基於差速機構自適應調速複合傳動的併網風力發電系統的製作方法

2023-05-11 07:02:06 1

專利名稱：基於差速機構自適應調速複合傳動的併網風力發電系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於可再生、清潔能源的風電開發設備領域。特別涉及一種基於差速機構自適應調速複合傳動的併網風力發電系統。具體說，該系統能夠自動適應風電機組風輪的時變轉速，可實現以恆定轉速驅動機組的同步發電機的變速恆頻風力發電系統。
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。併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，風電裝機容量只佔到全國電力總裝機容量的I. 13%，而發電量佔O. 37%，預計到2020年，總裝機容量達2000萬千瓦，佔發電量的1%。
風電機組併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，併網型風力發電系統主要分為恆速恆頻和變速恆頻兩種形式。相對於恆速恆頻風電系統較低的風能利用率，變速恆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恆定的最佳葉尖速比，從而達到較高的風能利用率。主要採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。雙饋風電機組採用雙饋異步發電機，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-逆變後饋入電網。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後，會引起電網電壓畸變，降低了電能質量。隨著風電併網容量在電網中所佔比例的劇增，以機組解列應對電網故障的方法已不再適用。因此，已有多國的風電併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，保證一定時間範圍內風電機組能夠連續運行而不脫離電網，並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並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，阻礙電網電壓的回覆。現有的解決方案一般採用增加撬棒電路和儲能系統以及採用新的控制策略，但這樣增加了製造成本和控制難度，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。一般採用增設儲能系統和提高電力電子器件額定值，這樣勢必會增加製造成本並且器件額定值的提高是有限度的。由於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恆定，無需變頻器即可實現恆頻發電。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恆定，從而使發電機輸入轉速恆定。專利號201110039734. 7的專利文件提出一種可變速比風電增速箱，固定速比風電增速箱的輸出軸經平行軸齒輪傳動機構連接一級行星差動調速機構，行星差動調速機構包括差動輪系和調速驅動裝置，差動輪系將調速轉速與增速箱輸出轉速合成後輸出恆定轉速輸入同步發電機。其調速驅動裝置採用能輸出連續變轉速驅動動力的變量泵或者調速電機。綜上所述，包括專利號200510022771. 1，專利號201010602586. O等一系列專利提
出的變速恆頻傳動方案，均需要採集轉速信號，並通過控制系統實時改變無級調速驅動裝置的調速轉速，使傳動系統輸出轉速恆定。如果採用調速電機作為調速驅動裝置，甚至還需要附加變頻器。上述的專利方案的實施，均需複雜的無級變速驅動裝置和實時控制調速策略的支持，其可靠性和成本尚需進一步研究。

發明內容
本發明的目的是提供一種基於差速機構自適應調速複合傳動的併網風力發電系統；其特徵在於，利用差速器將風輪時變調速轉速和小功率恆轉速驅動裝置提供的恆定轉速耦合形成轉速調節系統使輸出轉速恆定；所述基於差速機構自適應調速複合傳動的併網風力發電系統，包括風輪I、固定速比增速箱3、平行軸齒輪分流傳動箱30、差速器變速箱21和一個小功率恆轉速驅動裝置18以及同步發電機17;風輪I與固定速比增速箱的低速輸入軸2、固定速比增速箱3、高速輸出軸4、第一聯軸器5、平行軸齒輪分流傳動箱的輸入軸31、平行軸齒輪分流傳動箱30、平行軸齒輪分流傳動箱的主輸出軸7、第二聯軸器8、差速器變速箱的主輸入軸9、差速器變速箱21、差速器變速箱輸出軸14、第三聯軸器15及同步發電機17的轉動軸16串聯連接。在差速器變速箱21上部，差速器變速箱的主輸入軸9與差動輪系行星架10固定連接；差動輪系行星架10分別與第一差動輪系太陽輪12和第二差動輪系太陽輪13連接；第一差動輪系太陽輪12差動輪系齒圈11連接；差動輪系太陽輪13與差速器變速箱輸出軸14固定連接；在差速器變速箱21下部，差動輪系行星架10與差速器殼體23連接，差速器殼體23內對稱布置第一錐齒輪22和第二錐齒輪25，各錐齒輪間通過錐齒輪軸24連接。所述平行軸齒輪分流傳動箱30的輔輸出軸28通過第四聯軸器27連接差速器變速箱輸入軸26，差速器變速箱輸入軸26與差速器殼體23內左邊的錐齒輪軸24連接，差速 器殼體(23)內右邊的錐齒輪軸24通過差速器變速箱輔輸入軸20、第五聯軸器19與小功率恆轉速驅動裝置18連接；差速器殼體23的外齒與差動輪系齒圈11的外齒B齒合。所述平行軸齒輪分流傳動箱30內以中齒輪32為中心，通過分流傳動軸33對稱固定上齒輪6和下齒輪29。所述同步發電機17的電源線連接到輸電線上。所述差速器將平行軸齒輪分流傳動箱輔輸出軸28的時變轉速與小功率恆轉速驅動裝置18的預設恆定輸入轉速合成為自動適應風輪轉速變化的時變調速轉速；該時變調速轉速調節差動輪系太陽輪13的輸出轉速達到恆定；從而驅動同步發電機17以恆定轉速工作。本發明的有益效果為本發明基於差速機構、採用雙自由度複合傳動無級調速、能夠自動適應風輪的時變轉速、輸出恆定轉速驅動同步發電機的併網型風電機組的傳動系統。不需要無級變速驅動裝置，例如調速電機、液力耦合器等；不需要轉速信號採集、處理系統，也不需要實時控制調節無級變速驅動裝置的輸出轉速。大大降低了控制難度和成本，簡化了系統結構和控制策略，提高了調速傳動系統的效率和運行可靠性。所述系統不使用變頻器，即沒有整流-逆變環節，從而基本消除了諧波源，提高了電能質量；由於沒有變頻器，所以在電網電壓跌落時，也不需附加保護電路或者儲能裝置來保護變頻器，降低了成本和控制難度；包括變頻器在內的電力電子設備故障率較高且價格高，不採用變頻器可大大提高了系統的可靠性，降低了機組成本。本發明採用的同步發電機能持續運行在額定轉速，同步發電機效率高、頻率穩定、功率因數可調，具有獨立的勵磁系統，在故障檢測、運行維護等方面技術成熟，具有良好的工業基礎；電網發生故障，電壓跌落，勵磁系統迅速增大勵磁電流，使同步發電機運行在強勵狀態，發電機向電網輸出滯後的無功功率，支持電網電壓恢復。同步發電機成熟的有功、無功功率調節技術使得風電機組併網運行體現出優異的低電壓穿越能力。


圖I為基於差速機構自適應調速複合傳動的併網風力發電系統結構示意圖；圖2為所述風力發電系統的功率分、匯流示意圖。
具體實施例方式本發明提供了一種基於差速機構自適應調速複合傳動的併網風力發電系統，下面結合附圖和具體實施方式
對本發明做進一步說明。在圖I中風輪I與固定速比增速箱3的低速輸入軸2固定連接，風輪傳遞的總功率為P1;固定速比增速箱3的高速輸出軸4通過第一聯軸器5傳遞總功率P1至平行軸齒輪分流傳動箱30的輸入軸31，輸入軸31的轉速為n31 ;總功率P1經平行軸齒輪分流傳動箱30分流為主功率P2和分流功率P3，P1=P^P3O (如圖2所示)平行軸齒輪分流傳動箱30的主輸出軸7通過第二聯軸器8傳遞主功率P2至差速器變速箱21的主輸入軸9，主輸入軸9的轉速與主輸出軸7轉速相等為n9，輸入軸31、上齒輪6、主輸出軸7三者固定連接，所以轉速相等，n31=n9。平行軸齒輪分流傳動箱30的輔輸出軸28轉速經過傳動箱內部齒輪變速後轉速為 如=、· η3ι(I)注其中I1是平行軸齒輪分流傳動箱的輔輸出軸28和平行軸齒輪分流傳動箱的 輸入軸31之間的傳動比平行軸齒輪分流傳動箱的輔輸出軸28通過第四聯軸器27傳遞分流功率P3至差速器變速箱輸入軸26，輔輸出軸28和輸入軸26的轉速相等為n28。小功率恆轉速驅動裝置18通過第五聯軸器19傳遞恆速源功率P4至差速器變速箱輔輸入軸20，輔輸入軸20轉速恆為n2(l。差速器變速箱的輸入軸26與第二錐齒輪25固定連接，轉速均等於n28 ;差速器變速箱的輔輸入軸20與第一錐齒輪22固定連接，轉速均為n2(l。差速器將差速器變速箱輸入軸26上的分流功率P3和輔輸入軸20上的恆速驅動裝置功率P4耦合後形成調速功率P5傳遞至差速器殼體23，滿足P5=P3+P4 ;差速殼體轉速滿足2n23=n28+n20(2)注n28為輸入軸26的時變轉速，n20為輔輸入軸20的恆定轉速。差速器殼體23通過外齒嚙合將調速功率P5傳遞至差動輪系齒圈11，差速器殼體23的轉速n23作為調速轉速驅動差動輪系齒圈11旋轉，差動輪系齒圈11轉速滿足nn=i2 · n23(3)注其中i2是差速器殼體23和差動輪系齒圈11之間的外齒哨合傳動比差速器變速箱的主輸入軸9與差動輪系行星架10固定連接，轉速均為n9，差動輪系行星架10上傳遞的功率為主功率P2。差動輪系將行星架10上的主功率P2和差動輪系齒圈11上的調速功率P5耦合後形成輸出功率P6傳遞至太陽輪13，滿足P6=P2+P5 ;根據差動輪系轉速關係得太陽輪13轉速滿足n13=(l+k) · n9_k · nn ；(4)注k為差速器變速箱中差動輪系的特徵參數預先設定系統結構參數滿足以下(5 )、( 6 )兩式預先設定傳動比I1 :
.2(1 + k)i2h = ~J--, _、
kCo)
預先選擇同步發電機的額定轉速η H步為η肖步=1500r/min或者η肖步=3000r/min,並預先設定小功率恆轉速驅動裝置18的恆定轉速
權利要求
1.一種基於差速機構自適應調速複合傳動的併網風カ發電系統；其特徵在於，利用差速器將風輪時變調速轉速和小功率恆轉速轉置提供的恆定轉速耦合形成轉速調節系統使輸出轉速恆定； 所述基於差速機構自適應調速複合傳動的併網風カ發電系統，包括風輪(I)、固定速比增速箱(3)、平行軸齒輪分流傳動箱(30)、差速器變速箱(21)和一個小功率恆轉速驅動裝置(18)以及同步發電機(17);其中，風輪(I)與固定速比增速箱的低速輸入軸(2 )、固定速比增速箱(3)、高速輸出軸(4)、第一聯軸器(5)、平行軸齒輪分流傳動箱的輸入軸(31)、平行軸齒輪分流傳動箱(30)、平行軸齒輪分流傳動箱的主輸出軸(7)第二聯軸器(8)、差速器變速箱的主輸入軸(9)、差速器變速箱(21)、差速器變速箱輸出軸(14)、第三聯軸器(15)及同步發電機(17)的轉動軸(16)串聯連接。
在差速器變速箱(21)上部，差速器變速箱的主輸入軸(9)與差動輪系行星架(10)固定連接；差動輪系行星架(10)分別與第一差動輪系太陽輪(12)和第二差動輪系太陽輪(13)連接；第一差動輪系太陽輪(12)差動輪系齒圈(11)連接；差動輪系太陽輪(13)與差速器變速箱輸出軸(14)固定連接；在差速器變速箱(21)下部，差動輪系行星架(10)與差速器殼 體(23 )連接，差速器殼體(23 )內對稱布置第一錐齒輪(22 )和第二錐齒輪(25 )，各錐齒輪間通過錐齒輪軸(24)連接。
2.根據權利要求I所述基於差速機構自適應調速複合傳動的併網風カ發電系統；其特徵在於，所述平行軸齒輪分流傳動箱(30)的輔輸出軸(28)通過第四聯軸器(27)連接差速器變速箱輸入軸(26)，差速器變速箱輸入軸(26)與差速器殼體(23)內左邊的錐齒輪軸(24)連接，差速器殼體(23)內右邊的錐齒輪軸(24)通過差速器變速箱輔輸入軸(20)、第五聯軸器(19)與小功率恆轉速驅動裝置(18)連接；
3.根據權利要求I所述基於差速機構自適應調速複合傳動的併網風カ發電系統；其特徵在於，所述差速器殼體(23)的外齒與差動輪系齒圈(11)的外齒哨合。
4.根據權利要求I所述基於差速機構自適應調速複合傳動的併網風カ發電系統；其特徵在於，所述平行軸齒輪分流傳動箱(30)內以中齒輪(32)為中心，通過分流傳動軸(33)對稱固定上齒輪(6)和下齒輪(29)。
5.根據權利要求I所述基於差速機構自適應調速複合傳動的併網風カ發電系統；其特徵在於，所述同步發電機(17)的電源線連接到輸電線上。
6.根據權利要求I所述基於差速機構自適應調速複合傳動的併網風カ發電系統；其特徵在於，所述差速器將平行軸齒輪分流傳動箱輔輸出軸(28)的時變轉速與小功率恆轉速驅動裝置(18)的預設恆定輸入轉速合成為自動適應風輪轉速變化的時變調速轉速；該時變調速轉速調節差動輪系太陽輪(13)的輸出轉速達到恆定；從而驅動同步發電機(17)以恆定轉速工作。
全文摘要
本發明公開了屬於可再生、清潔能源的風電開發設備領域的一種基於差速機構自適應調速複合傳動的併網風力發電系統。該風力發電系統包括風輪、固定速比增速箱、平行軸齒輪分流傳動箱、差速器變速箱和一個小功率恆轉速驅動裝置以及同步發電機；本發明利用差速器將風輪時變調速轉速和小功率恆轉速轉置提供的恆定轉速耦合形成轉速調節系統使輸出轉速恆定；所述系統無需變速驅動裝置和實時控制調速策略即可自動適應風輪的時變轉速，將風輪時變轉速轉化為恆定轉速輸入同步發電機，從而使同步發電機運行在額定轉速。大大降低了控制難度和成本，簡化了系統結構和控制策略，提高了調速傳動系統的效率和運行可靠性。
文檔編號F03D11/02GK102852726SQ201210313409
公開日2013年1月2日 申請日期2012年8月29日 優先權日2012年8月29日
發明者芮曉明, 蘇睿, 武鑫, 鄭輝, 張穆永 申請人:華北電力大學