CN204663763U - 一种具有储能装置的变速恒频风力发电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种具有储能装置的变速恒频风力发电装置，定桨距风力机以及双转子永磁发电机实现变速恒频运行，进一步通过增设调节电机、充放电装置以及储能装置实现调节能力，从而根据电网所需电能的变化来灵活地调节输出的有功功率。当风能过剩时，发电装置利用储能装置来吸收多余的能量；而当风能不足时，可以将储能装置中的能量释放出来以满足电网的需求，从而确保电网有功平衡。并且由于无增设复杂的变桨距机构，从而降低了成本。

Description

一种具有储能装置的变速恒频风力发电装置

技术领域

本实用新型涉及一种电气工程领域中的风力发电装置，尤其涉及一种具有储能装置的变速恒频风力发电装置。

背景技术

风能作为一种洁净的可再生能源，其发展前景广阔，是解决能源危机和缓进危机一种极优选择。但是，由于风是一种不可人为控制的能源，其具有忽大忽小的特点，如何将随时变化的风能进而转化为恒定的电能，继而提供给电网，成为业界持续关注的一个重点，即风力发电机组的变速恒频发电。

在现有的风力发电技术中，除了双馈发电机和传统的异步发电机外，永磁发电机由于具有功率密度高、运行可靠、维护简单等优点，而被广泛使用。为了在风速变化的情况下，保证永磁风力发电机输出的频率恒定，即实现变速恒频，目前所采取的方法主要有以下两种：方式一：将发电机电枢绕组输出的电能通过一个电力电子变流器后，再送入电网。该方式中，发电机输出的频率随着风速的变化而改变，再通过对电力电子变流器进行控制，使得变流器输出频率保持恒定，以满足电网需求。方式二：采用变桨距技术，当风速变化时，通过一套变桨距机构使风力机的叶片绕叶片的中心轴转动，改变叶片的攻角，进而维持发电机的转速不变，确保输出频率恒定。

然而以上这两种方法在实际运行时，也都存在有一定的问题：

当采用方式一时，变流器的功率必须要大于发电机的额定功率，而大容量电力电子变流器的使用，大幅度增加整套发电装置的成本；其次当负载不变，而风速增加时，发电机的输出功率也会随之增加，过剩的有功功率注入电网后，必然会对电网的稳定运行带来不利影响。

采用方式二时，由于通过调节转化的风能的大小来稳定发电机的转子转速，因此在保证电网有功平衡的情况下，无法实现最大风能转化。此外附加的变桨距机构不仅会增加成本，致使装置结构复杂、可靠性降低，而且需要通过机械传动来调节叶片攻角才能稳定发电机转速，因此风速变化时，发电机输出频率的调节过程相对缓慢。

综上所述，现有技术提供的变速恒频发电，再提高了实现成本的同时，降低了能源的使用效率。

实用新型内容

本实用新型提供一种用于在保证实现成本的同时，提高能源使用效率的有储能装置的变速恒频风力发电装置。

本实用新型的第一个方面是提供一种具有储能装置的变速恒频风力发电装置，包括：定桨距风力机、双转子永磁发电机、调节电机、充放电装置、储能装置、变流器模块、变压器、第二并网开关、第一并网开关、风速检测模块、储能检测模块、监控模块；

所述定桨距风力机的输出轴与所述双转子永磁发电机的输入轴连接在一起；所述双转子永磁发电机与所述调节电机同轴连接；所述双转子永磁发电机的电枢绕组通过所述第一并网开关接至电网；所述调节电机的电枢绕组与所述变流器模块连接；所述储能装置通过所述充放电装置与所述变流器模块连接；所述变流器模块与所述变压器连接；所述变压器通过所述第二并网开关连接至所述电网；所述风速检测模块与所述定桨距风力机连接；所述储能检测模块与所述储能装置连接；所述风速检测模块和所述储能检测模块与所述监控模块连接。

结合第一个方面，在第一种可能的实现方式中，所述变流器模块，包括：机侧变流器和网侧变流器；

其中，所述调节电机的电枢绕组与所述机侧变流器的交流端接在一起；所述机侧变流器的直流端与所述网侧变流器的直流端连接在一起；所述储能装置通过所述充放电装置连接在所述机侧变流器的直流端；所述网侧变流器的交流端接至所述变压器的低压端；所述变压器的高压端通过第二并网开关接至电网。

结合第一个方面或第一个方面的第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，还包括：传动装置；

在所述定桨距风力机与所述双转子永磁发电机之间设置所述传动装置，所述定桨距风力机的输出轴与所述双转子永磁发电机的输入轴通过所述传动装置连接在一起，其中所述定桨距风力机的输出轴与所述传动装置的输入轴连接在一起、所述传动装置的输出轴与所述双转子永磁发电机连接。

本实用新型供的具有储能装置的变速恒频风力发电装置，定桨距风力机以及双转子永磁发电机实现变速恒频运行，进一步通过增设调节电机、充放电装置以及储能装置实现调节能力，从而根据电网所需电能的变化来灵活地调节输出的有功功率。当风能过剩时，发电装置利用储能装置来吸收多余的能量；而当风能不足时，可以将储能装置中的能量释放出来以满足电网的需求，从而确保电网有功平衡。并且由于无增设复杂的变桨距机构，从而降低了成本。

附图说明

图1为本实用新型提供的一种具有储能装置的变速恒频风力发电装置的结构示意图；

图2本实用新型提供的另一种具有储能装置的变速恒频风力发电装置的结构示意图。

具体实施方式

图1为本实用新型提供的一种具有储能装置的变速恒频风力发电装置的结构示意图，参照图1，该具有储能装置的变速恒频风力发电装置10包括：定桨距风力机10-1、双转子永磁发电机10-2、调节电机10-3、充放电装置10-4、储能装置10-5、变流器模块10-6、变压器10-7、第二并网开关10-8、第一并网开关10-9、风速检测模块10-10、储能检测模块10-11、监控模块10-12；

所述定桨距风力机10-1的输出轴与所述双转子永磁发电机10-2的输入轴连接在一起；所述双转子永磁发电机10-2与所述调节电机10-3同轴连接；所述双转子永磁发电机10-2的电枢绕组通过所述第一并网开关10-9接至电网；所述调节电机10-3的电枢绕组与所述变流器模块10-6连接；所述储能装置10-5通过所述充放电装置10-4与所述变流器模块10-6连接；所述变流器模块10-6与所述变压器10-7连接；所述变压器10-7通过所述第二并网开关10-8连接至所述电网；所述风速检测模块10-10与所述定桨距风力机10-1连接；所述储能检测模块10-11与所述储能装置10-5连接；所述风速检测模块10-10和所述储能检测模块10-11与所述监控模块10-12连接。

本实施例提供的具有储能装置的变速恒频风力发电装置，定桨距风力机以及双转子永磁发电机实现变速恒频运行，进一步通过增设调节电机、充放电装置以及储能装置实现调节能力，从而根据电网所需电能的变化来灵活地调节输出的有功功率。当风能过剩时，发电装置利用储能装置来吸收多余的能量；而当风能不足时，可以将储能装置中的能量释放出来以满足电网的需求，从而确保电网有功平衡。并且由于无增设复杂的变桨距机构，从而降低了成本。

进一步的，由于增设了风速检测模块，可以实现对定桨距风力机的转速参数的实时监控，由于增设了储能检测模块，可以实现对储能装置存储能量的实时监控，风速检测模块和储能检测模块将监控的参数信息上报给监控模块，由监控模块将参数信息实时显示给操作人员，从而及时的向操作人员提示变速恒频风力发电装置的工作状况以及储能状况，提高工作效率。

进一步的，由于去除了机械增速齿轮箱，简化了风力发电机组传动系统结构，布局紧凑，提高了可靠性。

可选的，该双转子永磁发电机包含定子、外转子、内转子以及滑环；其外转子为永磁转子，无需绕组和导条，无滑环和电刷，结构简单，可靠性高。

进一步的，在图1的基础上，图2本实用新型提供的另一种具有储能装置的变速恒频风力发电装置的结构示意图，参照图2，所述变流器模块10-6，包括：机侧变流器10-6a和网侧变流器10-6b；

其中，所述调节电机10-3的电枢绕组与所述机侧变流器10-6a的交流端接在一起；所述机侧变流器10-6a的直流端与所述网侧变流器10-6b的直流端连接在一起；所述储能装置10-5通过所述充放电装置10-4连接在所述机侧变流器10-6a的直流端；所述网侧变流器10-6b的交流端接至所述变压器10-7的低压端；所述变压器10-7的高压端通过第二并网开关10-8接至电网。

现有的各种永磁发电机发电装置，由于励磁无法调节，因此不具备调节无功功率的能力，但是在本实用新型提出的具有储能装置的变速恒频风力发电装置中，储能装置、充放电装置、网侧变流器、变压器构成了一台静止无功发生器，当第二并网开关闭合时，通过控制网侧变流器的输出，就可以灵活地为电网提供无功功率补偿。

可选的，还包括：传动装置(图中并未示出)；

在所述定桨距风力机10-1与所述双转子永磁发电机10-2之间设置所述传动装置，所述定桨距风力机10-1的输出轴与所述双转子永磁发电机10-2的输入轴通过所述传动装置连接在一起，其中所述定桨距风力机10-1的输出轴与所述传动装置的输入轴连接在一起、所述传动装置的输出轴与所述双转子永磁发电机10-2连接。

进一步的，本实用新型提出的具有储能装置的变速恒频风力发电装置可采用多种工作模式来满足不同运行环境条件下的，最大风能转换和输出有功调节的需求。

工作模式一：该工作模式适用于双转子永磁发电机的输出频率在允许范围内，风能的大小等于电网所需电能，且小于或等于双转子永磁发电机的额定容量。在该工作模式下，控制机侧变流器、网侧变流器和充放电装置，使它们都处于截止状态，第一并网开关闭合，第二并网开关断开。定桨距风力机通过传动装置带动双转子永磁发电机和调节电机的转子旋转，双转子永磁发电机和调节电机都处于发电状态，但是由于机侧变流器处于截止状态，因此调节电机空载运行，所有的风能都由双转子永磁发电机转化为电能，通过闭合的第一并网开关注入电网，满足电网的有功需求。

工作模式二：该工作模式适用于双转子永磁发电机的输出频率在允许范围内，风能的大小等于电网所需电能，但大于双转子永磁发电机的额定容量。在该工作模式下，控制机侧变流器处于整流状态，网侧变流器处于逆变状态，充放电装置处于截止状态，第一并网开关闭合，第二并网开关闭合。双转子永磁发电机和调节电机都处于发电状态，双转子永磁发电机将大小等于其额定容量的风能转化为电能通过闭合的第一并网开关注入电网，剩余的风能由调节电机转化为电能再通过机侧变流器、网侧变流器、变压器和第二并网开关注入电网，进而保持电网有功平衡。

工作模式三：该工作模式适用于双转子永磁发电机输出频率小于额定值，或者由于风能减小或者负载增加，使得风能小于电网所需的电能，双转子永磁发电机转子转速下降，输出频率减小的情况。在该工作模式下，控制充放电装置处于放电状态，机侧变流器处于逆变状态，网侧变流器处于截止状态，第一并网开关闭合，第二并网开关断开。储能装置中的能量经过过充放电装置和机侧变流器进入调节电机的电枢绕组，调节电机运行于电动机状态，通过对充放电装置和机侧变流器的合理控制，可以使得调节电机的拖动方向与双转子永磁发电机的转子旋转方向相同，进而增加双转子永磁发电机的拖动转矩，使得双转子永磁发电机的转子转速回升，输出频率增加，最终重新稳定在额定频率点运行。在这种工作模式下，储能装置释放出来的能量经过调节电机后变换为机械能，再和定桨距风力机提供的机械能，即风能，一起经双转子永磁发电机转换为电能提供给电网，进而保持电网稳定。

工作模式四：针对工作模式三所面临的风能小于电网所需电能的情况，如果此时双转子永磁发电机的输出频率虽然下降，但还在允许范围内时，除采取工作模式三的控制方法外，还可以控制充放电装置处于放电状态，机侧变流器处于截止状态，网侧变流器处于逆变状态，第一并网开关闭合，第二并网开关闭合。在该工作模式下，调节电机空载运行，不进行能量转换，双转子永磁发电机将所有的风能转化为电能注入电网，同时储能装置中的能量通过充放电装置、网侧变流器和变压器注入电网，来补偿风能与电网所需电能之间的差值，进而维持电网有功平衡，抑制双转子永磁发电机转子转速的下降，维持双转子永磁发电机输出频率稳定在允许范围内。

工作模式五：该工作模式适用于双转子永磁发电机输出频率大于额定值，或者由于风能增加或者负载减小，使得风能大于电网所需的电能，永磁发电机转子转速上升，输出频率增加的情况。在该工作模式下，控制充放电装置处于充电状态，机侧变流器处于整流状态，网侧变流器处于截止状态，第一并网开关闭合，第二并网开关断开。在该工作模式下，调节电机处于回馈制动，即发电运行状态，其电磁转矩为制动转矩，通过合理地控制调节电机的电磁转矩的大小，可以使双转子永磁发电机的转子转速下降，并最终稳定在额定转速，输出电网所需的电能，且输出频率恒定。调节电机在运行过程中，将风能多于电网所需电能的这部分能量转化为电能，通过机侧变流器和充放电装置，送至储能装置，由储能装置存储起来。这样既可以实现最大风能转化，又可以确保双转子永磁发电机输出频率恒定，维持电网的有功平衡。

工作模式六：针对工作模式五所面临的电网有功功率过剩的情况，如果此时双转子永磁发电机的输出频率虽然上升，但还在允许范围内时，除采取工作模式五的控制方法外，还可以控制充放电装置处于充电状态，机侧变流器处于截止状态，网侧变流器处于整流状态，第一并网开关闭合，第二并网开关闭合。在该工作模式下，调节电机空载运行，不进行能量转换，双转子永磁发电机将所有的风能转化为电能注入电网，同时储能装置通过充放电装置、网侧变流器和变压器吸收电网中的多余能量，进而维持电网有功平衡，抑制双转子永磁发电机转子转速的上升，维持双转子永磁发电机输出频率稳定在允许范围内。

工作模式七：该模式针对电网有功功率平衡，但无功功率不平衡的情况。在控制第一并网开关闭合，双转子永磁发电机将风能转化为电能注入电网，满足电网有功需求的同时，控制第二并网开关闭合，则储能装置、充放电装置、网侧变流器、变压器构成了一台静止无功发生器，按照静止无功发生器的控制方法，通过调节网侧变流器的交流输出电压，可以为电网提供无功补偿，进而满足电网对无功的需求。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种具有储能装置的变速恒频风力发电装置，其特征在于，包括：定桨距风力机、双转子永磁发电机、调节电机、充放电装置、储能装置、变流器模块、变压器、第二并网开关、第一并网开关、风速检测模块、储能检测模块、监控模块；

所述定桨距风力机的输出轴与所述双转子永磁发电机的输入轴连接在一起；所述双转子永磁发电机与所述调节电机同轴连接；所述双转子永磁发电机的电枢绕组通过所述第一并网开关接至电网；所述调节电机的电枢绕组与所述变流器模块连接；所述储能装置通过所述充放电装置与所述变流器模块连接；所述变流器模块与所述变压器连接；所述变压器通过所述第二并网开关连接至所述电网；所述风速检测模块与所述定桨距风力机连接；所述储能检测模块与所述储能装置连接；所述风速检测模块和所述储能检测模块与所述监控模块连接。

2.根据权利要求1所述的具有储能装置的变速恒频风力发电装置，其特征在于，所述变流器模块，包括：机侧变流器和网侧变流器；

其中，所述调节电机的电枢绕组与所述机侧变流器的交流端接在一起；所述机侧变流器的直流端与所述网侧变流器的直流端连接在一起；所述储能装置通过所述充放电装置连接在所述机侧变流器的直流端；所述网侧变流器的交流端接至所述变压器的低压端；所述变压器的高压端通过第二并网开关接至电网。

3.根据权利要求1或2所述的具有储能装置的变速恒频风力发电装置，其特征在于，还包括：传动装置；

在所述定桨距风力机与所述双转子永磁发电机之间设置所述传动装置，所述定桨距风力机的输出轴与所述双转子永磁发电机的输入轴通过所述传动装置连接在一起，其中所述定桨距风力机的输出轴与所述传动装置的输入轴连接在一起、所述传动装置的输出轴与所述双转子永磁发电机连接。