[實用新型]用于并網風力發電機組傳動的自適應調速機構

有效

• 申請號: 201220435298.5
• 申請日: 2012-08-29
• 公開（公告）號: CN202768296U
• 公開（公告）日: 2013-03-06
• 發明（設計）人: 芮曉明;蘇睿;武鑫;鄭輝;張穆永
• 申請（專利權）人: 華北電力大學
• 主分類號: F03D11/02
• 分類號: F03D11/02
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 史雙元

技術領域

本實用新型屬于可再生、清潔能源的風電開發設備領域。特別涉及一種用于并網風力發電機組傳動的自適應調速機構。具體說，該自適應調速機構能夠自動適應風電機組風輪的時變轉速，可實現以恒定轉速驅動機組的同步發電機的變速恒頻風力發電系統。

背景技術

風電作為目前可再生能源中最具規模開發和商業化發展前景的發電方式，在世界各國得到廣泛開發和利用。并網運行的風力發電系統，是國內外風力發電的主要發展方向。中國電力企業聯合會公布的數據顯示，截至2008年底，風電裝機容量只占到全國電力總裝機容量的1.13%?，而發電量占0.37%，預計到2020年，總裝機容量達2000萬千瓦，占發電量的1%。

風電機組并網發電運行的基本要求之一，是要求機組產生的電能頻率與電網頻率保持一致。一般而論，根據機組的風輪運行轉速變化與否，并網型風力發電系統主要分為恒速恒頻和變速恒頻兩種形式。

相對于恒速恒頻風電系統較低的風能利用率，變速恒頻風電系統在時變的風速下，實時控制風輪轉速以保持近乎恒定的最佳葉尖速比，從而達到較高的風能利用率。主要采用雙饋風電機組和永磁直驅風電機組，至今已逐漸發展成風力發電系統的主流機型。

雙饋風電機組采用雙饋異步發電機，轉子通過較小功率的變頻器與電網連接，定子發出電能直接饋入電網，在超同步運行狀態下，轉子也同樣發出電能，通過變頻器饋入電網。永磁直驅同步發電機定子通過全功率變頻器與電網連接，定子發出電能，電能經過變頻器整流-逆變后饋入電網。可見，兩類風電機組發出的電流都會經過變頻器的整流-逆變環節，產生諧波電流，這些諧波電流注入電力系統后，會引起電網電壓畸變，降低了電能質量。

隨著風電并網容量在電網中所占比例的劇增，以機組解列應對電網故障的方法已不再適用。因此，已有多國的風電并網都對風電場提出了低電壓穿越能力要求，即在規定的故障及電網電壓跌落期間，保證一定時間范圍內風電機組能夠連續運行而不脫離電網，并向電網提供一定的無功功率，支持電網恢復電壓。?

雙饋異步發電機定子與電網直接耦合，所以電網電壓的跌落直接反映在發電機定子端電壓上，導致定子磁鏈出現直流成分，不對稱故障時還會出現負序分量。定子磁鏈的直流成分和負序分量在轉子電路中感生出較大的轉子電勢并產生較大的轉子電流，導致轉子電路中電壓和電流大幅增加和變流器直流側母線的過電壓，變頻器就會因為過電流而自動退出運行，從而發電機無法控制勵磁電流而失去對電磁轉矩的控制，此時發電機從電網吸收大量無功功率，阻礙電網電壓的回復。現有的解決方案一般采用增加撬棒電路和儲能系統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間設定尚需進一步研究；目前針對控制策略的研究大多在電網對稱故障下進行，實際應用中的不對稱故障下的控制策略研究還需繼續研究。

永磁同步發電機定子經變頻器與電網相接，發電機和電網不直接耦合。電網電壓的跌落會導致電網節點功率的減小，而發電機的輸出功率瞬時不變，顯然功率不匹配將導致變頻器直流母線電壓上升，威脅到電力電子器件安全。一般采用增設儲能系統和提高電力電子器件額定值，這樣勢必會增加制造成本并且器件額定值的提高是有限度的。由于發電機功率大部分被儲能保護設備吸收，所以變頻器只能控制機組輸出少量的無功電流，對電網電壓恢復起到有限的作用。

綜上所述，電網出現故障時，上述機組被動地附加儲能設備防止變頻器被過電壓、過電流損害，增加了成本和控制難度，且上述機組支持電網電壓恢復的能力有待繼續提高。為從根本上提高風電電能質量、增強風電機組低電壓穿越能力，國內外開始研究一種無需變頻器的電網友好型同步風力發電機組。這類機組在變速運行的風輪與同步發電機之間設置變速系統，使得輸入同步發電機的轉速恒定，無需變頻器即可實現恒頻發電。在電網故障、電壓跌落時，能夠通過強勵使同步發電機向電網輸出無功功率支持電網電壓恢復，大大提高機組的低電壓穿越能力。

專利號為200710105286.X的專利文件提出一種機液混合調速傳動的風電系統，在發電機前端將功率分流傳動裝置（差動輪系）與液壓變速器（液力變矩器）疊加，風輪通過增速裝置驅動差動輪系行星架，太陽輪驅動液力變矩器的泵輪，渦輪通過齒輪傳動驅動齒圈旋轉，通過實時控制變矩器導葉開度以調節渦輪輸出轉速，使齒圈轉速按某一規律響應風輪轉速的變化，差動輪系太陽輪滿足輸出轉速恒定，從而使發電機輸入轉速恒定。