利用太陽能調速運行的風力機裝置的製作方法
2023-09-23 00:29:35 2
專利名稱：利用太陽能調速運行的風力機裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種風力機裝置。
背景技術：
隨著風能的不斷開發和利用，風力機裝置的應用也愈加廣泛，同時各種各樣的負載對風力機裝置的性能要求也越來越高，例如在風力發電場合，為了得到頻率恆定的發電機輸出電壓，要求風力機裝置必須在風速變化的情況下，能夠提供的穩定的轉速。從目前的技術發展現狀來看，變槳距風力機是解決這一問題的主要方法，當風速發生變化或者負載需要變速運行時，變槳距風力機通過調節槳距來改變捕獲風能的大小， 進而滿足負載運行的需求。但是變槳距風力機的使用卻存在有以下明顯的不足(1)變槳距風力機的槳距調節是一個機械過程，調節過程時間長，動態響應速度慢；(2)為了對轉速進行控制和調節，變槳距風力機需要根據負載所需能量的大小，來調節其捕獲、轉化的風能，在這種情況下，變槳距風力機無法實現對最大風能的轉化，降低了風能的利用率。
發明內容
本發明的目的在於提供實現風能和太陽能的互補，進一步提高新能源的開發和利用的利用太陽能調速運行的風力機裝置。本發明的目的是這樣實現的本發明利用太陽能調速運行的風力機裝置，其特徵是包括風力機、調速電機、輸出軸、機側變流器、直流母線、太陽能-電能轉化裝置、穩壓電路、儲能裝置、充放電電路、網側變流器、開關，調速電機一端與風力機相連、另一端與輸出軸相連，機側變流器的一端與調速電機的電樞繞組相連、另一端與直流母線相連，太陽能-電能轉化裝置連接穩壓電路的輸入端，穩壓電路的輸出端與直流母線相連，儲能裝置經過充放電電路連接直流母線，網側交流器的直流端與直流母線連接在一起，網側交流器的交流端連接開關，開關還連接電網。本發明還可以包括1、所述的風力機和調速電機之間安裝變速箱。本發明的優勢在於本發明將太陽能、風能和儲能裝置有機結合，既可以實現輸出互補，又可以實現最大太陽能和風能的轉化，其響應速度快、動態特性好，有助於提高電網的穩定性。
圖1為本發明的裝置結構圖。
具體實施例方式下面結合附圖舉例對本發明做更詳細地描述實施方式1 結合圖1，本發明提出的利用太陽能調速運行的風力機裝置由風力機1、變速箱2、 調速電機3、輸出軸4、機側變流器5、直流母線6、太陽能-電能轉化裝置7、穩壓電路8、儲能裝置9、充放電電路10、網側變流器11、開關12等部分構成，具體結構如圖1所示。風力機1的輸出軸與變速箱2的輸入連接在一起；調速電機3的軸向兩側都有軸引出，一端與變速箱2的輸出連接在一起，另一端與輸出軸4連接；輸出軸4的一端與調速電機3連接，另一端用於與風力機裝置的負載連接；調速電機3的電樞繞組與機側變流器5的一側埠連接在一起；機側變流器5的另一側直流埠與接至直流母線6 ；太陽能-電能轉化裝置7的輸出接至穩壓電路8的輸入端；穩壓電路8的輸出端與直流母線6連接；儲能裝置9經過充放電電路10接至直流母線6 ；網側變流器11的直流端與直流母線6連接在一起，其交流端接至開關12 ；開關12的一側與網側變流器11的交流端連接，另一側接至電網。工作原理風力機1始終運行於最大風能捕捉的工況，根據風力機1輸出的機械轉矩Tm(折算到變速箱2的輸出軸側)和與輸出軸4連接在一起的負載所需要的負載轉矩TL之間的大小關係，本發明提出的利用太陽能發電調速的風力機裝置可運行在以下幾種工作模式下(1)工作模式一。該工作模式適用於風力機1輸出的機械轉矩Tm等於負載所需要的負載轉矩TL，即風力機1捕獲的風能滿足負載所需能量的情況。在該工作模式下，機側變流器5處於截止狀態，調速電機3的電樞繞組開路，調速電機3軸上輸出的電磁轉矩Te為零；風力機1通過變速箱2和輸出軸4帶動負載轉動，風力機1捕獲的風能全部提供給負載； 此時太陽能-電能轉化裝置7轉化的電能通過穩壓電路8送至直流母線6，再由儲能裝置9 通過充放電電路10予以吸收。在該工作模式的運行過程中，可以加入附加工作模式(參見第⑷項)。(2)工作模式二。該工作模式適用於風力機1輸出的機械轉矩Tm大於負載所需要的負載轉矩TL，即風力機1捕獲的風能過多，超出負載所需的能量，或者是負載需要減速、 制動等情況。在該工作模式下，通過調節機側變流器5提供給調節電機3電樞繞組的電壓 (電壓的性質和大小取決於調速電機3的種類和參數等)，使調速電機3處於回饋制動運行狀態，其電磁轉矩Te與機械轉矩Tm方向相反，將部分由風力機1捕獲的風能變成電能，而這部分電能經過調節電機3的電樞繞組、機側變流器5、充放電電路10，最終由儲能裝置9 吸收、存儲。通過對機側變流器5的合理控制，可以實現轉矩平衡，即Tm-Te = TL，進而滿足負載運行的需求。在該工作模式的運行過程中，儲能裝置9在吸收調速電機3回饋的電能的同時，也吸收由太陽能-電能轉化裝置7轉化的電能。在該工作模式的運行過程中，可以加入附加工作模式(參見第(4)項)。(3)工作模式三。該工作模式適用於風力機1輸出的機械轉矩Tm小於負載所需要的負載轉矩TL，即風力機1捕獲的風能不足以滿足負載所需的能量，或者負載需要加速等情況。在該工作模式下，太陽能-電能轉化裝置7轉化的電能傳遞至直流母線6後，再經過機側變流器5的電壓轉換(具體的電壓轉換形式取決於電機的類型和電機的調速需求)送入調速電機3的電樞繞組；調速電機3處於電動機運行狀態，其提供的電磁轉矩Te與機械轉矩Tm同向，共同拖動負載旋轉，通過對機側變流器5的合理控制，可以實現轉矩平衡，即 Tm+Te = TL，進而滿足負載運行的需求。在該工作模式的運行過程中，如果太陽能_電能轉化裝置7轉化的電能在能夠滿足調速電機3的需求前提下，仍有盈餘，則多餘的這些電能由儲能裝置9通過充放電電路10予以吸收；反之如果太陽能-電能轉化裝置7轉化的電能不足以滿足調速電機3的需求時，儲能裝置9通過充放電電路10釋放出部分能量，以補償這部分能量的差值。在該工作模式的運行過程中，可以加入附加工作模式(參見第(4)項)。(4)附加工作模式在本發明提出的風力機裝置的運行過程中(工作模式一至工作模式三中的任意一種狀態)，如果太陽能-電能轉化裝置7和調速電機3 (兩者中的一種， 或同時)提供的電能已經超過儲能裝置9的容量；或者如果電網有功功率不平衡，需要有功補償或吸收時，則控制開關12閉合，網側變流器11處於逆變(向電網提供能量)或整流 (吸收電網的能量)工作狀態，進而實現風力機裝置與電網之間的能量交換。有益效果(1)本發明提出的風力機裝置，可以為負載提供穩定的輸出轉速(輸出軸4的轉速)。當風能與負載所需能量之間出現不平衡時，若風力機裝置的輸出轉速減小，則控制機側變流器5的輸出電壓使調速電機3處於電動運行狀態，將太陽能發出的電能或儲能裝置9 裡的能量轉變為機械能，補償給負載，實現轉速穩定；若風力機裝置的輸出轉速增加，則控制調速電機3處於回饋制動運行狀態，將輸出軸4上多餘的機械能變成電能，再由儲能裝置 9吸收。(2)本發明提出的風力機裝置，在風速(或風能)不變的情況下，可以靈活調節輸出軸4的轉速，進而滿足負載的調速運行需求。當負載需要加速運行時，控制機側變流器5 的輸出電壓使調速電機3處於電動運行狀態，將太陽能發出的電能或儲能裝置9裡的能量轉變為機械能，滿足負載加速的需求；當負載需要減速時，控制調速電機3處於回饋制動運行狀態，將輸出軸4上多餘的機械能變成電能，再由儲能裝置9吸收。由於調節過程完全依靠電氣調節實現，與改變風力機槳距的機械方式相比，其響應速度快、動態特性好。(3)本發明提出的風力機裝置，將太陽能、風能和儲能裝置有機結合，即可以實現輸出互補，又可以實現最大太陽能和風能的轉化。正常運行時，主要由風力機1帶動輸出軸旋轉，將風能轉化成為負載所需的動能，此時太陽能發出的電能由儲能裝置9吸收；當風能的大小與負載的需求不平衡時，則利用太陽能予以補充，或者利用儲能裝置9吸收多餘的風能。(4)本發明提出的風力機裝置，在為負載提供旋轉的機械能的同時，還可以與電網進行能量交換。當網側變流器11處於逆變工作狀態時，風力機裝置將直流母線6上的電能 (包括太陽能轉化的電能、儲能裝置9釋放的電能、調速電機3回饋的電能)向電網輸送； 當網側變流器11處於整流工作狀態時，儲能裝置9通過充放電電路10吸收電網上多餘的電能。因此本發明提出的風力機裝置有助於提高電網的穩定性。(5)由於本發明提出的風力機裝置的轉速(輸出軸4的轉速)可控、可調，當其應用於風力發電系統中，為風力發電機提供原動力時，無論發電機是何種類型(同步發電機、 異步發電機、永磁發電機等)，發電機勵磁是否可控(電勵磁、永磁勵磁等)，在風速變化時， 發電機仍然可以實現恆頻輸出，進而提高風電網的電能品質。風力機1採用各種常規的定槳距風力機或變槳距風力機。
變速箱2採用由齒輪構成的機械傳動裝置。調節電機3採用可運行於電動和發電兩種狀態的直流電機或交流電機。輸出軸4的兩端分別通過聯軸器與調節電機3的轉軸和負載連接。調節電機3為直流電機時，機側變流器5採用雙向DC/DC變換電路，例如 Buck-Boost ；調節電機3為交流電機時，機側變流器5採用能量能夠雙向流動的AC/DC變換電路，例如利用IGBT、MOSFET等半導體器件構成的三相半橋式電路。直流母線6可採用銅排、電纜線等構成。太陽能-電能轉化裝置7採用太陽能電池構成。穩壓電路8可採用Buck或Boost電路結構。儲能裝置9採用超級電容器組，或者蓄電池組、飛輪儲能裝置等。充放電電路10採用雙向DC/DC變換電路，例如雙向Buck電路。網側變流器11採用能量能夠雙向流動的AC/DC變換電路，例如利用IGBT、M0SFET 等半導體器件構成的三相半橋式電路。開關12採用可控機械式開關，例如接觸器。風力機1將風能轉化為旋轉的機械能，通過變速箱2驅動與負載連接的輸出軸4 轉動，進而將能量傳遞給負載，當風能不足或過剩時，通過改變調速電機3的運行方式，以及利用太陽能_電能轉化裝置7輸出的電能和儲能裝置9的充放電控制，可以實現對輸出軸4上的轉速控制和調節，進而滿足負載運行的需求。根據風力機1輸出的機械轉矩Tm和負載所需要的負載轉矩TL之間的大小關係，本發明提出的利用太陽能調速運行的風力機裝置可運行在工作模式一至工作模式三，以及附加工作模式下。實施方式2:在實施方式1的基礎上，取消變速箱2部件，風力機1直接與調速電機3的一側軸
端連接在一起。
權利要求
1.利用太陽能調速運行的風力機裝置，其特徵是包括風力機、調速電機、輸出軸、機側變流器、直流母線、太陽能-電能轉化裝置、穩壓電路、儲能裝置、充放電電路、網側變流器、開關，調速電機一端與風力機相連、另一端與輸出軸相連，機側變流器的一端與調速電機的電樞繞組相連、另一端與直流母線相連，太陽能-電能轉化裝置連接穩壓電路的輸入端，穩壓電路的輸出端與直流母線相連，儲能裝置經過充放電電路連接直流母線，網側交流器的直流端與直流母線連接在一起，網側交流器的交流端連接開關，開關還連接電網。
2.根據權利要求1所述的利用太陽能調速運行的風力機裝置，其特徵是所述的風力機和調速電機之間安裝變速箱。
全文摘要
本發明的目的在於提供利用太陽能調速運行的風力機裝置，其特徵是包括風力機、調速電機、輸出軸、機側變流器、直流母線、太陽能-電能轉化裝置、穩壓電路、儲能裝置、充放電電路、網側變流器、開關，調速電機一端與風力機相連、另一端與輸出軸相連，機側變流器的一端與調速電機的電樞繞組相連、另一端與直流母線相連，太陽能-電能轉化裝置連接穩壓電路的輸入端，穩壓電路的輸出端與直流母線相連，儲能裝置經過充放電電路連接直流母線，網側交流器的直流端與直流母線連接在一起，網側交流器的交流端連接開關，開關還連接電網。本發明響應速度快、動態特性好，有助於提高電網的穩定性。
文檔編號F03D7/02GK102182632SQ20111012741
公開日2011年9月14日 申請日期2011年5月17日 優先權日2011年5月17日
發明者劉宏達, 張強, 張敬南, 張文義, 畢洪大, 程鵬, 趙凱岐 申請人:哈爾濱工程大學