成本—齒輪箱增速比之比λ關(guān)系曲線圖。

其中，1-風(fēng)力機(jī)；2-齒輪箱；3-雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)；31-雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子；32-雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子；4-直流變流器；41-定子側(cè)變流器；42-轉(zhuǎn)子側(cè)變流器；5-直流母線

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1所示，本發(fā)明采用的雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)包括風(fēng)力機(jī)1、齒輪箱2、雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)3、直流變流器4、直流母線5；直流變流器4包括定子側(cè)變流器41和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器42；齒輪箱2、雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)3和直流變流器4統(tǒng)稱為雙饋型風(fēng)電機(jī)組。齒輪箱2一端與風(fēng)力機(jī)1連接，另一端與雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子32連接；定子側(cè)變流器41一端與雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子31連接，另一端分別與轉(zhuǎn)子側(cè)變流器42、直流母線5連接；轉(zhuǎn)子側(cè)變流器42的另一端與雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子32連接。

本發(fā)明基于直流輸電的低增速比雙饋型風(fēng)電機(jī)組優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，采用一種雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)雙饋型風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)及控制，具體包括以下步驟：

步驟1，假設(shè)優(yōu)化前后風(fēng)力機(jī)1的功率不變，雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)(dfig)3的極對(duì)數(shù)np及其定子31的感抗ls、轉(zhuǎn)子32的感抗lr和定轉(zhuǎn)子之間的互感l(wèi)m保持不變，定子31的磁通ψs保持不變，令：

λ＝m/n(1)

式中，n、m分別為優(yōu)化前、優(yōu)化后齒輪箱2的變速比，且m<n，λ為優(yōu)化后齒輪箱2的增速比與優(yōu)化前齒輪箱2的增速比之比。

采用定子磁通矢量定向控制策略，求優(yōu)化前后雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)3的定子電流、轉(zhuǎn)子電流、總電流和直流變流器4的總電流之比。具體過(guò)程如下：

根據(jù)定子磁通矢量定向控制策略，在定子磁通矢量定向坐標(biāo)系中，令定子磁通矢量方向與坐標(biāo)系的d軸一致，則有：

式中，ψs為定子磁通，ψsd、ψsq分別為ψs的d軸和q軸分量；isd、ird分別為定子電流和轉(zhuǎn)子電流的d軸分量；isq、irq分別為定子電流和轉(zhuǎn)子電流的q軸分量；β為定子自感l(wèi)s與定轉(zhuǎn)子互感l(wèi)m的比值，即：β＝ls/lm；

由式(11)的第二個(gè)方程可得到：isq＝-irq/β，則雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)3的輸出功率p、定子磁通ψs和電流有如下關(guān)系：

式中，ωm為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

在優(yōu)化前后功率和定子磁通保持不變的情況下，由式(12)有：

式中，ωm1、ωm2分別為優(yōu)化前、優(yōu)化后的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，isq1、irq1分別為優(yōu)化前定子電流和轉(zhuǎn)子電流的q軸分量，isq2、irq2分別為優(yōu)化后定子電流和轉(zhuǎn)子電流的q軸分量。

根據(jù)式(13)和式(9)、式(11)，可得優(yōu)化前后定子31的q軸電流和轉(zhuǎn)子32的q軸電流之比分別為：

雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)3的定子側(cè)通常運(yùn)行于單位功率因數(shù)模式，即定子31的無(wú)功電流為0，轉(zhuǎn)子32為系統(tǒng)提供勵(lì)磁電流，結(jié)合式(11)，有：

式中，isd1、ird1分別為優(yōu)化前定子電流和轉(zhuǎn)子電流的d軸分量，isd2、ird2分別為優(yōu)化后定子電流和轉(zhuǎn)子電流的d軸分量。

則根據(jù)式(14)、式(15)，可求得優(yōu)化前后定子電流之比為：

式中，is1、is2分別為優(yōu)化前后dfig定子電流。

根據(jù)式(13)、式(14)，可得優(yōu)化前后轉(zhuǎn)子電流之比為：

即：

式中，ir1、ir2分別為優(yōu)化前后雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)3的轉(zhuǎn)子電流，α為優(yōu)化前額定的轉(zhuǎn)子d軸勵(lì)磁電流ird1與定子q軸有功電流isq1的比值，即：α＝ird1/isq1，雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)3一旦確定，α值保持恒定。

根據(jù)式(14)、式(15)，可得優(yōu)化前后雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)3的總電流之比為：

即：

式中，it1、it2分別為優(yōu)化前后雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)3的總電流。

根據(jù)式(14)、式(15)，可得優(yōu)化前后直流變流器4的總電流之比為：

即：

式中，ic1、ic2分別為優(yōu)化前后直流變流器4的總電流。

步驟2，建立優(yōu)化后雙饋型風(fēng)電機(jī)組的總成本cs2的計(jì)算模型，具體過(guò)程如下：

設(shè)優(yōu)化設(shè)計(jì)前，雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)3的成本為ct1，齒輪箱2的成本為cg1，直流變流器4的成本為cc1，雙饋型風(fēng)電機(jī)組的總成本為cs1，則有：

cs1＝ct1+cg1+cc1(16)

設(shè)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)3的成本為ct2，齒輪箱2的成本為cg2，直流變流器4的成本為cc2，雙饋型風(fēng)電機(jī)組的總成本為cs2，則有

cs2＝ct2+cg2+cc2(17)

在功率p不變的情況下，齒輪箱4的成本cg2主要由其變速比和扭矩大小來(lái)決定，隨著λ的減少，可以估算為

cg2＝cg1(k0+k1λ+k2λ²+k3λ³)(18)

式中，k0、k1、k2、k3分別為齒輪箱4的成本曲線的擬合系數(shù)，用于擬合隨λ變化的齒輪箱成本曲線,使之和實(shí)際齒輪箱成本曲線重合。

在電壓等級(jí)相同的情況下，雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)3和直流變流器4的成本與其電流等級(jí)有關(guān)系，因而優(yōu)化后的雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)3的成本ct2可以估算為：

將式(4)代入式(19)，則有：

優(yōu)化后的直流變流器4的成本cc2可以估算為：

將式(5)代入式(21)，則有：

將式(18)、式(20)、式(22)代入式(17)，可得變速比減少后雙饋型風(fēng)電機(jī)組的總成本cs2為：

步驟3，根據(jù)優(yōu)化后所述雙饋型風(fēng)電機(jī)組的總成本cs2的計(jì)算模型式(6)，求雙饋型風(fēng)電機(jī)組的優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，具體包括以下步驟：

1)如圖2所示，以λ為橫坐標(biāo)、成本為縱坐標(biāo)，根據(jù)式(18)、式(20)、式(22)、式(6)分別繪制齒輪箱2的成本cg2-λ曲線、雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)3的成本ct2-λ曲線、直流變流器4的成本cc2-λ曲線、雙饋型風(fēng)電機(jī)組總成本cs2-λ曲線，求出cs2的最小值cs2min，即優(yōu)化后雙饋型風(fēng)電機(jī)組的最優(yōu)成本，與之對(duì)應(yīng)的λ即為最優(yōu)齒輪箱增速比之比λopt；

2)根據(jù)式(1)，求得優(yōu)化后的齒輪箱2的增速比m＝λoptn；

3)將λ＝λopt分別代入式(2)、式(3)，獲得優(yōu)化后的雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)3的定子電流is2和轉(zhuǎn)子電流ir2分別為：

4)根據(jù)優(yōu)化后與優(yōu)化前的同步轉(zhuǎn)速之比：

式中，n1n、n1m分別為優(yōu)化前、優(yōu)化后雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)3的同步轉(zhuǎn)速，ωm1、ωm2分別為優(yōu)化前、優(yōu)化后的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，nw為風(fēng)力機(jī)1的轉(zhuǎn)速；

將λ＝λopt代入式(9)，求得優(yōu)化后的雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)3的同步轉(zhuǎn)速n1m＝λoptn1n；

5)根據(jù)

式中，n1為dfig同步轉(zhuǎn)速，f1為定子額定頻率，np為dfig的極對(duì)數(shù)；

將n1＝n1m＝λoptn1n代入式(10)，求得優(yōu)化后dfig的定子額定頻率f1n＝npλoptn1n/60。

下面用一個(gè)例子對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。

實(shí)施例：

以某公司生產(chǎn)的雙饋型風(fēng)電機(jī)組為例，其主要參數(shù)為：p＝3mw，vs＝1650v(定子電壓)，is＝600a，ir＝608a，n1n＝1000rpm，np＝3，齒輪箱增速比n＝80，lm＝99mh，ls＝99.99mh；齒輪箱成本cg1＝22萬(wàn)歐元(euro)，dfig成本ct1＝6萬(wàn)歐元，變流器成本cc1＝8.67萬(wàn)歐元，三者總成本cs1＝36.67萬(wàn)歐元；k0＝0，k1＝0.2，k2＝0.35，k3＝0.45，β＝1.01，α＝0.0884。

首先，根據(jù)式(18)、式(20)、式(22)、式(6)分別繪制優(yōu)化后的齒輪箱成本cg2-λ曲線、dfig成本ct2-λ曲線、直流變流器成本cc2-λ曲線、雙饋型風(fēng)電機(jī)組中上述三者總成本cs2-λ曲線，如圖2所示。從圖2中可以看出，齒輪箱的成本cg2隨著λ的降低而逐漸降低；變流器和dfig的成本(cc2、ct2)隨著λ的降低而逐漸提高；總成本cs2先隨著λ的降低而逐漸降低，后隨著λ的降低而逐漸提高，存在最小值。找出圖中最小值a點(diǎn)，此點(diǎn)即為最優(yōu)點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)λ值即為最優(yōu)齒輪箱增速比之比λopt＝0.7，其對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)cs2值即為優(yōu)化后雙饋型風(fēng)電機(jī)組的最優(yōu)成本cs2min＝311keuro＝31.1萬(wàn)歐元，節(jié)省了5.57萬(wàn)歐元，成本降低了15.2％。

其次，將λopt＝0.7代入式(1)，可求得優(yōu)化后齒輪箱的變速比m＝56，以此和功率等級(jí)選擇齒輪箱。

第三，將λopt＝0.7分別代入式(7)、式(8)，獲得優(yōu)化后的定子電流is2和轉(zhuǎn)子電流ir2分別為：is2＝857a，ir2＝867a。

第四，將λopt＝0.7代入式(9)，求得優(yōu)化后dfig的同步轉(zhuǎn)速n1m＝700rpm；

最后，將n1＝n1m＝700rpm代入式(10)，求得優(yōu)化后dfig的定子額定頻率f1n＝35hz。