CN217401059U - 一种串接电动机的高空风能地面发电机组 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及高空风能发电领域，具体公开了一种串接电动机的高空风能地面发电机组，包括发电机、传动主轴和卷扬机装置；发电机串联设置在传动主轴上，若干台卷扬机装置并联设置在传动主轴上，卷扬机装置通过传动主轴驱动发电机旋转发电。该地面发电机组还包括电动机和储能装置；电动机串联设置在传动主轴上，电动机用于经储能装置和电网供电并通过传动主轴驱动发电机以维持恒定转速旋转；发电机输出的交流电直接接入电网和为储能装置充电。本实用新型用于解决高空风能地面发电机组惯量不足的问题，达到同步增加电力系统的容量和惯量的效果。

Description

一种串接电动机的高空风能地面发电机组

技术领域

本实用新型涉及高空风能发电领域，更具体地，涉及一种串接电动机的高空风能地面发电机组。

背景技术

高空风能的利用是在高空中采集风能，将风能转化为机械能，最后将机械能转换为电能或其它形式的能量。高空风筝型发电系统和伞型风力发电系统采用将发电机组设置于地面的型式，高空风筝或伞型风力装置通过缆绳与地面发电机组连接，通过缆绳拉扯做功实现发电机发电。但由于其发电形式为间歇式发电，为提高风能发电的稳定性和发电量，现有技术中一般采用多套设备串联或并联的方式，对单一发电机进行做功发电。

专利CN107842468A一种并联式中高空风能地面发电机组，具体公开了：一种地面发电机组，包括至少一台发电机、若干台动力卷扬机和若干台容绳卷扬机，所述动力卷扬机用于通过缆绳带动发电机发电，所述容绳卷扬机用于收卷通过所述动力卷扬机的缆绳。发电机的转轴与一主轴连接，且所述主轴通过传动装置与所述动力卷扬机连接；所述传动装置用于将所述动力卷扬机的扭矩通过主轴传送至所述发电机。

电力系统中的惯量为系统中所有发电机惯量之和，体现了电力系统抗干扰、稳定输出的能力。上述风能的发电机组或其他新能源发电系统均采用储能装置中转，再经过逆变器转化为220V或380V交流电接入电网。由于逆变器等电力电子器件为物理零惯量器件，当逆变器监测到自身或电网系统存在扰动、故障时，会立即主动与电网脱离，导致电网容量缺口的进一步增大，扰动进一步扩大，进而可能导致电力系统崩溃。因此，随着电网中新能源发电比例的增加，将降低电力系统的惯量。目前新能源发电系统正处于发展阶段，当电网出现直流闭锁或新能源机组脱网等突发事故时，低惯量电网对功率扰动抵抗能力较弱，极易导致电网失稳。因此，高比例新能源电网惯性的量化评估成为电网规划和调度运行关注的焦点。

在电力系统负荷不变情况下，新能源发电系统接入对电力系统频率影响存在以下两种场景。1)新能源比例增加，同步机数量相应减少，此为高比例新能源系统场景。同步机数量减少，缓冲扰动功率的动能减小，在相同扰动下电力系统的频率变化率变大。2)新能源比例增加，常规机组开机数量基本维持不变，通过降低机组功率运行点接纳新能源。虽然新能源接入使电力系统惯性常数减少，但同步机数量不变，动能不变，相同扰动功率下电力系统频率变化率不变。

新能源虚拟惯量，按惯量响应特性及控制方式可分为电流源型虚拟惯量及电压源型虚拟惯量。电流源型虚拟惯量通过对变流器控制策略进行改进，使其提供惯量响应。电流源型虚拟惯量与同步机转动量有本质区别，短时间改变输出功率，改善了系统不平衡功率，进而减小频率变化率，并没有增加系统惯量，是功率响应。优点是控制结构与传统控制模式类似，工程改造难度低。缺点是无法在孤岛模式下运行，存在固有延时，扰动后短时间内无法为电网电压提供支撑作用。电压源型虚拟惯量指虚拟同步机，也称同步变流器。在变流器控制环节引入同步机转子运动及电磁暂态方程，使其具有同步机组并网运行的外特性技术，可模拟同步机电压源特性。优点是在弱电网中具有明显优势，在孤岛模式下可以运行。缺点是完全改变了变流器的控制结构，工程改造难度大，改造成本高。

实用新型内容

本实用新型旨在克服上述现有技术的不足，提供一种串接电动机的高空风能地面发电机组，用于解决高空风能地面发电机组惯量不足的问题，达到同步增加电力系统的容量和惯量的效果。

本实用新型采取的技术方案是，一种串接电动机的高空风能地面发电机组，包括发电机、传动主轴和卷扬机装置；发电机串联设置在传动主轴上，若干台卷扬机装置并联设置在传动主轴上，卷扬机装置通过传动主轴驱动发电机旋转发电。该地面发电机组还包括电动机和储能装置；电动机串联设置在传动主轴上，电动机用于经储能装置和电网供电并通过传动主轴驱动发电机以维持恒定转速旋转；发电机输出的交流电直接接入电网和为储能装置充电。

本方案的发电机采用同步交流发电机，根据同步交流发电机的特性，输出的电流频率与转子转速成线性相关。如果发电机需要直接接入电网输出交流电，那么发电机必须以恒定转速持续旋转，以符合电网的交流电频率(我国电网频率为50HZ)。高空风能发电本身为间歇性发电，因此采用若干台卷扬机装置带动传动主轴旋转，每组卷扬机装置轮流做功，进而带动发电机连续旋转发电。虽然通过设备之间的串联或并联布置优化，传递至发电机的动力变得连续，但其仍会存在较大的波动，从而影响发电机的转速。此外，只有当高空风力满足一定条件时，缆绳才能拉动卷扬机装置，从而驱动发电机发电。当风力严重不足时，将无动力传递至发电机，发电机的转速将逐渐降低。对此，为了保证接入电网的发电机能以恒定转速持续旋转，在与发电机相连的传动主轴上增加电动机。电动机通过额外的储能装置单独供电，并能保持恒定转速输出，进而通过与之相连的传动主轴驱动发电机以恒定转速旋转发电。本方案通过在传动主轴上额外增加电动机，保证了发电机以恒定转速持续旋转发电，进而保证了发电机输出的交流电频率稳定，解决了地面发电机组直接接入电网的问题。

本方案中的若干台卷扬机装置、传动主轴、发电机和电动机均为机械旋转设备，其转子本身均具有一定的转动惯量，其共同组成的地面发电机组则具有一定的系统惯量。更重要的是，电动机经储能装置供电，可持续不断地向传动主轴输出动力，相当于一个大惯量的飞轮串接在传动主轴上，进而使地面发电机组具有较大的系统惯量。发电机组通过同步交流发电机接入电力系统(电网)后，当电力系统出现功率扰动时,发电机组中的各旋转装备释放出转子存储的动能，用于抵抗电力系统的频率偏移，并向电力系统提供惯量支撑。储能装置释放电能给电动机，电动机通过传动主轴加大对发电机的动力输入，从而实现发电机的输出功率提升，以抵抗电力系统的功率扰动。本方案的地面发电机组与传统火电机组相似，一方面可作为发电机向负荷供电，另一方面可向电力系统提供一定的系统转动支撑。本方案通过若干机械旋转设备带动同步交流发电机，以及储能装置通过电动机释放额外的能量，解决了发电机组惯量不足的问题，达到同步增加电力系统的容量和惯量的效果。

本方案的串联指各旋转设备之间的转轴依次相互连接，其中某一旋转设备停止旋转，则其他旋转设备同步停止旋转。并联指各旋转设备之间的转轴均连接至某一主轴上，其中某一旋转设备停止旋转，则主轴和其他旋转设备继续维持旋转。

优选地，还包括风速传感器，风速传感器用于测量高空风能工作区域的风速。高空风能工作区域也即高空风筝或伞型风力装置的工作区域。高空风筝或伞型风力装置在风力的作用下向上运动，通过缆绳拉动卷扬机装置旋转，进而驱动发电机旋转发电。风速传感器优选安装在高空风筝或伞型风力装置上。通过获得高空风筝或伞型风力装置周围的风速，地面发电机组可以计算得到卷扬机装置可产生的扭矩和发电机可产出的功率。当发电机可产出的功率不足时，储能装置加大电力输出，使电动机输出的扭矩加大，进而弥补卷扬机装置缺失的扭矩，稳定发电机产出的功率。

优选地，所述储能装置包括蓄电池组、整流单元和逆变单元；整流单元用于将所述发电机输出的交流电转化为直流电并将其储存在蓄电池组中；逆变单元用于将蓄电池组中的直流电转化为交流电，并输出给所述电动机。

优选地，还包括飞轮部件，飞轮部件串联或并联设置在所述传动主轴上，飞轮部件用于增加传动主轴的转动惯量。本方案通过飞轮部件的转动惯量进一步增加地面发电机组的系统惯量。

优选地，还包括传动装置；传动装置用于将若干段所述传动主轴相互连接，以及将若干台所述卷扬机装置并联设置在传动主轴上。随着传动主轴上卷扬机装置接入数量的增多，传动主轴的长度逐渐增长。传动主轴采用分段设计，将降低传动主轴的加工难度、安装难度，也有利于地面发电机组的现场布置。传动装置一方面将传动主轴两两串接，另一方面则将卷扬机装置的动力接入传动主轴。

进一步，若干段所述传动主轴呈“一”字型排布；所述发电机和所述电动机分别串联设置在所述传动主轴的两端；若干台所述卷扬机装置分别通过所述传动装置并联设置在传动主轴的两侧。

进一步，若干段所述传动主轴呈“十”字型排布；所述发电机和所述电动机分别串联设置在所述传动主轴的端部；若干台所述卷扬机装置分别通过所述传动装置并联设置在传动主轴的两侧。

优选地，所述卷扬机装置包括第一卷扬机、第二卷扬机和动力切换装置；第一卷扬机用于将卷绕其上的缆绳的拉扯转化为驱动所述发电机旋转的动力；第二卷扬机用于卷绕收纳通过第一卷扬机的缆绳；动力切换装置用于切换第一卷扬机的正转与反转、动力输出与动力中断；第一卷扬机输出的动力依次经过动力切换装置、所述传动装置和所述传动主轴，驱动发电机旋转发电。

进一步，所述第一卷扬机和所述第二卷扬机之间还设有缆绳缓冲机构，缆绳缓冲机构用于调整第一卷扬机与第二卷扬机之间的缆绳的张紧力。在实际使用的过程中，缆绳是周期性的收放，可能出现第一卷扬机和第二卷扬机造成卷绕不同步的情况，这样就容易造成缆绳在两个卷扬机之间处于松垮或紧绷的状态，这两种状态都是在实际使用中不允许出现的。虽然通过精准的设计和控制，使两个卷扬机之间同步，是可以减少这两种状态的出现，但是这种方法成本太高。因此，本实用新型在所述第一卷扬机和所述第二卷扬机之间还设有缆绳缓冲机构。这是一种节约成本且效果显著的解决方案。通过缆绳缓冲机构，既可以收纳多于多余的缆绳，也可以缓解两个卷扬机之间的缆绳的紧绷状态，使得系统对两部卷扬机的不同步的容忍度更大，大大降低了设计和控制的难度。

优选地，所述发电机和/或所述电动机通过增速装置与所述传动主轴连接。为了适应不同的风速情况，所述增速装置可以是多挡多离合齿轮箱，可根据不同的风速切换至不同档位，从而平衡发电机的转速和扭矩。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

本方案通过在传动主轴上额外增加电动机，保证了发电机以恒定转速持续旋转发电，进而保证了发电机输出的交流电频率稳定，解决了地面发电机组直接接入电网的问题。本方案通过若干机械旋转设备带动同步交流发电机，以及储能装置通过电动机释放额外的能量，解决了发电机组惯量不足的问题，达到同步增加电力系统的容量和惯量的效果。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的逻辑结构图。

图2为本实用新型实施例1的地面发电机组结构图。

图3为本实用新型实施例2的地面发电机组结构图。

图4为本实用新型实施例1的地面发电机组布置图。

具体实施方式

本实用新型附图仅用于示例性说明，不能理解为对本实用新型的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

如图1、2、4所示，本实施例为一种串接电动机的高空风能地面发电机组，包括发电机、传动主轴和卷扬机装置；发电机串联设置在传动主轴上，若干台卷扬机装置并联设置在传动主轴上，卷扬机装置通过传动主轴驱动发电机旋转发电。该地面发电机组还包括电动机和储能装置；电动机串联设置在传动主轴上，电动机用于经储能装置和电网供电并通过传动主轴驱动发电机以维持恒定转速旋转；发电机输出的交流电直接接入电网和为储能装置充电。

本方案的发电机采用同步交流发电机，根据同步交流发电机的特性，输出的电流频率与转子转速成线性相关。如果发电机需要直接接入电网输出交流电，那么发电机必须以恒定转速持续旋转，以符合电网的交流电频率(我国电网频率为50HZ)。高空风能发电本身为间歇性发电，因此采用若干台卷扬机装置带动传动主轴旋转，每组卷扬机装置轮流做功，进而带动发电机连续旋转发电。虽然通过设备之间的串联或并联布置优化，传递至发电机的动力变得连续，但其仍会存在较大的波动，从而影响发电机的转速。此外，只有当高空风力满足一定条件时，缆绳才能拉动卷扬机装置，从而驱动发电机发电。当风力严重不足时，将无动力传递至发电机，发电机的转速将逐渐降低。对此，为了保证接入电网的发电机能以恒定转速持续旋转，在与发电机相连的传动主轴上增加电动机。电动机通过额外的储能装置单独供电，并能保持恒定转速输出，进而通过与之相连的传动主轴驱动发电机以恒定转速旋转发电。本方案通过在传动主轴上额外增加电动机，保证了发电机以恒定转速持续旋转发电，进而保证了发电机输出的交流电频率稳定，解决了地面发电机组直接接入电网的问题。

本方案中的若干台卷扬机装置、传动主轴、发电机和电动机均为机械旋转设备，其转子本身均具有一定的转动惯量，其共同组成的地面发电机组则具有一定的系统惯量。更重要的是，电动机经储能装置供电，可持续不断地向传动主轴输出动力，相当于一个大惯量的飞轮串接在传动主轴上，进而使地面发电机组具有较大的系统惯量。发电机组通过同步交流发电机接入电力系统(电网)后，当电力系统出现功率扰动时,发电机组中的各旋转装备释放出转子存储的动能，用于抵抗电力系统的频率偏移，并向电力系统提供惯量支撑。储能装置释放电能给电动机，电动机通过传动主轴加大对发电机的动力输入，从而实现发电机的输出功率提升，以抵抗电力系统的功率扰动。本方案的地面发电机组与传统火电机组相似，一方面可作为发电机向负荷供电，另一方面可向电力系统提供一定的系统转动支撑。本方案通过若干机械旋转设备带动同步交流发电机，以及储能装置通过电动机释放额外的能量，解决了发电机组惯量不足的问题，达到同步增加电力系统的容量和惯量的效果。

本方案的串联指各旋转设备之间的转轴依次相互连接，其中某一旋转设备停止旋转，则其他旋转设备同步停止旋转。并联指各旋转设备之间的转轴均连接至某一主轴上，其中某一旋转设备停止旋转，则主轴和其他旋转设备继续维持旋转。

优选地，还包括风速传感器，风速传感器用于测量高空风能工作区域的风速。高空风能工作区域也即高空风筝或伞型风力装置的工作区域。高空风筝或伞型风力装置在风力的作用下向上运动，通过缆绳拉动卷扬机装置旋转，进而驱动发电机旋转发电。风速传感器优选安装在高空风筝或伞型风力装置上。通过获得高空风筝或伞型风力装置周围的风速，地面发电机组可以计算得到卷扬机装置可产生的扭矩和发电机可产出的功率。当发电机可产出的功率不足时，储能装置加大电力输出，使电动机输出的扭矩加大，进而弥补卷扬机装置缺失的扭矩，稳定发电机产出的功率。

优选地，所述储能装置包括蓄电池组、整流单元和逆变单元；整流单元用于将所述发电机输出的交流电转化为直流电并将其储存在蓄电池组中；逆变单元用于将蓄电池组中的直流电转化为交流电，并输出给所述电动机。

优选地，还包括传动装置；传动装置用于将若干段所述传动主轴相互连接，以及将若干台所述卷扬机装置并联设置在传动主轴上。随着传动主轴上卷扬机装置接入数量的增多，传动主轴的长度逐渐增长。传动主轴采用分段设计，将降低传动主轴的加工难度、安装难度，也有利于地面发电机组的现场布置。传动装置一方面将传动主轴两两串接，另一方面则将卷扬机装置的动力接入传动主轴。

进一步，若干段所述传动主轴呈“一”字型排布；所述发电机和所述电动机分别串联设置在所述传动主轴的两端；若干台所述卷扬机装置分别通过所述传动装置并联设置在传动主轴的两侧。

优选地，所述卷扬机装置包括第一卷扬机、第二卷扬机和动力切换装置；第一卷扬机用于将卷绕其上的缆绳的拉扯转化为驱动所述发电机旋转的动力；第二卷扬机用于卷绕收纳通过第一卷扬机的缆绳；动力切换装置用于切换第一卷扬机的正转与反转、动力输出与动力中断；第一卷扬机输出的动力依次经过动力切换装置、所述传动装置和所述传动主轴，驱动发电机旋转发电。

进一步，所述第一卷扬机和所述第二卷扬机之间还设有缆绳缓冲机构，缆绳缓冲机构用于调整第一卷扬机与第二卷扬机之间的缆绳的张紧力。

本实施例中，一台发电机和一台电动机分别通过增速装置串联在多段传动主轴的最外侧的两端。每台传动装置连接相邻的两条传动主轴以及两台卷扬机装置。具体地，传动装置为平行轴齿轮减速器，共有两个输入轴和两个输出轴，输入轴与输出轴平行设置。传动装置的两个输入轴分别与两台卷扬机装置的动力切换装置的输出轴连接。传动装置的两个输出轴分别与两条传动主轴的一端连接。两台卷扬机装置位于传动主轴的一侧。再者，动力切换装置的输入轴与第一卷扬机的输出轴连接。动力切换装置包括换向齿轮部件、制动器和离合器。换向齿轮部件用于切换其输入轴的正转与反转，从而切换第一卷扬机的正转与反转。制动器用于保持其输入轴的位置，从而保持第一卷扬机的输出轴的位置，固定伞型风力装置或高空风筝的高度位置。离合器用于切断和连接动力切换装置的输出轴的动力输出。卷扬机装置的具体结构可参考本申请人的专利CN107842468A一种并联式中高空风能地面发电机组中的动力卷扬机、容绳卷扬机和换向齿轮箱。

本实施例的工作过程如下：当伞型风力装置或高空风筝在风力作用下上升时，连接伞型风力装置或高空风筝的缆绳拉动第一卷扬机转动；动力切换装置的输入轴正转、输出轴正转，将第一卷扬机转动的动力传递至传动装置；传动装置将动力传递至传动主轴，最终动力对发电机做功。当伞型风力装置或高空风筝下行回收时，传动主轴通过传动装置将部分动力传递回动力切换装置；动力切换装置的输入轴反转、输出轴正转，动力切换装置切换第一卷扬机的转动方向；第一卷扬机通过缆绳拉动连接伞型风力装置或高空风筝，完成下行回收。部分的卷扬机装置连接的伞型风力装置或高空风筝处于上行，部分则处于下行。不同的卷扬机装置按间隔交替对发电机做功。电动机通过储能装置供电，为传动主轴提供额外的动力以发电机维持恒定转速发电。发电机产生的交流电直接接入电网，并为储存装置充电。

实施例2

如图1、3所示，本实施例为基于实施例1的一种串接电动机的高空风能地面发电机组，以下仅针对区别部分进行说明。

优选地，还包括飞轮部件，飞轮部件串联或并联设置在所述传动主轴上，飞轮部件用于增加传动主轴的转动惯量。本方案通过飞轮部件的转动惯量进一步增加地面发电机组的系统惯量。

进一步，若干段所述传动主轴呈“十”字型排布；所述发电机和所述电动机分别串联设置在所述传动主轴的端部；若干台所述卷扬机装置分别通过所述传动装置并联设置在传动主轴的两侧。

本实施例中，两台发电机分别通过增速装置串联在多段传动主轴的左端和右端。飞轮部件串联在多段传动主轴的上端。电动机串联在多段传动主轴的下端。传动装置连接相邻的两条传动主轴以及两台卷扬机装置，或传动装置连接“十”字交叉中心的四条传动主轴。具体地，传动装置为交叉轴齿轮减速器，共有两个输入轴和两个输出轴，输入轴与输出轴垂直设置。传动装置的两个输入轴分别与两台卷扬机装置的动力切换装置的输出轴连接。传动装置的两个输出轴分别与两条传动主轴的一端连接。两台卷扬机装置分别位于传动主轴的两侧。

显然，本实用新型的上述实施例仅是为清楚地说明本实用新型技术方案所作的举例，而并非是对本实用新型的具体实施方式的限定。凡在本实用新型权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种串接电动机的高空风能地面发电机组，包括发电机、传动主轴和卷扬机装置；发电机串联设置在传动主轴上，若干台卷扬机装置并联设置在传动主轴上，卷扬机装置通过传动主轴驱动发电机旋转发电；其特征在于，还包括电动机和储能装置；电动机串联设置在传动主轴上，电动机用于经储能装置和电网供电并通过传动主轴驱动发电机以维持恒定转速旋转；发电机输出的交流电直接接入电网和为储能装置充电。

2.根据权利要求1所述的一种串接电动机的高空风能地面发电机组，其特征在于，还包括风速传感器，风速传感器用于测量高空风能工作区域的风速。

3.根据权利要求1所述的一种串接电动机的高空风能地面发电机组，其特征在于，所述储能装置包括蓄电池组、整流单元和逆变单元；整流单元用于将所述发电机输出的交流电转化为直流电并将其储存在蓄电池组中；逆变单元用于将蓄电池组中的直流电转化为交流电，并输出给所述电动机。

4.根据权利要求1所述的一种串接电动机的高空风能地面发电机组，其特征在于，还包括飞轮部件，飞轮部件串联或并联设置在所述传动主轴上，飞轮部件用于增加传动主轴的转动惯量。

5.根据权利要求1至4任一所述的一种串接电动机的高空风能地面发电机组，其特征在于，还包括传动装置；传动装置用于将若干段所述传动主轴相互连接，以及将若干台所述卷扬机装置并联设置在传动主轴上。

6.根据权利要求5所述的一种串接电动机的高空风能地面发电机组，其特征在于，若干段所述传动主轴呈“一”字型排布；所述发电机和所述电动机分别串联设置在所述传动主轴的两端；若干台所述卷扬机装置分别通过所述传动装置并联设置在传动主轴的两侧。

7.根据权利要求5所述的一种串接电动机的高空风能地面发电机组，其特征在于，若干段所述传动主轴呈“十”字型排布；所述发电机和所述电动机分别串联设置在所述传动主轴的端部；若干台所述卷扬机装置分别通过所述传动装置并联设置在传动主轴的两侧。

8.根据权利要求5所述的一种串接电动机的高空风能地面发电机组，其特征在于，所述卷扬机装置包括第一卷扬机、第二卷扬机和动力切换装置；

第一卷扬机用于将卷绕其上的缆绳的拉扯转化为驱动所述发电机旋转的动力；

第二卷扬机用于卷绕收纳通过第一卷扬机的缆绳；

动力切换装置用于切换第一卷扬机的正转与反转、动力输出与动力中断；

第一卷扬机输出的动力依次经过动力切换装置、所述传动装置和所述传动主轴，驱动发电机旋转发电。

9.根据权利要求8所述的一种串接电动机的高空风能地面发电机组，其特征在于，所述第一卷扬机和所述第二卷扬机之间还设有缆绳缓冲机构，缆绳缓冲机构用于调整第一卷扬机与第二卷扬机之间的缆绳的张紧力。

10.根据权利要求8所述的一种串接电动机的高空风能地面发电机组，其特征在于，所述发电机和/或所述电动机通过增速装置与所述传动主轴连接。

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