CN202768296U - 用于并网风力发电机组传动的自适应调速机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了属于可再生、清洁能源的风电开发设备领域的一种用于并网风力发电机组传动的自适应调速机构。该风力发电系统包括风轮、固定速比增速箱、平行轴齿轮分流传动箱、差速器变速箱和一个小功率恒转速驱动装置以及同步发电机；本实用新型利用差速器将风轮时变调速转速和小功率恒转速转置提供的恒定转速耦合形成转速调节系统使输出转速恒定；所述系统无需变速驱动装置和实时控制调速策略即可自动适应风轮的时变转速，将风轮时变转速转化为恒定转速输入同步发电机，从而使同步发电机运行在额定转速。大大降低了控制难度和成本，简化了系统结构和控制策略，提高了调速传动系统的效率和运行可靠性。

Description

用于并网风力发电机组传动的自适应调速机构

技术领域

本实用新型属于可再生、清洁能源的风电开发设备领域。特别涉及一种用于并网风力发电机组传动的自适应调速机构。具体说，该自适应调速机构能够自动适应风电机组风轮的时变转速，可实现以恒定转速驱动机组的同步发电机的变速恒频风力发电系统。

背景技术

风电作为目前可再生能源中最具规模开发和商业化发展前景的发电方式，在世界各国得到广泛开发和利用。并网运行的风力发电系统，是国内外风力发电的主要发展方向。中国电力企业联合会公布的数据显示，截至2008年底，风电装机容量只占到全国电力总装机容量的1.13% ，而发电量占0.37%，预计到2020年，总装机容量达2000万千瓦，占发电量的1%。

风电机组并网发电运行的基本要求之一，是要求机组产生的电能频率与电网频率保持一致。一般而论，根据机组的风轮运行转速变化与否，并网型风力发电系统主要分为恒速恒频和变速恒频两种形式。

相对于恒速恒频风电系统较低的风能利用率，变速恒频风电系统在时变的风速下，实时控制风轮转速以保持近乎恒定的最佳叶尖速比，从而达到较高的风能利用率。主要采用双馈风电机组和永磁直驱风电机组，至今已逐渐发展成风力发电系统的主流机型。

双馈风电机组采用双馈异步发电机，转子通过较小功率的变频器与电网连接，定子发出电能直接馈入电网，在超同步运行状态下，转子也同样发出电能，通过变频器馈入电网。永磁直驱同步发电机定子通过全功率变频器与电网连接，定子发出电能，电能经过变频器整流-逆变后馈入电网。可见，两类风电机组发出的电流都会经过变频器的整流-逆变环节，产生谐波电流，这些谐波电流注入电力系统后，会引起电网电压畸变，降低了电能质量。

随着风电并网容量在电网中所占比例的剧增，以机组解列应对电网故障的方法已不再适用。因此，已有多国的风电并网都对风电场提出了低电压穿越能力要求，即在规定的故障及电网电压跌落期间，保证一定时间范围内风电机组能够连续运行而不脱离电网，并向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复电压。

双馈异步发电机定子与电网直接耦合，所以电网电压的跌落直接反映在发电机定子端电压上，导致定子磁链出现直流成分，不对称故障时还会出现负序分量。定子磁链的直流成分和负序分量在转子电路中感生出较大的转子电势并产生较大的转子电流，导致转子电路中电压和电流大幅增加和变流器直流侧母线的过电压，变频器就会因为过电流而自动退出运行，从而发电机无法控制励磁电流而失去对电磁转矩的控制，此时发电机从电网吸收大量无功功率，阻碍电网电压的回复。现有的解决方案一般采用增加撬棒电路和储能系统以及采用新的控制策略，但这样增加了制造成本和控制难度，且撬棒电路的投切时间设定尚需进一步研究；目前针对控制策略的研究大多在电网对称故障下进行，实际应用中的不对称故障下的控制策略研究还需继续研究。

永磁同步发电机定子经变频器与电网相接，发电机和电网不直接耦合。电网电压的跌落会导致电网节点功率的减小，而发电机的输出功率瞬时不变，显然功率不匹配将导致变频器直流母线电压上升，威胁到电力电子器件安全。一般采用增设储能系统和提高电力电子器件额定值，这样势必会增加制造成本并且器件额定值的提高是有限度的。由于发电机功率大部分被储能保护设备吸收，所以变频器只能控制机组输出少量的无功电流，对电网电压恢复起到有限的作用。

综上所述，电网出现故障时，上述机组被动地附加储能设备防止变频器被过电压、过电流损害，增加了成本和控制难度，且上述机组支持电网电压恢复的能力有待继续提高。为从根本上提高风电电能质量、增强风电机组低电压穿越能力，国内外开始研究一种无需变频器的电网友好型同步风力发电机组。这类机组在变速运行的风轮与同步发电机之间设置变速系统，使得输入同步发电机的转速恒定，无需变频器即可实现恒频发电。在电网故障、电压跌落时，能够通过强励使同步发电机向电网输出无功功率支持电网电压恢复，大大提高机组的低电压穿越能力。

专利号为200710105286.X的专利文件提出一种机液混合调速传动的风电系统，在发电机前端将功率分流传动装置（差动轮系）与液压变速器（液力变矩器）叠加，风轮通过增速装置驱动差动轮系行星架，太阳轮驱动液力变矩器的泵轮，涡轮通过齿轮传动驱动齿圈旋转，通过实时控制变矩器导叶开度以调节涡轮输出转速，使齿圈转速按某一规律响应风轮转速的变化，差动轮系太阳轮满足输出转速恒定，从而使发电机输入转速恒定。

专利号201110039734.7的专利文件提出一种可变速比风电增速箱，固定速比风电增速箱的输出轴经平行轴齿轮传动机构连接一级行星差动调速机构，行星差动调速机构包括差动轮系和调速驱动装置，差动轮系将调速转速与增速箱输出转速合成后输出恒定转速输入同步发电机。其调速驱动装置采用能输出连续变转速驱动动力的变量泵或者调速电机。

综上所述，包括专利号200510022771.1，专利号201010602586.0等一系列专利提出的变速恒频传动方案，均需要采集转速信号，并通过控制系统实时改变无级调速驱动装置的调速转速，使传动系统输出转速恒定。如果采用调速电机作为调速驱动装置，甚至还需要附加变频器。

上述的专利方案的实施，均需复杂的无级变速驱动装置和实时控制调速策略的支持，其可靠性和成本尚需进一步研究。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术中永磁同步发电机定子经变频器与电网相接，发电机和电网不直接耦合。电网电压的跌落会导致电网节点功率的减小，而发电机的输出功率瞬时不变，显然功率不匹配将导致变频器直流母线电压上升，威胁到电力电子器件安全的不足而提供一种用于并网风力发电机组传动的自适应调速机构；其特征在于 ，该自适应调速机构利用差速器将风轮时变调速转速和小功率恒转速驱动装置提供的恒定转速耦合形成转速调节系统使输出转速恒定；

所述用于并网风力发电机组传动的自适应调速机构，包括风轮1、固定速比增速箱3、平行轴齿轮分流传动箱30、差速器变速箱21和一个小功率恒转速驱动装置18以及同步发电机17；

风轮1与固定速比增速箱的低速输入轴2、固定速比增速箱3、高速输出轴4、第一联轴器5、平行轴齿轮分流传动箱的输入轴31、平行轴齿轮分流传动箱30、平行轴齿轮分流传动箱的主输出轴7、第二联轴器8、差速器变速箱的主输入轴9、差速器变速箱21、差速器变速箱输出轴14、第三联轴器15及同步发电机17的转动轴16串联连接。

在差速器变速箱21上部，差速器变速箱的主输入轴9与差动轮系行星架10固定连接；差动轮系行星架10分别与第一差动轮系太阳轮12和第二差动轮系太阳轮13连接；第一差动轮系太阳轮12差动轮系齿圈11连接；差动轮系太阳轮13与差速器变速箱输出轴14固定连接；在差速器变速箱21下部，差动轮系行星架10与差速器壳体23连接，差速器壳体23内对称布置第一锥齿轮22和第二锥齿轮25，各锥齿轮间通过锥齿轮轴24连接。

所述平行轴齿轮分流传动箱30的辅输出轴28通过第四联轴器27连接差速器变速箱输入轴26，差速器变速箱输入轴26与差速器壳体23内左边的锥齿轮轴24连接，差速器壳体（23）内右边的锥齿轮轴24通过差速器变速箱辅输入轴20、第五联轴器19与小功率恒转速驱动装置18连接；差速器壳体23的外齿与差动轮系齿圈11的外齿啮合。

所述平行轴齿轮分流传动箱30内以中齿轮32为中心，通过分流传动轴33对称固定上齿轮6和下齿轮29。

所述同步发电机17的电源线连接到输电线上。

所述差速器将平行轴齿轮分流传动箱辅输出轴28的时变转速与小功率恒转速驱动装置18的预设恒定输入转速合成为自动适应风轮转速变化的时变调速转速；该时变调速转速调节差动轮系太阳轮13的输出转速达到恒定；从而驱动同步发电机17以恒定转速工作。

本实用新型的有益效果为：本实用新型基于差速机构、采用双自由度复合传动无级调速、能够自动适应风轮的时变转速、输出恒定转速驱动同步发电机的并网型风电机组的传动系统。不需要无级变速驱动装置，例如调速电机、液力耦合器等；不需要转速信号采集、处理系统，也不需要实时控制调节无级变速驱动装置的输出转速。大大降低了控制难度和成本，简化了系统结构和控制策略，提高了调速传动系统的效率和运行可靠性。

所述系统不使用变频器，即没有整流-逆变环节，从而基本消除了谐波源，提高了电能质量；由于没有变频器，所以在电网电压跌落时，也不需附加保护电路或者储能装置来保护变频器，降低了成本和控制难度；包括变频器在内的电力电子设备故障率较高且价格高，不采用变频器可大大提高了系统的可靠性，降低了机组成本。

本实用新型采用的同步发电机能持续运行在额定转速，同步发电机效率高、频率稳定、功率因数可调，具有独立的励磁系统，在故障检测、运行维护等方面技术成熟，具有良好的工业基础；电网发生故障，电压跌落，励磁系统迅速增大励磁电流，使同步发电机运行在强励状态，发电机向电网输出滞后的无功功率，支持电网电压恢复。同步发电机成熟的有功、无功功率调节技术使得风电机组并网运行体现出优异的低电压穿越能力。

附图说明

图1为用于并网风力发电机组传动的自适应调速机构示意图；

图2为所述风力发电系统的功率分、汇流示意图。

具体实施方式

本实用新型提供了一种用于并网风力发电机组传动的自适应调速机构，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

在图1中风轮1与固定速比增速箱3的低速输入轴2固定连接，风轮传递的总功率为P₁;固定速比增速箱3的高速输出轴4通过第一联轴器5传递总功率P₁至平行轴齿轮分流传动箱30的输入轴31，输入轴31的转速为n₃₁；总功率P₁经平行轴齿轮分流传动箱30分流为主功率P₂和分流功率P₃，P₁=P₂+P₃。（如图2所示）

平行轴齿轮分流传动箱30的主输出轴7通过第二联轴器8传递主功率P₂至差速器变速箱21的主输入轴9，主输入轴9的转速与主输出轴7转速相等为n₉，输入轴31、上齿轮6、主输出轴7三者固定连接，所以转速相等，n₃₁=n₉。

平行轴齿轮分流传动箱30的辅输出轴28转速经过传动箱内部齿轮变速后转速为：n₂₈=i₁·n₃₁                    （1）

注：其中i₁是平行轴齿轮分流传动箱的辅输出轴28和平行轴齿轮分流传动箱的输入轴31之间的传动比

平行轴齿轮分流传动箱的辅输出轴28通过第四联轴器27传递分流功率P₃至差速器变速箱输入轴26，辅输出轴28和输入轴26的转速相等为n₂₈。

小功率恒转速驱动装置18通过第五联轴器19传递恒速源功率P₄至差速器变速箱辅输入轴20，辅输入轴20转速恒为n₂₀。

差速器变速箱的输入轴26与第二锥齿轮25固定连接，转速均等于n₂₈；差速器变速箱的辅输入轴20与第一锥齿轮22固定连接，转速均为n₂₀。

差速器将差速器变速箱输入轴26上的分流功率P₃和辅输入轴20上的恒速驱动装置功率P₄耦合后形成调速功率P₅传递至差速器壳体23，满足P₅=P₃+P₄；差速壳体转速满足：

2n₂₃=n₂₈+n₂₀（2）

注：n₂₈为输入轴26的时变转速，n₂₀为辅输入轴20的恒定转速。

差速器壳体23通过外齿啮合将调速功率P₅传递至差动轮系齿圈11，差速器壳体23的转速n₂₃作为调速转速驱动差动轮系齿圈11旋转，差动轮系齿圈11转速满足:

n₁₁=i₂·n₂₃（3）

注：其中i₂是差速器壳体23和差动轮系齿圈11之间的外齿啮合传动比

差速器变速箱的主输入轴9与差动轮系行星架10固定连接,转速均为n₉，差动轮系行星架10上传递的功率为主功率P₂。

差动轮系将行星架10上的主功率P₂和差动轮系齿圈11上的调速功率P₅耦合后形成输出功率P₆传递至太阳轮13，满足P₆=P₂+P₅；根据差动轮系转速关系得太阳轮13转速满足：

n₁₃=(1+k)·n₉-k·n₁₁；（4）

注：k为差速器变速箱中差动轮系的特征参数

预先设定系统结构参数满足以下（5）、（6）两式

预先设定传动比i₁：

$i_1=\frac{2(1+k)i_2}{k}---\left(5\right)$

预先选择同步发电机的额定转速n_同步为n_同步=1500r/min或者n_同步=3000r/min，并预先设定小功率恒转速驱动装置18的恒定转速:

将关系式（1）、（2）、（3）、（5）（6）代入关系式（4），即可得到n₁₃=n_同步。

综上所述，按照关系式（5）提前设定平行轴齿轮分流传动箱的辅输出轴28和平行轴齿轮分流传动箱的输入轴31之间的传动比i₁的值，按照关系式（6）提前设定小功率恒转速驱动装置18的恒定转速n₁₈的值，即可获得差动轮系太阳轮13转速n₁₃=n_同步，n_同步为恒定值；差动轮系太阳轮13与差速器变速箱输出轴14固定连接，转速相等均为n₁₃；差速器变速箱输出轴14通过联轴器传递输出功率P6至同步发电机17；同步发电机转子转速为n₁₃=n_同步；

最终可以实现系统自动适应风轮的时变转速，将风轮时变转速转化为恒定转速输出，从而使同步发电机以所需的额定转速运行。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡是根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应该排除在本发明的保护范围之外。

Claims (5)

1.一种用于并网风力发电机组传动的自适应调速机构；其特征在于 ，所述用于并网风力发电机组传动的自适应调速机构，包括风轮（1）、固定速比增速箱（3）、平行轴齿轮分流传动箱（30）、差速器变速箱（21）和一个小功率恒转速驱动装置（18）以及同步发电机（17）；其中，风轮（1）与固定速比增速箱的低速输入轴（2）、固定速比增速箱（3）、高速输出轴（4）、第一联轴器（5）、平行轴齿轮分流传动箱的输入轴（31）、平行轴齿轮分流传动箱（30）、平行轴齿轮分流传动箱的主输出轴（7）第二联轴器（8）、差速器变速箱的主输入轴（9）、差速器变速箱（21）、差速器变速箱输出轴（14）、第三联轴器（15）及同步发电机（17）的转动轴（16）串联连接。

在差速器变速箱（21）上部，差速器变速箱的主输入轴（9）与差动轮系行星架（10）固定连接；差动轮系行星架（10）分别与第一差动轮系太阳轮（12）和第二差动轮系太阳轮（13）连接；第一差动轮系太阳轮（12）差动轮系齿圈（11）连接；差动轮系太阳轮（13）与差速器变速箱输出轴（14）固定连接；在差速器变速箱（21）下部，差动轮系行星架（10）与差速器壳体（23）连接，差速器壳体（23）内对称布置第一锥齿轮（22）和第二锥齿轮（25），各锥齿轮间通过锥齿轮轴（24）连接。

2.根据权利要求1所述用于并网风力发电机组传动的自适应调速机构；其特征在于 ，所述平行轴齿轮分流传动箱（30）的辅输出轴（28）通过第四联轴器（27）连接差速器变速箱输入轴（26），差速器变速箱输入轴（26）与差速器壳体（23）内左边的锥齿轮轴（24）连接，差速器壳体（23）内右边的锥齿轮轴（24）通过差速器变速箱辅输入轴（20）、第五联轴器（19）与小功率恒转速驱动装置（18）连接。

3.根据权利要求1所述用于并网风力发电机组传动的自适应调速机构；其特征在于 ，所述差速器壳体（23）的外齿与差动轮系齿圈（11）的外齿啮合。

4.根据权利要求1所述用于并网风力发电机组传动的自适应调速机构；其特征在于 ，所述平行轴齿轮分流传动箱（30）内以中齿轮（32）为中心，通过分流传动轴（33）对称固定上齿轮（6）和下齿轮（29）。 

5.根据权利要求1所述用于并网风力发电机组传动的自适应调速机构；其特征在于 ，所述同步发电机（17）的电源线连接到输电线上。 

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