一种基于分频/低频电网运行的直驱式双馈风力发电机组

摘要

本发明公开了一种基于分频/低频电网运行的直驱式双馈风力发电机组，直驱式双馈风力发电机组风轮与其主轴和发电机是直驱式直接连接，发电机第一定子绕组回路电压采用中压或高压，由分频/低频电网直接提供，第一转子绕组回路电压通过滑环系统或无滑环电磁感应系统由机侧变流器提供，直驱式双馈风力发电机组是双馈式供电；第一转子绕组回路、变流器额定电压采用中压或低压，转子回路母线额定电压采用中压或低压间接或直接接入分频/低频电网上网点，第一定子绕组回路输出有功功率和第一转子绕组回路输出输入有功功率汇合后通过全功率升压变压器或定子电气回路中高压直配接入分频/低频电网。本发明可以提高海上和陆上风电机组的性价比和经济效益。

权利要求

1.一种基于分频/低频电网运行的直驱式双馈风力发电机组，包括直驱式双馈风力发电机、变流器和风电机组分频/低频电网上网点、分频/低频电网,分频/低频电网额定频率是50/3Hz～50/6Hz；其特征在于：直驱式双馈风力发电机组风轮与其主轴和发电机是直驱式直接连接，发电机第一定子绕组回路电压由分频/低频电网直接提供，第一转子绕组回路电压通过滑环系统或无滑环电磁感应系统由机侧变流器提供，直驱式双馈风力发电机组是双馈式供电；

直驱式双馈风力发电机组定子回路额定电压采用中压或高压间接或直接接入分频/低频电网上网点；第一转子绕组回路、变流器额定电压采用中压或低压，转子回路母线额定电压采用中压或低压间接或直接接入分频/低频电网上网点，第一定子绕组回路输出有功功率和第一转子绕组回路输出输入有功功率汇合后通过全功率升压变压器接入分频/低频电网。

2.如权利要求1所述基于分频/低频电网运行的直驱式双馈风力发电机组，其特征在于：发电机第一定子绕组回路采用全功率升压变压器接入分频/低频电网或者采用中高压直配接入分频/低频电网，且不需要全功率升压变压器。

3.如权利要求1所述基于分频/低频电网运行的直驱式双馈风力发电机组，其特征在于：直驱式双馈发电机的冷却采用常规空空冷却或空水冷却方式运行或者采用直驱式双馈风力发电机高温超导(HTS)冷却运行。

4.如权利要求1所述基于分频/低频电网运行的直驱式双馈风力发电机组，其特征在于：发电机定子回路直接或间接与分频/低频电网上网点连接，发电机转子回路输出输入有功功率通过变流器直接或间接与分频/低频电网上网点连接，定子回路上设置有短路开关；

直驱式双馈风力发电机组第一运行方式包括以下两种模式：

双馈运行模式RM11：将发电机定子回路上短路开关断开，“母线转换开关”断开，定子回路与分频/低频电网上网点相连接的并网开关按准同期并网闭合，定子回路产生的电能直接或间接输出至分频/低频电网上网点，转子回路产生的电能通过变流器，直接或间接汇接至分频/低频电网上网点；

全功率变频器鼠笼式运行模式RM12:定子回路与分频/低频电网上网点之间并网开关断开，“母线转换开关”断开，定子回路上短接开关闭合，转子回路产生电能经变流器，直接或间接接至分频/低频电网上网点。

5.如权利要求1所述基于分频/低频电网运行的直驱式双馈风力发电机组，其特征在于：所述发电机定子回路直接或间接与分频/低频电网连接，发电机定子回路额定电压采用中高压，发电机转子回路通过变流器直接或间接与分频/低频电网上网点连接，发电机转子回路母线额定电压采用低中压，且低于定子回路额定电压，所述定子回路母线与转子回路母线上设置有“母线转换开关”，可以将发电机第一定子绕组回路接入定子回路母线，或者把发电机第一定子绕组回路接入转子回路母线上，转换方式可逆；直驱式双馈风力发电机组的第二运行方式包括以下两种具体模式：双馈运行母线转换模式RM21：定子回路上短路开关断开，“母线转换开关”转换不动作，发电机第一定子绕组回路与转子回路母线分开，第一定子绕组和定子回路母线与分频/低频电网上网点直接或间接连接；发电机第一转子绕组回路产生电能通过变流器输出至转子回路母线上，直接或间接与分频/低频电网上网点连接；发电机组按双馈方式运行，运行区域在超同步区域和部分次同步区域；

双馈运行母线转换模式RM22：定子回路上短路开关断开，发电机第一定子绕组回路经“母线转换开关”转换，第一定子绕组回路与定子回路母线断开且与转子回路母线连接；第一转子绕组回路输出有功功率经变流器转换输出至转子回路母线上，第一转子绕组回路通过滑环系统或无滑环电磁感应系统输出有功功率与发电机第一定子绕组回路输出有功功率汇合后，直驱式双馈风力发电机组输出有功功率直接或间接与分频/低频电网上网点连接；发电机组按双馈方式运行，运行区域在次同步区域。

6.如权利要求1所述基于分频/低频电网运行的直驱式双馈风力发电机组，其特征在于：所述发电机定子回路直接与分频/低频电网连接，发电机转子回路通过变流器与分频/低频电网连接，所述第一定子绕组回路上设置三角形绕组/星形绕组转换系统；直驱式双馈风力发电机组的第三运行方式包括以下两种具体形式：双馈定子三角形绕组运行模式RM31：机组超同步运行前，通过第一定子绕组回路上转换系统，将定子星形绕组回路恢复定子三角形绕组回路运行，定子回路产生的电能与分频/低频电网上网点连接，转子回路产生电能通过变流器转换输出至分频/低频电网上网点；

双馈定子星形绕组运行模式RM32：通过第一定子绕组回路上转换系统，把定子三角形绕组回路运行转换成定子星形绕组回路运行，定子回路产生的电能与分频/低频电网上网点连接，转子回路产生的电能经变流器转换输出至分频/低频电网上网点。

7.如权利要求1所述的基于分频/低频电网运行的直驱式双馈风力发电机组，其特征在于：发电机第一转子绕组或和第二转子绕组为低压或中压绕组，对应转子回路母线额定电压为低压或中压，第一转子绕组通过滑环系统或无滑环电磁感应系统以及机侧变流器、直流环节、网侧变流器输入输出电能。

8.如权利要求1-7之一所述的基于分频/低频电网运行的直驱式双馈风力发电机组，其特征在于：直驱式双馈风力发电机组转子回路母线上，接入大功率UPS,UPS将分频/低频电网电源频率50/3Hz～50/6Hz变换成工频电源频率50Hz后，给风电机组通用辅助用电设备供电，如风电机组的主控制系统、变桨系统、变流器和发电机的冷却系统、偏航系统等供电。

9.如权利要求1-7之一所述的基于分频/低频电网运行的直驱式双馈风力发电机组，其特征在于：直驱式双馈风力发电机组，接入分频/低频电网额定频率是50/3Hz～50/6Hz，定子回路额定电压U1n范围为0.69KV～35KV，转子回路母线额定电压U2n范围为0.69KV～10KV，发电机组容量范围为5MW～50MW。

说明书

一种基于分频/低频电网运行的直驱式双馈风力发电机组

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于分频/低频电网运行的直驱式双馈风力发电机组，属于风力发电技术领域。

背景技术

[0002] 风能作为清洁的可再生能源，是我国十分重要能源来源。目前，海上和陆上风电接入电网的单机容量越来越大，其输电距离可以扩展到中远距离。

发明内容

[0003] 针对海上风力发电机组中远距离输电到岸上或陆上风力发电机组中远距离输电到负荷中心，为减少线路的阻抗，而提高输电容量，可以采用50/3Hz～50/6Hz分频/低频电网输电，把其风力发电机组的发电功率汇集起来，通过升压和中远距离交流输电后，背靠背或者整流、直流输电和逆变成常规的50Hz公用电网工频电源。因此提出了一种基于分频/低频电网运行的直驱式双馈风力发电机组。

[0004] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

[0005] 一种基于分频/低频电网运行的直驱式双馈风力发电机组，包括直驱式双馈风力发电机、变流器和风电机组分频/低频电网上网点、分频/低频电网,分频/低频电网额定频率是50/3Hz～50/6Hz；直驱式双馈风力发电机组风轮与其主轴和发电机是直驱式直接连接，发电机第一定子绕组回路电压采用中压或高压，由分频/低频电网直接提供，第一转子绕组回路电压通过滑环系统或无滑环电磁感应系统由机侧变流器提供，直驱式双馈风力发电机组是双馈式供电；

[0006] 直驱式双馈风力发电机组定子回路额定电压采用中压或高压间接或直接接入分频/低频电网上网点；第一转子绕组回路、变流器额定电压采用中压或低压，转子回路母线额定电压采用中压或低压间接或直接接入分频/低频电网上网点，第一定子绕组回路输出有功功率和第一转子绕组回路输出输入有功功率汇合后通过全功率升压变压器接入分频/低频电网。

[0007] 直驱式双馈风力发电机组基本运行方式为双馈运行方式。

[0008] 作为优选方式，发电机第一定子绕组回路采用全功率升压变压器接入分频/低频电网或者采用中高压直配接入分频/低频电网，且不需要全功率升压变压器。

[0009] 作为优选方式，直驱式双馈发电机的冷却采用常规空空冷却或空水冷却方式运行或者采用直驱式双馈风力发电机高温超导(HTS)冷却运行。

[0010] 作为优选方式，发电机定子回路直接或间接与分频/低频电网上网点连接，发电机转子回路输出输入有功功率通过变流器直接或间接与分频/低频电网上网点连接，定子回路上设置有短路开关；直驱式双馈风力发电机组的第一运行方式包括以下两种模式：

[0011] 双馈运行模式RM11：将发电机定子回路上短路开关断开，“母线转换开关”断开，定子回路与分频/低频电网上网点相连接的并网开关按准同期并网闭合，定子回路产生的电能直接或间接输出至分频/低频电网上网点，转子回路产生的电能通过变流器，直接或间接汇接至分频/低频电网上网点；

[0012] 全功率变频器鼠笼式运行模式RM12:定子回路与分频/低频电网上网点之间并网开关断开，“母线转换开关”断开，定子回路上短接开关闭合，转子回路产生电能经变流器，直接或间接接至分频/低频电网上网点。

[0013] 作为优选方式，所述发电机定子回路直接或间接与分频/低频电网连接，发电机定子回路额定电压采用中高压，发电机转子回路通过变流器直接或间接与分频/低频电网上网点连接，发电机转子回路母线额定电压采用低中压，且低于定子回路额定电压，所述定子回路母线与转子回路母线上设置有“母线转换开关”，可以将发电机第一定子绕组回路接入定子回路母线，或者把发电机第一定子绕组回路接入转子回路母线上，转换方式可逆；直驱式双馈风力发电机组的第二运行方式包括以下两种具体模式：

[0014] 双馈运行母线转换模式RM21：定子回路上短路开关断开，“母线转换开关”转换不动作，发电机第一定子绕组回路与转子回路母线分开，第一定子绕组和定子回路母线与分频/低频电网上网点直接或间接连接；发电机第一转子绕组回路产生电能通过滑环系统或无滑环电磁感应系统以及机侧变流器、直流环节、网侧变流器输出至转子回路母线上，直接或间接与分频/低频电网上网点连接；发电机组按双馈方式运行，运行区域在超同步区域和部分次同步区域；

[0015] 双馈运行母线转换模式RM22：定子回路上短路开关断开，发电机第一定子绕组回路经“母线转换开关”转换，第一定子绕组回路与定子回路母线断开且与转子回路母线连接；第一转子绕组回路通过滑环系统或无滑环电磁感应系统输出有功功率，经机侧变流器、直流环节、网侧变流器频率转换输出至转子回路母线上，第一转子绕组回路输出有功功率与发电机第一定子绕组回路输出有功功率汇合后，直驱式双馈风力发电机组输出有功功率直接或间接与分频/低频电网上网点连接；发电机组按双馈方式运行，运行区域在次同步区域。

[0016] 作为优选方式，所述发电机定子回路直接与分频/低频电网连接，发电机转子回路通过变流器与分频/低频电网连接，所述第一定子绕组回路上设置三角形绕组/星形绕组转换系统；直驱式双馈风力发电机组的第三运行方式包括以下两种具体模式：

[0017] 双馈定子三角形绕组运行模式RM31：机组超同步运行前，通过第一定子绕组回路上转换系统，将定子星形绕组回路恢复定子三角形绕组回路运行，定子回路产生的电能与分频/低频电网上网点连接，转子回路产生电能通过变流器转换输出至分频/低频电网上网点；

[0018] 双馈定子星形绕组运行模式RM32：通过第一定子绕组回路上转换系统，把定子三角形绕组回路运行转换成定子星形绕组回路运行，定子回路产生的电能与分频/低频电网上网点连接，转子回路产生的电能经变流器转换输出至分频/低频电网上网点。

[0019] 作为优选方式，发电机第一转子绕组为低压或中压绕组，对应转子回路母线额定电压为低压或中压，第一转子绕组通过滑环系统或无滑环电磁感应系统输入输出的电能；第一转子绕组出线回路与机侧变流器连接。

[0020] 作为优选方式，直驱式双馈风力发电机组转子回路母线上，接入大功率UPS,UPS将分频/低频电网电源频率50/3Hz～50/6Hz变换成工频电源频率50Hz后，给风电机组通用辅助用电设备供电，如风电机组的主控制系统、变桨系统、变流器和发电机的冷却系统、偏航系统等供电。

[0021] 作为优选方式，直驱式双馈风力发电机组，接入分频/低频电网额定频率是50/3Hz～50/6Hz，定子回路额定电压U1n范围为0.69KV～35KV，转子回路母线额定电压U2n范围为0.69KV～10KV，发电机组容量范围为5MW～50MW。

[0022] 本发明的有益效果是：

[0023] 本发明可以改善大容量直驱式双馈风力发电机组定子电气回路中压高压上网，转子电气回路可以采用中压或低压变流器；转子电气回路可以通过或不通过变压器升压到定子回路；转子电气回路可以或者通过三线圈变压器其它线圈耦合，升压到升压变压器的高压侧后，接入分频/低频电网。

[0024] 直驱式双馈发电机组上网采用分频/低频电网，满足海上和陆上中、远距离大容量输电问题，可以节约上网变流器容量，额定滑差采用小滑差后，还可减少进一步减少上网变流器容量；同时大幅度提高第一定子绕组电压等级，减少定子回路电缆截面积和根数；如果合理提高转子变流器的电压等级，可以进一步减少转子回路电缆截面积和根数；合理的转子电压等级和接入电网方式，可以进一步增加直驱式双馈发电机组的宽电压、宽频率范围运行，以及高电压穿越和低电压穿越和零电压穿越的能力；另外可以提高海上风电机组和陆上风电机组的性价比和经济效益。

附图说明

[0025] 图1为直驱式双馈风力发电机组全功率两线圈升压变压器电气系统图；

[0026] 图2为图1的A部示意图；

[0027] 图3为图1的B部示意图；

[0028] 图4为图1的C部示意图；

[0029] 图5为直驱式双馈风力发电机组全功率三线圈升压变压器电气系统图；

[0030] 图6为图5的D部示意图；

[0031] 图7为图5的E部示意图；

[0032] 图8为图5的F部示意图；

[0033] 图9为有刷直驱式双馈风力发电机及发电机转子电磁功率输入输出滑环系统图；

[0034] 图10为无刷直驱式双馈风力发电机及发电机转子电磁功率输入输出无滑环电磁感应系统图；

[0035] 图1～图10中1-风轮，2-主轴，3-直驱式双馈发电机，4-机侧变流器(GSC)，5-直流环节(DL)，6-网侧变流器(LSC)，7-网侧变流器接触器(C1)，8-断路器(K8)，9-定子回路并网开关(C22)，10-断路器(K2)，11-断路器(K3)，12-断路器(K4)，13-第一辅助变压器，14-第一辅助变压器出线断路器(K5)，15-大功率(UPS)进线断路器(K6),16-大功率三相不间断电源(UPS),17-大功率(UPS)出线断路器(K7),18-第二辅助变压器,19-定子三角形和星形转换系统，20-定子出线星形短接开关(C23)，21-“母线转换开关”(C21)，22-转子回路母线升压变压器，23-全功率两线圈升压变压器，24-全功率三线圈升压变压器，25-总断路器(K1),26-分频/低频电网，27-风电机组分频/低频电网上网点(LP1)，28-全功率三线圈升压变压器线圈2(中压侧)或全功率两线圈升压变压器线圈2(中压侧),29-转子回路母线,30-风电机组分频/低频电网上网点(LP2)，31-定子回路母线,32-机侧变流器出线,33-网侧变流器出线,34-滑环系统,35-无滑环电磁感应系统，36-定子电磁功率输出系统，37-有刷直驱式双馈发电机,38-无刷直驱式双馈发电机，41-碳刷，42-滑环，51-第一定子绕组，52-第一转子绕组，
61-第二定子绕组，62-第二转子绕组。

具体实施方式

[0036] 下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

[0037] 为了清楚说明本发明技术方案，现结合附图进行原理说明：图1中，30-风电机组分频/低频电网上网点(LP2)；当定子回路母线31额定电压U1n等于转子回路母线29额定电压U2n时，“母线转换开关”(C21)21和转子回路母线升压变压器22就不参与下面选择。

[0038] ①选了定子三角形和星形转换系统19，就不能选定子出线星形短接开关(C23)20和“母线转换开关”(C21)21。需选滑环系统34(其中碳刷41，滑环42)或无滑环电磁感应系统35。另可以选转子回路母线升压变压器22。

[0039] ②选了定子出线星形短接开关(C23)20，就不能选用定子三角形和星形转换系统19；需选滑环系统34(其中碳刷41，滑环42)或无滑环电磁感应系统35。另可单选或双选“母线转换开关”(C21)21和转子回路母线升压变压器22。

[0040] ③选了“母线转换开关”(C21)21，就不能选定子三角形和星形转换系统19；需选滑环系统34(其中碳刷41，滑环42)或无滑环电磁感应系统35。另可单选或双选定子出线星形短接开关(C23)20和转子回路母线升压变压器22。

[0041] ④滑环系统34(其中碳刷41，滑环42)或无滑环电磁感应系统35，只能选择一个。

[0042] ⑤“母线转换开关”(C21)21与定子回路并网开关(C22)9相互机械联锁和电气联锁，工作位置分别为“1”-“0”-“1”；其中：工作位置为“1”，定子回路并网开关(C22)9闭合位置，“母线转换开关”(C21)21为断开位置；工作位置为“0”，定子回路并网开关(C22)9断开位置，“母线转换开关”(C21)21为断开位置；工作位置为“-1”，定子回路并网开关(C22)9断开位置，“母线转换开关”(C21)21为闭合位置；

[0043] 选了定子出线星形短接开关(C23)20和“母线转换开关”(C21)21，定子出线星形短接开关(C23)20中的双馈运行模式RM11可以同“母线转换开关”(C21)21中的双馈运行母线转换模式RM21。

[0044] 图5中，当定子回路母线31额定电压U1n等于转子回路母线29额定电压U2n时，“母线转换开关”(C21)21和全功率三线圈升压变压器24就不参与下面选择。

[0045] ①选了定子三角形和星形转换系统19，就不能选定子出线星形短接开关(C23)20和“母线转换开关”(C21)21。需选滑环系统34(其中碳刷41，滑环42)或无滑环电磁感应系统35。

[0046] ②选了定子出线星形短接开关(C23)20，就不能选用定子三角形和星形转换系统19；需选滑环系统34(其中碳刷41，滑环42)或无滑环电磁感应系统35。

[0047] ③选了“母线转换开关”(C21)21，就不能选用定子三角形和星形转换系统19；需选滑环系统34(其中碳刷41，滑环42)或无滑环电磁感应系统35。另可选定子出线星形短接开关(C23)20。

[0048] ④滑环系统34(其中碳刷41，滑环42)与无滑环电磁感应系统35，只能选择一个。

[0049] ⑤“母线转换开关”(C21)21与定子回路并网开关(C22)9相互机械联锁和电气联锁，工作位置分别为“1”-“0”-“1”；其中：工作位置为“1”，定子回路并网开关(C22)9闭合位置，“母线转换开关”(C21)21为断开位置；工作位置为“0”，定子回路并网开关(C22)9断开位置，“母线转换开关”(C21)21为断开位置；工作位置为“-1”，定子回路并网开关(C22)9断开位置，“母线转换开关”(C21)21为闭合位置；

[0050] 选了定子出线星形短接开关(C23)20和“母线转换开关”(C21)21，定子出线星形短接开关(C23)20中的双馈运行模式RM11可以同“母线转换开关”(C21)21中的双馈运行母线转换模式RM21。

[0051] 本发明的直驱式双馈风力发电机组的风轮1(包括叶片和转轮)与其主轴2和直驱式双馈发电机3是直驱式直接连接，而机械传动链上没有任何一级主传动齿轮箱；其发电机第一定子绕组回路电压由分频/低频电网提供，其发电机第一转子绕组52和滑环系统34或第一转子绕组52和第二转子绕组62、第二定子绕组61的无滑环电磁感应系统35回路电压，通过机侧变流器出线32、机侧变流器(GSC)4、直流环节(DL)5、网侧变流器(LSC)6以及网侧变流器出线33提供，是双馈式供电，第一转子绕组52或和第二转子绕组62回路输出输入有功功率经变流器与第一定子绕组51回路输出有功功率汇合后，分别直接或间接与风电机组分频/低频电网上网点(LP1)27或(LP2)30连接；直驱式双馈风力发电机组基本运行方式为双馈运行方式。

[0052] 本发明的直驱式双馈风力发电机组连接分频/低频电网26额定频率fn＝f11n＝50/3Hz～50/6Hz，直驱式双馈发电机3定子回路母线31额定电压U1n和电压U1＝(0.9～1.1)U1n，转子回路母线29额定电压U2n和电压U2＝(0.9～1.1)U2n；直驱式双馈发电机3转子机械旋转同步转速n11n＝60f11n/pn(y＝1)；分频/低频电网26和直驱式双馈发电机3定子回路母线31、转子回路母线29工作频率f1yn＝fn(y)Hz(y＝0.9～1.1)下，直驱式双馈发电机3转子同步转速n1yn＝60f1yn/pn(y＝0.9～1.1)；直驱式双馈发电机3转子机械转速等于其机组主轴2和风轮(包括叶片和转轮)1机械转速： 直驱式双馈发电机3转子气隙电磁场
转速相对于转子转速等于第一转子绕组52或和第二转子绕组62回路等效机械转速：
第一转子绕组52或和第二转子绕组62电流工作频率
转子机械转速等效电气工作频率 工作运行频率f1yn下，转子转速
下的滑差

[0053] 直驱式双馈发电机3气隙有功功率 定子输出有功功率约等于定子气隙有功功率 转子输出有功功率约等于转子气隙有功功率

[0054] 本发明的直驱式双馈风力发电机组有超同步运行、同步运行和次同步运行方式。其中：

[0055] 1、直驱式双馈发电机3工作在双馈超同步动态运行状态，转子的同步转速小于转子机械转速 (+为超同步)，转子滑差 转子电流频率

[0056] 1)直驱式双馈发电机3第一定子绕组51回路有功功率 由直驱式双馈发电机3气隙电磁场，通过第一定子绕组51输出有功功率，其中:图1中，第一定子绕组51输出有功功率 经定子回路母线31电压U1，和定子回路并网开关(C22)9至风电机组分频/低频电网上网点(LP2)30。图5中，第一定子绕组51输出有功功率 经定子回路母线31电压U1，和定子回路并网开关(C22)9和断路器(K2)10和全功率三线圈升压变压器24线圈2(中压侧)、线圈1(高压侧)至风电机组分频/低频电网上网点(LP1)27。2)直驱式双馈发电机3第一转子绕组52或和第二转子绕组62回路有功功率 其中：
图1中，直驱式双馈发电机3第一转子绕组52或和第二转子绕组62回路有功功率 通过直驱式双馈发电机3气隙电磁场、第一转子绕组52和滑环系统34或第一转子绕组52和无滑环电磁感应系统35，经过机侧变流器出线32、机侧变流器(GSC)4、直流环节(DL)5、网侧变流器(LSC)6以及网侧变流器出线33、网侧变流器接触器(C1)7和断路器(K8)8，接到转子回路母线29，和或转子回路母线升压变压器22，减去变流器损耗部分 和抵消一部分辅机用电回路消耗功率 或再减转子回路母线升压变压器22损耗部分 以及在直驱
式双馈发电机3定子回路并网开关(C22)9与全功率两线圈升压变压器23线圈2和断路器(K2)10之间风电机组分频/低频电网上网点(LP2)30上，与第一定子绕组51回路有功功率汇合，上网全功率两线圈变压器23线圈2处有功功率为
图5中，直驱式双馈发电机3转子回路有功功率 通过直驱
式双馈发电机3气隙电磁场、第一转子绕组52和滑环系统34或第一转子绕组52和无滑环电磁感应系统35，经过机侧变流器出线32、机侧变流器(GSC)4、直流环节(DL)5、网侧变流器(LSC)6以及网侧变流器出线33，网侧变流器接触器(C1)7和断路器(K8)8，接到转子回路母线
29上，减去损耗部分 再抵消一部分辅机用电回路消耗功率 在全功率三线圈升压变压器24线圈3(低压侧)处有功功率为 而第一定子绕组51回路有功功率
接入全功率三线圈升压变压器24线圈2(中压侧)，经线圈2和线圈3
电磁耦合后并且通过线圈1升压，再减去全功率三线圈升压变压器24损耗 直驱式双馈风力发电机组至风电机组分频/低频电网上网点(LP1)27有功功率为

[0057] 直驱式双馈发电机3气隙电磁场通过第一转子绕组52和滑环系统34或第一转子绕组52和无滑环电磁感应系统35，通过机侧变流器出线32、机侧变流器(GSC)4、直流环节(DL)5、网侧变流器(LSC)6以及网侧变流器出线33发出有功功率，最后在风电机组分频/低频电网上网点(LP1)27或(LP2)30汇合；同时，根据控制要求，一方面提供直驱式双馈发电机3气隙电磁场励磁感性无功功率感应建立定子电压U1，另一方面还可以经直驱式双馈发电机3气隙电磁场，通过第一定子绕组51回路向其风电机组分频/低频电网上网点(LP1)27或(LP2)30发出容性或感性无功功率，同时通过第一转子绕组52和滑环系统34或第一转子绕组52和无滑环电磁感应系统35，经过机侧变流器出线32向机侧变流器(GSC)4发出容性无功功率或感性无功功率；并且时刻保证转子回路的工作频率为

[0058] 2、直驱式双馈发电机3工作在同步动态运行状态，转子转速等于转子同步转速为同步)，转子滑差 转子电流频率为

[0059] 1)直驱式双馈发电机3第一定子绕组51回路有功功率通过直驱式双馈发电机3气隙电磁场，经第一定子绕组51输出有功功率，其中：图1中，直驱式双馈发电机3第一定子绕组51输出有功功率 经定子回路母线31电压U1、定子回路并网开关(C22)9至风电机组分频/低频电网上网点(LP2)30。图5中，第一定子绕组51输出有功功率 经定子回路母线31电压U1、定子回路并网开关(C22)9和断路器(K2)10、全功率三线圈升压变压器24线圈2(中压侧)、线圈1(高压侧)至风电机组分频/低频电网上网点(LP1)
27。

[0060] 2)直驱式双馈发电机3第一转子绕组52或和第二转子绕组62有功功率直驱式双馈发电机3不通过电磁场气隙对第一转
子绕组52或和第二转子绕组62回路输出或输入有功功率；其中：图1中，直驱式双馈发电机3转子回路有功功率 不通过直驱式双馈发电机3气隙电磁场、第一转子绕组52和滑环系统34或第一转子绕组52和无滑环电磁感应系统35；但有少量损耗性有功功率经过机侧变流器出线32、机侧变流器(GSC)4、直流环节(DL)5、网侧变流器(LSC)6以及网侧变流器出线33和网侧变流器接触器(C1)7和断路器(K8)8，接到转子回路母线29，或转子回路母线升压变压器22的输出输入有功功率为零，减去变流器损耗部分 和抵消一部分辅机用电回路消耗功率 或加转子回路母线升压变压器22损耗部分 及在直驱式双馈发电机3定子回路并网开关(C22)9与全功率两线圈升压变压器23线圈2和断路器(K2)10之间风电机组分频/低频电网上网点(LP2)30上，与定子回路有功功率 汇合，在全功率两
线圈升压变压器23线圈2处有功功率为
图5中，直驱式双馈发电机3转子回路有功功率 不通过直驱式双馈发电
机3气隙电磁场、第一转子绕组52和滑环系统34或第一转子绕组52和无滑环电磁感应系统
35；但有少量损耗性有功功率经过机侧变流器出线32、机侧变流器(GSC)4、直流环节(DL)5、网侧变流器(LSC)6以及网侧变流器出线33，过网侧变流器接触器(C1)7和断路器(K8)8，接到转子回路母线29上，减去损耗部分 再抵消一部分辅机用电回路消耗功率 在全功率三线圈升压变压器线圈24线圈3(低压侧)有功功率 而定子回路的有功功
率 接入全功率三线圈升压变压器24线圈2(中压侧)，通过全功率三
线圈升压变压器24线圈2和线圈3耦合并且通过线圈1升压，再减去全功率三线圈升压变压器24的损耗 直驱式双馈风力发电机组至风电机组分频/低频电网上网点(LP1)27的有功功率为 直驱式双馈发电机3
从风电机组分频/低频电网上网点(LP1)27或(LP2)30通过机侧变流器出线32、机侧变流器(GSC)4、直流环节(DL)5、网侧变流器(LSC)6以及网侧变流器出线33和第一转子绕组52和滑环系统34或第一转子绕组52和无滑环电磁感应系统35回路，向直驱式双馈发电机3气隙电磁场提供励磁感性无功功率感应建立定子电压U1，不输入输出有功功率，并且时刻保证转子回路的工作频率为

[0061] 3、直驱式双馈发电机3工作在双馈次同步动态运行状态，转子的同步转速大于转子机械转速 (-为次同步)，转子滑差 转子(电流)频率

[0062] 1)直驱式双馈发电机3第一定子绕组51回路有功功率由直驱式双馈发电机3气隙电磁场，通过第一定子绕组51输出有功功率，其中:图1中，第一定子绕组51输出有功功率 经定子回路母线31电压U1，经定子回路并网开关(C22)9至风电机组分频/低频电网上网点(LP2)30。图5中，第一定子绕组51输出有功功率 经定子回路母线31电压U1，和定子回路并网开关(C22)9和断路器(K2)10、全功率三线圈升压变压器24线圈2(中压侧)、线圈1(高压侧)至风电机组分频/低频电网上网点(LP1)27。

[0063] 2)直驱式双馈发电机3的第一转子绕组52或和第二转子绕组62回路有功功率其中：图1中，直驱式双馈发电机3第一转子绕组52或和第二转子绕组62回路有功功率 通过气隙电磁场、第一转子绕组52和滑环系统
34或第一转子绕组52和无滑环电磁感应系统35，经过机侧变流器出线32、机侧变流器(GSC)
4、直流环节(DL)5、网侧变流器(LSC)6以及网侧变流器出线33，通过网侧变流器接触器(C1)
7和断路器(K8)8，接到转子回路母线29，或转子回路母线升压变压器22，减去变流器损耗部分 和抵消一部分辅机用电回路消耗功率 或再加变压器22损耗部分 在直驱式
双馈发电机3定子回路并网开关(C22)9与全功率两线圈升压变压器线圈2(中压侧)28和断路器(K2)10之间风电机组分频/低频电网上网点(LP2)30上，与第一定子绕组51回路有功功率汇合，在全功率两线圈升压变压器23线圈2有有功功率
图5中，直驱式双馈发电机3第一转子绕组52或和第二转子
绕组62回路有功功率 通过直驱式双馈发电机3气隙电磁场、第一转子绕组52和滑环系统
34或第一转子绕组52和无滑环电磁感应系统35，经过机侧变流器出线32、机侧变流器(GSC)
4、直流环节(DL)5、网侧变流器(LSC)6以及网侧变流器出线33，经过网侧变流器接触器(C1)
7和断路器(K8)8，接到转子回路母线29上，减去损耗部分 再抵消一部分辅机用电回路消耗功率 在全功率三线圈升压变压器24线圈3(低压侧)有功功率为
而定子回路有功功率 接入全功率三线圈升压变压器线圈2(中压侧)
28，经过全功率三线圈升压变压器24线圈2和线圈3耦合并且通过线圈1升压，再减去全功率三线圈升压变压器24的损耗 直驱式双馈风力发电机组至风电机组分频/低频电网上网点(LP1)27的有功功率为

[0064] 直驱式双馈风力直驱式双馈发电机3从风电机组分频/低频电网上网点(LP1)27或(LP2)30通过机侧变流器(GSC)4、直流环节(DL)5、网侧变流器(LSC)6输入有功功率，再通过滑环系统34和第一转子绕组52或无滑环电磁感应系统35和第一转子绕组52向直驱式双馈发电机3气隙电磁场提供有功功率；同时，根据控制要求，一方面提供直驱式双馈直驱式双馈发电机3气隙电磁场励磁感性无功功率感应建立定子电压U1，另一方面还可以经直驱式双馈发电机3气隙电磁场，通过第一定子绕组51回路向其风电机组分频/低频电网上网点(LP1)27或(LP2)30发出容性或感性无功功率，同时通过第一转子绕组52和滑环系统34或第一转子绕组52无滑环电磁感应系统35向机侧变流器(GSC)4发出容性无功功率或感性无功功率；并且时刻保证转子回路的工作频率为

[0065] 直驱式双馈风力发电机组的电气系统可以采用以下运行方案：

[0066] 1)当转子回路母线29额定电压U2n小于定子回路母线31额定电压U1n时有3个方案，[0067] 方案1：图1中，第一转子绕组52通过滑环系统34或无滑环电磁感应系统35由机侧变流器(GSC)4、直流环节(DL)5、网侧变流器(LSC)6输出输入有功功率 与第一定子绕组51输出有功功率 需要通过转子回路母线升压变压器22升压后在风电机组分频/低频电网上网点(LP2)30汇合，然后再通过风电机组全功率两线圈升压变压器23至更高的电压等级上，经过总断路器(K1)25接入分频/低频电网26；

[0068] 方案2：图1中，第一转子绕组52通过滑环系统34或无滑环电磁感应系统35由机侧变流器(GSC)4、直流环节(DL)5、网侧变流器(LSC)6输出输入有功功率 与第一定子绕组51输出的有功功率 需要通过转子回路母线升压变压器22升压后在风电机组分频/低频电网上网点(LP2)30汇合，当定子回路母线31额定电压U1n选用很高电压等级，直驱式双馈风电机组额定功率传输距离很大，分频/低频电网26输电线路组网适合不需要风电机组全功率两线圈升压变压器23时，最后，直驱式双馈发电机3采用高压直配方式，经过总断路器(K1)25直接接入分频/低频电网26；

[0069] 方案3：图5中，第一转子绕组52或和第二转子绕组62输出输入有功功率 与第一定子绕组51输出有功功率 分别直接通过风电机组全功率三线圈升压变压器24的线圈3(低压侧)和线圈2(中压侧)，两者通过电磁耦合升压至全功率三线圈升压变压器24线圈1(高压侧)上，汇入风电机组分频/低频电网上网点(LP1)27，同时经过总断路器(K1)25汇入分频/低频电网26。

[0070] 2)当转子回路母线29额定电压U2n等于定子回路母线31额定电压U1n时有2个方案；

[0071] 方案4：图1中，第一转子绕组52通过滑环系统34或无滑环电磁感应系统35由机侧变流器(GSC)4、直流环节(DL)5、网侧变流器(LSC)6输出输入的有功功率 与第一定子绕组51输出的有功功率 不需要转子回路母线升压变压器22，直接在风电机组分频/低频电网上网点(LP2)30汇合，再通过风电机组全功率两线圈升压变压器23线圈2(中压侧)升至线圈1(高压侧)上，经过总断路器(K1)25汇入分频/低频电网26；

[0072] 方案5：图1中，转子回路母线29额定电压U2n和定子回路母线31额定电压U1n相等且选用较高电压等级，直驱式双馈风电机组额定功率的传输距离较大，分频/低频电网26输电线路组网适合不需要风电机组全功率两线圈升压变压器23时，且不需要转子回路母线升压变压器22，第一转子绕组52通过滑环系统34或无滑环电磁感应系统35由机侧变流器(GSC)4、直流环节(DL)5、网侧变流器(LSC)6输出输入有功功率 与第一定子绕组51输出有功功率 在风电机组分频/低频电网上网点(LP2)30汇合，最后，直驱式双馈风力发电机组采用高压直配方式，经过总断路器(K1)25直接接入分频/低频电网26。

[0073] 另外，通过网侧变流器出线33、网侧变流器(LSC)6、直流环节(DL)5、机侧变流器(GSC)4以及机侧变流器出线32、滑环系统34和第一转子绕组52或无滑环电磁感应系统35和第一转子绕组52回路，变流器控制器可以对直驱式双馈发电机3气隙电磁场电气调节，可调节定子回路并网同期电压相序、幅值、相位，及动态调节直驱式双馈发电机3气隙电磁场旋转频率与分频/低频电网26频率同步(恒频)和直驱式双馈发电机3定子回路电压幅值、定子回路输入输出无功功率、转子回路输入输出无功功率，而且根据与分频/低频电网频率同步(恒频)的直驱式双馈发电机3气隙电磁场旋转频率和转子机械旋转转速(变速)动态调节第一转子绕组52或和第二转子绕组62回路的工作频率(变频)，其中工作频率为

[0074] 本发明的直驱式双馈发电机组，从图1和图5中，直驱式双馈发电机3转子绕组出线可以采用图9中的有刷直驱式双馈发电机37，包括定子电磁功率输出系统36(含第一定子绕组51和第一转子绕组52)和滑环系统34(碳刷41、滑环42)，或采用图10中的无刷直驱式双馈发电机38，包括定子电磁功率输出系统36(含第一定子绕组51和第一转子绕组52)和无滑环电磁感应系统35(第二定子绕组61、第二转子绕组62)。

[0075] 本发明的直驱式双馈风力发电机组，图1、图5中，转子回路母线29额定电压U2n采用分频/低频电网26频率50/3Hz～50/6Hz，通过直驱式双馈风电机组辅助用电回路总进线断路器(K4)12，向第一辅助变压器13供电；降压至400V后，通过第一辅助变压器出线断路器(K5)14、大功率(UPS)进线断路器(K6)15向大功率三相不间断电源(UPS)16供电，大功率三相不间断电源(UPS)16将分频/低频50/3Hz～50/6Hz转换至50Hz工频电压400V，向风电机组通用400V辅助用电设备供电；大功率三相不间断电源(UPS)16的50Hz工频电压400V通过大功率(UPS)出线断路器(K7)17向第二辅助变压器18供电，输出50Hz工频电压690V，向风电机组690V辅助用电设备供电。

[0076] 直驱式双馈发电机3除采用常规空空冷却或空水冷却方式运行外，还可采用高温超导(HTS)冷却直驱式双馈发电机运行。

[0077] 在直驱式双馈风力发电机组双馈基本运行方式基础上，另外还有第一运行方式、第二运行方式、第三运行方式：

[0078] 1)直驱式双馈风力发电机组第一运行方式包括以下两种具体模式：

[0079] 全功率变频器鼠笼式运行模式RM12:图1中、图5中，在其机组双馈运行次同步区域，采用定子回路母线31与风电机组分频/低频电网上网点(LP1)27或(LP2)30之间的定子回路并网开关(C22)9(“母线转换开关”(C21)21)断开，定子回路母线31上定子出线星形短接开关(C23)20闭合，其机组全功率变频器鼠笼式运行所发出有功功率通过气隙电磁场、第一转子绕组52和滑环系统34或第一转子绕组52和无滑环电磁感应系统35回路、机侧变流器出线32、机侧变流器(GSC)4、直流环节(DL)5、网侧变流器(LSC)6以及网侧变流器出线33，直接或间接汇接至风电机组分频/低频电网上网点(LP1)27或(LP2)30；其机组全功率变频器鼠笼发电运行时，不受滑差的限制或转速范围的限制，只受直驱式双馈发电机3转子容量和变流器容量以及输入机械功率的限制。

[0080] 双馈运行模式RM11:图1中，在其机组双馈运行超同步区域和部分次同步区域，采用“母线转换开关”(C21)21断开，定子回路母线31上定子出线星形短接开关(C23)20断开，定子回路母线31与风电机组分频/低频电网上网点(LP1)27或(LP2)30之间的定子回路并网开关(C22)9闭合、断路器(K2)10闭合后与全功率两线圈升压变压器线圈2(中压侧)28相连，第一转子绕组52或和第二转子绕组62回路输出有功功率，通过转子回路母线29断路器(K3)11和转子回路母线升压变压器22升压接入风电机组分频电网上网点(LP2)30点，与第一定子绕组51回路输出有功功率汇合。图5中，在其机组双馈运行超同步区域和部分次同步区域，采用“母线转换开关”(C21)21断开，定子回路母线31上定子出线星形短接开关(C23)20断开，定子回路母线31与风电机组分频/低频电网上网点(LP1)27或(LP2)30之间的定子回路并网开关(C22)9闭合、断路器(K2)10闭合后与全功率三线圈升压变压器线圈2(中压侧)28相连，第一转子绕组52或和第二转子绕组62回路输出有功功率，通过转子回路母线29断路器(K3)11接入全功率三线圈升压变压器24线圈3(低压侧)，与第一定子绕组51回路输出有功功率通过全功率三线圈升压变压器24线圈2(中压侧)的电磁耦合后，升压到全功率三线圈升压变压器24线圈1(高压侧)的出口后接入风电机组分频/低频电网上网点(LP1)27。

[0081] 2)直驱式双馈风力发电机组第二运行方式包括以下两种具体模式：

[0082] 本发明的直驱式双馈发电机组，当定子回路母线31额定电压U1n大于转子回路母线29额定电压U2n时，选用“母线转换开关”(C21)21在线转换(可逆)的技术。

[0083] 机组按双馈运行模式RM22运行:

[0084] 图1中，在机组次同步双馈运行时区域，定子回路母线31接转子回路母线29,定子回路母线31通过定子回路并网开关(C22)9断开后，通过“母线转换开关”(C21)21闭合与转子回路母线29连接，第一定子绕组51回路输出有功功率和第一转子绕组52或和第二转子绕组62回路输入有功功率汇合后，通过转子回路母线29断路器(K3)11和转子回路母线升压变压器22升压接入风电机组分频电网上网点(LP2)30点。

[0085] 图5中，在机组次同步双馈运行时区域，定子回路母线31电压U1,通过定子回路并网开关(C22)9、断路器(K2)10断开后，通过“母线转换开关”(C21)21闭合与转子回路母线29连接，第一定子绕组51回路输出有功功率和第一转子绕组52或和第二转子绕组62回路输入有功功率汇合后，通过转子回路母线29断路器(K3)11接入全功率三线圈升压变压器24线圈3(低压侧)，电磁耦合后升压到全功率三线圈升压变压器24线圈1(高压侧)的出口后接入风电机组分频/低频电网上网点(LP1)27。

[0086] 降低定子回路母线31电压U1，也降低发电机的转子开口电压，提高了低速区域的低限范围。

[0087] 机组按双馈运行模式RM21运行:

[0088] 图1中，机组超同步运行前，定子回路母线31，通过“母线转换开关”(C21)21断开与转子回路母线29分开，而定子回路母线31电压U1通过定子回路并网开关(C22)9闭合、断路器(K2)10闭合与全功率两线圈升压变压器线圈2(中压侧)28连接，第一转子绕组52或和第二转子绕组62回路输出有功功率，经转子回路母线29断路器(K3)11和转子回路母线升压变压器22升压接入风电机组分频/低频电网上网点(LP2)30点，与第一定子绕组51回路输出有功功率汇合；

[0089] 图5中，机组超同步运行前，定子回路母线31电压U1通过“母线转换开关”(C21)21断开与转子回路母线29分开，而定子回路母线31电压U1通过定子回路并网开关(C22)9闭合、断路器(K2)10闭合与全功率三线圈升压变压器线圈2(中压侧)28连接，第一转子绕组52或和第二转子绕组62回路输出有功功率，通过转子回路母线29的断路器(K3)11接入全功率三线圈升压变压器24线圈3(低压侧)，与第一定子绕组51回路输出有功功率通过全功率三线圈升压变压器24线圈2(中压侧)电磁耦合后，升压到全功率三线圈升压变压器24线圈1(高压侧)后接入风电机组分频/低频电网上网点(LP1)27。

[0090] 提高定子回路母线31电压U1，也提高发电机的转子开口电压，稳定定子回路和转子回路电流在额定电流及以下运行。

[0091] 其中，定子回路母线31额定电压U1n与转子回路母线29额定电压U2n有一定电压差，一般U1n/U2n取1.3～1.6。

[0092] 3)直驱式双馈风力发电机组第三运行方式包括以下两种具体模式：

[0093] 双馈定子星形绕组运行模式RM32，本发明的直驱式双馈发电机组，图1中、图5中，，在机组次同步双馈运行时区域，即定子三角形绕组回路通过定子三角形和星形转换系统19(可逆)变换到定子星形绕组运行，在三相定子线电压不变情况下，把每相上电压降低为即开口电压将为原来 提高了低速区域的低限范围。

[0094] 双馈定子三角形绕组运行模式RM31，本发明的直驱式双馈发电机组，图1中、图5中，机组需要到超同步运行前，采用定子星形绕组回路通过定子三角形和星形转换系统19(可逆)回到定子三角形绕组回路运行，提高发电机转子开口电压，稳定定子回路和转子回路电流在额定电流及以下运行。其中，定子三角形绕组回路转子开口电压与定子星形绕组的转子开口电压之比

[0095] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。