[發(fā)明專利]基于差速機(jī)構(gòu)自適應(yīng)調(diào)速?gòu)?fù)合傳動(dòng)的并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

無(wú)效

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• 申請(qǐng)日: 2012-08-29
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102852726A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-01-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 芮曉明;蘇睿;武鑫;鄭輝;張穆永
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華北電力大學(xué)
• 主分類號(hào): F03D9/00
• 分類號(hào): F03D9/00;F03D11/02
• 代理公司: 北京眾合誠(chéng)成知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11246
• 代理人: 史雙元

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于可再生、清潔能源的風(fēng)電開(kāi)發(fā)設(shè)備領(lǐng)域。特別涉及一種基于差速機(jī)構(gòu)自適應(yīng)調(diào)速?gòu)?fù)合傳動(dòng)的并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。具體說(shuō)，該系統(tǒng)能夠自動(dòng)適應(yīng)風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪的時(shí)變轉(zhuǎn)速，可實(shí)現(xiàn)以恒定轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)機(jī)組的同步發(fā)電機(jī)的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

背景技術(shù)

風(fēng)電作為目前可再生能源中最具規(guī)模開(kāi)發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式，在世界各國(guó)得到廣泛開(kāi)發(fā)和利用。并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，是國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電的主要發(fā)展方向。中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)公布的數(shù)據(jù)顯示，截至2008年底，風(fēng)電裝機(jī)容量只占到全國(guó)電力總裝機(jī)容量的1.13%?，而發(fā)電量占0.37%，預(yù)計(jì)到2020年，總裝機(jī)容量達(dá)2000萬(wàn)千瓦，占發(fā)電量的1%。

風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行的基本要求之一，是要求機(jī)組產(chǎn)生的電能頻率與電網(wǎng)頻率保持一致。一般而論，根據(jù)機(jī)組的風(fēng)輪運(yùn)行轉(zhuǎn)速變化與否，并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要分為恒速恒頻和變速恒頻兩種形式。

相對(duì)于恒速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)較低的風(fēng)能利用率，變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)在時(shí)變的風(fēng)速下，實(shí)時(shí)控制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速以保持近乎恒定的最佳葉尖速比，從而達(dá)到較高的風(fēng)能利用率。主要采用雙饋風(fēng)電機(jī)組和永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組，至今已逐漸發(fā)展成風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主流機(jī)型。

雙饋風(fēng)電機(jī)組采用雙饋異步發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子通過(guò)較小功率的變頻器與電網(wǎng)連接，定子發(fā)出電能直接饋入電網(wǎng)，在超同步運(yùn)行狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子也同樣發(fā)出電能，通過(guò)變頻器饋入電網(wǎng)。永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)定子通過(guò)全功率變頻器與電網(wǎng)連接，定子發(fā)出電能，電能經(jīng)過(guò)變頻器整流-逆變后饋入電網(wǎng)。可見(jiàn)，兩類風(fēng)電機(jī)組發(fā)出的電流都會(huì)經(jīng)過(guò)變頻器的整流-逆變環(huán)節(jié)，產(chǎn)生諧波電流，這些諧波電流注入電力系統(tǒng)后，會(huì)引起電網(wǎng)電壓畸變，降低了電能質(zhì)量。

隨著風(fēng)電并網(wǎng)容量在電網(wǎng)中所占比例的劇增，以機(jī)組解列應(yīng)對(duì)電網(wǎng)故障的方法已不再適用。因此，已有多國(guó)的風(fēng)電并網(wǎng)都對(duì)風(fēng)電場(chǎng)提出了低電壓穿越能力要求，即在規(guī)定的故障及電網(wǎng)電壓跌落期間，保證一定時(shí)間范圍內(nèi)風(fēng)電機(jī)組能夠連續(xù)運(yùn)行而不脫離電網(wǎng)，并向電網(wǎng)提供一定的無(wú)功功率，支持電網(wǎng)恢復(fù)電壓。?

雙饋異步發(fā)電機(jī)定子與電網(wǎng)直接耦合，所以電網(wǎng)電壓的跌落直接反映在發(fā)電機(jī)定子端電壓上，導(dǎo)致定子磁鏈出現(xiàn)直流成分，不對(duì)稱故障時(shí)還會(huì)出現(xiàn)負(fù)序分量。定子磁鏈的直流成分和負(fù)序分量在轉(zhuǎn)子電路中感生出較大的轉(zhuǎn)子電勢(shì)并產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)子電流，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電路中電壓和電流大幅增加和變流器直流側(cè)母線的過(guò)電壓，變頻器就會(huì)因?yàn)檫^(guò)電流而自動(dòng)退出運(yùn)行，從而發(fā)電機(jī)無(wú)法控制勵(lì)磁電流而失去對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的控制，此時(shí)發(fā)電機(jī)從電網(wǎng)吸收大量無(wú)功功率，阻礙電網(wǎng)電壓的回復(fù)。現(xiàn)有的解決方案一般采用增加撬棒電路和儲(chǔ)能系統(tǒng)以及采用新的控制策略，但這樣增加了制造成本和控制難度，且撬棒電路的投切時(shí)間設(shè)定尚需進(jìn)一步研究；目前針對(duì)控制策略的研究大多在電網(wǎng)對(duì)稱故障下進(jìn)行，實(shí)際應(yīng)用中的不對(duì)稱故障下的控制策略研究還需繼續(xù)研究。

永磁同步發(fā)電機(jī)定子經(jīng)變頻器與電網(wǎng)相接，發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)不直接耦合。電網(wǎng)電壓的跌落會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)功率的減小，而發(fā)電機(jī)的輸出功率瞬時(shí)不變，顯然功率不匹配將導(dǎo)致變頻器直流母線電壓上升，威脅到電力電子器件安全。一般采用增設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)和提高電力電子器件額定值，這樣勢(shì)必會(huì)增加制造成本并且器件額定值的提高是有限度的。由于發(fā)電機(jī)功率大部分被儲(chǔ)能保護(hù)設(shè)備吸收，所以變頻器只能控制機(jī)組輸出少量的無(wú)功電流，對(duì)電網(wǎng)電壓恢復(fù)起到有限的作用。

綜上所述，電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，上述機(jī)組被動(dòng)地附加儲(chǔ)能設(shè)備防止變頻器被過(guò)電壓、過(guò)電流損害，增加了成本和控制難度，且上述機(jī)組支持電網(wǎng)電壓恢復(fù)的能力有待繼續(xù)提高。為從根本上提高風(fēng)電電能質(zhì)量、增強(qiáng)風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力，國(guó)內(nèi)外開(kāi)始研究一種無(wú)需變頻器的電網(wǎng)友好型同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。這類機(jī)組在變速運(yùn)行的風(fēng)輪與同步發(fā)電機(jī)之間設(shè)置變速系統(tǒng)，使得輸入同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定，無(wú)需變頻器即可實(shí)現(xiàn)恒頻發(fā)電。在電網(wǎng)故障、電壓跌落時(shí)，能夠通過(guò)強(qiáng)勵(lì)使同步發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)輸出無(wú)功功率支持電網(wǎng)電壓恢復(fù)，大大提高機(jī)組的低電壓穿越能力。

專利號(hào)為200710105286.X的專利文件提出一種機(jī)液混合調(diào)速傳動(dòng)的風(fēng)電系統(tǒng)，在發(fā)電機(jī)前端將功率分流傳動(dòng)裝置（差動(dòng)輪系）與液壓變速器（液力變矩器）疊加，風(fēng)輪通過(guò)增速裝置驅(qū)動(dòng)差動(dòng)輪系行星架，太陽(yáng)輪驅(qū)動(dòng)液力變矩器的泵輪，渦輪通過(guò)齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)齒圈旋轉(zhuǎn)，通過(guò)實(shí)時(shí)控制變矩器導(dǎo)葉開(kāi)度以調(diào)節(jié)渦輪輸出轉(zhuǎn)速，使齒圈轉(zhuǎn)速按某一規(guī)律響應(yīng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的變化，差動(dòng)輪系太陽(yáng)輪滿足輸出轉(zhuǎn)速恒定，從而使發(fā)電機(jī)輸入轉(zhuǎn)速恒定。