專利名稱：多個(gè)間歇發(fā)電的高空風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率合流方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，具體說，涉及一種具有多個(gè)間歇發(fā)電的高空風(fēng)力發(fā)電 機(jī)組的功率合流方法。
背景技術(shù)：
風(fēng)能由于具有分布廣泛、可重復(fù)利用和技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為最具實(shí)用性的 可再生能源形式之一。過去幾十年中的最常見的風(fēng)能利用方式是通過裝有風(fēng)輪的風(fēng)力機(jī)捕 獲風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電。目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)輪大多運(yùn)行在近地邊界層下部，該處年平均風(fēng)速 通常為4 6m/s，風(fēng)能密度不高，加上風(fēng)速隨機(jī)性變化較大，造成了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的年發(fā)電 量和容量因子較小，若將風(fēng)力機(jī)做大，通過較大的單機(jī)容量提高經(jīng)濟(jì)性，會(huì)帶來整機(jī)尺寸的 增加和成本的上升，目前最大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量已經(jīng)超過5MW，而再往上增加則困 難得多；此外，風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)與葉片尖速比關(guān)系密切，風(fēng)輪旋翼外側(cè)20%的部分捕獲了 80%的風(fēng)能，而內(nèi)側(cè)的效率較低，降低了風(fēng)輪捕獲能量的效率，若增大尖速比，會(huì)受到葉片剛 度和振動(dòng)的限制；另外風(fēng)力機(jī)通常安裝在風(fēng)資源較為豐富的地方，地域依賴性很強(qiáng)，且移動(dòng) 困難，對(duì)于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組而言，安裝完成之后就不會(huì)再移動(dòng)。
針對(duì)常規(guī)的風(fēng)力發(fā)電存在的上述問題，使人們開始在高空中尋找新的風(fēng)能利用方 式。高空中的平均風(fēng)速較地表大得多，且風(fēng)速也更加恒定，蘊(yùn)含的風(fēng)資源數(shù)量和質(zhì)量較地表 處好得多，采用較小的翼型面積，就可以獲得很大的功率和較高的容量因子；在高空捕獲風(fēng) 能理論上不受地域限制，只要高度適合，就可以產(chǎn)生足夠的電能，適用面很廣，且無需塔架 和葉片等價(jià)格昂貴的部件，單機(jī)成本顯著降低。這些優(yōu)點(diǎn)為高空風(fēng)能發(fā)電的發(fā)展打下了良 好的發(fā)展基礎(chǔ)。
目前高空風(fēng)能發(fā)電大致有如下兩種實(shí)現(xiàn)方案第一種方案是將發(fā)電機(jī)安裝在氣球上，翼型安裝到氣球表面，氣球漂浮在空中，通過風(fēng) 吹過翼型產(chǎn)生的氣動(dòng)力使氣球轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。Magerm Power已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了這種設(shè)計(jì) 概念的IOOkW商用高空風(fēng)能發(fā)電機(jī)組，它的特點(diǎn)是工作高度較低，沒有與飛行器的碰撞的 風(fēng)險(xiǎn)，此外發(fā)電機(jī)升空方式簡(jiǎn)化了地面裝置的復(fù)雜性，因此可以安裝到幾乎所有地點(diǎn)。其缺 點(diǎn)是，氣球的浮力有限，配備的發(fā)電機(jī)功率小，因而沒有商業(yè)應(yīng)用前景。
第二種方案是通過系留在空中的高升力翼型或風(fēng)箏(通常稱為空中做功傘)的受 控往復(fù)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)地面發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電。這種方案的翼型或風(fēng)箏只需要負(fù)載系留系繩的重 量，因此可以提高發(fā)電效率；此外翼型或風(fēng)箏可以達(dá)到常規(guī)風(fēng)力機(jī)葉尖部分才具有較高的 尖速比，發(fā)電效率明顯增加，是未來的發(fā)展方向。但該方案的發(fā)電周期包含發(fā)電階段和耗電 階段，風(fēng)箏迎風(fēng)時(shí)，在氣動(dòng)力的作用下升空，系繩牽引卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)電機(jī)發(fā)電，當(dāng)系繩放到 最大長(zhǎng)度時(shí)，通過改變風(fēng)箏的攻角，使其處于低升力狀態(tài)，由輔助電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)卷筒反轉(zhuǎn)，將 風(fēng)箏拉回下一個(gè)發(fā)電周期的起始位置，如此周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)。因此，發(fā)電機(jī)輸出功率始終是 間歇變化的。KiteGen和Delf的Laddermill設(shè)計(jì)就是這種方案的例子。
為了解決能量輸出呈間歇或不連續(xù)對(duì)電網(wǎng)沖擊較大的問題，目前采用的解決方法是讓多個(gè)空中做功傘做功，將它們產(chǎn)生的不連續(xù)功率傳遞到地面裝置，在地面裝置設(shè)計(jì)一 種能量合流機(jī)構(gòu)，通過與空中做功部分的運(yùn)動(dòng)相配合，將多個(gè)做功傘的功率疊加起來，利用 各功率的相位差異，實(shí)現(xiàn)相互的做功補(bǔ)償，使輸出的總功率變得連續(xù)、平滑。
目前常用的地面系統(tǒng)能量合流機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方式主要采用機(jī)械式合流，即采用差動(dòng)輪 系實(shí)現(xiàn)合流。下面以兩輸入單輸出的差動(dòng)輪系為例，說明機(jī)械合流的原理和特點(diǎn)。
參見圖4 軸I和軸II是兩個(gè)輸入軸，軸III為輸出軸，通過行星差動(dòng)輪系的運(yùn)動(dòng) 合成，將軸I和軸II的運(yùn)動(dòng)合成為輸出軸III的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)軸I和軸II輸入功率的合流。
機(jī)械合流的缺點(diǎn)是；1.要將多個(gè)功率合流，差動(dòng)輪系需有相應(yīng)數(shù)量輸入軸，常需設(shè)計(jì)成多級(jí)差動(dòng)結(jié)構(gòu)，過 于復(fù)雜，成本很高。一個(gè)風(fēng)場(chǎng)通常有數(shù)十甚至上百個(gè)機(jī)組，不可能用一個(gè)差動(dòng)輪系實(shí)現(xiàn)合 流，仍需分組合流，輸出功率曲線的平滑度有限。
2.根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，高空風(fēng)能發(fā)電機(jī)組之間的距離應(yīng)該不小于做功部分的系繩長(zhǎng)度，其 尺度可達(dá)幾千米，但差動(dòng)齒輪的尺寸不可能設(shè)計(jì)的很大，這限制了高空風(fēng)能發(fā)電機(jī)組之間 的相互距離，如果距離過小，有可能會(huì)使空中做功部分的系繩在空中發(fā)生纏繞，引發(fā)事故。
3.該合流方式是先將機(jī)械功率合流，再發(fā)電，也就是說，用多個(gè)空中做功傘驅(qū)動(dòng) 一個(gè)發(fā)電機(jī)發(fā)電，故發(fā)電機(jī)容量大，缺乏機(jī)動(dòng)性，當(dāng)部分空中做功傘因故退出時(shí)，發(fā)電機(jī)的 效率就低。
因此，在高空風(fēng)能發(fā)電大規(guī)模應(yīng)用時(shí)，采用機(jī)械合流的方式基本是不可行的。 發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，是提供一種多個(gè)間歇發(fā)電的高空風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率合流方法， 該方法的技術(shù)方案，可克服上述機(jī)械合流的缺點(diǎn)，使多個(gè)間歇發(fā)電的高空風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的 功率合流切實(shí)可行。
本發(fā)明的技術(shù)方案是多個(gè)間歇發(fā)電的高空風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率合流方法，分別由各個(gè)高空風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的 空中做功傘獲取風(fēng)力，通過系繩傳遞到地面的卷筒，轉(zhuǎn)換成機(jī)械功率，經(jīng)齒輪箱升速后，驅(qū) 動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，由全功率變流器將電流轉(zhuǎn)換成工頻三相交流電，再將所有高空風(fēng)力發(fā)電機(jī) 輸出的工頻電流合流，并入電網(wǎng)。
合流節(jié)點(diǎn)為全功率變流器的交流輸出端或直流母排。
本發(fā)明的有益效果通過上述手段，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)高空風(fēng)能做功系統(tǒng)所發(fā)功率的有效合流。相對(duì)于機(jī)械合流 方案，本發(fā)明提出的電氣合流機(jī)構(gòu)與每個(gè)空中做功部分可以單獨(dú)組成一個(gè)發(fā)電單元，每一 個(gè)發(fā)電單元都可以獨(dú)立向電網(wǎng)供電，也可以與其它發(fā)電單元組成更大的發(fā)電單元向電網(wǎng)供 電，靈活機(jī)動(dòng)。特別是在較大的發(fā)電單元中，其中每個(gè)小的發(fā)電單元的輸出功率可以相互補(bǔ) 償，實(shí)現(xiàn)恒定的功率輸出，并且這種功率的輸出穩(wěn)定性隨著發(fā)電單元的增加而更好；采用機(jī)械合流方式(如采用差動(dòng)輪系)對(duì)每個(gè)空中做功部分的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和地面系統(tǒng)的 安裝位置有嚴(yán)格的要求，而本發(fā)明提出的電氣合流方式的每個(gè)發(fā)電單元的空中做功部分的 運(yùn)動(dòng)規(guī)律相互獨(dú)立，降低了對(duì)控制設(shè)計(jì)的需求，同時(shí)地面裝置的安裝位置更加靈活，對(duì)機(jī)組 安裝的微觀選址有利；本發(fā)明提出的電氣合流方式的成本較機(jī)械合流方式具有優(yōu)勢(shì)，且后期在風(fēng)場(chǎng)的維護(hù)性 更好。


圖1是本發(fā)明的功率合流原理圖；圖2是本發(fā)明功率合流的一種結(jié)構(gòu)原理詳圖(合流節(jié)點(diǎn)為全功率變流器的交流輸出端)；圖3是本發(fā)明功率合流的另一種結(jié)構(gòu)原理詳圖(合流節(jié)點(diǎn)為全功率變流器的直流母排)；圖4是現(xiàn)有的機(jī)械合流機(jī)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明通過電氣手段，在地面系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)多個(gè)高空風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)的功率合流，其 總體結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。
圖1表示的是N個(gè)高空風(fēng)能發(fā)電機(jī)組合流的總體結(jié)構(gòu)原理圖。每個(gè)高空風(fēng)能發(fā)電 機(jī)組由順序聯(lián)接的空中做功部分A、地面機(jī)械傳動(dòng)部分B、發(fā)電機(jī)C和變流器D組成，它們輸 出的功率合流，并入電網(wǎng)。其工作原理是空中做功部分A將獲得的風(fēng)力傳遞到地面機(jī)械傳 動(dòng)部分B，轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)C發(fā)電，由于空中做功部分A是升降往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其輸出 功率是間歇的，故發(fā)電機(jī)C發(fā)出的電功率也是間歇的，該間歇電功率經(jīng)變流器D整流、逆變 成工頻三相交流電，再合流并入電網(wǎng)，合流節(jié)點(diǎn)就是并網(wǎng)點(diǎn)。
實(shí)例1參見圖2 本風(fēng)力發(fā)電機(jī)組包括空中做功傘和地面部分，地面部分由卷筒1，單向離合 器2，齒輪箱3，發(fā)電機(jī)4，全功率變流器5，輔助電動(dòng)機(jī)8組成，輔助電動(dòng)機(jī)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)9 聯(lián)接卷筒1。空中做功傘漂浮在空中，它的系繩纏繞在卷筒1上。為了防止卷筒1帶動(dòng)發(fā)電 機(jī)4反轉(zhuǎn)，在卷筒1與增速齒輪箱3之間安裝了單向離合器2，當(dāng)卷筒1反轉(zhuǎn)回收空中做功 傘時(shí)，它可以保證卷筒1與發(fā)電機(jī)4之間運(yùn)動(dòng)脫開，發(fā)電機(jī)4不出現(xiàn)反轉(zhuǎn)。在全功率變流器 5的輸出側(cè)設(shè)有自用電端口 7，用于向輔助電動(dòng)機(jī)8供電。
其工作原理是，當(dāng)空中做功傘迎風(fēng)上升時(shí)，系繩牽引卷筒1轉(zhuǎn)動(dòng)，通過齒輪箱3增 速，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)4發(fā)電，當(dāng)系繩放到最大長(zhǎng)度時(shí)，通過改變空中做功傘的攻角，使其處于低 升力狀態(tài)，由輔助電動(dòng)機(jī)8驅(qū)動(dòng)卷筒1反轉(zhuǎn)，將空中做功傘拉回下一個(gè)發(fā)電周期的起始位 置，如此周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)。因此，發(fā)電機(jī)4輸出的功率是間歇的，經(jīng)過全功率變流器5的整 流、逆變，得到期望的工頻三相交流電，最后通過變壓器升壓，并入電網(wǎng)。風(fēng)場(chǎng)所有風(fēng)力發(fā)電 機(jī)均按此過程運(yùn)行，輸出功率在并網(wǎng)點(diǎn)6合流。
實(shí)例2參見圖3 其基本結(jié)構(gòu)與圖2大致相同，只是在功率的合流點(diǎn)的選擇不同。它由卷筒1， 單向離合器2，齒輪箱3，發(fā)電機(jī)4，整流器5，逆變器6，輔助電動(dòng)機(jī)10，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)11組成。 設(shè)有并網(wǎng)出輸端7，輔助電動(dòng)機(jī)供電端8。其區(qū)別是，合流節(jié)點(diǎn)9為變流器的直流母排。圖 2和圖3提出的電氣合流方式的不同之處在于多個(gè)高空風(fēng)能發(fā)電機(jī)組的功率合流點(diǎn)的選擇 不同，圖2的功率合流點(diǎn)選擇在變流器的交流端，而圖3選擇在直流母排處進(jìn)行合流，不同的合流點(diǎn)選擇將帶來對(duì)部件，特別是逆變器的不同要求。對(duì)于交流端合流方式，逆變器的容 量等于整流器的容量，而直流母排合流方式中，逆變器6的容量等于參加合流的高空風(fēng)能 發(fā)電機(jī)組的整流器5容量之和。
就目前的技術(shù)條件而言，兩者的實(shí)現(xiàn)難度都不大，需要的機(jī)械和電氣部件基本都 可以方便的找到，在工程上具有很好的可實(shí)現(xiàn)性，這也是本發(fā)明相對(duì)于機(jī)械合流的優(yōu)勢(shì)之ο
通過上述手段，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)高空風(fēng)能做功系統(tǒng)所發(fā)功率的有效合流。相對(duì)于機(jī)械 合流方案，本發(fā)明提出的電氣合流機(jī)構(gòu)與每個(gè)空中做功部分可以單獨(dú)組成一個(gè)發(fā)電單元， 每一個(gè)發(fā)電單元都可以獨(dú)立向電網(wǎng)供電，也可以與其它發(fā)電單元組成更大的發(fā)電單元向電 網(wǎng)供電，特別是在較大的發(fā)電單元中，其中每個(gè)小的發(fā)電單元的輸出功率可以相互補(bǔ)償，實(shí) 現(xiàn)恒定的功率輸出，并且這種功率的輸出穩(wěn)定性隨著發(fā)電單元的增加而更好；采用機(jī)械合流方式(如采用差動(dòng)輪系)對(duì)每個(gè)空中做功部分的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和地面系統(tǒng)的 安裝位置有嚴(yán)格的要求，而本發(fā)明提出的電氣合流方式的每個(gè)發(fā)電單元的空中做功部分的 運(yùn)動(dòng)規(guī)律相互獨(dú)立，降低了對(duì)控制設(shè)計(jì)的需求，同時(shí)地面裝置的安裝位置更加靈活，對(duì)機(jī)組 安裝的微觀選址有利；本發(fā)明提出的電氣合流方式的成本較機(jī)械合流方式具有優(yōu)勢(shì)，且后期在風(fēng)場(chǎng)的維護(hù)性 更好。
本發(fā)明對(duì)于具有間歇式功率輸出特征的高空風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)具有廣泛的適用性，并 且本發(fā)明提出的電氣合流方案采用的主要部件基本都可以從現(xiàn)有產(chǎn)品中選取，容易實(shí)現(xiàn)， 并且可以方便地?cái)U(kuò)展其容量，以適應(yīng)更大額定功率的機(jī)型，因此具有很好的適用性和可行 性，此外，本發(fā)明對(duì)空中做功傘的運(yùn)動(dòng)規(guī)律沒有嚴(yán)格要求；整體方案成本較低，實(shí)現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn) 較小。配合高空風(fēng)能發(fā)電的恒功率控制策略，可以達(dá)到做功裝置越多，對(duì)電網(wǎng)沖擊越小的優(yōu) 勢(shì)。
權(quán)利要求
1.多個(gè)間歇發(fā)電的高空風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率合流方法，其特征在于分別由各高空風(fēng) 力發(fā)電機(jī)組的空中做功傘獲取風(fēng)力，通過系繩傳遞到地面的卷筒，轉(zhuǎn)換成機(jī)械功率，經(jīng)齒輪 箱升速后，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，由全功率變流器將電流轉(zhuǎn)換成工頻三相交流電，再將所有高空 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出的工頻電流合流，并入電網(wǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述多個(gè)間歇發(fā)電的高空風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率合流方法，其特征在 于合流節(jié)點(diǎn)為全功率變流器的交流輸出端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述多個(gè)間歇發(fā)電的高空風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率合流方法，其特征在 于合流節(jié)點(diǎn)為全功率變流器的直流母排。
全文摘要
一種多個(gè)間歇發(fā)電的高空風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率合流方法，分別由各高空風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的空中做功傘獲取風(fēng)力，通過系繩傳遞到地面的卷筒，轉(zhuǎn)換成機(jī)械功率，經(jīng)齒輪箱升速后，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，由全功率變流器將電流轉(zhuǎn)換成工頻三相交流電，再將所有高空風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出的工頻電流合流，并入電網(wǎng)。本發(fā)明的技術(shù)方案，可克服機(jī)械合流的缺點(diǎn)，使多個(gè)間歇發(fā)電的高空風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率合流切實(shí)可行。
文檔編號(hào)F03D9/00GK102035218SQ201010602590
公開日2011年4月27日 申請(qǐng)日期2010年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月23日
發(fā)明者劉樺, 王為民, 王兵, 王建錄, 莫爾兵, 鄧良 申請(qǐng)人:東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司