CN101598113B - 一种风力发电装置 - Google Patents
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Abstract
一种风力发电装置，其风力机(10)与行星齿轮(2)的行星架(6)相连，行星齿轮(2)的外齿圈(4)和发电机(11)的转子相连，或者与调速电机(3)的转子相连。发电机(11)的定子绕组直接与电网相连。行星齿轮(2)的太阳轮(5)与调速电机(3)的转子相连，或者与发电机(11)的转子相连。功率变换器(20)给调速电机(3)的定子绕组供电。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电设备，特别涉及风力发电系统中实现变风速输入恒频率输出的设备。
背景技术
随着全社会对能源和环境问题的关注，可再生能源的开发和利用正呈现出加速发展的趋势，风能是世界上广泛存在并为人们所掌握的技术最为成熟的可再生能源之一。目前主流的风力发电系统为双馈电机和直驱系统，双馈发电系统的定子直接与电网相连，通过调节转子绕组中的滑差功率实现调速，因此转子绕组需要一套大功率的逆变器进行供电，同时转子上的滑环和电刷可靠性与寿命不高，需要定期维护；直驱系统取消了风力机到发电机的升速齿轮，但是直驱发电机工作转速低，发电机需要采用较大的定转子直径和较多的极对数，给发电机的设计和制造增加了难度。同时由于风能具有随机性，忽大忽小，当风速小于额定风速时，风轮可以最大限度地吸收风能，而当风速高于某一限值时，为了保持发电机输出频率恒定，采用调节风叶桨距使风轮失速，致使风能不能被充分利用。为了解决上述问题，专利200710019236.X、200720033191.7、200810100747.9、200820116054.4提出了电气无级变速的风力发电机组，通过双机械端口电机将速度变化的风能转化为电能和恒频率输出的机械能。但是这种电机结构复杂、加工制造困难，同时也存在电刷和滑环的维护问题。因此高效、可靠、控制简单的变速恒频率风力发电装置是该领域技术人员长期的追求，而且这种装置不仅限于风力发电系统，同时适合于各种变工况到恒工况的动力传递和转化场合。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种将变速输入的能量转化为恒速输出的风力发电装置。
本发明包括有源无级调速装置和风力发电装置两部分。
本发明的有源无级调速装置至少包括一组行星齿轮、一个调速电机和一个功率变换器，其中行星齿轮包括行星架、外齿圈和太阳轮，功率变换器给调速电机供电。行星齿轮的太阳轮或者行星架与电机的转子固连，通过控制电机来调节太阳轮或者行星架的转速，从而达到在外齿圈转速变化时，行星架或者太阳轮保持在设定的转速运行。行星齿轮的太阳轮、行星架和外齿圈三者之间的转速具有严格的关系，这种关系与太阳轮齿数和外齿圈齿数的比值ρ相关，当ρ固定时，此系统的三个部件具有2个机械旋转自由度，即系统中任何2个部件的旋转速度确定后，第三个部件的速度唯一确定。因此，可以通过调节其中任何一个部件的速度，控制其他两个部件速度的比值，而且此比值可以连续的变化，即实现无级调速。本发明通过连续的控制调速电机转速，控制行星齿轮其中一个部件的转速，从而控制其他两个部件的转速关系，即实现无级调速。由于调速电机可以对行星齿轮系统输入或者输出能量，因此，系统是有源的无级调速。
本发明风力发电装置方案之一：所述风力发电装置包括至少一个风力机、一个行星齿轮，一个调速电机和一个功率变换器，一个发电机。其中行星齿轮包括行星架、外齿圈和太阳轮。风力机通过输入轴与行星齿轮的行星架相连，外齿圈通过输出轴和发电机的转子相连，定子绕组直接与电网相连，太阳轮与调速电机的转子相连，功率变换器的输入与供电电源相接，供电电源可以是蓄电池，也可以是电网。功率变换器的输出与调速电机的定子绕组相连接，同时功率变换器与调速电机之间还有信号线连接，可以进行通讯。调速电机和发电机根据需要可以是永磁电机、异步电机或者其他类型的电机。
工作时，风能通过风力机传递到行星齿轮的行星架上，驱动行星架转动，调速电机通过传感器测量电机的转速等信息，通过信号线反馈给功率变换器，功率变换器根据设定转速和反馈转速的信息给调速电机的定子绕组提供不同频率和电压的交流电，控制调速电机按照设定转速运行，通过调整调速电机转速，保证外齿圈的转速恒定为设定的发电机工作转速。这时，行星齿轮的一部分机械能量传递到行星齿轮的外齿圈，由发电机转化为电能，输入到电网，另一部分能量通过太阳轮传递到调速电机，通过功率变换器输入到电网。
同时，行星架、太阳轮和外齿圈可以通过变速齿轮进行输出，以方便机械设计和电机设计。
本发明风力发电装置方案之二：本发明的风力发电装置包括至少一个风力机、一个行星齿轮，一个调速电机和一个功率变换器，一个发电机。其中行星齿轮包括行星架、外齿圈和太阳轮。风力机通过输入轴与行星齿轮的行星架相连，太阳轮通过输出轴和发电机的转子相连，定子绕组直接与电网相连，外齿圈与调速电机的转子相连，功率变换器的输入与供电电源相接，供电电源可以是蓄电池，也可以是电网，功率变换器的输出与调速电机的定子绕组相连接，同时功率变换器与调速电机之间还有信号线连接，可以进行通讯。调速电机和发电机根据需要可以是永磁电机、异步电机或者其他类型的电机。
工作时，风能通过风力机传递到行星齿轮的行星架上，驱动行星架转动，调速电机通过传感器测量电机的转速等信息，通过信号线反馈给功率变换器，功率变换器根据设定转速和反馈转速的信息给调速电机的定子绕组提供不同频率和电压的交流电，控制调速电机按照设定转速运行，通过调整调速电机的转速，保证太阳轮的转速恒定为设定的工作转速。这时，行星齿轮的一部分机械能量传递到行星齿轮的太阳轮，由发电机转化为电能，输入到电网，另一部分能量通过外齿圈传递到调速电机，通过功率变换器输入到电网。
同时，行星架、太阳轮和外齿圈可以通过变速齿轮进行输出，以方便机械设计和电机设计。
风力发电的现有技术中，直驱电机是一种变工况的电机，根据风速的大小不同工作在不同的工作点，发电机工况复杂，很难保证在所有工况下有较高的效率，本发明通过行星齿轮和调速电机组成的无级调速系统将变工况的风力机输出变成一个恒定转速输出的机械能，可利用现有的恒工况发电机技术，如热发电和水轮发电技术，不仅技术成熟，而且发电机工况简单，工作点单一，从而使发电系统具有很高的效率。同时直驱发电系统中，所有的电能都通过直驱发电机的功率变换器输出到电网，不仅会使电能的质量下降，而且系统需要一个和发电机容量相同功率变换器，不仅提高了系统成本，降低了系统可靠性，而且造成功率变换器损耗，进一步降低了系统的效率。本发明的大部分能量通过发电机的绕组直接回馈到电网，不通过功率变换器的中间环节，电能质量高，谐波少，而且减少了损耗，提高了效率，本发明的功率变换器仅仅是给调速电机供电，电流容量较小，节省成本。同时本发明的风力发电系统省去了电刷，相比双馈电机系统具有更高的可靠性，减少了维护。
同时本发明通过行星齿轮和变速齿轮的调速设计，将大转矩低转速的机械能转化为高转速，低转矩的机械能输出，可以使得调速电机是一个高速低转矩的电机，体积小，节约成本，同时所需功率变换器也比较小，即采用一个小功率的调速电机将大功率的速度变化的机械能转化为一个恒转速的机械能。同时发电机也以是一个高速低转矩恒定工作频率的电机，同样具有体积小，节约成本的优势。
目前，行星齿轮和电机联合进行调速的系统还有丰田PRIUS混合动力系统，此系统至少包含一个发动机、两个电机和一个行星齿轮，通过行星齿轮将内燃机的能量分为2部分：一部分进行发电，将此部分电能通过另一个电机再传递出去驱动车辆行驶；另一部分能量直接驱动车辆行驶，它主要完成内燃机和电能的动力分配和融合，协调内燃机输出和驱动转矩，达到最佳的经济性。本发明的调速装置仅需一个行星齿轮和一个调速电机配合，调整调速电机的转速，保持恒定频率的机械能输出，风力发电装置主要包括一个风力机、一个调速电机、一个发电机和一个行星齿轮，功率在1~3MW，风力机将能量传递到本发明的调速装置，输出一个恒定频率的电能送入电网，系统主要作用是将变化的速度变为恒定的速度，起到调速作用。
本发明的有益效果：
1、简化了风力发电机组的结构，省去了电刷和滑环装置，提高了可靠性和可维护性。
2、通过调速电机的控制可使发电机在固定的转速工作，实现变速恒频运行，可以充分利用恒频发电的成熟技术。
3、电能由常规发电机产生，直接输入到电网，不经过电力电子装置，电能质量好。
4、可用作起动电动机，对风轮进行起动和制动。
行星齿轮具有升速作用，可以将转速提升，降低转矩，从而降低发电机的体积。
附图说明
图1有源无级调速装置结构之一的示意图；
图2有源无级调速装置结构之二的示意图；
图3风力发电装置实施方案一的结构示意图；
图4风力发电装置实施方案一的改进结构示意图；
图5风力发电装置实施方案二的结构示意图；
图6风力发电装置实施方案二的改进结构示意图。
图中：风力机10，机械输出轴1，行星齿轮2，机械输出轴7，调速电机3，功率变换器20，发电机11，电网21，第一变速齿轮14、第二变速齿轮16和第三变速齿轮15；行星齿轮2包括外齿圈4，行星架6和太阳轮5；调速电机3包括转子8和定子9；发电机11包括转子12和定子13。
具体实施方式
本发明包括有源无级调速装置和风力发电装置两部分。
本发明的调速装置如图1和图2所示，包括一个电机3、一个行星齿轮2、一个功率变换器20。行星齿轮2由外齿圈4，行星架6和太阳轮5组成。功率变换器20为调速电机3供电，机械输出轴1与行星齿轮2的行星架6相连，调速电机3的转子8与行星齿轮2的太阳轮5通过机械输出轴7相连。行星齿轮2存在如下的关系：
ωs＝(1+ρ)×ωc-ωr/ρ
ωc＝ρ×ωs/(1+ρ)+ωr/(1+ρ)
ωr＝(1+ρ)×ωc-ρ×ωs
Ts＝ρ×Tc/(1+ρ)＝ρ×Tr (1)
Tr＝Tc/(1+ρ)
ρ＝太阳轮齿数/齿圈齿数
式中，ωs是太阳轮的转速；Ts是太阳轮的转矩；
ωr是齿圈的转速；Tr是外齿圈的转矩；
ωc是行星架的转速；Tc是行星架的转矩；
由上式可以看出，行星齿轮2的太阳轮5、行星架6和外齿圈4三者之间的转速具有严格的关系，这种关系与太阳轮齿数和外齿圈齿数的比值ρ相关，当ρ确定时，调速装置的外齿圈4、太阳轮5、行星架6三个部件具有2个机械旋转自由度，即调速装置的外齿圈4、太阳轮5、行星架6中任何2个部件的旋转速度确定后，第三个部件的速度唯一确定。因此，可以通过调节其中任何一个部件的速度，控制其他两个部件速度的比值，而且此比值可以连续的变化，即实现无级调速。
如图1所示，通过控制调速电机3，从而控制转子8的转速，由于转子8与行星齿轮2的太阳轮5连接，因此具有相同的转速ωs，假定机械输出轴1的输入转速与行星齿轮2的行星架转速同为ωc，由可知ωr＝(1+ρ)×ωc-ρ×ωs，通过控制转子8的转速ωs即可控制外齿圈4的转速ωr，由于ωs可连续变化，因此外齿圈4的转速ωr也是连续变化的，即实现无级调速。
图2中，机械输出轴1与行星齿轮2的行星架6相连，调速电机3的转子8与行星齿轮2的外齿圈4通过机械输出轴7相连。通过控制调速电机3，从而控制转子8的转速，由于转子8与行星齿轮2的外齿圈4连接，因此具有相同的转速ωr，假定机械输出轴1的输入转速与行星齿轮2的行星架6转速同为ωc，由ωs＝(1+ρ)×ωc-ωr/ρ可知，通过控制转子8的转速ωr即可控制的转速ωs，由于ωr可连续变化，因此外齿圈4的转速ωs也是连续变化的，即实现无级调速。
本发明的风力发电装置实施方案一如图3所示，所述的风力发电装置包含一组行星齿轮2、一个调速电机3、一个发电机11、一个功率变换器20和一个风力机10。风力机10通过机械输出轴1与行星齿轮2的行星架6相连，调速电机3的转子8与行星齿轮2的太阳轮5通过机械输出轴7相连，发电机11的转子12与行星齿轮2的外齿圈4相连。发电机11的定子13的绕组直接和电网21连接，调速电机3的定子9的绕组通过功率变换器20与电网21连接。
工作时，风力机10将风能传递到行星齿轮2的行星架6上，驱动行星架6以ωc的转速转动。而发电机11的工作频率为f，因此需要控制调速电机3，使得转子8的转速为ωs＝(1+ρ)×ωc-2πf/ρ时(假定发电机极对数为1)，则行星齿轮2的外齿圈4的转速恒定为2πf，满足发电机11对转速的要求。由于风力的变化，ωc是不停变化的，因此转子8的转速ωs也是根据需要不断的调整。当ωc增大时，要保持外齿圈4的转速恒定，需要增大转子8的转速ωs；当ωc减小时，要保持外齿圈4的转速恒定，需要减小转子8的转速ωs。功率变换器20将电网上的固定频率的交流电转化为直流，再根据调速需要转化为变压变频的交流电控制调速电机3。
图4是图3所示的风力发电装置结构的一种改进方案。风力机10通过第三变速齿轮15和行星齿轮2的行星架6连接，发电机11通过第一变速齿轮14与外齿圈4相连，调速电机3通过第二变速齿轮16与太阳轮5相连。这种方案通过第一变速齿轮14、第二变速齿轮16和第三变速齿轮15调速，将外齿圈4的输出和太阳轮5的输出进行人为的调整，方便电机的设计，减小电机设计难度。
本发明的风力发电装置实施方案二如图5所示，所述的风力发电装置包含一组行星齿轮2、一个调速电机3、一个功率变换器20、一个发电机11和一个风力机10。风力机10通过机械输出轴1与行星齿轮2的行星架6相连，调速电机3的转子8与行星齿轮2的外齿圈4相连，发电机11的转子12与行星齿轮2的太阳轮5通过机械输出轴7相连。发电机11定子13的绕组直接和电网21连接，调速电机3的定子9的绕组通过功率变换器20与电网21连接。
工作时，风力机10将风能传递到行星齿轮2的行星架6上，驱动行星架6以ωc的转速转动。设定发电机11的工作频率为f，因此需要控制调速电机3，使得转子8的转速为ωr＝(1+ρ)×ωc-ρ×2πf时(假定发电机极对数为1)，则行星齿轮2的太阳轮5的转速恒定为2πf，满足发电机11对转速的要求。由于风力的变化，ωc是不停变化的，因此转子8的转速ωr也是根据需要不断的调整。功率变换器20将电网上的固定频率的交流电转化为直流，再根据调速需要转化为变压变频的交流电控制调速电机3。
图6是图5所示的风力发电装置实施方案二的一种改进形式，风力机10通过第三变速齿轮15和行星齿轮2的行星架6连接，发电机11通过第二变速齿轮16与太阳轮5相连，调速电机3通过第一变速齿轮14与外齿圈4相连。这种方案通过第一变速齿轮14、第二变速齿轮16和第三变速齿轮15调速，将外齿圈4的输出和太阳轮5的输出进行人为的调整，方便电机的设计，减小电机设计难度。
Claims (2)
1.一种风力发电装置，包括至少一个风力机(10)、一个行星齿轮(2)，一个调速电机(3)，一个发电机(11)和一个功率变换器(20)，行星齿轮(2)包括行星架(6)、外齿圈(4)和太阳轮(5)，其特征在于，所述的风力机(10)与所述的行星齿轮(2)的行星架(6)相连，所述的行星齿轮(2)的外齿圈(4)和发电机(11)的转子(12)相连，发电机(11)的定子绕组直接与电网相连；行星齿轮(2)的太阳轮(5)与调速电机(3)的转子(8)相连，功率变换器(20)给调速电机(3)的定子绕组供电。
2.一种风力发电装置，包括至少一个风力机(10)、一个行星齿轮(2)，一个调速电机(3)，一个发电机(11)和一个功率变换器(20)，行星齿轮(2)包括行星架(6)、外齿圈(4)和太阳轮(5)，其特征在于，所述的风力机(10)与所述的行星齿轮(2)的行星架(6)相连，所述的行星齿轮(2)的外齿圈(4)与调速电机(3)的转子(8)相连，功率变换器(20)给调速电机(3)的定子绕组供电；行星齿轮(2)的太阳轮(5)与发电机(11)的转子(12)相连，发电机(11)的定子绕组直接与电网相连。
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