CN110513249B - 一种自适应变速的风力发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种自适应变速的风力发电系统，属于新能源发电技术领域，目的是解决现有技术中风力发电能源有效利用率低，风速过高时容易造成弃风的问题，技术方案包括桨叶、变速箱、发电机、变换器、电网、功率传感器、功率控制器、主控制器、变桨控制器、风速仪，还包括负载、变速控制器，桨叶直接与变速箱输入侧和变桨控制器连接，变速箱的输出侧连接负载和发电机，发电机通过变换器连接到电网，主控制器通过功率控制器控制变换器，还通过变速控制器来控制变速箱，通过变桨控制器来控制桨叶，风速仪将风速传递到主控制器，实现了能源有效利用率高，输出电压稳定的技术效果，解决了现有技术的不足，具有突出的实质性特点和显著的进步。

Description

一种自适应变速的风力发电系统
技术领域
本发明涉及新能源发电技术领域，具体涉及一种自适应变速的风力发电系统。
背景技术
风能是当前最有发展前景的一种新型能源，它是取之不尽用之不竭的能源，还是一种洁净、无污染、可再生的绿色能源。风力发电与火力发电和水力发电比较，具有单机容量小、可分散建设等优点。按照功率传递的机械连接方式的不同，可分为“有齿轮箱型风机”和无齿轮箱的“直驱型风机”。有齿轮箱型风机的桨叶通过齿轮箱及其高速轴及万能弹性联轴节将转矩传递到发电机的传动轴，联轴节具有很好的吸收阻尼和震动的特性，可吸收适量的径向、轴向和一定角度的偏移，并且联轴器可阻止机械装置的过载。
有报道指出，2010年以来，我国弃风率一路攀升，最高甚至达到17％以上，非常可惜，弃风率高的原因有多种，北方地区供暖期时风电消纳空间压缩是原因之一，风况的可变性(风速的大小、方向的随机性)以及风电场中风力发电机组布置的分散性，也是原因之一，其中，由于短时间内风速过大，超出发电机组的安全运行要求或波动太大影响电网稳定性而形成的弃风占据了较大比例。
现有技术的风力发电技术存在能源有效利用率低，风速过高时容易造成弃风的问题，有必要进行改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自适应变速的风力发电系统，以解决现有技术中风力发电能源有效利用率低，风速过高时容易造成弃风的问题。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：一种自适应变速的风力发电系统，包括桨叶、变速箱、发电机、变换器、电网、功率传感器、功率控制器、主控制器、变桨控制器、风速仪，还包括负载、变速控制器，桨叶直接与变速箱输入侧和变桨控制器连接，变速箱的输出侧连接负载和发电机，负载的输出侧与发电机相连，发电机通过变换器连接到电网，功率传感器连接到电网并将电网的实时功率传递给主控制器，主控制器通过功率控制器控制变换器进行相应操作，主控制器还通过变速控制器来控制变速箱的输出方式，通过变桨控制器来控制桨叶的角度，风速小时通过变桨控制器控制桨叶的角度，负载不工作，风速大时通过变桨控制器来控制桨叶的角度，并通过变速控制器控制变速箱输出侧切换至脱离直接连接发电机的状态，直接连接到负载上进行储能，风速仪将实时测得的风速传递到主控制器为其提供控制所需的参数。
当风速仪监测风速处于正常范围内时，主控制器接收风速仪传递来的数据并据此做出决策，然后分别通过变桨控制器来控制桨叶调整到理想的角度，通过变速控制器控制变速箱输出侧切换至直接连接发电机的状态，通过功率控制器来控制变换器将发电机发出的电能变换成电网需要的形式并输入电网，最后通过接收和分析功率传感器传递来的电网功率参数来判断执行的策略是否需要进行调整，此过程与正常的风力发电系统基本一致，当风速仪监测风速接近或高于正常范围内时，主控制器接收风速仪传递来的数据并据此做出决策，然后分别通过变桨控制器来控制桨叶调整到理想的角度，通过变速控制器控制变速箱输出侧切换至脱离直接连接发电机的状态，直接连接到负载上，负载的作用是将桨叶传递而来的巨大能量迅速转化并短时储存起来，待风速回落后，再将其中储存的能量释放出来提供给发电机用于发电。
作为优选方案，负载包括势能收集装置、空气压缩机、转换器、储气罐、汽轮机和放散装置，变速箱的输出侧连接空气压缩机和势能收集装置，势能收集装置通过转换器连接到发电机，空气压缩机输出侧连接到储气罐，储气罐的输出侧通过汽轮机连接到发电机，储气罐的输出侧还连接到放散装置，势能收集装置收集的能量在需要时可以通过转换器供给发电机进行发电，空气压缩机输出的压缩空气进入储气罐进行储存，需要时释放储气罐内的压缩空气驱动汽轮机带动发电机进行发现，空气压缩机输出的压缩空气超过储气罐的储存能力时，将多余的能量通过放散装置放散到空气中，防止损坏设备。当风速仪监测风速接近或高于正常范围内时，主控制器接收风速仪传递来的数据并据此做出决策，然后分别通过变桨控制器来控制桨叶调整到理想的角度，通过变速控制器控制变速箱输出侧切换至脱离直接连接发电机的状态，直接连接到负载上，也就是连接到势能收集装置和/或空气压缩机上，势能收集装置和/或空气压缩机迅速消耗桨叶传递来的大量能量，转化为重力势能或压缩空气并短时储存起来，待风速回落后，再将其中储存的能量释放出来提供给发电机用于发电，储气罐中的压缩空气通过汽轮机后用于驱动发电机进行发电，势能收集装置中收集的能量通过转换器后用于驱动发电机进行发电，主控制器通过功率控制器来控制变换器将发电机发出的电能变换成电网需要的形式并输入电网，最后通过接收和分析功率传感器传递来的电网功率参数来判断执行的策略是否需要进行调整。
作为优选，变速箱的输出轴为三根，分别通过离合器连接到发电机、空气压缩机和势能收集装置，不同的输出轴分别连接到不同的装置上有利于控制和能量分配。
作为进一步优化，离合器选用超越式离合器，选用超越式离合器的优点是其当主、从动部分的速度变化或旋转方向的变换具有自行离合功能，这种特点可以在异常情况时有效的保护设备不被破坏。
作为优选，势能收集装置选用弹性势能收集装置，其优点在于结构简单、储存能量大、运行可靠、储能时间短，比较适合应用于风力发电的场合。
采用上述技术方案，现有技术中不能利用的、瞬时或短时的强风，只要不会造成桨叶超负荷运转就能够得以利用，能源有效利用率显著提高，风速过高时容易造成弃风的现象得到大幅缓解，取得了提高能源有效利用率，降低弃风率的技术效果，解决了现有技术存在的问题。
本发明所取得的有益效果是：提高能源有效利用率，降低弃风率。
本次发明提供了完整的技术方案，解决了现有技术中风力发电能源有效利用率低，风速过高时容易造成弃风的问题，取得了明显的技术效果，与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步。
附图说明
图1是本发明第一具体实施例的结构关系示意图；
图2是本发明第一具体实施例中做功负载的结构关系示意图；
附图标记：桨叶1、负载2、变速箱3、发电机4、变换器5、电网6、功率传感器7、功率控制器8、主控制器9、变速控制器10、变桨控制器11、风速仪12、势能收集装置21、空气压缩机22、转换器211、储气罐221、汽轮机222、放散装置223。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型，本领域技术人员应在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，是本发明的其中一种具体实施例，一种自适应变速的风力发电系统，包括桨叶1、负载2、变速箱3、发电机4、变换器5、电网6、功率传感器7、功率控制器8、主控制器9、变速控制器10、变桨控制器11、风速仪12，桨叶1直接与变速箱3输入侧和变桨控制器11连接，变速箱3的输出侧连接负载2和发电机4，负载2的输出侧与发电机4相连，发电机4通过变换器5连接到电网6，功率传感器7连接到电网6并将电网6的实时功率传递给主控制器9，主控制器9通过功率控制器8控制变换器5进行相应操作，主控制器9还通过变速控制器10来控制变速箱3的输出方式，风速小时通过变桨控制器11控制桨叶1的角度，负载不工作，风速大时通过变桨控制器11来控制桨叶1的角度，并通过变速控制器10控制变速箱3输出侧切换至脱离直接连接发电机4的状态，直接连接到负载2上进行储能，风速仪12将实时测得的风速传递到主控制器9为其提供控制所需的参数，如图2所示，本具体实施例中，负载2包括势能收集装置21、空气压缩机22、转换器211、储气罐221、汽轮机222和放散装置223，变速箱3的输出侧连接空气压缩机22和势能收集装置21，本具体实施例中的变速箱3的输出轴为三根，分别通过离合器30(图中未示出)连接到发电机4、空气压缩机22和势能收集装置21，本具体实施例中的离合器30为超越式离合器，势能收集装置21通过转换器211连接到发电机4，空气压缩机22输出侧连接到储气罐221，储气罐221的输出侧通过汽轮机222连接到发电机4，储气罐221的输出侧还连接到放散装置223，势能收集装置21收集的能量在需要时可以通过转换器211供给发电机4进行发电，空气压缩机22输出的压缩空气进入储气罐221进行储存，需要时释放储气罐221内的压缩空气驱动汽轮机222带动发电机4进行发现，空气压缩机22输出的压缩空气超过储气罐221的储存能力时，将多余的能量通过放散装置223放散到空气中，防止损坏设备。
本具体实施例在使用时，当风速仪12监测风速处于正常范围内时，主控制器9接收风速仪12传递来的数据并据此做出决策，然后分别通过变桨控制器11来控制桨叶1调整到理想的角度，通过变速控制器10控制变速箱3输出侧切换至直接连接发电机4的状态，通过功率控制器8来控制变换器5将发电机4发出的电能变换成电网6需要的形式并输入电网6，最后通过接收和分析功率传感器7传递来的电网6功率参数来判断执行的策略是否需要进行调整，当风速仪12监测风速接近或高于正常范围内时，主控制器9接收风速仪12传递来的数据并据此做出决策，然后分别通过变桨控制器11来控制桨叶1调整到理想的角度，通过变速控制器10控制变速箱3输出侧切换至脱离直接连接发电机4的状态，直接连接到负载2上，具体到本具体实施例中，就是连接到势能收集装置21和/或空气压缩机22上，势能收集装置21和/或空气压缩机22迅速消耗桨叶1传递来的大量能量，转化为重力势能或压缩空气并短时储存起来，待风速回落后，再将其中储存的能量释放出来提供给发电机4用于发电，储气罐221中的压缩空气通过汽轮机222后用于驱动发电机4进行发电，势能收集装置21中收集的能量通过转换器211后用于驱动发电机4进行发电，主控制器9通过功率控制器8来控制变换器5将发电机4发出的电能变换成电网6需要的形式并输入电网6，最后通过接收和分析功率传感器7传递来的电网6功率参数来判断执行的策略是否需要进行调整，本具体实施例中的势能收集装置21为弹性势能收集装置。
需要说明的是，本具体实施例中负载2包括势能收集装置21、空气压缩机22、转换器211、储气罐221、汽轮机222和放散装置223，但这并不是唯一的技术方案，负载2也可以是大功率的发电装置和蓄电池，还可以是热能转换、储存装置，甚至可以是新能源汽车，本具体实施例中的变速箱3的输出轴为三根，但也可以是一根或者两根，只是采用不同数量的输出轴时需要相应调整变速箱3与发电机4、空气压缩机22和势能收集装置21之间的连接方式和控制方法，无论采取哪种方案，只要能通过变速控制器来实现切换功能即可，本具体实施例中的离合器30为超越式离合器，但也可以是齿式离合器、摩擦式离合器等其他类型的离合器，本具体实施例中的势能收集装置21为弹性势能收集装置，但也可以是重物提升式势能收集装置、水势能收集装置等，不应因上述具体实施例中采用的具体方案而限制本发明的保护范围。
本具体实施例形成了一套完整的方案，现有技术中不能利用的、瞬时或短时的强风，只要不会造成桨叶1超负荷运转就能够得以利用，能源有效利用率显著提高，风速过高时容易造成弃风的现象得到大幅缓解，取得了提高能源有效利用率，降低弃风率的技术效果，解决了现有技术存在的问题。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (1)

1.一种自适应变速的风力发电系统，包括桨叶(1)、变速箱(3)、发电机(4)、变换器(5)、电网(6)、功率传感器(7)、功率控制器(8)、主控制器(9)、变桨控制器(11)、风速仪(12)，其特征在于：还包括负载(2)、变速控制器(10)，桨叶(1)直接与变速箱(3)输入侧和变桨控制器(11)连接，变速箱(3)的输出侧连接负载(2)和发电机(4)，负载(2)的输出侧与发电机(4)相连，发电机(4)通过变换器(5)连接到电网(6)，功率传感器(7)连接到电网(6)并将电网(6)的实时功率传递给主控制器(9)，主控制器(9)通过功率控制器(8)控制变换器(5)进行相应操作，主控制器(9)还通过变速控制器(10)来控制变速箱(3)的输出方式，通过变桨控制器(11)来控制桨叶(1)的角度，风速小时通过变桨控制器(11)控制桨叶(1)的角度，负载不工作，风速大时通过变桨控制器来控制桨叶(1)的角度，并通过变速控制器控制变速箱输出侧切换至脱离直接连接发电机的状态，直接连接到负载上进行储能，风速仪(12)将实时测得的风速传递到主控制器(9)为其提供控制所需的参数；所述负载(2)包括势能收集装置(21)、空气压缩机(22)、转换器(211)、储气罐(221)、汽轮机(222)和放散装置(223)，变速箱(3)的输出侧连接空气压缩机(22)和势能收集装置(21)，势能收集装置(21)通过转换器(211)连接到发电机(4)，空气压缩机(22)输出侧连接到储气罐(221)，储气罐(221)的输出侧通过汽轮机(222)连接到发电机(4)，储气罐(221)的输出侧还连接到放散装置(223)；所述变速箱(3)的输出轴为三根，分别通过离合器(30)连接到发电机(4)、空气压缩机(22)和势能收集装置(21)；所述离合器(30)为超越式离合器；所述势能收集装置(21)为弹性势能收集装置。
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