[发明专利]一种风力发电装置

说明书

技术领域

本发明涉及风力发电设备，特别涉及风力发电系统中实现变风速输入恒频率输出的设备。

背景技术

随着全社会对能源和环境问题的关注，可再生能源的开发和利用正呈现出加速发展的趋势，风能是世界上广泛存在并为人们所掌握的技术最为成熟的可再生能源之一。目前主流的风力发电系统为双馈电机和直驱系统，双馈发电系统的定子直接与电网相连，通过调节转子绕组中的滑差功率实现调速，因此转子绕组需要一套大功率的逆变器进行供电，同时转子上的滑环和电刷可靠性与寿命不高，需要定期维护；直驱系统取消了风力机到发电机的升速齿轮，但是直驱发电机工作转速低，发电机需要采用较大的定转子直径和较多的极对数，给发电机的设计和制造增加了难度。同时由于风能具有随机性，忽大忽小，当风速小于额定风速时，风轮可以最大限度地吸收风能，而当风速高于某一限值时，为了保持发电机输出频率恒定，采用调节风叶桨距使风轮失速，致使风能不能被充分利用。为了解决上述问题，专利200710019236.X、200720033191.7、200810100747.9、200820116054.4提出了电气无级变速的风力发电机组，通过双机械端口电机将速度变化的风能转化为电能和恒频率输出的机械能。但是这种电机结构复杂、加工制造困难，同时也存在电刷和滑环的维护问题。因此高效、可靠、控制简单的变速恒频率风力发电装置是该领域技术人员长期的追求，而且这种装置不仅限于风力发电系统，同时适合于各种变工况到恒工况的动力传递和转化场合。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种将变速输入的能量转化为恒速输出的风力发电装置。

本发明包括有源无级调速装置和风力发电装置两部分。

本发明的有源无级调速装置至少包括一组行星齿轮、一个调速电机和一个功率变换器，其中行星齿轮包括行星架、外齿圈和太阳轮，功率变换器给调速电机供电。行星齿轮的太阳轮或者行星架与电机的转子固连，通过控制电机来调节太阳轮或者行星架的转速，从而达到在外齿圈转速变化时，行星架或者太阳轮保持在设定的转速运行。行星齿轮的太阳轮、行星架和外齿圈三者之间的转速具有严格的关系，这种关系与太阳轮齿数和外齿圈齿数的比值ρ相关，当ρ固定时，此系统的三个部件具有2个机械旋转自由度，即系统中任何2个部件的旋转速度确定后，第三个部件的速度唯一确定。因此，可以通过调节其中任何一个部件的速度，控制其他两个部件速度的比值，而且此比值可以连续的变化，即实现无级调速。本发明通过连续的控制调速电机转速，控制行星齿轮其中一个部件的转速，从而控制其他两个部件的转速关系，即实现无级调速。由于调速电机可以对行星齿轮系统输入或者输出能量，因此，系统是有源的无级调速。

本发明风力发电装置方案之一：所述风力发电装置包括至少一个风力机、一个行星齿轮，一个调速电机和一个功率变换器，一个发电机。其中行星齿轮包括行星架、外齿圈和太阳轮。风力机通过输入轴与行星齿轮的行星架相连，外齿圈通过输出轴和发电机的转子相连，定子绕组直接与电网相连，太阳轮与调速电机的转子相连，功率变换器的输入与供电电源相接，供电电源可以是蓄电池，也可以是电网。功率变换器的输出与调速电机的定子绕组相连接，同时功率变换器与调速电机之间还有信号线连接，可以进行通讯。调速电机和发电机根据需要可以是永磁电机、异步电机或者其他类型的电机。

工作时，风能通过风力机传递到行星齿轮的行星架上，驱动行星架转动，调速电机通过传感器测量电机的转速等信息，通过信号线反馈给功率变换器，功率变换器根据设定转速和反馈转速的信息给调速电机的定子绕组提供不同频率和电压的交流电，控制调速电机按照设定转速运行，通过调整调速电机转速，保证外齿圈的转速恒定为设定的发电机工作转速。这时，行星齿轮的一部分机械能量传递到行星齿轮的外齿圈，由发电机转化为电能，输入到电网，另一部分能量通过太阳轮传递到调速电机，通过功率变换器输入到电网。

同时，行星架、太阳轮和外齿圈可以通过变速齿轮进行输出，以方便机械设计和电机设计。

本发明风力发电装置方案之二：本发明的风力发电装置包括至少一个风力机、一个行星齿轮，一个调速电机和一个功率变换器，一个发电机。其中行星齿轮包括行星架、外齿圈和太阳轮。风力机通过输入轴与行星齿轮的行星架相连，太阳轮通过输出轴和发电机的转子相连，定子绕组直接与电网相连，外齿圈与调速电机的转子相连，功率变换器的输入与供电电源相接，供电电源可以是蓄电池，也可以是电网，功率变换器的输出与调速电机的定子绕组相连接，同时功率变换器与调速电机之间还有信号线连接，可以进行通讯。调速电机和发电机根据需要可以是永磁电机、异步电机或者其他类型的电机。