CN111878300A - 基于压缩气体传输的双风轮风力发电机组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及基于压缩气体传输的双风轮风力发电机组。包括双风轮驱动机构、气体压缩传输与膨胀做功系统、风电机组运行与并网控制系统，本发明提供了一种双风轮压缩气体传输的风力发电机组，可以有效的提升风能转换电能的效率，从而有效抑制了风力带来的波动，在风轮气动增效和气动力驱动传输环节具有创新发明，未来适用场景广泛，尤其未来海上漂浮式风电机组。

Description

基于压缩气体传输的双风轮风力发电机组

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及基于压缩气体传输的双风轮风力发电机组。

背景技术

风力发电机是将风能转换为机械功，机械功带动转子旋转，最终输出交流电的电力设备。风力发电机一般有风轮、发电机(包括装置)、调向器(尾翼)、塔架、限速安全机构等构件组成。常规的传动部分分为风力驱动、机械传输和电力传输三部分，一般在塔顶部分实现电能输出，输送塔底实现并网，整套机械驱动链和发电设备都放置于塔顶，造成塔顶具有机组的大部分重量，随着单机容量的增大，给吊装带来很大困难。

同时由于风力带来的波动性，引起传动链的疲劳和发电机转矩脉动效应，给发电电能质量带来很大问题，且输出功率不平衡，并入电网谐波大，电能质量差，不被电网所欢迎，一帮都希望配置储能系统以平抑风力波动带来的电能质量影响。

发明内容

发明目的：

针对上述目前水平轴风力发电机的转换效率不高和电能质量问题，本发明提供了一种双风轮压缩气体传输的风力发电机组，可以有效的提升风能转换电能的效率，从而有效抑制了风力带来的波动，在风轮气动增效和气动力驱动传输环节具有创新发明，未来适用场景广泛，尤其未来海上漂浮式风电机组。

技术方案：

基于压缩气体传输的双风轮风力发电机组，包括双风轮驱动机构、气体压缩传输与膨胀做功系统、风电机组运行与并网控制系统，双风轮驱动机构包括上风向顺时针旋转的小风轮和下风向逆时针交错旋转的大风轮，小风轮、大风轮分别单独驱动两个齿轮箱进行传动；齿轮箱输出给气体压缩机；气体压缩传输与膨胀做功系统，分为塔顶和塔底两部分，塔顶上的气体压缩机通过支撑机构与齿轮箱传动，形成高压气体，再经过塔筒内壁将气体输送至塔底的膨胀机组，膨胀做功驱动永磁发电机，膨胀机组做功后将气体输送回低压气体回路，返回塔顶气体压缩机系统，进行气体循环回收并再次压缩；风电机组运行与并网控制系统，分为轮毂变距系统、塔顶运行控制系统和塔底并网逆变系统，在双风轮驱动机构的小风轮和大风轮上分别设有一套轮毂变距系统，通过通讯链接塔顶运行控制系统，永磁发电机根据频率电压变化，连接塔底并网逆变系统，塔底并网逆变系统根据电网条件调节发电机输出功率。

进一步的，双风轮驱动机构采用水平轴变桨距功率调节方式，上风向风轮转速高于下风向风轮，齿轮箱采用多端输出方式，风轮转速增速后，输出给多个气体压缩机，把低压气体压缩做功制成高压气体，并汇流于高压气体传输管路内。

进一步的，大风轮和小风轮齿轮传输功率不同，且不同轴，大风轮和小风轮中间通过轴承进行两个单独传输系统的连接，大风轮和小风轮齿轮传输功率为6∶4或7∶3。

进一步的，大风轮和小风轮都各自安装有独立的变桨距系统，根据上风向叶素气动理论和Betz极限，调节桨距角度和转速变化，依据叶素理论和双旋翼滑流理论结合的动量理论，调整下风向风轮桨距角度，根据风速大小和运行工况要求，调节下风向风轮转速和气动捕获效率。

进一步的，气体压缩传输与膨胀做功系统中，塔顶上的气体压缩机，基于回收的低压气体，采用往复活塞式气体压缩机装置，制备高压气体，多个气体压缩机分别与齿轮箱高速轴输出进行啮合链接或气量控制；高压气体汇流于气体旋转连接器上，铺设于塔筒内壁，把气体输送到塔底，并膨胀做功后，输送回低压气体回路，返回塔顶气体压缩机组中，进行气体循环回收并再次压缩；输气管路中气体限定范围为低压气体2MPa，高压气体6-8MPa，压力超出范围时，通过旁路的储气装置进行压力调整，保持膨胀做功机输出转速的持续稳定性。

进一步的，发电机组的功率调节通过不同数量的气体压缩机根据风速大小逐渐啮合进行一次有级转速调节，和变桨距风能捕获转速二次调节，转速控制不要求精确，以不影响高压气体制备的气量和压力限制为准；采取主动有阻尼偏航方式，根据机舱上部安装的风向仪进行偏航对风动作；两套轮毂系统的变桨距调节，分别独立动作，根据整体风轮的气动效率控制目标进行协调运行，直接通讯链接，并与主控逻辑安全运行保持一致，跟踪主控发出的功率和转速调节目标，进行协调独立变桨距控制；塔底并网逆变系统根据电网条件，调节发电机输出功率，保持与电网的良好适应性。

优点及效果：

本发明具有以下优点和有益效果：

(1)压缩气体传输的双风轮风力发电机组整机设计结构，上风向和下风向结构的非共轴双风轮系统，有效提高了风能气动捕获效率，下风向吸收了上风向尾流和自由流的部分风能，把气动综合效率提高了50％以上。高压气体传输取代了传统的机械传输形式，实现了发电机落地，有效减轻了机舱上部重量，实现了整机轻量化，且解耦了风波动与发电机功率输出的强耦合关系，提高了发电机组的并网电能质量。

(2)基于热力学和理论力学原理，通过压缩机将有背压空气压缩至高温高压状态后，通过隔热管道将高压空气直接传输到膨胀机，由高温高压空气推动膨胀机做功发电。高压气体膨胀做功后，气压降到背压值，形成气动回路。针对高压气体在腔室内容积减压膨胀做功、背压气体压缩和高低压管路中气体的状态参数，对回路中的状态进行控制。

附图说明

图1压缩气体传输的双风轮风力发电机组整体结构示意图。

图2压缩气体传输的双风轮驱动机构布局图。

图3压缩气体与膨胀做功系统组成框图。

附图标记说明：

1.活塞，2.气缸，3.进气管，4.排气管，5.排气门，6.气门执行器，7.排气管，8A.齿轮箱输入斜盘，8B.发电机输出斜盘，9.排气管道，10.进气管道。

具体实施方式

以下将参照附图，通过实施例方式详细地描述本发明提供的风力压缩驱动的储能型风电机组。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。

本发明涉及一种基于压缩气体传输的双风轮储能型创新型风力发电机组，具有高效率、轻量化、灵活柔性并网等技术特征，可广泛适用于中小型、大型和超大型风力发电装置设计，可安装于陆上和海上漂浮式基础，并适合于并网、离网、微网、分布式能源等运行各种电网接入场景和条件，具有良好的电能质量和抗干扰性。

如图1所示，基于压缩气体传输的双风轮风力发电机组，包括双风轮驱动机构、气体压缩传输与膨胀做功系统、风电机组运行与并网控制系统，双风轮驱动机构包括上风向顺时针旋转的小风轮和下风向逆时针交错旋转的大风轮，小风轮、大风轮分别单独驱动两个齿轮箱进行传动；齿轮箱输出给气体压缩机；

气体压缩传输与膨胀做功系统，分为塔顶和塔底两部分，塔顶上的气体压缩机通过支撑机构与齿轮箱传动，形成高压气体，再经过塔筒内壁将气体输送至塔底的膨胀机组，膨胀做功驱动永磁发电机，膨胀机组做功后将气体输送回低压气体回路，返回塔顶气体压缩机系统，进行气体循环回收并再次压缩。

气体压缩传输与膨胀做功系统是在双风轮驱动机构上加入空气绝热压缩-绝热膨胀循环，减少风能波动性，使风力发电能适应并网、微网和离网运行条件。

风电机组运行与并网控制系统，分为轮毂变距系统、塔顶运行控制系统和塔底并网逆变系统，

该风电机组运行与并网控制系统，通过安装在风电机组上的多种传感器，测量出风速、风向、桨距角、扭揽角度、偏航角度、偏航速率、温度、压力、发电机转速、有功功率、无功功率等信号，并将这些信号传送至控制系统。

轮毂变距系统隶属于塔顶运行控制系统，包含风速、风向测量、齿轮箱转速测量等传感器，将这些信号传输至主控系统，进而得到变桨距指令，并传输给变桨驱动器来实现双风轮变桨距控制。

塔顶运行控制系统根据风速、方向，来调整风电机组的双风轮桨距角，以实现低于额定风速时的风能的最大捕获和高于额定风速时保持风轮额定转速。并根据风轮转速和压缩机组温度和压力信号，对压缩机组中的压缩机投切数量进行控制，以保证投入运行的空气压缩机运行于额定功率附近，从而保证膨胀做功机的压力稳定和永磁发电机的输出稳定，减小对电网造成的波动。

在风轮驱动机构的变桨距控制的基础上，加入两个空气压缩机组的功率偏差反馈闭环控制，使得双风轮叶片的变桨角和这两个空气压缩机输出的功率控制在期望值附近，并保证风力机组安全、可靠、高效的运行。

双风轮驱动机构中是基于叶素理论与双旋翼滑流理论融合的动量理论实现的双风轮非共轴反向旋转气动系统，首先利用涡流理论得到滑流边界，利用毕奥-萨瓦尔定律得到诱导速度分布及后风轮来流速度分布，利用动量定理确定前后风轮气动干扰修正系数，利用叶素理论或滑流理论结合动量理论得到前后风轮气动特性，对前后风轮进行最终气动干扰修正。

在双风轮驱动机构的小风轮和大风轮上分别设有一套轮毂变距系统，通过通讯链接塔顶运行控制系统，永磁发电机根据频率电压变化，连接塔底并网逆变系统，塔底并网逆变系统根据电网条件调节发电机输出功率。

如图3所示，双风轮驱动机构采用水平轴变桨距功率调节方式，上风向风轮转速高于下风向风轮，齿轮箱采用多端输出方式，风轮转速增速后，输出给多个气体压缩机，把低压气体压缩做功制成高压气体，并汇流于高压气体传输管路内。

双风轮驱动机构的动力通过齿轮箱分解成多个传动动力轴，每个动力轴通过一个离合器带动一个空气压缩机。将两个空气压缩机组的功率偏差输入控制系统中，通过控制系统输出控制离合器可以加载或卸载不同的空气压缩机负载，调整风机负载。在双风轮风电机组的变桨距控制的基础上，加入两个空气压缩机组的功率偏差反馈闭环控制，使得双风轮叶片的变桨角和这两个空气压缩机输出的功率控制在期望值附近，并保证风力机组安全、可靠、高效的运行。

大风轮和小风轮齿轮传输功率不同，且不同轴，大风轮和小风轮中间通过轴承进行两个单独传输系统的连接，保证两个传输系统互不于涉，大风轮和小风轮齿轮传输功率为6∶4或7∶3。

大风轮和小风轮都各自安装有独立的变桨距系统，本发明采用的是现有变桨距结构，控制系统根据上风向叶素气动理论和Betz极限，调节桨距角度和转速变化，实现最佳风能捕获和最佳叶尖速比控制，依据叶素理论和双旋翼滑流理论结合的动量理论，调整下风向风轮桨距角度，根据风速大小和运行工况要求，调节下风向风轮转速和气动捕获效率，实现小风气动效率最佳，大风可有效防止超速的功能。

气体压缩传输与膨胀做功系统中，塔顶上的气体压缩机，基于回收的低压气体，采用往复活塞式气体压缩机装置，制备高压气体，多个气体压缩机分别与齿轮箱高速轴输出进行啮合链接或气量控制，可实现风轮的转速调节；高压气体汇流于气体旋转连接器上，铺设于塔筒内壁，把气体输送到塔底，并膨胀做功后，输送回低压气体回路，返回塔顶气体压缩机组中，进行气体循环回收并再次压缩；输气管路中气体限定范围为低压气体2MPa，高压气体6-8MPa，压力超出范围时，通过旁路的储气装置进行压力调整，保持膨胀做功机输出转速的持续稳定性。通过储气罐的容量调整，使风电机组具有储能特性，且消除了风速波动对机组发电功率的影响。旁路依次连接储气膨胀机、储气装置和补气压缩机，再回到输气管路中。

发电机组的功率调节通过不同数量的气体压缩机根据风速大小逐渐啮合进行一次有级转速调节，和变桨距风能捕获转速二次调节，转速控制不要求精确，以不影响高压气体制备的气量和压力限制为准；采取主动有阻尼偏航方式，根据机舱上部安装的风向仪进行偏航对风动作；两套轮毂系统的变桨距调节，分别独立动作，根据整体风轮的气动效率控制目标进行协调运行，直接通讯链接，并与主控逻辑安全运行保持一致，跟踪主控发出的功率和转速调节目标，进行协调独立变桨距控制；塔底并网逆变系统根据电网条件，调节发电机输出功率，保持与电网的良好适应性。

如图1所示，双风轮结构包括上风向顺时针旋转的小风轮和下风向逆时针交错旋转的大风轮结构，上风向风轮转速高于下风向风轮，二者分别单独驱动两个齿轮箱进行传动，齿轮箱采用多端输出方式，风轮转速增速后，输出给多个气体压缩机，把低压气体压缩做功制成高压气体，并汇流于高压气体传输管路内。大小风轮的齿轮传输功率不一致，大致为6∶4或7∶3，且不同轴，中间通过轴承进行两个单独传输系统的链接，保持机械传输链路平衡。大小风轮都各自安装有独立的变桨距系统，根据上风向叶素气动理论和Betz极限，调节桨距角度和转速变化，实现最佳风能捕获和最佳叶尖速比控制，依据叶素理论和双旋翼滑流理论结合的动量理论，调整下风向风轮桨距角度，根据风速大小和运行工况要求，调节下风向风轮转速和气动捕获效率，实现小风气动效率最佳，大风可有效防止超速的功能。

压缩气体传输的双风轮风力发电机组整体结构包括气动驱动系统、机械传输系统、发电系统和控制系统。双风轮分别驱动齿轮箱增速后，输出给多个气体压缩机，把低压气体压缩做功制成高压气体，并汇流于高压气体传输管路内。高压气体被输送到塔底，膨胀做功驱动发电机，发电机根据频率电压变化，连接并网。

如图2所示，压缩气体传输的双风轮驱动结构布局图，主要分为压缩气体传输的双风轮风力发电机组系统组成，主要包括塔架顶部的双风轮结构、轮毂与变桨距驱动系统、齿轮箱增速传动系统、气体压缩系统、气体传输系统、机舱底盘、风速风向测试装置、齿轮箱润滑系统、通风冷却循环系统等；塔架支撑结构包括气路旋转偏航系统、塔架支撑结构、气路传输管路、电梯、维修通道等，其中气路旋转偏航系统是实现机组偏航功能、气路和电路的传输功能；塔底与基础部分，包括陆上地面基础、膨胀做功机与永磁发电机、储能气罐、变压器等，如果为海上安装，包括海上漂浮式基础、海上变电平台输气回路、膨胀做功与发电机、储气罐、海上变压器等。上述系统出双风轮结构，均为现有发电系统的组成部分，

如图3所示，压缩气体与膨胀做功系统组成框图，其中涉及风机、齿轮箱、活塞式压缩机、膨胀机和永磁发电机等部分。本发明可以适用于七缸二冲程的气动发电系统，以七缸压缩机与七缸膨胀机上下联动以及活塞二冲程方式进行整体运行。通过风轮转动驱使斜盘带动齿轮箱运转，齿轮箱带动压缩机中的活塞进行往复运动，对空气进行压缩。活塞式压缩机为二冲程工作方式，分别为进气冲程和压缩冲程。

首先，压缩机开始进气冲程阶段，打开压缩机进气门4，关闭其排气门5，把空气吸入压缩机汽缸2内，活塞1下行至下止点位置。然后进入压缩冲程阶段，关闭进气门4，活塞1上行对空气进行压缩，当活塞1上行至整个行程的三分之二处停止，即为上止点位置，压缩冲程结束。最后进入压缩机的排气阶段，该阶段是膨胀机的进气阶段，此时打开膨胀机的进气门，关闭排气门，将高温高压气体由压缩机气缸传递到膨胀机的气缸中。膨胀机也为二冲程工作方式，分别为膨胀冲程和排气冲程。当进气阶段停止时，进入自由膨胀阶段，即膨胀冲程，气体进行膨胀做功，推动活塞下行，活塞通过发电机输出斜盘8B驱动永磁发电机发电。当活塞下行至下止点时，进入排气冲程阶段，打开膨胀机的排气门，将气体排出准备下一个循环。其中在各个冲程阶段，摆盘最高点轮换均为180度。整机运行能将进气和排气分开，各缸运行过程不相互干扰，显著提高发电效率和稳定性。其中气缸2通过进气管3与进气管道10连通，气缸2通过排气管7与排气管道9连通。齿轮箱输入斜盘8A与活塞1连接，发电机输出斜盘8B与膨胀机连接。

表1本发明主要设计参数

Claims (6)

1.基于压缩气体传输的双风轮风力发电机组，包括双风轮驱动机构、气体压缩传输与膨胀做功系统、风电机组运行与并网控制系统，其特征在于：双风轮驱动机构包括上风向顺时针旋转的小风轮和下风向逆时针交错旋转的大风轮，小风轮、大风轮分别单独驱动两个齿轮箱进行传动；齿轮箱输出给气体压缩机；气体压缩传输与膨胀做功系统，分为塔顶和塔底两部分，塔顶上的气体压缩机通过支撑机构与齿轮箱传动，形成高压气体，再经过塔筒内壁将气体输送至塔底的膨胀机组，膨胀做功驱动永磁发电机，膨胀机组做功后将气体输送回低压气体回路，返回塔顶气体压缩机系统，进行气体循环回收并再次压缩；风电机组运行与并网控制系统，分为轮毂变距系统、塔顶运行控制系统和塔底并网逆变系统，在双风轮驱动机构的小风轮和大风轮上分别设有一套轮毂变距系统，通过通讯链接塔顶运行控制系统，永磁发电机根据频率电压变化，连接塔底并网逆变系统，塔底并网逆变系统根据电网条件调节发电机输出功率。

2.根据权利要求1所述的基于压缩气体传输的双风轮风力发电机组，其特征在于：双风轮驱动机构采用水平轴变桨距功率调节方式，上风向风轮转速高于下风向风轮，齿轮箱采用多端输出方式，风轮转速增速后，输出给多个气体压缩机，把低压气体压缩做功制成高压气体，并汇流于高压气体传输管路内。

3.根据权利要求2所述的基于压缩气体传输的双风轮风力发电机组，其特征在于：大风轮和小风轮齿轮传输功率不同，且不同轴，大风轮和小风轮中间通过轴承进行两个单独传输系统的连接，大风轮和小风轮齿轮传输功率为6:4或7:3。

4.根据权利要求2或3所述的基于压缩气体传输的双风轮风力发电机组，其特征在于：大风轮和小风轮都各自安装有独立的变桨距系统，根据上风向叶素气动理论和Betz极限，调节桨距角度和转速变化，依据叶素理论和双旋翼滑流理论结合的动量理论，调整下风向风轮桨距角度，根据风速大小和运行工况要求，调节下风向风轮转速和气动捕获效率。

5.根据权利要求1所述的基于压缩气体传输的双风轮风力发电机组，其特征在于：气体压缩传输与膨胀做功系统中，塔顶上的气体压缩机，基于回收的低压气体，采用往复活塞式气体压缩机装置，制备高压气体，多个气体压缩机分别与齿轮箱高速轴输出进行啮合链接或气量控制；高压气体汇流于气体旋转连接器上，铺设于塔筒内壁，把气体输送到塔底，并膨胀做功后，输送回低压气体回路，返回塔顶气体压缩机组中，进行气体循环回收并再次压缩；

输气管路中气体限定范围为低压气体2MPa，高压气体6-8MPa，压力超出范围时，通过旁路的储气装置进行压力调整，保持膨胀做功机输出转速的持续稳定性。

6.根据权利要求1所述的基于压缩气体传输的双风轮风力发电机组，其特征在于：发电机组的功率调节通过不同数量的气体压缩机根据风速大小逐渐啮合进行一次有级转速调节，和变桨距风能捕获转速二次调节，转速控制不要求精确，以不影响高压气体制备的气量和压力限制为准；采取主动有阻尼偏航方式，根据机舱上部安装的风向仪进行偏航对风动作；两套轮毂系统的变桨距调节，分别独立动作，根据整体风轮的气动效率控制目标进行协调运行，直接通讯链接，并与主控逻辑安全运行保持一致，跟踪主控发出的功率和转速调节目标，进行协调独立变桨距控制；塔底并网逆变系统根据电网条件，调节发电机输出功率，保持与电网的良好适应性。

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