[实用新型]用于并网风力发电机组传动的自适应调速机构

说明书

技术领域

本实用新型属于可再生、清洁能源的风电开发设备领域。特别涉及一种用于并网风力发电机组传动的自适应调速机构。具体说，该自适应调速机构能够自动适应风电机组风轮的时变转速，可实现以恒定转速驱动机组的同步发电机的变速恒频风力发电系统。

背景技术

风电作为目前可再生能源中最具规模开发和商业化发展前景的发电方式，在世界各国得到广泛开发和利用。并网运行的风力发电系统，是国内外风力发电的主要发展方向。中国电力企业联合会公布的数据显示，截至2008年底，风电装机容量只占到全国电力总装机容量的1.13% ，而发电量占0.37%，预计到2020年，总装机容量达2000万千瓦，占发电量的1%。

风电机组并网发电运行的基本要求之一，是要求机组产生的电能频率与电网频率保持一致。一般而论，根据机组的风轮运行转速变化与否，并网型风力发电系统主要分为恒速恒频和变速恒频两种形式。

相对于恒速恒频风电系统较低的风能利用率，变速恒频风电系统在时变的风速下，实时控制风轮转速以保持近乎恒定的最佳叶尖速比，从而达到较高的风能利用率。主要采用双馈风电机组和永磁直驱风电机组，至今已逐渐发展成风力发电系统的主流机型。

双馈风电机组采用双馈异步发电机，转子通过较小功率的变频器与电网连接，定子发出电能直接馈入电网，在超同步运行状态下，转子也同样发出电能，通过变频器馈入电网。永磁直驱同步发电机定子通过全功率变频器与电网连接，定子发出电能，电能经过变频器整流-逆变后馈入电网。可见，两类风电机组发出的电流都会经过变频器的整流-逆变环节，产生谐波电流，这些谐波电流注入电力系统后，会引起电网电压畸变，降低了电能质量。

随着风电并网容量在电网中所占比例的剧增，以机组解列应对电网故障的方法已不再适用。因此，已有多国的风电并网都对风电场提出了低电压穿越能力要求，即在规定的故障及电网电压跌落期间，保证一定时间范围内风电机组能够连续运行而不脱离电网，并向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复电压。 

双馈异步发电机定子与电网直接耦合，所以电网电压的跌落直接反映在发电机定子端电压上，导致定子磁链出现直流成分，不对称故障时还会出现负序分量。定子磁链的直流成分和负序分量在转子电路中感生出较大的转子电势并产生较大的转子电流，导致转子电路中电压和电流大幅增加和变流器直流侧母线的过电压，变频器就会因为过电流而自动退出运行，从而发电机无法控制励磁电流而失去对电磁转矩的控制，此时发电机从电网吸收大量无功功率，阻碍电网电压的回复。现有的解决方案一般采用增加撬棒电路和储能系统以及采用新的控制策略，但这样增加了制造成本和控制难度，且撬棒电路的投切时间设定尚需进一步研究；目前针对控制策略的研究大多在电网对称故障下进行，实际应用中的不对称故障下的控制策略研究还需继续研究。

永磁同步发电机定子经变频器与电网相接，发电机和电网不直接耦合。电网电压的跌落会导致电网节点功率的减小，而发电机的输出功率瞬时不变，显然功率不匹配将导致变频器直流母线电压上升，威胁到电力电子器件安全。一般采用增设储能系统和提高电力电子器件额定值，这样势必会增加制造成本并且器件额定值的提高是有限度的。由于发电机功率大部分被储能保护设备吸收，所以变频器只能控制机组输出少量的无功电流，对电网电压恢复起到有限的作用。

综上所述，电网出现故障时，上述机组被动地附加储能设备防止变频器被过电压、过电流损害，增加了成本和控制难度，且上述机组支持电网电压恢复的能力有待继续提高。为从根本上提高风电电能质量、增强风电机组低电压穿越能力，国内外开始研究一种无需变频器的电网友好型同步风力发电机组。这类机组在变速运行的风轮与同步发电机之间设置变速系统，使得输入同步发电机的转速恒定，无需变频器即可实现恒频发电。在电网故障、电压跌落时，能够通过强励使同步发电机向电网输出无功功率支持电网电压恢复，大大提高机组的低电压穿越能力。

专利号为200710105286.X的专利文件提出一种机液混合调速传动的风电系统，在发电机前端将功率分流传动装置（差动轮系）与液压变速器（液力变矩器）叠加，风轮通过增速装置驱动差动轮系行星架，太阳轮驱动液力变矩器的泵轮，涡轮通过齿轮传动驱动齿圈旋转，通过实时控制变矩器导叶开度以调节涡轮输出转速，使齿圈转速按某一规律响应风轮转速的变化，差动轮系太阳轮满足输出转速恒定，从而使发电机输入转速恒定。