專利名稱：半直驅(qū)全功率風力發(fā)電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
半直驅(qū)全功率風力發(fā)電裝置技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實用新型涉及電力領(lǐng)域，具體而言，涉及一種半直驅(qū)全功率風力發(fā)電裝置。
技術(shù)背景[0002]傳統(tǒng)風力發(fā)電機組的電磁機械系統(tǒng)通常包含三個主要部分葉片、增速箱和發(fā) 電機。葉片轉(zhuǎn)速通常都設(shè)計在20 30r/min，而傳統(tǒng)風力發(fā)電機轉(zhuǎn)速為1000 1500r/ min,這就意味著葉片和發(fā)電機之間必須用增速齒輪箱來聯(lián)接。然而，大變比的增速齒輪 箱將導致增加機組的重量、產(chǎn)生噪音、需要定期維護以及增加損耗等缺點。因此，無齒 輪箱的直驅(qū)型風力發(fā)電機組也逐漸引起了人們的關(guān)注。[0003]直驅(qū)系統(tǒng)與雙饋變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)類似，只是所采用的發(fā)電機為永磁式發(fā) 電機，轉(zhuǎn)子為永磁式結(jié)構(gòu)，無需外部提供勵磁電源，也不需要滑環(huán)碳刷，結(jié)構(gòu)簡單技術(shù) 可靠，對電網(wǎng)運行影響小，提高了效率。其變速恒頻控制在定子電路實現(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)點是采用永磁發(fā)電機可以做到葉片與發(fā)電 機的直接耦合，省去齒輪箱，即為直接驅(qū)動式結(jié)構(gòu)，這樣可大大減小系統(tǒng)運行噪聲，提 高可靠性；其主要缺點是盡管實現(xiàn)了直接耦合，但是大功率永磁發(fā)電機的轉(zhuǎn)速很低，使 發(fā)電機體積大、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 電技術(shù)的興起，因此可以結(jié)合傳統(tǒng)風電系統(tǒng)和直驅(qū)系統(tǒng)的技術(shù)，利用低速齒輪箱和中速 永磁電機代替原有的高速齒輪箱和低速永磁電機。[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)用于各種拓撲結(jié)構(gòu)的風力 發(fā)電機組系統(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，當電力系統(tǒng)中風電裝機容量比例較大時，電力系統(tǒng)故障導致電壓跌落 后，風電場切除會嚴重影響系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。實用新型內(nèi)容[0006]本實用新型用于提供一種半直驅(qū)全功率風力發(fā)電裝置，以提高電力系統(tǒng)的低電 壓穿越能力，增強系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。[0007]本實用新型提供了一種半直驅(qū)全功率風力發(fā)電裝置，包括葉片、低速齒輪 箱、中速永磁發(fā)電機、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)電機相連接；全功率變流器將中速永磁發(fā)電 機輸出的交流電轉(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]進一步地，上述半直驅(qū)全功率風力發(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，主控制單元采集風向、風速、葉片的轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)電壓，并對其進行處理生成 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)電機的輸出功率；并網(wǎng)控制單元與 并網(wǎng)變壓器相連接。[0009]進一步地，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 控制命令對多次纏繞的電纜進行解繞。[0010]進一步地，上述半直驅(qū)全功率風力發(fā)電裝置中還包括保護系統(tǒng)，其包括相連 接的參數(shù)采集單元和繼電保護單元，其中，參數(shù)采集單元分別采集中速永磁發(fā)電機的輸 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；繼電保護單元，將參數(shù)采集單元采集到的各項參數(shù)與設(shè)定的 極限值進行比較，當各項參數(shù)中的任一項超過其對應(yīng)的極限值時，停止風力機的運行。[0011]本實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，減少對電網(wǎng)的 沖擊，保證系統(tǒng)發(fā)生故障后風電機組不間斷并網(wǎng)運行，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用新型實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施 例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖 僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動 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)本實用新型一個實施例的半直驅(qū)全功率風力發(fā)電裝置示意圖。
具體實施方式
[0014]下面將結(jié)合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術(shù)方案進 行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是 全部的實施例?；诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├绢I(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有付出創(chuàng)造性勞 動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。[0015]圖1是根據(jù)本實用新型一個實施例的半直驅(qū)全功率風力發(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、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 機相連接；全功率變流器將中速永磁發(fā)電機輸出的交流電轉(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以一定的速度和攻角作用在風力機的葉片上，使風 力機產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩從而轉(zhuǎn)動，將風能轉(zhuǎn)變成機械能，風力機帶動與其同軸相連低速齒輪 箱，齒輪箱通過聯(lián)軸器帶動永磁同步發(fā)電機轉(zhuǎn)動，將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽l(fā)出隨風速的 變化幅值和頻率都變化的交流電。發(fā)電機發(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，減少對電網(wǎng)的 沖擊，保證系統(tǒng)發(fā)生故障后風電機組不間斷并網(wǎng)運行；該裝置集成了低速齒輪箱，尺寸4較小，維護量??；主流直驅(qū)風電系統(tǒng)不帶有齒輪箱，因此發(fā)電機采用低速永磁電機，但 低速永磁電機通常極對數(shù)多、大轉(zhuǎn)矩、徑向尺寸較大，軸向尺寸較小，使得發(fā)電機體積 龐大；而中速永磁發(fā)電機重量相對較輕，體積較小，通過聯(lián)軸器與低俗齒輪箱連接，可 以提高發(fā)電機的工作性能；同時永磁電機結(jié)構(gòu)簡單，不帶滑環(huán)和電刷，降低了風機的故 障率，節(jié)約制造與維護成本。[0018]本實用新型實施例中對半直驅(qū)全功率風力發(fā)電裝置的功率不加限定，例如可以 為 3MW。[0019]進一步地，上述半直驅(qū)全功率風力發(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，主控制單元采集風向、風速、葉片的轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)電壓，并對其進行處理生成 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責調(diào)整風力發(fā)電機組的迎風角和葉片的節(jié)距角，當風 速過高，超過系統(tǒng)的額定功率時，變槳距系統(tǒng)調(diào)節(jié)槳葉節(jié)距角，使風力機的轉(zhuǎn)速下降， 將功率控制在額定功率以下；當風向變化時，偏航系統(tǒng)可以跟蹤風向，使機組始終迎風 工作；變流器控制單元用來對發(fā)電機輸出的電能進行控制，將發(fā)電機發(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 器的命令實現(xiàn)輸出功率的控制，從而使機組工作在最佳風能捕獲狀態(tài)下；而機組主控制 系統(tǒng)用于協(xié)調(diào)這些部件的工作，同時采集當前的外部參數(shù)(風速、轉(zhuǎn)速、電網(wǎng)電壓等)， 根據(jù)最佳風能捕獲算法，適時的對各控制單元給出合理的操作指令。[0021]進一步地，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 控制命令對因為多次對風而纏繞的電纜進行解繞。[0022]在風力發(fā)電系統(tǒng)中，由于外部環(huán)境非常復(fù)雜，比如風力的不停變化以及電網(wǎng)的 波動等各種問題，而發(fā)電機和變流器的運行決定了風力機的運行狀況，因此，對發(fā)電機 和變流器的保護是非常有必要的。[0023]進一步地，上述半直驅(qū)全功率風力發(fā)電裝置中還包括保護系統(tǒng)，其包括相連 接的參數(shù)采集單元和繼電保護單元，其中，參數(shù)采集單元分別采集中速永磁發(fā)電機的輸 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；繼電保護單元，將參數(shù)采集單元采集到的各項參數(shù)與設(shè)定的 極限值進行比較，當各項參數(shù)中的任一項超過其對應(yīng)的極限值時，停止風力機的運行。[0024]本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解附圖只是一個實施例的示意圖，附圖中的模塊 或流程并不一定是實施本實用新型所必須的。[0025]本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解實施例中的裝置中的模塊可以按照實施例描 述分布于實施例的裝置中，也可以進行相應(yīng)變化位于不同于本實施例的一個或多個裝置 中。上述實施例的模塊可以合并為一個模塊，也可以進一步拆分成多個子模塊。[0026]最后應(yīng)說明的是以上實施例僅用以說明本實用新型的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本實用新型進行了詳細的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當 理解其依然可以對前述實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征 進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本實用新型實施 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、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)電機相連接；所述全功率變流器將所述中速永磁發(fā)電機輸出的交流電轉(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向、風速、所述葉片的轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)電壓，并對其進行處理生 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多次纏繞的電纜進行解繞。 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半直驅(qū)全功率風力發(fā)電裝置，其特征在于，還包括保護 系統(tǒng)，其包括相連接的參數(shù)采集單元和繼電保護單元，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；所述繼電保護單元，將所述參數(shù)采集單元采集到的各項參數(shù)與設(shè)定的極限值進行比 較，當所述各項參數(shù)中的任一項超過其對應(yīng)的極限值時，停止風力機的運行。
專利摘要本實用新型公開了一種半直驅(qū)全功率風力發(fā)電裝置，包括葉片、低速齒輪箱、中速永磁發(fā)電機、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)電機相連接；全功率變流器將中速永磁發(fā)電機輸出的交流電轉(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，減少對電網(wǎng)的沖擊，保證系統(tǒng)發(fā)生故障后風電機組不間斷并網(wǎng)運行，克服了現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題。
文檔編號F03D9/00GK201802564SQ20102055401
公開日2011年4月20日 申請日期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, 陳果 申請人:華銳風電科技(集團)股份有限公司