[发明专利]带单极直流电磁传动机的风力发电系统

说明书

一种风力发电系统，采用单极直流电磁传动机(HET)作为无级变速变矩传动设备，HET或者直接连接风轮与发电机，或者在风轮与HET之间配置增速齿轮箱，风轮可用水平轴式或竖轴式，水平轴式风轮可用定桨距叶片或变桨距叶片，发电机可用常规的、恒速运行同步发电机或异步发电机。系统运行主要由HET调节控制，常规运行工况风轮保持最佳叶尖速比变转速运转。优点在于：实现两端转速自由不受限的无级变速变距传动功能；柔性传动连接隔离了冲击载荷的双向传递；获取最大可能的风能捕获效率；供电品质高；HET的效率较高，成本较低，不产生电磁噪声和谐波，电磁干扰小。

所属技术领域

本发明涉及一种风力发电系统，特别是带有无级变速传动的风力发电系统。

背景技术

风力发电系统的源头是吸收风能的风轮，后端具有发电机，前者的转速很低，二者之间通常采用一台增速齿轮箱连接，也有直联风轮和发电机的所谓“直驱”方案(发电机尺寸和重量很大，未见推广应用)。风轮具有水平轴式和竖轴式，普遍应用水平轴式，并大多采用三个叶片和翼型叶型，其叶根具有以叶身径向中心线为中心轴线转动的结构的叶片称为“变桨距(角)”叶片，无此转动结构的叶片称为“固定桨距(角)”叶片，这两种叶片均有应用。

单位时间流过单位迎风面积的风能(动能)等于空气密度与风速三次方乘积的二分之一，风轮能够捕获的风能只是该全部风能的一部分，即需要乘一个风能利用系数Cp，Cp有一个理论极限值16/27(Betz极限，约为0.593)，实际情况下的Cp值低于Betz极限，典型的现代三叶片水平轴式风轮的Cp最大值约为0.47，并且Cp最大值仅是在相对应的最佳叶尖速比(叶尖速比即叶片顶部旋转线速度与风速之比)条件下出现的峰值，大于或小于最佳叶尖速比均使Cp值降低。从最大限度捕获风能角度考虑，在对应设计/额定功率的设计风速以下的风速范围内，水平轴式风轮运转应始终保持处于最佳叶尖速比状态下，即风轮转速应跟随风速正比例线性变化，维持叶尖速比在最佳值上。风轮变速运转具有以下优点：为始终保持最佳叶尖速比、最大效率运行提供了条件；低风速时低转速运行，叶片不产生相对环境噪声过高的空气动力学噪声；转速相对自由的风轮能够作为大惯量飞轮临时吸收阵风带来的能量脉动和叶片掠过塔身时形成的力矩脉动，避免产生对后端传动系和发电机的过大力矩冲击。

目前的水平轴式风轮运转具有三种方案：恒速、双速和变速。风轮恒速(或近似恒速) 运转方案有利于发电机以固定频率发电，多采用异步发电机，具有较简单的结构，但是其风能捕获效率较低。双速方案采用双速异步发电机，改进了恒速方案的风能捕获效率。变速方案实际应用变频原理，在发电机与电网之间增设有变频器，发电机和风轮可以变转速运转，发电机输出的变化频率的交流电经整流和逆变为工频交流电输送至电网，这种变频变速有两种方法：“宽带”变速和“窄带”变速，“宽带”变速情形为，发电机定子通过变频器连接至电网，允许发电机(和风轮)带载从零变到额定转速，但所有功率输出必须通过变频器，“窄带”变速情形为，发电机定子和转子都连接至电网，定子直接与电网相连，转子通过滑环和变频器连接至电网，所需的变频器容量较小，但变速范围较窄，一般从约50％转速至额定转速，这种发电机称为“双馈异步发电机”，是应用较多的主流技术。变速方案也有对采用机械无级变速器等其他途径的研究，但未见有实际应用，主要是因为在诸多方面存在严重缺点。

在设计风速以上的风速直至切出风速的范围内，对风轮采取功率限制调节措施，通常控制不超过额定功率，控制的方法主要有：对“固定桨距”叶片使用失速调节方法，结构简单，但在风速的绝大部分范围内低于额定功率，因气流在叶片背弧失速引起运行不稳定、能量脉动、性能规律性差，对风轮和塔架的气动推力负荷大；“变桨距”叶片的变桨距角调节方法，风速变动时相应地改变叶片安装角，可实现全范围内等于额定功率，在及时降低风能利用系数Cp值的同时，叶片保持不失速稳定流动，气动推力也较小，缺点是增加比较复杂的变桨距角调节机构，并要求对阵风的响应需足够快。功率限制的其他方法有：“变桨距”叶片转到加大失速趋势方位的“主动失速控制”方法，利用对风偏航驱动机构进行的“偏航控制”方法。也有功率限制的“被动变桨距控制”方法的研究。