[發明專利]帶單極直流電磁傳動機的風力發電系統

有效

• 申請號: 201410256868.8
• 申請日: 2014-06-09
• 公開（公告）號: CN105221355B
• 公開（公告）日: 2019-07-30
• 發明（設計）人: 徐立民
• 申請（專利權）人: 徐立民
• 主分類號: F03D15/00
• 分類號: F03D15/00;F03D9/25
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一種風力發電系統，采用單極直流電磁傳動機(HET)作為無級變速變矩傳動設備，HET或者直接連接風輪與發電機，或者在風輪與HET之間配置增速齒輪箱，風輪可用水平軸式或豎軸式，水平軸式風輪可用定槳距葉片或變槳距葉片，發電機可用常規的、恒速運行同步發電機或異步發電機。系統運行主要由HET調節控制，常規運行工況風輪保持最佳葉尖速比變轉速運轉。優點在于：實現兩端轉速自由不受限的無級變速變距傳動功能；柔性傳動連接隔離了沖擊載荷的雙向傳遞；獲取最大可能的風能捕獲效率；供電品質高；HET的效率較高，成本較低，不產生電磁噪聲和諧波，電磁干擾小。

所屬技術領域

本發明涉及一種風力發電系統，特別是帶有無級變速傳動的風力發電系統。

背景技術

風力發電系統的源頭是吸收風能的風輪，后端具有發電機，前者的轉速很低，二者之間通常采用一臺增速齒輪箱連接，也有直聯風輪和發電機的所謂“直驅”方案(發電機尺寸和重量很大，未見推廣應用)。風輪具有水平軸式和豎軸式，普遍應用水平軸式，并大多采用三個葉片和翼型葉型，其葉根具有以葉身徑向中心線為中心軸線轉動的結構的葉片稱為“變槳距(角)”葉片，無此轉動結構的葉片稱為“固定槳距(角)”葉片，這兩種葉片均有應用。

單位時間流過單位迎風面積的風能(動能)等于空氣密度與風速三次方乘積的二分之一，風輪能夠捕獲的風能只是該全部風能的一部分，即需要乘一個風能利用系數Cp，Cp有一個理論極限值16/27(Betz極限，約為0.593)，實際情況下的Cp值低于Betz極限，典型的現代三葉片水平軸式風輪的Cp最大值約為0.47，并且Cp最大值僅是在相對應的最佳葉尖速比(葉尖速比即葉片頂部旋轉線速度與風速之比)條件下出現的峰值，大于或小于最佳葉尖速比均使Cp值降低。從最大限度捕獲風能角度考慮，在對應設計/額定功率的設計風速以下的風速范圍內，水平軸式風輪運轉應始終保持處于最佳葉尖速比狀態下，即風輪轉速應跟隨風速正比例線性變化，維持葉尖速比在最佳值上。風輪變速運轉具有以下優點：為始終保持最佳葉尖速比、最大效率運行提供了條件；低風速時低轉速運行，葉片不產生相對環境噪聲過高的空氣動力學噪聲；轉速相對自由的風輪能夠作為大慣量飛輪臨時吸收陣風帶來的能量脈動和葉片掠過塔身時形成的力矩脈動，避免產生對后端傳動系和發電機的過大力矩沖擊。

目前的水平軸式風輪運轉具有三種方案：恒速、雙速和變速。風輪恒速(或近似恒速) 運轉方案有利于發電機以固定頻率發電，多采用異步發電機，具有較簡單的結構，但是其風能捕獲效率較低。雙速方案采用雙速異步發電機，改進了恒速方案的風能捕獲效率。變速方案實際應用變頻原理，在發電機與電網之間增設有變頻器，發電機和風輪可以變轉速運轉，發電機輸出的變化頻率的交流電經整流和逆變為工頻交流電輸送至電網，這種變頻變速有兩種方法：“寬帶”變速和“窄帶”變速，“寬帶”變速情形為，發電機定子通過變頻器連接至電網，允許發電機(和風輪)帶載從零變到額定轉速，但所有功率輸出必須通過變頻器，“窄帶”變速情形為，發電機定子和轉子都連接至電網，定子直接與電網相連，轉子通過滑環和變頻器連接至電網，所需的變頻器容量較小，但變速范圍較窄，一般從約50％轉速至額定轉速，這種發電機稱為“雙饋異步發電機”，是應用較多的主流技術。變速方案也有對采用機械無級變速器等其他途徑的研究，但未見有實際應用，主要是因為在諸多方面存在嚴重缺點。

在設計風速以上的風速直至切出風速的范圍內，對風輪采取功率限制調節措施，通常控制不超過額定功率，控制的方法主要有：對“固定槳距”葉片使用失速調節方法，結構簡單，但在風速的絕大部分范圍內低于額定功率，因氣流在葉片背弧失速引起運行不穩定、能量脈動、性能規律性差，對風輪和塔架的氣動推力負荷大；“變槳距”葉片的變槳距角調節方法，風速變動時相應地改變葉片安裝角，可實現全范圍內等于額定功率，在及時降低風能利用系數Cp值的同時，葉片保持不失速穩定流動，氣動推力也較小，缺點是增加比較復雜的變槳距角調節機構，并要求對陣風的響應需足夠快。功率限制的其他方法有：“變槳距”葉片轉到加大失速趨勢方位的“主動失速控制”方法，利用對風偏航驅動機構進行的“偏航控制”方法。也有功率限制的“被動變槳距控制”方法的研究。