CN103311955A - 一种分频双馈风力发电机 - Google Patents

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闫玉昆
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Xian Jiaotong University
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Xian Jiaotong University
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Abstract

本发明公开了一种分频双馈风力发电机，包括风机、发电机和变压器，其特征在于，所述的发电机为双馈发电机，所述的变压器为低频升压变压器；风机与双馈发电机之间采用两级低增速比的齿轮箱相连接，双馈发电机输出50/3Hz左右的低频交流电。由于风力发电机组去掉一级高速旋转的齿轮箱，大大减小了运行维护的成本和整机造价，可靠性大幅提高，很适合采用分频输电技术实现大规模风场的并网。

Description

一种分频双馈风力发电机
技术领域
本发明属于风力发电机技术领域，涉及一种分频双馈风力发电机。
背景技术
风能是一种绿色可再生能源，大力开发风能，对解决全球性的能源危机和环境危机具有举足轻重的意义。并网型风力发电是风能大规模应用的主要方式，而这一方式目前主要存在这两方面的瓶颈：一方面，风电波动大，而且一般远离负荷中心，大规模风电的接入对于***的影响制约着风的电发展，选择合理的并网方案是其发展的关键因素；另外一方面则是效率和成本的问题。降低运行成本，增加机组运行寿命提高效率，从而减少投资回收年限，一直是风电发展追求的目标；一塔一发电机一变压器的结构，以及多级行星齿轮箱的使用，使得机组体积增大，造价攀升，同时造成检修维护困难，经济性和可靠性大大降低。
针对上述问题，西安交通大学提出了采用分频输电方式实现大规模风电远距离输送的方案。该方案将风机发出的电能采用50/3Hz左右的低频进行远距离传输，在远端通过交交变频器并入工频电力***，可以用较低的电压等级实现风电的远距离传输，大大节省了输电线路的投资。另外，为解决风电机组变流器造价昂贵的问题，专利“CN200810232129.X”提出了风场采用一台全功率变流器配合分频输电方式将所有风机并入电网的方法。
西安交通大学对此作了大量的仿真研究和动模实验，结果都表明分频输电是一种很适合风电接入的输电方式，尤其是在海上风电的开发方面，分频输电技术具有天然的优势，国内外学者也对此进行了研究。文献《OffshoreWind Farm Connection with Low Frequency AC Transmission Technology》对还上风电采用低频传输进行了可行性分析，结果发现：在输送距离为30～150km时，采用分频输电具有很强的竞争力。德国、丹麦等国也进行了采用低频实现风电并网相关问题的研究，并提出了几种低频风电的拓扑结构。可以预见：随着对分频风电越来越多的关注与研究，风电经过分频输电并网得以广泛应用，只是时间问题。而在目前，传统风机制造产业在配合分频输电方式上有着先天不足，这主要体现在下述两方面：
首先，目前MW级以上的风电机组，其风机转速不超过20r/min，而发电机按工频50Hz或60Hz设计，转速在1500～1800r/min，发电机与风轮的匹配是通过高速旋转部件——增速齿轮箱实现连接的，其增速比一般在75～100左右，普遍采用三级增速结构，使得机组的体积、重量及成本增大，安装维护困难。
其次，风力发电机组增速齿轮箱由于其使用条件的限制，要求体积小，重量轻，性能优良，运行可靠，故障率低，故兆瓦级齿轮箱多采用2级平行轴+1级行星传动的结构，行星传动结构相对复杂，而且大型内齿圈加工困难，成本较高。作为一种受无规律变向载荷的风力作用及强阵风冲击的变载荷条件下工作的低速、重载、增速机械传动装置，齿轮在机械加工中是一种高度复杂的成形零件，造价较高，约占机组造价的14%。目前国内大容量风电机组的配套齿轮箱大多依赖进口，风机一次投资较大，造价高昂。
再次，风力发电机组一般安装在荒郊、野外、山口、海上等风能较大且周围无遮挡物之处，在高速、重载下运行的齿轮，其工作条件又相对比其他零部件更为恶劣，故障概率较大，而且检修十分困难。同时，检修频繁，且检修周期长，大大降低风电机组利用小时数，严重影响到风场的经济效益。
发明内容
本发明解决的问题在于提供一种分频双馈风力发电机，该风力发电机能够直接发出50/3Hz的低频电能，可以通过分频输电方式并网。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种分频双馈风力发电机，包括风机、发电机和变压器，所述的发电机为双馈发电机，所述的变压器为低频升压变压器；风机与双馈发电机之间采用两级低增速比的齿轮箱相连接，双馈发电机输出50/3Hz±5Hz的低频交流电。
所述的风机通过两级低增速比的齿轮箱与双馈发电机的转子相连接。
所述的双馈发电机输出的低频交流电采用分频输电方式送入工频交流电网
所述的双馈发电机与AC/DC/AC变频器相连接，AC/DC/AC变频器通过50/3Hz±5Hz输电线路、换流站与工频交流电网相连接。
所述的双馈发电机采用绕线式异步发电机。
所述的双馈发电机工作在低频50/3Hz±5Hz。
风力发电机的变流器网侧输出频率为50/3Hz±5Hz，使其适用于分频输电方式。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供的分频双馈风力发电机，该方案与传统双馈式风力发电机组主要的区别在于，去掉最大一级增速齿轮箱（高速齿轮箱），降低其增速比，使电机发出50/3Hz左右的低频电能，使其适用于分频输电方式。由于去掉了最大一级的增速齿轮箱，使得整个风机的机组体积和重量大大降低，同时减小了因齿轮箱旋转而产生的损耗和噪音。而且维护简单，维护成本大大减小，齿轮箱故障率降低，可靠性得到大幅提高，因而检修停电时间大大减少。
在可行性方面，当发电机工作在低频16.67Hz时，虽然同步转数将为工频状态下的1/3，但由于低频磁场下可以选取较高的磁场强度，因此发电机的铁耗大大降低。可以近似估计认为当异步发电机工作在50/3Hz时，发电机重量将变为原来的1.8倍。同时，根据对许继风电和东汽集团2MW的双馈风机的实际考察，其齿轮箱重量占总重的26%，发电机重量占总重的11%。根据有关研究结果，去掉一级齿轮箱，其重量减少一半以上，综合考虑上述因素，当双馈电机工作在16.67Hz时，其总重至少降低5%。同时，发电机成本只占机组成本的4%，而齿轮箱约占14%，因此发电机由于重量增加不会对机组成本造成多大的影响，相反，去除最大一级齿轮箱带来的成本下降效应更为可观。
附图说明
图1为双馈分频风电***示意图；
图2为常规双馈电机成本结构；
图3为常规双馈电机机舱各部分重量比例。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
如图1所示，一种分频双馈风力发电机，包括风机、发电机和变压器，所述的发电机为双馈发电机，所述的变压器为低频升压变压器；风机与双馈发电机之间采用两级低增速比的齿轮箱相连接，双馈发电机输出50/3Hz±5Hz的低频交流电。
具体的，分频双馈风力发电机包括以下进一步的结构组成：
1）发电机采用绕线式异步发电机，发电机与变频器的连接与传统的双馈式异步电机相同，即发电机转子通过一个AC/DC/AC变频器相连接，AC/DC/AC变频器通过50/3Hz±5Hz输电线路、换流站与工频交流电网相连接；不但可对发电机进行励磁，还可在转子转速超过同步转速时，将转子电能通过变流器馈入电网；
2）在传统双馈式风力发电机组的基础上，两级低增速比的齿轮箱的实现为：减少一级高速齿轮，慢速旋转的风轮通过低增速比的齿轮箱与发电机转子相连；
3）发电机直接输出50/3Hz±5Hz的低频交流电；
4）发电机发出的低频交流电采用分频输电方式送入工频交流电网。
本发明提出的分频双馈风力发电机，去掉最大一级增速齿轮箱（高速齿轮箱），降低其增速比，使电机发出50/3Hz左右的低频电能，使其适用于分频输电方式。由于去掉了最大一级的增速齿轮箱，使得整个风机的机组体积和重量大大降低，同时减小了因齿轮箱旋转而产生的损耗和噪音。而且维护简单，维护成本大大减小，齿轮箱故障率降低，可靠性得到大幅提高，因而检修停电时间大大减少。
参见图2、图3，当发电机工作在低频50/3Hz±5Hz时，虽然同步转数将为工频状态下的1/3，但由于低频磁场下可以选取较高的磁场强度，因此发电机的铁耗大大降低。可以近似估计认为当异步发电机工作在50/3Hz时，发电机重量将变为原来的1.8倍。同时，根据对许继风电和东汽集团2MW的双馈风机的实际考察，其齿轮箱重量占总重的26%，发电机重量占总重的11%。根据有关研究结果，去掉一级齿轮箱，其重量减少一半以上，综合考虑上述因素，当双馈电机工作在16.67Hz时，其总重至少降低5%。同时，发电机成本只占机组成本的4%，而齿轮箱约占14%，因此发电机由于重量增加不会对机组成本造成多大的影响，相反，去除最大一级齿轮箱带来的成本下降效应更为可观。

Claims (7)

1.一种分频双馈风力发电机，包括风机、发电机和变压器，其特征在于，所述的发电机为双馈发电机，所述的变压器为低频升压变压器；风机与双馈发电机之间采用两级低增速比的齿轮箱相连接，双馈发电机输出50/3Hz±5Hz的低频交流电。
2.如权利要求1所述的分频双馈风力发电机，其特征在于，所述的风机通过两级低增速比的齿轮箱与双馈发电机的转子相连接。
3.如权利要求1所述的分频双馈风力发电机，其特征在于，所述的双馈发电机输出的低频交流电采用分频输电方式送入工频交流电网。
4.如权利要求1所述的分频双馈风力发电机，其特征在于，所述的双馈发电机与AC/DC/AC变频器相连接，AC/DC/AC变频器通过50/3Hz±5Hz输电线路、换流站与工频交流电网相连接。
5.如权利要求1所述的分频双馈风力发电机，其特征在于，所述的双馈发电机采用绕线式异步发电机。
6.如权利要求1所述的分频双馈风力发电机，其特征在于，所述的双馈发电机工作在低频50/3Hz±5Hz。
7.如权利要求1所述的分频双馈风力发电机，其特征在于，风力发电机的变流器网侧输出频率为50/3Hz±5Hz，使其适用于分频输电方式。
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