CN104912731B - 一种基于无级变速的风力发电机机电分离方法 - Google Patents

一种基于无级变速的风力发电机机电分离方法 Download PDF

Info

Publication number
CN104912731B
CN104912731B CN201510256008.9A CN201510256008A CN104912731B CN 104912731 B CN104912731 B CN 104912731B CN 201510256008 A CN201510256008 A CN 201510256008A CN 104912731 B CN104912731 B CN 104912731B
Authority
CN
China
Prior art keywords
power
buncher
input
wind
speed
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201510256008.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104912731A (zh
Inventor
林家俊
张勇军
陈泽兴
黄峤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
South China University of Technology SCUT
Original Assignee
South China University of Technology SCUT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by South China University of Technology SCUT filed Critical South China University of Technology SCUT
Priority to CN201510256008.9A priority Critical patent/CN104912731B/zh
Publication of CN104912731A publication Critical patent/CN104912731A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104912731B publication Critical patent/CN104912731B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Landscapes

  • Control Of Eletrric Generators (AREA)
  • Wind Motors (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于无级变速的风力发电机机电分离方法，包括以下步骤：1)确定自然风输入的功率和无级变速器所需输入功率；2)根据自然风输入的功率和无级变速器所需输入功率的差异，经输入功率控制程序计算获得补偿功率的数值及功率补偿控制策略，使得无极变速器的输入功率恒定；3)利用恒定功率输入的无级变速器将自然风输入的风速以任意变比变换转速，使得无级变速器的输出具有恒定转速以及恒定功率；4)无级变速器输出的恒定转速以及恒定功率经机械传动装置连接常规发电机，作为发电机原动力恒速工作，将能量转化为电能传送到电网中。通过本发明方法可以简化风力发电机的传动部分，简化机械装置，减小体积，实现机电分离。

Description

一种基于无级变速的风力发电机机电分离方法
技术领域
本发明涉及风力发电制造的技术领域，尤其是指一种基于无级变速的风力发电机机电分离方法。
背景技术
现今，风能作为一种清洁无污染的可再生资源，它的开发利用一直是人们探索与研究的重点。而如何提高风力发电机的使用效率，减少损耗和简化风力发电机复杂笨重的结构是我们需要去思考解决的。
现行的大型风力发电机在风速低于一定值时，控制器控制机械刹车将叶轮锁定停止并网发电，一定程度上限制了风能的利用；而当风速较大时，则会导致变速器的效率降低从而降低了整个风力发电机的效率。另外，目前多数叶轮与发电机之间的速度转换一般使用齿轮箱或变速器，但多级增速齿轮箱体积庞大极易损耗且检修难度大。
2009年东南大学提出了一种无级变速恒频运行风力发电机，并申请了专利。该电机采用了内外转子参与变速以及加入储能装置参与反馈，提高了风能的转换效率以及供电稳定性。但是蓄电池的笨重短周期寿命以及复杂的电机结构的对于风力发电机的维护检修带来了更复杂的工作。
在此基础上，本发明提出了一种基于无级变速的风力发电机机电分离的方法，电网直接通过输入功率调节装置对无级变速器进行功率补偿，可以有效简化功率传动装置并能稳定地在恒频状态下对风能功率充分利用。要实现风力发电机的轻简化并且实现机械部分和发电部分的分离，其首先条件是实现传动系统和维护工作的简化，而无级变速的恒定功率和恒定转速的输出恰好为之提供了条件。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于无级变速的风力发电机机电分离方法，该方法取消了复杂的传动装置、增速齿轮箱和变速箱，简化了传动系统，便于风力发电机的维护，同时，无级变速器的恒功率及恒转速的输出使得系统可经简单的传动转置外接常规发电机，并使其工作在恒速状态，实现风力发电的机械部分和发电部分的分离，即发电部分将机械部分输出的恒定功率和恒定转速作为原动力进行发电，机械部分与发电部分没有其它联系从而实现两部分之间的分离。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种基于无级变速的风力发电机机电分离方法，包括以下步骤：
1)确定自然风输入的功率和无级变速器所需输入功率，其中，所述自然风输入的功率是指由风速及功率检测装置收集到的自然风带动扇叶转动输入风机的功率，通过如下公式确定：
式中包含变量：由风机上测速器确定实时风速v，扇叶扫过的面积s，由当地的气象局提供年平均气体密度值ρ，校正系数k；
2)根据自然风输入的功率和无级变速器所需输入功率的差异，经输入功率控制程序计算获得补偿功率的数值及功率补偿控制策略，使得无极变速器的输入功率恒定；
3)利用恒定功率输入的无级变速器将自然风输入的风速以任意变比变换转速，使得无级变速器的输出具有恒定转速以及恒定功率；
4)无级变速器输出的恒定转速以及恒定功率经机械传动装置连接常规发电机，作为发电机原动力恒速工作，将能量转化为电能传送到电网中，实现风力发电机的机械部分与发电部分的分离。
在步骤(2)中，所述输入功率控制程序是指经科学算法和程序语言编程的一种软件，能够根据实时自然风输入的功率和无级变速器所需输入功率的差值，计算获得补偿功率的数值及功率补偿控制策略，其中，补偿功率的数值由以下公式获得：
Ppatch＝Prated-Pin
式中包含变量：Ppatch为补偿功率，Pin为自然风输入的功率，Prated为无级变速器所需的输入功率；
所述功率补偿控制策略是指输入功率控制程序基于所获得的补偿功率的数值，对输入功率调节装置提出的行动命令，其具体过程为：①当Ppatch＜0时，输入功率调节装置经整流逆变过程变换电压，施加到异步电机，此时异步电机作为电动机，电网向无级变速器输入功率；②当Ppatch＞0时，异步电机产生的磁场产生的电磁力对于自然风是一种阻力，此时异步电机作为发电机，电网向无级变速器吸收功率。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、采用电网控制进行功率的输入控制，既提高了对风能的利用效率，又增加了系统的运行可靠性，还提高了系统的运行周期。
2、无级变速器可以实现系统在可调转速的范围内连续变化，真正地实现变速恒频运行。
3、无级变速器代替了笨重、体积庞大且需经常维护多级增速齿轮，不仅减轻了风机重量，还提高了系统运行可靠性。
4、本发明实现恒定功率，恒定转速输出有利于传动机械装置的简化，实现风力发电机的机械部分和发电部分的分离。
5、电能相当于只由常规的电磁式发电机产生，没有经过电力电子装置，不含谐波，电能质量好。
附图说明
图1为本发明所述风力发电机机电分离方法的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
本实施例所述的基于无级变速的风力发电机机电分离方法，采用功率检测装置、输入功率控制程序、异步电机、整流逆变装置、无级变速器、常规发电机，其中，所述异步电机与整流逆变装置相连，接到无级变速器输入端；所述功率检测装置接连输入功率控制程序对异步电机、整流逆变装置、无级变速器的输入功率调节装置发出指令。包括以下步骤：
1)确定自然风输入的功率和无级变速器所需输入功率，其中，所述自然风输入的功率是指由风速及功率检测装置收集到的自然风带动扇叶转动输入风机的功率，通过如下公式确定：
式中包含变量：由风机上测速器确定实时风速v，扇叶扫过的面积s，由当地的气象局提供年平均气体密度值ρ，校正系数k；
2)根据自然风输入的功率和无级变速器所需输入功率的差异，经输入功率控制程序计算获得补偿功率的数值及功率补偿控制策略，使得无极变速器的输入功率恒定；
3)利用恒定功率输入的无级变速器将自然风输入的风速以任意变比变换转速，使得无级变速器的输出具有恒定转速以及恒定功率；
4)无级变速器输出的恒定转速以及恒定功率经机械传动装置连接常规发电机，作为发电机原动力恒速工作，将能量转化为电能传送到电网中，实现风力发电机的机械部分与发电部分的分离。
在步骤(2)中，所述输入功率控制程序是指经科学算法和程序语言编程的一种软件，能够根据实时自然风输入的功率和无级变速器所需输入功率的差值，计算获得补偿功率的数值并得到相应的功率补偿控制策略，保证动作准确实时、可靠性高、相应速度快，其中，补偿功率的数值由以下公式获得：
Ppatch＝Prated-Pin
式中包含变量：Ppatch为补偿功率，Pin为自然风输入的功率，Prated为无级变速器所需的输入功率；
所述功率补偿控制策略是指输入功率控制程序基于所获得的补偿功率的数值，对输入功率调节装置提出的行动命令，其具体过程为：①当Ppatch＜0时，输入功率调节装置经整流逆变过程变换电压，施加到异步电机，此时异步电机作为电动机，电网向无级变速器输入功率；②当Ppatch＞0时，异步电机产生的磁场产生的电磁力对于自然风是一种阻力，此时异步电机作为发电机，电网向无级变速器吸收功率。
输入功率调节装置对控制程序的指令进行响应，该过程的目的在于：维持无级变速器的恒定功率输入。无级变速器输出的恒功率、恒转速经过传动装置输入发电机，该过程取消了齿轮箱，实现机电分离，极大简化了风力发电机的复杂结构。
下面以一台大型带无级变速的风力发电机为例：如图1所示，功率检测装置对风机的实时输入的功率信息进行收集并发送至输入功率控制程序，输入功率控制程序计算自然风输入的功率和无级变速器所需输入功率的差异，做出判断、发出指令，若Ppatch＜0，输入功率控制程序发送发出功率的指令1，异步电机转变为发电机向无级变速器输入功率；若Ppatch＞0，输入功率控制程序发送吸收功率的指令2，异步电机转变为发电机从无级变速器输入处吸收功率，通过上述过程使得无级变速器具有恒定功率的输入。恒定功率输入的无级变速器将自然风输入的转速以任意变比变换转速，输出恒定转速和恒定功率。恒定转速以及恒定功率的输出经机械传动装置连接常规发电机，作为发电机原动力恒速工作，实现风力发电机的机械部分与发电部分分离，发电机与电网相连，恒定的输出功率保证了输入电网的电能质量。
以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于无级变速的风力发电机机电分离方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)确定自然风输入的功率和无级变速器所需输入功率，其中，所述自然风输入的功率是指由风速及功率检测装置收集到的自然风带动扇叶转动输入风机的功率，通过如下公式确定：
<mrow> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mi>k</mi> <mi>P</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>k</mi> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;rho;</mi> <mi>s</mi> <mi>v</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>3</mn> </msup> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> </mrow>
式中包含变量：由风机上测速器确定实时风速v，扇叶扫过的面积s，由当地的气象局提供年平均气体密度值ρ，校正系数k；
2)根据自然风输入的功率和无级变速器所需输入功率的差异，经输入功率控制程序计算获得补偿功率的数值及功率补偿控制策略，使得无极变速器的输入功率恒定；其中，所述输入功率控制程序是指经科学算法和程序语言编程的一种软件，能够根据实时自然风输入的功率和无级变速器所需输入功率的差值，计算获得补偿功率的数值及功率补偿控制策略，其中，补偿功率的数值由以下公式获得：
Ppatch＝Prated-Pin
式中包含变量：Ppatch为补偿功率，Pin为自然风输入的功率，Prated为无级变速器所需的输入功率；
所述功率补偿控制策略是指输入功率控制程序基于所获得的补偿功率的数值，对输入功率调节装置提出的行动命令，其具体过程为：①当Ppatch＜0时，输入功率调节装置经整流逆变过程变换电压，施加到异步电机，此时异步电机作为电动机，电网向无级变速器输入功率；②当Ppatch＞0时，异步电机产生的磁场产生的电磁力对于自然风是一种阻力，此时异步电机作为发电机，电网向无级变速器吸收功率；
3)利用恒定功率输入的无级变速器将自然风输入的风速以任意变比变换转速，使得无级变速器的输出具有恒定转速以及恒定功率；
4)无级变速器输出的恒定转速以及恒定功率经机械传动装置连接常规发电机，作为发电机原动力恒速工作，将能量转化为电能传送到电网中，实现风力发电机的机械部分与发电部分的分离。
CN201510256008.9A 2015-05-18 2015-05-18 一种基于无级变速的风力发电机机电分离方法 Active CN104912731B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510256008.9A CN104912731B (zh) 2015-05-18 2015-05-18 一种基于无级变速的风力发电机机电分离方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510256008.9A CN104912731B (zh) 2015-05-18 2015-05-18 一种基于无级变速的风力发电机机电分离方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104912731A CN104912731A (zh) 2015-09-16
CN104912731B true CN104912731B (zh) 2018-01-05

Family

ID=54082104

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510256008.9A Active CN104912731B (zh) 2015-05-18 2015-05-18 一种基于无级变速的风力发电机机电分离方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN104912731B (zh)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101016882A (zh) * 2007-01-05 2007-08-15 东南大学 电气无级变速双功率流风力发电机组
CN102628426A (zh) * 2012-04-18 2012-08-08 浙江大学 一种基于液压传动的风力机及其控制方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101379268B1 (ko) * 2013-01-11 2014-03-28 삼성중공업 주식회사 풍속 보상 운전이 가능한 풍력 발전 시스템

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101016882A (zh) * 2007-01-05 2007-08-15 东南大学 电气无级变速双功率流风力发电机组
CN102628426A (zh) * 2012-04-18 2012-08-08 浙江大学 一种基于液压传动的风力机及其控制方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
新型机电混合无级变速风力发电系统;孙西凯等;《中国电机工程学报》;20121231;第32卷(第3期);第50页第1.1部分至第53页第2.4部分、附图1-7 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN104912731A (zh) 2015-09-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Elbeji et al. PMSG wind energy conversion system: modeling and control
Ali et al. Modeling and simulation of a small wind turbine system based on PMSG generator
Hossain et al. Integration of wind into running vehicles to meet its total energy demand
CN103939290A (zh) 一种适用于虚拟惯量优化控制研究的模拟风电机组
Mansour et al. Comparative study of fixed speed and variable speed wind generator with pitch angle control
CN102156044B (zh) 适用于直驱型风电机组测试的风力机模拟器选型方法
CN103746628B (zh) 一种双馈感应风力发电机转子侧换流器的控制方法
Reddak et al. Integral backstepping control based maximum power point tracking strategy for wind turbine systems driven DFIG
CN104912731B (zh) 一种基于无级变速的风力发电机机电分离方法
Liu et al. Sliding mode control for DFIG-based wind energy conversion optimization with switching gain adjustment
Naba et al. Optimal control of variable-speed wind energy conversion system based on fuzzy model power curve
Boobalan et al. A fuzzy-PI based power control of wind energy conversion system using PMSG
El-Jalyly et al. Modeling and Control of a DFIG for wind Turbine Conversion System using Back-to-back PWM Converters
Ganthia et al. Mechanical Design and Power Analysis of Type-III Wind Turbine System using Computational Fluid Dynamics
Mohapatra et al. Fractional-order sliding mode control based MPPT of a DFIG connected to a Variable Speed Wind Turbine
Saci et al. Investigation of Modeling and Control of a Grid Side System based DFIG for a Wind Turbine Machine
CN204439382U (zh) 一种基于差动调速的变速恒频风电实验装置
Colak et al. Modeling a permanent magnet synchronous generator used in wind turbine and the realization of voltage control on the model with artificial neural networks
Hemeyine et al. Power Control for Wind Turbine Driving a Doubly Fed Induction Generator using Type-2 Fuzzy Logic Controller
Kumar et al. Pitch Control of DFIG Wind Turbine Based on Fuzzy Logic Controller
Pati Performance and Power Factor Improvement of Indirect Vector Controlled Cage Induction Generator in Wind Power Application
Kassem et al. Power generation with different types of the vertical wind turbine for domestic use in northern cyprus: a case study
Liu et al. Unified Control for Generator-Side Converter of Multibrid Wind Power Generation System
CN106640516A (zh) 中型变速风电机组及低风速叶片优化设计
CN104092354A (zh) 一种风电循环永动发电机组

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant