CN204439382U - 一种基于差动调速的变速恒频风电实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了属于清洁能源的一种基于差动调速的变速恒频风电实验装置。该实验装置包括：计算机、采集卡、传感器、变频器、电动机、差动齿轮箱、驱动器、伺服电机、同步带轮、同步带、同步发电机以及电油汀。该实验装置以电动机模拟风轮时变输入，以伺服电机作为调速输入，以差动齿轮箱为双输入-单输出的功能单元。为能够在时变输入转速的情况下，通过控制伺服电机的调速转速，从而获得恒定转速以驱动同步发电机以额定转速运行。为基于差动调速的变速恒频风电系统工程应用奠定了一定的实验基础。

Description

一种基于差动调速的变速恒频风电实验装置

技术领域

本实用新型属于清洁能源的风电实验设备领域。特别涉及一种基于差动调速的变速恒频风电实验装置。具体说，该实验装置能够自动适应时变输入转速，并以恒定转速驱动同步发电机。

背景技术

风能作为可再生能源受到各国政府的重视。目前变速恒频风电机组一般由风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、变频系统等部件所组成。并网运行的风电机组，要求发电机的输出频率必须与电网频率一致，但风力是不稳定的动力源，作用在风轮上的载荷时刻变化，如果风轮的时变转速、力矩直接输入到发电机，则发出的电能不能满足要求。为了解决上述矛盾，人们提出了变速恒频风电机组。

变速恒频风电机组的风轮变速运行，采用大功率变频器将发电机发出的频率变化的电能转换成频率恒定的电能，同时在很宽的风速范围内保持近乎恒定的最佳叶尖速比，从而保证系统具有较高的风能利用率。目前商业化最广的是采用永磁同步发电机或采用双馈异步发电机的机组。

随着风电机组单机容量的不断扩大，对风电装备的单机容量、性价比、可靠性等提出了更高要求。仍使用变频器连接发电机和电网，将面临很多问题：如电能质量低，异步发电机的滑环磨损、无功功耗大、低电压穿越能力低等。另外，大功率变频器成本高、可靠性差，其设计制造问题难以突破。

在上述背景下，一些学者探索了采用差动调速的变速恒频风电系统解决方案。该类方案利用差动轮系的双输入、单输出特性，实时调控主传动链末端的转速，使之能以相对恒定的转速驱动同步发电机，实现并网发电运行。

专利号201010602586.0的专利文件提出一种风力发电机组的变速恒频方案，包括行星齿轮变速器和转速调节装置；所述行星齿轮变速器包括太阳轮、行星架、内齿圈，其内齿圈可以旋转，构成三个旋转轴，三个轴分别任意对应连接风轮、发电机转子、转速调节装置；所述转速调节装置采用电气伺服系统，该系统包括力矩电动机及其变频器、信号处理器、信号采样器；所述力矩电机连接行星齿轮变速器的一个旋转轴，所述信号采样器采取风轮或发电机的信号，由信号处理器与设定值进行比较运算，向变频器输出控制信号，调整力矩电动机的转速，使行星齿轮变速器的输出轴达到发电机同步转速。

专利号200510022771.1的专利文件提供一种基于差速传动机构的风力发电的变速恒频方法，特别是一种带有两自由度混合驱动差速机构的差动永磁电机及其对应的分布式风力发电的变速恒频方法。首先将风力机转子的转速通过增速齿轮箱增速，然后将变速产生的输入功率输入差动永磁电机的输入轴，由差动永磁电机的差速机构进行功率分流或合流产生功率流进入差动永磁电机的定子绕组经馈线对电网发电。

综上所述，包括专利号200710105286.X，专利号201110039734.7等一系列专利提出的变速恒频传动方案，除具有结构方面的不同外，均仅限于理论研究方法，未提出具体可行实验装置的方案。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种基于差动调速的变速恒频风电实验装置，以系统变速输入，恒速输出为调速目标，获得各功能单元的实测数据，从而研究差动调速风电系统的工作特性，进一步推广该类风电系统的实际应用。

为达到上述目的，本实用新型采用如下的技术方案：

本实用新型所述的一种基于差动调速的变速恒频风电实验装置，包括该实验装置包括：计算机、采集卡、传感器、变频器、电动机、差动齿轮箱、驱动器、伺服电机、同步带轮、同步带、同步发电机以及电油汀。

所述变频器和电动机，用于模拟风轮输入，通过转矩-转速传感器联接差动齿轮箱输入轴；所述驱动器和伺服电机，用于调速输入，通过同步带和同步带轮联接差动齿轮箱体；所述差动齿轮箱用于双输入、单输出，输出轴通过转矩-转速传感器联接同步发电机，所述电磁炉为发电机的负载。传感器的信号进入数据采集卡，计算机参考时变的输入转速计算得到伺服驱动系统的转速指令信号，从而调节同步发电机的转速恒定。

本实用新型的有益效果为：用于搭建基于差动调速的变速恒频风电实验装置，改变了差动调速风电系统相关研究停留在理论分析的现状。该风电实验装置以电动机模拟风轮输入，解决了室外风电实验系统依靠天气的局限性，可大大降低了机组容量和造价，提高了可行性。伺服电机采用同步带传动联接差动齿轮箱，而没有采用刚性的齿轮传动，降低了成本，并节约了空间。

附图说明

图1为基于差动调速的变速恒频风电实验装置图；

图2为所述差动齿轮箱装置图。

具体实施方式

本实用新型提供了一种基于差动调速的变速恒频风电实验装置，其特征在于实验装置以时变转速输入，而以相对恒定的转速输出。下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步说明。

图1中，计算机1控制变频器3以调节电动机4模拟风轮的转速作为整个实验装置的输入；电动机4通过联轴器5联接传感器6；传感器6通过联轴器8联接差动齿轮箱轴24，为差动齿轮箱9的第一个输入，传感器6的转速-转矩信号通过采集卡2进入计算机1；计算机1向驱动器23发出指令转速以控制伺服电机22的输出转速，伺服电机22通过联轴节18、同步带轮20以及同步带10联接差动齿轮箱9上的同步带轮11，为差动齿轮箱9的第二个输入；差动齿轮箱轴25通过联轴器13联接传感器14，传感器14通过联轴器15联接同步发电机16，传感器14的转速-转矩信号通过采集卡2进入计算机1；同步发电机16接入电油汀17作为负载。

在运行过程中，计算机1按照给定的风轮时变转速曲线调节变频器3的供电频率，电动机4在变化频率的变频器3驱动下实现以时变转速驱动实验装置，传感器6采集该时变转速为n_m。传感器14采集的同步发电机16的实际转速为n_g，而n_g的理想值n_g ^*为同步发电机16的额定转速。

根据差动齿轮箱9的双输入、单输出传动规则，通过计算机1通过驱动器23对伺服电机22发出指令转速n_s ^*，调节同步发电机16的转速至恒定。其指令转速n_s ^*按下式得到：

$n_s^{*}=(1+\frac{1}{k})\·n_m-\frac{1}{k}{n}_g^{*}---\left(1\right)$

其中k为差动齿轮箱9的结构参数，为常值。

Claims (6)

1.一种基于差动调速的变速恒频风电实验装置，该实验装置包括：计算机(1)控制变频器(3)以调节电动机(4)模拟风轮运行；电动机(4)通过联轴器(5)联接传感器(6)；传感器(6)通过联轴器(8)联接差动齿轮箱轴(24)，为差动齿轮箱(9)的第一个输入，传感器(6)采集的信号通过采集卡(2)进入计算机(1)；计算机(1)向驱动器(23)发出指令转速以控制伺服电机(22)的输出转速，伺服电机(22)通过联轴节(18)、同步带轮(20)以及同步带(10)联接差动齿轮箱(9)上的同步带轮(11)，为差动齿轮箱(9)的第二个输入；差动齿轮箱轴(25)通过联轴器(13)联接传感器(14)，传感器(14)通过联轴器(15)联接同步发电机(16)，传感器(14)的采集的信号通过采集卡(2)进入计算机(1)；同步发电机(16)接入电油汀(17)作为负载。

2.根据权利要求1所述基于差动调速的变速恒频风电实验装置；其特征在于差动齿轮箱轴(24)由电动机(4)驱动，同步带轮(11)由伺服电机(22)驱动。

3.根据权利要求1所述基于差动调速的变速恒频风电实验装置；其特征在于，差动齿轮箱(9)内部为单级差动轮系。

4.根据权利要求1所述基于差动调速的变速恒频风电实验装置；其特征在于，联轴节(18)和差动齿轮箱(9)之间的传动形式为同步带传动，包括同步带轮(20)，同步带轮(11)和同步带(10)。

5.根据权利要求1所述基于差动调速的变速恒频风电实验装置；其特征在于，负载(17)为电热油汀取暖器。

6.根据权利要求1所述基于差动调速的变速恒频风电实验装置；其特征在于，轴承座(8)、轴承座(11)、轴承座(19)、轴承座(21)均为滚动轴承座。