CN107687399B - 风力发电机的塔筒及其温控调频系统 - Google Patents

风力发电机的塔筒及其温控调频系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风力发电机的塔筒及其温控调频系统，本发明中风力发电机的塔筒，其塔筒本体上绕制有导体线圈，而且导体线圈与塔筒本体绝缘，当导体线圈接入风力发电机产生的电能，导体线圈产生高频磁场，而塔筒本体通过电磁感应导体线圈产生的高频磁场而产生热量。因此，由于本发明风力发电机的塔筒能够产生热量，那么应用在低温环境时，可减少风机叶片覆冰运行的情况发生几率，提高风机叶片的使用寿命，同时由于塔筒能够通过产生热量消耗风力发电机的输出功率，因而可将风力发电机输出电能用于电网调频工作。

Description

风力发电机的塔筒及其温控调频系统
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，特别涉及一种风力发电机的塔筒及其温控调频系统。
背景技术
随着我国清洁能源规模不断扩大，未来风力发电将很可能作为一种常见发电方式接入电力系统，但与火电、水电、光伏发电等其它发电方式相比，风力发电现阶段仍存在一些技术弱点。其中一个关键的技术弱点在于：每个发电厂除供应电力电量外，还应承担所属电网的安全运行责任，即应该参与电网的调频工作，当电网频率偏离额定值时，发电机控制系统控制有功功率的增加(频率下降时)或减少(频率升高时)，限制电网频率变化的特征，从而维持电网的运行频率在合理可控的范围，而通常风力发电机的叶片不能做调频使用，频繁使用叶片将导致传动轴载荷强度和疲劳强度增加，减少其使用寿命。若不克服这个关键的技术弱点，风力发电很难与火电、水电、光伏发电等其它发电方式进行电力市场的竞争。
发明内容
本发明的目的在于：解决目前风力发电方式无法参与电网的调频工作的技术问题。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种风力发电机的塔筒，其包括塔筒本体以及绕制在所述塔筒本体上的导体线圈，所述导体线圈与所述塔筒本体绝缘，并且，当所述导体线圈接入风力发电机产生的电能，所述导体线圈产生高频磁场，所述塔筒本体由于电磁感应而产生热量。
根据一种具体的实施方式，本发明的风力发电机的塔筒中，所述塔筒本体的内表面上设置有电磁屏蔽层。
进一步地，所述塔筒本体的内外表面分别设置有若干支撑部件，并通过所述支撑部件支撑所述导体线圈和所述电磁屏蔽层。
再进一步地，所述支撑部件采用绝缘耐热材料制成。
本发明还提供一种风力发电机的温控调频系统，其包括控制器、固态调频开关以及上述风力发电机的塔筒；其中，所述控制器通过所述固态调频开关，控制风力发电机接入所述导体线圈的电能，使所述导体线圈产生相应的高频磁场，所述塔筒本体由于电磁感应而产生热量。
根据一种具体的实施方式，本发明风力发电机的温控调频系统中，所述控制器根据并网时电网运行频率，调节所述固态调频开关，进而控制风力发电机接入所述导体线圈的电能，使所述导体线圈产生相应的高频磁场，所述塔筒本体由于电磁感应而产生热量，从而控制风力发电机的输出功率，完成电网调频工作。
基于同一发明构思，本发明还提供另一种风力发电机的塔筒，其包括塔筒本体、电磁加热筒体和导体线圈；其中，所述电磁加热筒体套接在所述塔筒本体外侧，且所述电磁加热筒体与所述塔筒本体之间电磁屏蔽，所述导体线圈绕制在所述电磁加热筒体上，且所述导体线圈与所述电磁加热筒体绝缘；当所述导体线圈接入风力发电机产生的电能，所述导体线圈产生高频磁场，所述电磁加热筒体由于电磁感应而产生热量。
根据一种具体的实施方式，本发明的风力发电机的塔筒中，所述电磁加热筒体与所述塔筒本体之间设置有电磁屏蔽层。
进一步地，所述塔筒本体和所述电磁加热筒体的外表面分别设置有若干支撑部件，其中，所述塔筒本体通过其支撑部件支撑所述电磁加热筒体，所述电磁加热筒体通过其支撑部件支撑所述导体线圈。
再进一步地，所述支撑部件采用绝缘耐热材料制成。
本发明还提供一种风力发电机的温控调频系统，其包括控制器、固态调频开关以及上述风力发电机的塔筒；其中，所述控制器通过所述固态调频开关，控制风力发电机接入所述导体线圈的电能，使所述导体线圈产生相应的高频磁场，所述电磁加热筒体由于电磁感应而产生热量。
根据一种具体的实施方式，本发明风力发电机的温控调频系统中，所述控制器根据并网时电网运行频率，调节所述固态调频开关，进而控制风力发电机接入所述导体线圈的电能，使所述导体线圈产生相应的高频磁场，所述电磁加热筒体由于电磁感应而产生热量，从而控制风力发电机的输出功率，完成电网调频工作。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明风力发电机的塔筒，其塔筒本体上绕制有导体线圈，而且导体线圈与塔筒本体绝缘，当导体线圈接入风力发电机产生的电能，导体线圈产生高频磁场，而塔筒本体通过电磁感应导体线圈产生的高频磁场而产生热量。因此，由于本发明风力发电机的塔筒能够产生热量，那么应用在低温环境时，可减少风机叶片覆冰运行的情况发生几率，提高风机叶片的使用寿命，同时由于塔筒能够通过产生热量消耗风力发电机的输出功率，因而可将风力发电机输出电能用于电网调频工作。
2、本发明风力发电机的温控调频系统，其包括控制器、固态调频开关以及本发明风力发电机的塔筒，其中，控制器通过固态调频开关，控制风力发电机接入导体线圈的电能，使导体线圈产生相应的高频磁场，而且塔筒本体通过电磁感应导体线圈产生的高频磁场而产生热量，因此，本发明能够通过控制风力发电机接入导体线圈的电能，实现对塔筒本体产生热量的控制，进而通过塔筒本体产生的热量消耗风力发电机的输出功率，完成电网调频工作。
3、本发明风力发电机的塔筒，其包括塔筒本体、电磁加热筒体和导体线圈；其中，电磁加热筒体套接在所述塔筒本体外侧，且电磁加热筒体与塔筒本体之间电磁屏蔽，导体线圈绕制在电磁加热筒体上，且导体线圈与电磁加热筒体绝缘；当导体线圈接入风力发电机产生的电能述导体线圈产生高频磁场，电磁加热筒体通过电磁感应导体线圈产生的高频磁场而产生热量。因此，由于本发明风力发电机的塔筒能够产生热量，那么应用在低温环境时，可减少风机叶片覆冰运行的情况发生几率，提高风机叶片的使用寿命，同时由于电磁加热筒体能够通过电磁感应产生热量消耗风力发电机的输出功率，因而可将风力发电机输出电能用于电网调频工作。
4、本发明风力发电机的温控调频系统，其包括控制器、固态调频开关以及本发明风力发电机的塔筒，其中，控制器通过固态调频开关，控制风力发电机接入导体线圈的电能，使导体线圈产生相应的高频磁场，而且电磁加热筒体通过电磁感应导体线圈产生的高频磁场而产生热量，因此，本发明能够通过控制风力发电机接入导体线圈的电能，实现对电磁加热筒体产生热量的控制，进而通过电磁加热筒体产生的热量消耗风力发电机的输出功率，完成电网调频工作。
附图说明：
图1为风力发电机的结构示意图。
图2为本发明的第一种风力发电机的塔筒结构示意图；
图3为本发明的第二种风力发电机的塔筒结构示意图；
图4为本发明温控调频系统的结构示意图；
图5为本发明并网时电力系统等效模型示意图；
图6为本发明功率/频率调节下垂曲线示意图；
图7为本发明功率/频率控制示意图。
图中标记：100-风力发电机，200-塔筒，201-塔筒本体，202-导体线圈，203-电磁屏蔽层，204a、204b-支撑部件，205-电磁加热筒体，206a、206b-支撑部件。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
如图1所示的风力发电机的结构示意图；其中，风力发电机100安装在支撑塔上，而支撑塔由若干个塔筒200拼接而成。
实施例1
结合图2所示的本发明的第一种风力发电机的塔筒结构示意图；其中，塔筒200包括塔筒本体201以及绕制在塔筒本体201上的导体线圈202，而且导体线圈202与塔筒本体201绝缘，当导体线圈202接入风力发电机产生的电能，导体线圈202会产生高频磁场，而塔筒本体201由于电磁感应而产生热量。而且，塔筒本体201的内表面上设置有电磁屏蔽层203。
具体的，塔筒本体201的内外表面分别设置有若干支撑部件，其中，在塔筒本体201的内表面设置有支撑部件204b，用于支撑电磁屏蔽层203；在塔筒本体201的外表面设置有支撑部件204a，用于支撑导体线圈202。而且，支撑部件204a和204b均是采用绝缘耐热材料制成。在实施时，选用居里点300-1000℃的钢铁制成塔筒，导体线圈可选常用铜、铝、钢、铁等导体制成，塔筒的内外表面涂漆选用耐受温度250-500℃的漆。
实施例2
结合图3所示的第二种风力发电机的塔筒结构示意图；其中，塔筒200包括塔筒本体201、电磁加热筒体205和导体线圈202。电磁加热筒体205套接在塔筒本体201外侧，且电磁加热筒体205与塔筒本体201之间电磁屏蔽；导体线圈202绕制在电磁加热筒体205上，且所述导体线圈202与所述电磁加热筒体205绝缘；当所述导体线圈202接入风力发电机产生的电能，所述导体线圈202会产生高频磁场，而所述电磁加热筒体201由于电磁感应而产生热量。而且，为了实现电磁加热筒体205与塔筒本体201之间的电磁屏蔽，在电磁加热筒体205与所述塔筒本体201之间设置有电磁屏蔽层203。
具体的，所述塔筒本体201和所述电磁加热筒体205的外表面分别设置有若干支撑部件，其中，所述塔筒本体201通过其外表面设置的支撑部件206a支撑所述电磁加热筒体205，所述电磁加热筒体205通过其外表面设置的支撑部件206b支撑所述导体线圈202。而且，支撑部件206a和206b均是采用绝缘耐热材料制成。
本发明中，根据电磁感应原理，在高频电流的作用下导体线圈的周围产生高频磁场，当高频变化的磁力线通过实施例1中的塔筒本体201或者实施例2中的电磁加热筒体205时，会在塔筒本体201或者电磁加热筒体205的内部产生大量的感应涡电流，进而产生大量的热能。
结合图4所示的本发明温控调频系统的结构示意图；其中，本发明的温控调频系统包括控制器、固态调频开关以及实施例1或实施例2中的塔筒。而且，在上电网点接入风力发电机和温控调频系统，而且控制器通过所述固态调频开关，控制风力发电机接入所述导体线圈的电能，使所述导体线圈产生相应的高频磁场，实施例1中的塔筒本体201或者实施例2中的电磁加热筒体205由于电磁感应而产生热量。所以，本发明温控调频系统能够通过控制风力发电机接入导体线圈的电能，实现对电磁加热筒体产生热量的控制，进而通过电磁加热筒体产生的热量消耗风力发电机的输出功率，完成电网调频工作。
此外，在严酷环境低温度运行下的风力发电机组，利用本发明实施例1中的塔筒本体201或者实施例2中的电磁加热筒体205所产生的的热量为运行下的风力发电机组伴热。由于风力发电机轮毂与机舱之间、机舱与塔筒顶部之间相对密封，利用风力发电机机舱内部正压大阻力向外微量排风，以及塔筒内部上下温度差形成的烟囱效应，或者通过专门管道形成相对封闭热循环，保证风机塔筒内部和机舱、轮毂温度大于-30℃，从而减少风机叶片覆冰运行的情况发生几率，提高风机叶片的使用寿命。
结合图5所示的本发明并网时电力系统等效模型示意图；其中，将实施例1中的塔筒本体201或者实施例2中的电磁加热筒体205的瞬时有功功率等效为调频电阻。因此，在并网运行时，根据所测的动态电网运行频率，按电网规则对风力发电机接入的频率调节要求，控制器通过固态调频开关以△f/△R方式调节调频电阻，来完成电网调频工作。
大型风电机组并网后，由于风况、风电机组类型、电网状况等因素引起的电压闪变，严重影响了电网的电能质量。电能质量主要指标包括电压波动与闪变、暂时过电压和瞬态过电压、电压偏差、频率偏差、公用电网谐波和三相电压不平衡度。电压闪变是由电压波动引起的，而电网电压的波动主要是无功功率的波动。而消除闪变影响的措施包括采用分频(频带)调节，在20Hz～30Hz内对脉动峰值加权控制调节固态调频开关，控制实施例1中的塔筒本体201或者实施例2中的电磁加热筒体205所产生的热量，达到增加或减少调频电阻的目的，从而消除部分或全部风力发电机的闪变影响。
结合图6和图7分别所示的本发明功率/频率调节下垂曲线示意图和功率/频率控制示意图。其中，系统正常运行时，电网频率为50Hz。此时，电力系统等效发电机和风力发电机的原动机械功率Pm＝PF+PG等于发出的有功功率Pxd＝PG+PDF(两个电源内部损耗和机侧网侧变频器的内部损耗忽约不计)，电力系统等效发电机和风力发电机转速稳定在同步转速，同时，发出的有功功率Pxd＝PG+PDF也时时刻刻等于等效电阻负载功率PxR＝PR+PDR，等效电阻为风力发电机的调频电阻与电力系统等效电阻之和。
电网运行频率为47.5Hz时，电力系统等效发电机和风力发电机的原动机械功率Pm＝PF+PG(两个电源内部损耗忽约不计)，小于发出的有功功率Pxd＝PG+PDF，电力系统等效发电机和风力发电机的转速小于同步转速5％，发出的有功功率Pxd＝PG+PDF时时刻刻等于等效电阻负载功率PxR＝PR+PDR。
电网运行频率为49.5Hz时，电力系统等效发电机和风力发电机的原动机械功率Pm＝PF+PG(两个电源内部损耗忽约不计)，小于发出的有功功率Pxd＝PG+PDF，电力系统等效发电机和风力发电机的转速小于同步转速1％，发出的有功功率Pxd＝PG+PDF时时刻刻等于等效电阻负载功率PxR＝PR+PDR。
电网运行频率为50.5Hz时，电力系统等效发电机和风力发电机的原动机械功率Pm＝PF+PG(两个电源内部损耗忽约不计)，大于发出的有功功率Pxd＝PG+PDF，电力系统等效发电机和风力发电机的转速大于同步转速1％，发出的有功功率Pxd＝PG+PDF时时刻刻等于等效电阻负载功率PxR＝PR+PDR。
电网运行频率为52.5Hz时，电力系统等效发电机和风力发电机的原动机械功率Pm＝PF+PG(两个电源内部损耗忽约不计)，大于发出的有功功率Pxd＝PG+PDF，电力系统等效发电机和风力发电机的转速大于同步转速5％，发出的有功功率Pxd＝PG+PDF时时刻刻等于等效电阻负载功率PxR＝PR+PDR。
此外，本发明温控调频系统还用于孤网调频，在孤岛运行时，根据风力发电机的运行可信实际曲线，通过控制器和固态调频开关，动态保持风力发电机发出的瞬时有功功率等于实施例1中的塔筒本体201或者实施例2中的电磁加热筒体205的瞬时有功功率，控制器以△f/△R方式，调节固态调频开关，保证孤网的频率稳定。

Claims (8)

1.一种风力发电机的温控调频系统，其特征在于，包括控制器、固态调频开关以及风力发电机的塔筒；其中，所述风力发电机的塔筒包括塔筒本体以及绕制在所述塔筒本体上的导体线圈，所述导体线圈与所述塔筒本体绝缘；而且，所述控制器根据并网时电网运行频率，调节所述固态调频开关，进而控制风力发电机接入所述导体线圈的电能，使所述导体线圈产生相应的高频磁场，所述塔筒本体由于电磁感应而产生热量，从而控制风力发电机的输出功率，完成电网调频工作。
2.如权利要求1所述的风力发电机的温控调频系统，其特征在于，所述塔筒本体的内表面上设置有电磁屏蔽层。
3.如权利要求2所述的风力发电机的温控调频系统，其特征在于，所述塔筒本体的内外表面分别设置有若干支撑部件，并通过所述支撑部件支撑所述导体线圈和所述电磁屏蔽层。
4.如权利要求3所述的风力发电机的温控调频系统，其特征在于，所述支撑部件采用绝缘耐热材料制成。
5.一种风力发电机的温控调频系统，其特征在于，包括控制器、固态调频开关以及风力发电机的塔筒；其中，所述风力发电机的塔筒包括塔筒本体、电磁加热筒体和导体线圈；其中，所述电磁加热筒体套接在所述塔筒本体外侧，且所述电磁加热筒体与所述塔筒本体之间电磁屏蔽，所述导体线圈绕制在所述电磁加热筒体上，且所述导体线圈与所述电磁加热筒体绝缘；而且，所述控制器根据并网时电网运行频率，调节所述固态调频开关，进而控制风力发电机接入所述导体线圈的电能，使所述导体线圈产生相应的高频磁场，所述电磁加热筒体由于电磁感应而产生热量，从而控制风力发电机的输出功率，完成电网调频工作。
6.如权利要求5所述的风力发电机的温控调频系统，其特征在于，所述电磁加热筒体与所述塔筒本体之间设置有电磁屏蔽层。
7.如权利要求6所述的风力发电机的温控调频系统，其特征在于，所述塔筒本体和所述电磁加热筒体的外表面分别设置有若干支撑部件，其中，所述塔筒本体通过其支撑部件支撑所述电磁加热筒体，所述电磁加热筒体通过其支撑部件支撑所述导体线圈。
8.如权利要求7所述的风力发电机的温控调频系统，其特征在于，所述支撑部件采用绝缘耐热材料制成。
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