CN201802564U - 半直驱全功率风力发电装置 - Google Patents

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陈果
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Abstract

本实用新型公开了一种半直驱全功率风力发电装置，包括：叶片、低速齿轮箱、中速永磁发电机、全功率变流器、并网变压器，其中，叶片通过轴与低速齿轮箱相连接；低速齿轮箱通过联轴器与中速永磁发电机相连接；全功率变流器将中速永磁发电机输出的交流电转换为与电网的相位和频率一致的交流电；并网变压器将全功率变流器输出的交流电升压后接入电网。本实用新型采用全功率技术，可以较好地满足低电压穿越的要求，减少对电网的冲击，保证***发生故障后风电机组不间断并网运行，克服了现有技术中存在的问题。

Description

半直驱全功率风力发电装置
技术领域
本实用新型涉及电力领域，具体而言，涉及一种半直驱全功率风力发电装置。
背景技术
传统风力发电机组的电磁机械***通常包含三个主要部分：叶片、增速箱和发电机。叶片转速通常都设计在20～30r/min，而传统风力发电机转速为1000～1500r/min，这就意味着叶片和发电机之间必须用增速齿轮箱来联接。然而，大变比的增速齿轮箱将导致增加机组的重量、产生噪音、需要定期维护以及增加损耗等缺点。因此，无齿轮箱的直驱型风力发电机组也逐渐引起了人们的关注。
直驱***与双馈变速恒频风力发电***类似，只是所采用的发电机为永磁式发电机，转子为永磁式结构，无需外部提供励磁电源，也不需要滑环碳刷，结构简单技术可靠，对电网运行影响小，提高了效率。其变速恒频控制在定子电路实现，因此变频器的容量与***的额定容量相同。该方案的优点是：采用永磁发电机可以做到叶片与发电机的直接耦合，省去齿轮箱，即为直接驱动式结构，这样可大大减小***运行噪声，提高可靠性；其主要缺点是尽管实现了直接耦合，但是大功率永磁发电机的转速很低，使发电机体积大、成本高、制造工艺难度大，而且重量过大造成吊装困难，特别是海上风电技术的兴起，因此可以结合传统风电***和直驱***的技术，利用低速齿轮箱和中速永磁电机代替原有的高速齿轮箱和低速永磁电机。
基于双PWM的全功率变流器技术已经成熟，可广泛应用于各种拓扑结构的风力发电机组***中。
然而，由于现有技术中电力***的低电压穿越(Low Voltage RideThrough，LVRT)能力较差，当电力***中风电装机容量比例较大时，电力***故障导致电压跌落后，风电场切除会严重影响***运行的稳定性。
实用新型内容
本实用新型用于提供一种半直驱全功率风力发电装置，以提高电力***的低电压穿越能力，增强***运行的稳定性。
本实用新型提供了一种半直驱全功率风力发电装置，包括：叶片、低速齿轮箱、中速永磁发电机、全功率变流器、并网变压器，其中，叶片通过轴与低速齿轮箱相连接；低速齿轮箱通过联轴器与中速永磁发电机相连接；全功率变流器将中速永磁发电机输出的交流电转换为与电网的相位和频率一致的交流电；并网变压器将全功率变流器输出的交流电升压后接入电网。
进一步地，上述半直驱全功率风力发电装置中还包括：控制***，其包括：主控制单元以及分别与其相连接的偏航和桨距角控制单元、变流器控制单元和并网控制单元，其中，主控制单元采集风向、风速、叶片的转速和电网电压，并对其进行处理生成控制命令；偏航和桨距角控制单元与叶片相连接，并根据主控制单元的控制命令调整叶片的迎风角和节距角；变流器控制单元分别与全功率变流器和中速永磁发电机相连接，根据主控制单元的控制命令控制全功率变流器将中速永磁发电机输出的交流电转换为与电网的相位和频率一致的交流电，并控制中速永磁发电机的输出功率；并网控制单元与并网变压器相连接。
进一步地，上述偏航和桨距角控制单元还包括：解绕部分，根据主控制单元的控制命令对多次缠绕的电缆进行解绕。
进一步地，上述半直驱全功率风力发电装置中还包括：保护***，其包括相连接的参数采集单元和继电保护单元，其中，参数采集单元分别采集中速永磁发电机的输出电压和电流、全功率变流器中直流母线的电压、全功率变流器网侧的电压和电流以及电网的电压、频率和相位；继电保护单元，将参数采集单元采集到的各项参数与设定的极限值进行比较，当各项参数中的任一项超过其对应的极限值时，停止风力机的运行。
本实施例采用全功率技术，可以较好地满足低电压穿越的要求，减少对电网的冲击，保证***发生故障后风电机组不间断并网运行，克服了现有技术中存在的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本实用新型一个实施例的半直驱全功率风力发电装置示意图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
图1是根据本实用新型一个实施例的半直驱全功率风力发电装置示意图。该装置包括：叶片、低速齿轮箱、中速永磁发电机、全功率变流器、并网变压器(图中未示出)，其中，叶片通过轴与低速齿轮箱相连接；低速齿轮箱通过联轴器与中速永磁发电机相连接；全功率变流器将中速永磁发电机输出的交流电转换为与电网的相位和频率一致的交流电；并网变压器将全功率变流器输出的交流电升压后接入电网。
该装置工作原理如下：风以一定的速度和攻角作用在风力机的叶片上，使风力机产生旋转力矩从而转动，将风能转变成机械能，风力机带动与其同轴相连低速齿轮箱，齿轮箱通过联轴器带动永磁同步发电机转动，将机械能转变为电能，发出随风速的变化幅值和频率都变化的交流电。发电机发出的交流电是不能直接并上电网的，需要经过变流装置将变压变频的交流电转化为与电网相位、频率一致的交流电然后通过升压变压器接入电网。
本实施例采用全功率技术，可以较好地满足低电压穿越的要求，减少对电网的冲击，保证***发生故障后风电机组不间断并网运行；该装置集成了低速齿轮箱，尺寸较小，维护量小；主流直驱风电***不带有齿轮箱，因此发电机采用低速永磁电机，但低速永磁电机通常极对数多、大转矩、径向尺寸较大，轴向尺寸较小，使得发电机体积庞大；而中速永磁发电机重量相对较轻，体积较小，通过联轴器与低俗齿轮箱连接，可以提高发电机的工作性能；同时永磁电机结构简单，不带滑环和电刷，降低了风机的故障率，节约制造与维护成本。
本实用新型实施例中对半直驱全功率风力发电装置的功率不加限定，例如可以为3MW。
进一步地，上述半直驱全功率风力发电装置中还包括：控制***，其包括：主控制单元以及分别与其相连接的偏航和桨距角控制单元、变流器控制单元和并网控制单元，其中，主控制单元采集风向、风速、叶片的转速和电网电压，并对其进行处理生成控制命令；偏航和桨距角控制单元与叶片相连接，并根据主控制单元的控制命令调整叶片的迎风角和节距角；变流器控制单元分别与全功率变流器和中速永磁发电机相连接，根据主控制单元的控制命令控制全功率变流器将中速永磁发电机输出的交流电转换为与电网的相位和频率一致的交流电，并控制中速永磁发电机的输出功率；并网控制单元与并网变压器相连接。
偏航和桨距角控制单元负责调整风力发电机组的迎风角和叶片的节距角，当风速过高，超过***的额定功率时，变桨距***调节桨叶节距角，使风力机的转速下降，将功率控制在额定功率以下；当风向变化时，偏航***可以跟踪风向，使机组始终迎风工作；变流器控制单元用来对发电机输出的电能进行控制，将发电机发出的变压变频的电能转变为恒压恒频的电能，经并网变压器并入电网，并在正常工作过程中接受主控制器的命令实现输出功率的控制，从而使机组工作在最佳风能捕获状态下；而机组主控制***用于协调这些部件的工作，同时采集当前的外部参数(风速、转速、电网电压等)，根据最佳风能捕获算法，适时的对各控制单元给出合理的操作指令。
进一步地，上述偏航和桨距角控制单元还包括：解绕部分，根据主控制单元的控制命令对因为多次对风而缠绕的电缆进行解绕。
在风力发电***中，由于外部环境非常复杂，比如风力的不停变化以及电网的波动等各种问题，而发电机和变流器的运行决定了风力机的运行状况，因此，对发电机和变流器的保护是非常有必要的。
进一步地，上述半直驱全功率风力发电装置中还包括：保护***，其包括相连接的参数采集单元和继电保护单元，其中，参数采集单元分别采集中速永磁发电机的输出电压和电流、全功率变流器中直流母线的电压、全功率变流器网侧的电压和电流以及电网的电压、频率和相位；继电保护单元，将参数采集单元采集到的各项参数与设定的极限值进行比较，当各项参数中的任一项超过其对应的极限值时，停止风力机的运行。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本实用新型所必须的。
本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种半直驱全功率风力发电装置，其特征在于，包括：叶片、低速齿轮箱、中速永磁发电机、全功率变流器、并网变压器，其中
所述叶片通过轴与所述低速齿轮箱相连接；
所述低速齿轮箱通过联轴器与所述中速永磁发电机相连接；
所述全功率变流器将所述中速永磁发电机输出的交流电转换为与电网的相位和频率一致的交流电；
所述并网变压器将所述全功率变流器输出的交流电升压后接入所述电网。
2.根据权利要求1所述的半直驱全功率风力发电装置，其特征在于，还包括：控制***，其包括：主控制单元以及分别与其相连接的偏航和桨距角控制单元、变流器控制单元和并网控制单元，其中
所述主控制单元采集风向、风速、所述叶片的转速和电网电压，并对其进行处理生成控制命令；
所述偏航和桨距角控制单元与所述叶片相连接，并根据所述主控制单元的控制命令调整所述叶片的迎风角和节距角；
所述变流器控制单元分别与所述全功率变流器和所述中速永磁发电机相连接，根据所述主控制单元的控制命令控制所述全功率变流器将所述中速永磁发电机输出的交流电转换为与所述电网的相位和频率一致的交流电，并控制所述中速永磁发电机的输出功率；
所述并网控制单元与所述并网变压器相连接。
3.根据权利要求2所述的半直驱全功率风力发电装置，其特征在于，所述偏航和桨距角控制单元还包括：解绕部分，根据所述主控制单元的控制命令对多次缠绕的电缆进行解绕。
4.根据权利要求1所述的半直驱全功率风力发电装置，其特征在于，还包括：保护***，其包括相连接的参数采集单元和继电保护单元，其中
所述参数采集单元分别采集所述中速永磁发电机的输出电压和电流、所述全功率变流器中直流母线的电压、所述全功率变流器网侧的电压和电流以及所述电网的电压、频率和相位；
所述继电保护单元，将所述参数采集单元采集到的各项参数与设定的极限值进行比较，当所述各项参数中的任一项超过其对应的极限值时，停止风力机的运行。
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