專利名稱：半直驅(qū)全功率風(fēng)力發(fā)電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
半直驅(qū)全功率風(fēng)力發(fā)電裝置技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實(shí)用新型涉及電力領(lǐng)域，具體而言，涉及一種半直驅(qū)全功率風(fēng)力發(fā)電裝置。
技術(shù)背景[0002]傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電磁機(jī)械系統(tǒng)通常包含三個(gè)主要部分葉片、增速箱和發(fā) 電機(jī)。葉片轉(zhuǎn)速通常都設(shè)計(jì)在20 30r/min，而傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1000 1500r/ min,這就意味著葉片和發(fā)電機(jī)之間必須用增速齒輪箱來聯(lián)接。然而，大變比的增速齒輪 箱將導(dǎo)致增加機(jī)組的重量、產(chǎn)生噪音、需要定期維護(hù)以及增加損耗等缺點(diǎn)。因此，無齒 輪箱的直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組也逐漸引起了人們的關(guān)注。[0003]直驅(qū)系統(tǒng)與雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)類似，只是所采用的發(fā)電機(jī)為永磁式發(fā) 電機(jī)，轉(zhuǎn)子為永磁式結(jié)構(gòu)，無需外部提供勵(lì)磁電源，也不需要滑環(huán)碳刷，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單技術(shù) 可靠，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行影響小，提高了效率。其變速恒頻控制在定子電路實(shí)現(xiàn)，因此變頻器 的容量與系統(tǒng)的額定容量相同。該方案的優(yōu)點(diǎn)是采用永磁發(fā)電機(jī)可以做到葉片與發(fā)電 機(jī)的直接耦合，省去齒輪箱，即為直接驅(qū)動(dòng)式結(jié)構(gòu)，這樣可大大減小系統(tǒng)運(yùn)行噪聲，提 高可靠性；其主要缺點(diǎn)是盡管實(shí)現(xiàn)了直接耦合，但是大功率永磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速很低，使 發(fā)電機(jī)體積大、成本高、制造工藝難度大，而且重量過大造成吊裝困難，特別是海上風(fēng) 電技術(shù)的興起，因此可以結(jié)合傳統(tǒng)風(fēng)電系統(tǒng)和直驅(qū)系統(tǒng)的技術(shù)，利用低速齒輪箱和中速 永磁電機(jī)代替原有的高速齒輪箱和低速永磁電機(jī)。[0004]基于雙PWM的全功率變流器技術(shù)已經(jīng)成熟，可廣泛應(yīng)用于各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的風(fēng)力 發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)中。[0005]然而，由于現(xiàn)有技術(shù)中電力系統(tǒng)的低電壓穿越(Low Voltage RideThrough， LVRT)能力較差，當(dāng)電力系統(tǒng)中風(fēng)電裝機(jī)容量比例較大時(shí)，電力系統(tǒng)故障導(dǎo)致電壓跌落 后，風(fēng)電場(chǎng)切除會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。實(shí)用新型內(nèi)容[0006]本實(shí)用新型用于提供一種半直驅(qū)全功率風(fēng)力發(fā)電裝置，以提高電力系統(tǒng)的低電 壓穿越能力，增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。[0007]本實(shí)用新型提供了一種半直驅(qū)全功率風(fēng)力發(fā)電裝置，包括葉片、低速齒輪 箱、中速永磁發(fā)電機(jī)、全功率變流器、并網(wǎng)變壓器，其中，葉片通過軸與低速齒輪箱相 連接；低速齒輪箱通過聯(lián)軸器與中速永磁發(fā)電機(jī)相連接；全功率變流器將中速永磁發(fā)電 機(jī)輸出的交流電轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)的相位和頻率一致的交流電；并網(wǎng)變壓器將全功率變流器 輸出的交流電升壓后接入電網(wǎng)。[0008]進(jìn)一步地，上述半直驅(qū)全功率風(fēng)力發(fā)電裝置中還包括控制系統(tǒng)，其包括主 控制單元以及分別與其相連接的偏航和槳距角控制單元、變流器控制單元和并網(wǎng)控制單 元，其中，主控制單元采集風(fēng)向、風(fēng)速、葉片的轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)電壓，并對(duì)其進(jìn)行處理生成 控制命令；偏航和槳距角控制單元與葉片相連接，并根據(jù)主控制單元的控制命令調(diào)整葉片的迎風(fēng)角和節(jié)距角；變流器控制單元分別與全功率變流器和中速永磁發(fā)電機(jī)相連接， 根據(jù)主控制單元的控制命令控制全功率變流器將中速永磁發(fā)電機(jī)輸出的交流電轉(zhuǎn)換為與 電網(wǎng)的相位和頻率一致的交流電，并控制中速永磁發(fā)電機(jī)的輸出功率；并網(wǎng)控制單元與 并網(wǎng)變壓器相連接。[0009]進(jìn)一步地，上述偏航和槳距角控制單元還包括解繞部分，根據(jù)主控制單元的 控制命令對(duì)多次纏繞的電纜進(jìn)行解繞。[0010]進(jìn)一步地，上述半直驅(qū)全功率風(fēng)力發(fā)電裝置中還包括保護(hù)系統(tǒng)，其包括相連 接的參數(shù)采集單元和繼電保護(hù)單元，其中，參數(shù)采集單元分別采集中速永磁發(fā)電機(jī)的輸 出電壓和電流、全功率變流器中直流母線的電壓、全功率變流器網(wǎng)側(cè)的電壓和電流以及 電網(wǎng)的電壓、頻率和相位；繼電保護(hù)單元，將參數(shù)采集單元采集到的各項(xiàng)參數(shù)與設(shè)定的 極限值進(jìn)行比較，當(dāng)各項(xiàng)參數(shù)中的任一項(xiàng)超過其對(duì)應(yīng)的極限值時(shí)，停止風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行。[0011]本實(shí)施例采用全功率技術(shù)，可以較好地滿足低電壓穿越的要求，減少對(duì)電網(wǎng)的 沖擊，保證系統(tǒng)發(fā)生故障后風(fēng)電機(jī)組不間斷并網(wǎng)運(yùn)行，克服了現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題。


[0012]為了更清楚地說明本實(shí)用新型實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施 例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖 僅僅是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng) 性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。[0013]圖1是根據(jù)本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的半直驅(qū)全功率風(fēng)力發(fā)電裝置示意圖。
具體實(shí)施方式
[0014]下面將結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn) 行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是 全部的實(shí)施例?；诒緦?shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有付出創(chuàng)造性勞 動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。[0015]圖1是根據(jù)本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的半直驅(qū)全功率風(fēng)力發(fā)電裝置示意圖。該裝 置包括葉片、低速齒輪箱、中速永磁發(fā)電機(jī)、全功率變流器、并網(wǎng)變壓器(圖中未示 出)，其中，葉片通過軸與低速齒輪箱相連接；低速齒輪箱通過聯(lián)軸器與中速永磁發(fā)電 機(jī)相連接；全功率變流器將中速永磁發(fā)電機(jī)輸出的交流電轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)的相位和頻率一 致的交流電；并網(wǎng)變壓器將全功率變流器輸出的交流電升壓后接入電網(wǎng)。[0016]該裝置工作原理如下風(fēng)以一定的速度和攻角作用在風(fēng)力機(jī)的葉片上，使風(fēng) 力機(jī)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩從而轉(zhuǎn)動(dòng)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，風(fēng)力機(jī)帶動(dòng)與其同軸相連低速齒輪 箱，齒輪箱通過聯(lián)軸器帶動(dòng)永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，發(fā)出隨風(fēng)速的 變化幅值和頻率都變化的交流電。發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電是不能直接并上電網(wǎng)的，需要經(jīng) 過變流裝置將變壓變頻的交流電轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)相位、頻率一致的交流電然后通過升壓變 壓器接入電網(wǎng)。[0017]本實(shí)施例采用全功率技術(shù)，可以較好地滿足低電壓穿越的要求，減少對(duì)電網(wǎng)的 沖擊，保證系統(tǒng)發(fā)生故障后風(fēng)電機(jī)組不間斷并網(wǎng)運(yùn)行；該裝置集成了低速齒輪箱，尺寸4較小，維護(hù)量小；主流直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)不帶有齒輪箱，因此發(fā)電機(jī)采用低速永磁電機(jī)，但 低速永磁電機(jī)通常極對(duì)數(shù)多、大轉(zhuǎn)矩、徑向尺寸較大，軸向尺寸較小，使得發(fā)電機(jī)體積 龐大；而中速永磁發(fā)電機(jī)重量相對(duì)較輕，體積較小，通過聯(lián)軸器與低俗齒輪箱連接，可 以提高發(fā)電機(jī)的工作性能；同時(shí)永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不帶滑環(huán)和電刷，降低了風(fēng)機(jī)的故 障率，節(jié)約制造與維護(hù)成本。[0018]本實(shí)用新型實(shí)施例中對(duì)半直驅(qū)全功率風(fēng)力發(fā)電裝置的功率不加限定，例如可以 為 3MW。[0019]進(jìn)一步地，上述半直驅(qū)全功率風(fēng)力發(fā)電裝置中還包括控制系統(tǒng)，其包括主 控制單元以及分別與其相連接的偏航和槳距角控制單元、變流器控制單元和并網(wǎng)控制單 元，其中，主控制單元采集風(fēng)向、風(fēng)速、葉片的轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)電壓，并對(duì)其進(jìn)行處理生成 控制命令；偏航和槳距角控制單元與葉片相連接，并根據(jù)主控制單元的控制命令調(diào)整葉 片的迎風(fēng)角和節(jié)距角；變流器控制單元分別與全功率變流器和中速永磁發(fā)電機(jī)相連接， 根據(jù)主控制單元的控制命令控制全功率變流器將中速永磁發(fā)電機(jī)輸出的交流電轉(zhuǎn)換為與 電網(wǎng)的相位和頻率一致的交流電，并控制中速永磁發(fā)電機(jī)的輸出功率；并網(wǎng)控制單元與 并網(wǎng)變壓器相連接。[0020]偏航和槳距角控制單元負(fù)責(zé)調(diào)整風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的迎風(fēng)角和葉片的節(jié)距角，當(dāng)風(fēng) 速過高，超過系統(tǒng)的額定功率時(shí)，變槳距系統(tǒng)調(diào)節(jié)槳葉節(jié)距角，使風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速下降， 將功率控制在額定功率以下；當(dāng)風(fēng)向變化時(shí)，偏航系統(tǒng)可以跟蹤風(fēng)向，使機(jī)組始終迎風(fēng) 工作；變流器控制單元用來對(duì)發(fā)電機(jī)輸出的電能進(jìn)行控制，將發(fā)電機(jī)發(fā)出的變壓變頻的 電能轉(zhuǎn)變?yōu)楹銐汉泐l的電能，經(jīng)并網(wǎng)變壓器并入電網(wǎng)，并在正常工作過程中接受主控制 器的命令實(shí)現(xiàn)輸出功率的控制，從而使機(jī)組工作在最佳風(fēng)能捕獲狀態(tài)下；而機(jī)組主控制 系統(tǒng)用于協(xié)調(diào)這些部件的工作，同時(shí)采集當(dāng)前的外部參數(shù)(風(fēng)速、轉(zhuǎn)速、電網(wǎng)電壓等)， 根據(jù)最佳風(fēng)能捕獲算法，適時(shí)的對(duì)各控制單元給出合理的操作指令。[0021]進(jìn)一步地，上述偏航和槳距角控制單元還包括解繞部分，根據(jù)主控制單元的 控制命令對(duì)因?yàn)槎啻螌?duì)風(fēng)而纏繞的電纜進(jìn)行解繞。[0022]在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，由于外部環(huán)境非常復(fù)雜，比如風(fēng)力的不停變化以及電網(wǎng)的 波動(dòng)等各種問題，而發(fā)電機(jī)和變流器的運(yùn)行決定了風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行狀況，因此，對(duì)發(fā)電機(jī) 和變流器的保護(hù)是非常有必要的。[0023]進(jìn)一步地，上述半直驅(qū)全功率風(fēng)力發(fā)電裝置中還包括保護(hù)系統(tǒng)，其包括相連 接的參數(shù)采集單元和繼電保護(hù)單元，其中，參數(shù)采集單元分別采集中速永磁發(fā)電機(jī)的輸 出電壓和電流、全功率變流器中直流母線的電壓、全功率變流器網(wǎng)側(cè)的電壓和電流以及 電網(wǎng)的電壓、頻率和相位；繼電保護(hù)單元，將參數(shù)采集單元采集到的各項(xiàng)參數(shù)與設(shè)定的 極限值進(jìn)行比較，當(dāng)各項(xiàng)參數(shù)中的任一項(xiàng)超過其對(duì)應(yīng)的極限值時(shí)，停止風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行。[0024]本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解附圖只是一個(gè)實(shí)施例的示意圖，附圖中的模塊 或流程并不一定是實(shí)施本實(shí)用新型所必須的。[0025]本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解實(shí)施例中的裝置中的模塊可以按照實(shí)施例描 述分布于實(shí)施例的裝置中，也可以進(jìn)行相應(yīng)變化位于不同于本實(shí)施例的一個(gè)或多個(gè)裝置 中。上述實(shí)施例的模塊可以合并為一個(gè)模塊，也可以進(jìn)一步拆分成多個(gè)子模塊。[0026]最后應(yīng)說明的是以上實(shí)施例僅用以說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng) 理解其依然可以對(duì)前述實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征 進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本實(shí)用新型實(shí)施 例技術(shù)方案的精神和范圍。
權(quán)利要求1.一種半直驅(qū)全功率風(fēng)力發(fā)電裝置，其特征在于，包括葉片、低速齒輪箱、中速 永磁發(fā)電機(jī)、全功率變流器、并網(wǎng)變壓器，其中所述葉片通過軸與所述低速齒輪箱相連接；所述低速齒輪箱通過聯(lián)軸器與所述中速永磁發(fā)電機(jī)相連接；所述全功率變流器將所述中速永磁發(fā)電機(jī)輸出的交流電轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)的相位和頻率 一致的交流電；所述并網(wǎng)變壓器將所述全功率變流器輸出的交流電升壓后接入所述電網(wǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半直驅(qū)全功率風(fēng)力發(fā)電裝置，其特征在于，還包括控制 系統(tǒng)，其包括主控制單元以及分別與其相連接的偏航和槳距角控制單元、變流器控制 單元和并網(wǎng)控制單元，其中所述主控制單元采集風(fēng)向、風(fēng)速、所述葉片的轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)電壓，并對(duì)其進(jìn)行處理生 成控制命令；所述偏航和槳距角控制單元與所述葉片相連接，并根據(jù)所述主控制單元的控制命令 調(diào)整所述葉片的迎風(fēng)角和節(jié)距角；所述變流器控制單元分別與所述全功率變流器和所述中速永磁發(fā)電機(jī)相連接，根 據(jù)所述主控制單元的控制命令控制所述全功率變流器將所述中速永磁發(fā)電機(jī)輸出的交流 電轉(zhuǎn)換為與所述電網(wǎng)的相位和頻率一致的交流電，并控制所述中速永磁發(fā)電機(jī)的輸出功 率；所述并網(wǎng)控制單元與所述并網(wǎng)變壓器相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半直驅(qū)全功率風(fēng)力發(fā)電裝置，其特征在于，所述偏航和槳距 角控制單元還包括解繞部分，根據(jù)所述主控制單元的控制命令對(duì)多次纏繞的電纜進(jìn)行解繞。 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半直驅(qū)全功率風(fēng)力發(fā)電裝置，其特征在于，還包括保護(hù) 系統(tǒng)，其包括相連接的參數(shù)采集單元和繼電保護(hù)單元，其中所述參數(shù)采集單元分別采集所述中速永磁發(fā)電機(jī)的輸出電壓和電流、所述全功率變 流器中直流母線的電壓、所述全功率變流器網(wǎng)側(cè)的電壓和電流以及所述電網(wǎng)的電壓、頻 率和相位；所述繼電保護(hù)單元，將所述參數(shù)采集單元采集到的各項(xiàng)參數(shù)與設(shè)定的極限值進(jìn)行比 較，當(dāng)所述各項(xiàng)參數(shù)中的任一項(xiàng)超過其對(duì)應(yīng)的極限值時(shí)，停止風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種半直驅(qū)全功率風(fēng)力發(fā)電裝置，包括葉片、低速齒輪箱、中速永磁發(fā)電機(jī)、全功率變流器、并網(wǎng)變壓器，其中，葉片通過軸與低速齒輪箱相連接；低速齒輪箱通過聯(lián)軸器與中速永磁發(fā)電機(jī)相連接；全功率變流器將中速永磁發(fā)電機(jī)輸出的交流電轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)的相位和頻率一致的交流電；并網(wǎng)變壓器將全功率變流器輸出的交流電升壓后接入電網(wǎng)。本實(shí)用新型采用全功率技術(shù)，可以較好地滿足低電壓穿越的要求，減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，保證系統(tǒng)發(fā)生故障后風(fēng)電機(jī)組不間斷并網(wǎng)運(yùn)行，克服了現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題。
文檔編號(hào)F03D9/00GK201802564SQ20102055401
公開日2011年4月20日 申請(qǐng)日期2010年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月30日
發(fā)明者李常, 李松強(qiáng), 陳果 申請(qǐng)人:華銳風(fēng)電科技(集團(tuán))股份有限公司