CN104730457A - 模拟全自然工况的功率分汇流风力发电测试*** - Google Patents

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周斯加
钱金贵
黄继宝
郭景达
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Abstract

本发明公开了一种模拟全自然工况的功率分汇流风力发电测试***，包括模拟电机、减速装置与行星齿轮排、定速发电机、调速电机、变频器、控制***和交流变频调速驱动柜；行星齿轮排包括齿圈、太阳轮、行星架和减速齿轮；模拟电机通过第一轴及减速齿轮与行星齿轮排的行星架连接；调速电机转子通过第二轴与行星齿轮排的太阳轮连接，定速电机转子通过第三轴与行星齿轮排的齿圈连接；调速电机定子内设置三相绕组通过变频器与电网电连接；定速发电机定子上设置三相绕组与电网电连接；变频器通过电路与交流变频调速驱动柜电连接。本***具有操作简单、成本低廉、运行可靠、效率高等优点。

Description

模拟全自然工况的功率分汇流风力发电测试***
技术领域
本发明涉及一种发电测试***，模拟全自然工况的功率分汇流风力发电测试***。
背景技术
能源日趋短缺问题是当今世界上各国面临的难题，可再生能源以其取之不尽用之不竭、无污染、不破坏生态的优势，必将在未来人类社会可持续发展中扮演主要角色。风能作为一种较为实用的可再生能源，必将受到大力度的开发和利用，积极促进风能发电技术是优化能源结构、保障能源安全、缓解能源利用造成的严重环境污染，促进能源与经济、能源与环境协调发展的重要选择，是建设能源节约。环境友好型社会和实现可持续发展的重要途径。
众所周知，风力是一种不稳定的动力源，风速经常变化；而风力发电机与电网并网时，要求风电的频率保持恒定。为了解决风速与风电频率之间的矛盾，人们提出了多种解决方案，其中效果最好的是变速恒频发电方法，以实现不同风速下风力机相应变速运行，高效的捕获最大风能。
目前变速恒频的风力发电技术主要有感应发电机型，双馈发电机型、永磁直驱发电机型等。虽然如今高效的发电方案层出不穷，但是简单便携且集成化的发电测试***未见报道，这就使得风力发电技术在前期的开发和后期的性能验证及完善无法高效的开展，从而限制了风电技术的发展，因此，研制一种具有操作简单方便、成本低廉、运行可靠、效率高等优点的风力发电测试***显得尤为重要。
发明内容
针对基于功率分汇流技术的风力发电***的检测***空缺的问题，本发明提供一种风力发电***的检测***。
为了实现操作简单方便、成本低廉、运行可靠、效率高等目的，本发明具体的实现方案如下：
模拟全自然工况的功率分汇流风力发电测试***，包括模拟电机、减速装置与行星齿轮排、定速发电机、调速电机、变频器、控制***和交流变频调速驱动柜；行星齿轮排包括齿圈、太阳轮、行星架和减速齿轮；模拟电机通过第一轴及减速齿轮与行星齿轮排的行星架连接；调速电机转子通过第二轴与行星齿轮排的太阳轮连接，定速电机转子通过第三轴与行星齿轮排的齿圈连接；调速电机定子内设置三相绕组通过变频器与电网电连接；定速发电机定子上设置三相绕组与电网电连接；变频器通过电路与交流变频调速驱动柜电连接；交流变频调速驱动柜通过电路与模拟电机电连接；交流变频调速驱动柜通过数据电缆与控制***电连接；交流变频调速驱动柜外接电网。
模拟电机作为原动机，所述的原动机为电动机、内燃机、汽轮机或者水轮机，其动力来源于交流变频调速驱动柜。
模拟电机为绕线式三相异步电机或者鼠笼式三相异步电机，定速发电机和调速电机为同步电机、鼠笼式三相异步电机、绕线式三相异步电机或者单相交流电机。
所述的变频器为交-交变换器，交-直-交变换器或直-交变换器。
定速发电机和变频器与交流变频调速驱动柜电连接且其为同一接口。
变频器与调速电机定子通过滑环进行电气连接，其连接方式为接 触式电刷-滑环方式，变频器上有电源接口且需要接入直流电源，所述的直流电源为蓄电池、电池组或者直流发电机。
模拟电机与减速齿轮相连接的轴一以及调速电机转子与调速电机转子相连接的轴二的传动类型为齿轮传动、无级机械传动、液压传动、液力传动或者电气传动。交流变频调速驱动柜外接电网，电网经电源电抗器与可将电网电压转换为直流电压的非调节型电源模块连接。
交流变频调速驱动柜的非调节型电源模块通过直流母线与电机模块连接，电机模块作为可逆变器将直流电压转回交流电压或者将交流电压转成直流电压；各个电机模块并联到直流母线上；在电机模块的输出端连接正弦滤波器，在非调节型电源模块输出端连接电机电抗器。
交流变频调速驱动柜中的各个电机模块通过电路连接分别与模拟电机和发电机连接。
本发明具有如下有益效果：本***具有操作简单方便、成本低廉、运行可靠、效率高等优点，同时对本发明的减速装置与行星齿轮排、定速发电机、调速电机部分做相应的变化，本发明的衍生的新的测试方法可以面对其他的风力发电***。
附图说明
图1是本发明的模拟全自然工况的功率分汇流风力发电测试***方案示意图；
1-模拟电机、2-减速装置与行星齿轮排、20-减速齿轮、21-太阳轮、22-行星架、23-齿圈、3-定速发电机、31-定速发电机定子、32-定速电机转子、4-调速电机、41-调速电机定子、42-调速电机转子、5-变频器、6-第一轴、7-第二轴、8-第三轴、9-电网、10-控制***、11-交流变频调速驱动柜；
图2是本发明的模拟全自然工况的功率分汇流风力发电测试系 统工作原理图；
图中各部分所标代号与图1相同；
图3是模拟全自然工况的功率分汇流风力发电测试***中交流变频调速驱动柜的构造简图；
其中与图1代号相同的同图1，18为直流电源，19为数据电缆，20为模拟电机接线，21为发电机与变频器反馈接线，22为控制单元，23为外电源接线。
其中与图1和图3代号相同的同图1或者图3；12为电源电抗器，13为非调节型电源模块，14为电机电抗器，15为直流母线，16为正弦滤波器，17为电机模块。
具体实施方式
为使本发明的目的和技术方案更加直观、明确，以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
基于双转子电机风力发电测试***的总结构示意图如图一所示，主要由模拟电机1、减速装置与行星齿轮排2、定速发电机3、调速电机4、变频器5、控制***10和交流变频调速驱动柜11；行星齿轮排2包括齿圈23、太阳轮21、行星架22、减速齿轮20；模拟电机1通过第一轴6及减速齿轮20与行星齿轮排的行星架22连接；调速电机转子42通过第二轴7与行星齿轮排的太阳轮21连接，定速电机转子32通过第三轴8与行星齿轮排的齿圈23连接；调速电机定子41内设置三相绕组通过变频器5与电网9相连；定速发电机定子31上设置三相绕组与电网9直接相连；变频器5通过电路与交流变频调速驱动柜11连接；交流变频调速驱动柜11通过电路与模拟电机1连接；交流变频调速驱动柜11通过数据电缆与控制***10连接；交流变频调速驱动柜11外接电网9。当整个***开始运转时，通过控制 ***10任意选择一个风力的模拟***，控制***10将这个***中的模拟信号通过数据电缆22传递到交流变频调速驱动柜11的控制单元22，经控制单元22的信号处理后，模拟信号传递到相应的电机模块17以控制相应电机的运转。在启动交流变频调速驱动柜11后，24V的直流电源18对控制单元22进行供电，控制单元22通过对非调节型电源模块13的接通控制，交流变频调速驱动柜11从电网9接受电能，输入的电能经过电源电抗器12的处理后到达非调节型电源模块13，其中电源电抗器12起到了限制低频电源减轻电源模块13中半导体负载的作用。非调节型电源模块13将输入的交流电压转化为直流电压，非调节型电源模块13的输出的直流电流经过电机电抗器14的处理后输送给直流母线15。接到控制单元22指示的电机模块17依照模拟信号从直流母线15接收相应的电功率，同时电机模块17作为逆变器将直流电压重新转化为交流电压，电机模块17输出的电功率经过正弦滤波器16的处理后输送到模拟电机1，使模拟电机1根据风力模拟***的信号以相应的转速进行转动，达到真实模拟自然风的目的。由于非调节型电源模块13将交流电转化为直流电的功能，同时，电机模块17能实现直流交流的相互转化，模拟电机1与发电机3都通过电机模块17并联在直流母线15上，这样使得了作为电动机的模拟电机1与模拟电机1拖动的发电机3之间可以通过直流母线15进行能量的循环，从而实现节能环保的目的，同时，各部分之间的能量经过转化后是以直流电流的形式进行循环利用，这样高效地轻松地实现了变频调速的目的。
功率分汇流装置核心是由一个太阳轮，一个齿圈，若干个安装在行星架上的行星齿轮组成的行星齿轮排。对于两自由度单行星排，各元件之间转速特性方程式如下：
nt+Knq-(1+K)nj＝0
nt为太阳轮转速，nq为齿圈转速，nj为行星架转速，K为单行星排齿圈齿数和太阳轮齿数之比，称为行星排特性参数。
单行星排转速关系式是三元一次齐次方程式，一个方程式，三个未知数，这反映了单行星排是双自由度机构。
当原动机转速提高时，行星架转速nj随之升高Δn；如随之调整调速电机转速，使太阳轮转速nt降低(1+K)Δn，则齿圈转速nq可以仍然保持不变。当原动机转速降低时，反之升高伺服调速电机的转速以保持发电机的转速不变。使得在不同原动机转速条件下，发电机都可以稳定在同步转速点运行。
因为行星齿轮组的各轴的速度可以任意调整，所以动力机，定速发电机，调速电机的转速可以相互协调。任一者的速度可以用其他两者来表达。这样，按照设计要求，动力转轮速度具有时变性，定速电机速度保持恒定，相应地，只需调节好电机的转速就可以实现变速恒频并网发电了。在优化组合情况下，***输入功率的85％直接作用于发电机，而15％流经伺服调速电机。
本专利所提供的模拟全自然工况的功率分汇流风力发电测试***，操作简单、成本低廉、运行可靠、效率高。
作为本发明的推广使用，本发明的应用不限于上述的叙述实例，对风力发电领域的普通技术人员来说，根据不同的使用要求 和特点，本使用新型的具体实施方案可以根据实际情况进行繁杂化或者简单化，本发明可应用于任何类似于本方案的风力发电测试***，或由本方案基本型所衍生出来的多种衍生方案中，，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.模拟全自然工况的功率分汇流风力发电测试***，其特征在于，包括模拟电机(1)、减速装置与行星齿轮排(2)、定速发电机(3)、调速电机(4)、变频器(5)、控制***(10)和交流变频调速驱动柜(11)；行星齿轮排(2)包括齿圈(23)、太阳轮(21)、行星架(22)和减速齿轮(20)；模拟电机(1)通过第一轴(6)及减速齿轮(20)与行星齿轮排的行星架(22)连接；调速电机转子(42)通过第二轴(7)与行星齿轮排的太阳轮(21)连接，定速电机转子(32)通过第三轴(8)与行星齿轮排的齿圈(23)连接；调速电机定子(41)内设置三相绕组通过变频器(5)与电网(9)电连接；定速发电机定子(31)上设置三相绕组与电网(9)电连接；变频器(5)通过电路与交流变频调速驱动柜(11)电连接；交流变频调速驱动柜(11)通过电路与模拟电机(1)电连接；交流变频调速驱动柜(11)通过数据电缆与控制***(10)电连接；交流变频调速驱动柜(11)外接电网(9)。
2.根据权利要求1所述模拟全自然工况的功率分汇流风力发电测试***，其特征在于，模拟电机(1)作为原动机，所述的原动机为电动机、内燃机、汽轮机或者水轮机，其动力来源于交流变频调速驱动柜(11)。
3.根据权利要求1所述模拟全自然工况的功率分汇流风力发电测试***，其特征在于，模拟电机(1)为绕线式三相异步电机或者鼠笼式三相异步电机，定速发电机(3)和调速电机(4)为同步电机、鼠笼式三相异步电机、绕线式三相异步电机或者单相交流电机。
4.根据权利要求1所述模拟全自然工况的功率分汇流风力发电测试***，其特征在于，所述的变频器(5)为交-交变换器，交-直-交变换器或直-交变换器。
5.根据权利要求1所述模拟全自然工况的功率分汇流风力发电测试***，其特征在于，定速发电机(3)和变频器(5)与交流变频调速驱动柜(11)电连接且其为同一接口。
6.根据权利要求1所述模拟全自然工况的功率分汇流风力发电测试***，其特征在于，变频器(5)与调速电机定子(41)通过滑环进行电气连接，其连接方式为接触式电刷-滑环方式，变频器(5)上有电源接口且需要接入直流电源，所述的直流电源为蓄电池、电池组或者直流发电机。
7.根据权利要求1所述模拟全自然工况的功率分汇流风力发电测试***，其特征在于，模拟电机(1)与减速齿轮(20)相连接的轴一(6)以及调速电机转子(42)与调速电机转子(42)相连接的轴二(7)的传动类型为齿轮传动、无级机械传动、液压传动、液力传动或者电气传动。
8.根据权利要求1-7任意一权利要求所述模拟全自然工况的功率分汇流风力发电测试***，其特征在于，交流变频调速驱动柜(6)外接电网(9)，电网(9)经电源电抗器(15)与可将电网电压转换为直流电压的非调节型电源模块(16)连接。
9.根据权利要求8所述模拟全自然工况的功率分汇流风力发电测试***，其特征在于，交流变频调速驱动柜(13)的非调节型电源模块(16)通过直流母线(18)与电机模块(20)连接，电机模块(20)作为可逆变器将直流电压转回交流电压或者将交流电压转成直流电压；各个电机模块(20)并联到直流母线(18)上；在电机模块(20)的输出端连接正弦滤波器(19)，在非调节型电源模块(16)输出端连接电机电抗器(17)。
10.根据权利要求9所述模拟全自然工况的功率分汇流风力发电测试***，其特征在于，交流变频调速驱动柜(13)中的各个电机模块(20)通过电路连接分别与模拟电机(1)和发电机(10)连接。
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