專利名稱：利用太陽(yáng)能調(diào)速運(yùn)行的風(fēng)力機(jī)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及的是一種風(fēng)力機(jī)裝置。
背景技術(shù)：
隨著風(fēng)能的不斷開(kāi)發(fā)和利用，風(fēng)力機(jī)裝置的應(yīng)用也愈加廣泛，同時(shí)各種各樣的負(fù)載對(duì)風(fēng)力機(jī)裝置的性能要求也越來(lái)越高，例如在風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)合，為了得到頻率恒定的發(fā)電機(jī)輸出電壓，要求風(fēng)力機(jī)裝置必須在風(fēng)速變化的情況下，能夠提供的穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速。從目前的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，變槳距風(fēng)力機(jī)是解決這一問(wèn)題的主要方法，當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化或者負(fù)載需要變速運(yùn)行時(shí)，變槳距風(fēng)力機(jī)通過(guò)調(diào)節(jié)槳距來(lái)改變捕獲風(fēng)能的大小， 進(jìn)而滿足負(fù)載運(yùn)行的需求。但是變槳距風(fēng)力機(jī)的使用卻存在有以下明顯的不足(1)變槳距風(fēng)力機(jī)的槳距調(diào)節(jié)是一個(gè)機(jī)械過(guò)程，調(diào)節(jié)過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢；(2)為了對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，變槳距風(fēng)力機(jī)需要根據(jù)負(fù)載所需能量的大小，來(lái)調(diào)節(jié)其捕獲、轉(zhuǎn)化的風(fēng)能，在這種情況下，變槳距風(fēng)力機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)最大風(fēng)能的轉(zhuǎn)化，降低了風(fēng)能的利用率。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供實(shí)現(xiàn)風(fēng)能和太陽(yáng)能的互補(bǔ)，進(jìn)一步提高新能源的開(kāi)發(fā)和利用的利用太陽(yáng)能調(diào)速運(yùn)行的風(fēng)力機(jī)裝置。本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本實(shí)用新型利用太陽(yáng)能調(diào)速運(yùn)行的風(fēng)力機(jī)裝置，其特征是包括風(fēng)力機(jī)、調(diào)速電機(jī)、輸出軸、機(jī)側(cè)變流器、直流母線、太陽(yáng)能-電能轉(zhuǎn)化裝置、穩(wěn)壓電路、儲(chǔ)能裝置、充放電電路、網(wǎng)側(cè)變流器、開(kāi)關(guān)，調(diào)速電機(jī)一端與風(fēng)力機(jī)相連、另一端與輸出軸相連，機(jī)側(cè)變流器的一端與調(diào)速電機(jī)的電樞繞組相連、另一端與直流母線相連，太陽(yáng)能-電能轉(zhuǎn)化裝置連接穩(wěn)壓電路的輸入端，穩(wěn)壓電路的輸出端與直流母線相連，儲(chǔ)能裝置經(jīng)過(guò)充放電電路連接直流母線，網(wǎng)側(cè)交流器的直流端與直流母線連接在一起，網(wǎng)側(cè)交流器的交流端連接開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)還連接電網(wǎng)。本實(shí)用新型還可以包括1、所述的風(fēng)力機(jī)和調(diào)速電機(jī)之間安裝變速箱。本實(shí)用新型的優(yōu)勢(shì)在于本實(shí)用新型將太陽(yáng)能、風(fēng)能和儲(chǔ)能裝置有機(jī)結(jié)合，既可以實(shí)現(xiàn)輸出互補(bǔ)，又可以實(shí)現(xiàn)最大太陽(yáng)能和風(fēng)能的轉(zhuǎn)化，其響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)特性好，有助于提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。
圖1為本實(shí)用新型的裝置結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖舉例對(duì)本實(shí)用新型做更詳細(xì)地描述實(shí)施方式1 結(jié)合圖1，本實(shí)用新型提出的利用太陽(yáng)能調(diào)速運(yùn)行的風(fēng)力機(jī)裝置由風(fēng)力機(jī)1、變速箱2、調(diào)速電機(jī)3、輸出軸4、機(jī)側(cè)變流器5、直流母線6、太陽(yáng)能-電能轉(zhuǎn)化裝置7、穩(wěn)壓電路 8、儲(chǔ)能裝置9、充放電電路10、網(wǎng)側(cè)變流器11、開(kāi)關(guān)12等部分構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。 風(fēng)力機(jī)1的輸出軸與變速箱2的輸入連接在一起；調(diào)速電機(jī)3的軸向兩側(cè)都有軸引出，一端與變速箱2的輸出連接在一起，另一端與輸出軸4連接；輸出軸4的一端與調(diào)速電機(jī)3連接，另一端用于與風(fēng)力機(jī)裝置的負(fù)載連接；調(diào)速電機(jī)3的電樞繞組與機(jī)側(cè)變流器5的一側(cè)端口連接在一起；機(jī)側(cè)變流器5的另一側(cè)直流端口與接至直流母線6 ；太陽(yáng)能-電能轉(zhuǎn)化裝置 7的輸出接至穩(wěn)壓電路8的輸入端；穩(wěn)壓電路8的輸出端與直流母線6連接；儲(chǔ)能裝置9經(jīng)過(guò)充放電電路10接至直流母線6 ；網(wǎng)側(cè)變流器11的直流端與直流母線6連接在一起，其交流端接至開(kāi)關(guān)12 ；開(kāi)關(guān)12的一側(cè)與網(wǎng)側(cè)變流器11的交流端連接，另一側(cè)接至電網(wǎng)。工作原理風(fēng)力機(jī)1始終運(yùn)行于最大風(fēng)能捕捉的工況，根據(jù)風(fēng)力機(jī)1輸出的機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tm(折算到變速箱2的輸出軸側(cè))和與輸出軸4連接在一起的負(fù)載所需要的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL之間的大小關(guān)系，本實(shí)用新型提出的利用太陽(yáng)能發(fā)電調(diào)速的風(fēng)力機(jī)裝置可運(yùn)行在以下幾種工作模式下(1)工作模式一。該工作模式適用于風(fēng)力機(jī)1輸出的機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tm等于負(fù)載所需要的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL，即風(fēng)力機(jī)1捕獲的風(fēng)能滿足負(fù)載所需能量的情況。在該工作模式下，機(jī)側(cè)變流器5處于截止?fàn)顟B(tài)，調(diào)速電機(jī)3的電樞繞組開(kāi)路，調(diào)速電機(jī)3軸上輸出的電磁轉(zhuǎn)矩Te為零；風(fēng)力機(jī)1通過(guò)變速箱2和輸出軸4帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)力機(jī)1捕獲的風(fēng)能全部提供給負(fù)載； 此時(shí)太陽(yáng)能-電能轉(zhuǎn)化裝置7轉(zhuǎn)化的電能通過(guò)穩(wěn)壓電路8送至直流母線6，再由儲(chǔ)能裝置9 通過(guò)充放電電路10予以吸收。在該工作模式的運(yùn)行過(guò)程中，可以加入附加工作模式(參見(jiàn)第⑷項(xiàng))。(2)工作模式二。該工作模式適用于風(fēng)力機(jī)1輸出的機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tm大于負(fù)載所需要的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL，即風(fēng)力機(jī)1捕獲的風(fēng)能過(guò)多，超出負(fù)載所需的能量，或者是負(fù)載需要減速、 制動(dòng)等情況。在該工作模式下，通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)側(cè)變流器5提供給調(diào)節(jié)電機(jī)3電樞繞組的電壓 (電壓的性質(zhì)和大小取決于調(diào)速電機(jī)3的種類和參數(shù)等)，使調(diào)速電機(jī)3處于回饋制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，其電磁轉(zhuǎn)矩Te與機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tm方向相反，將部分由風(fēng)力機(jī)1捕獲的風(fēng)能變成電能，而這部分電能經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)3的電樞繞組、機(jī)側(cè)變流器5、充放電電路10，最終由儲(chǔ)能裝置9 吸收、存儲(chǔ)。通過(guò)對(duì)機(jī)側(cè)變流器5的合理控制，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩平衡，即Tm-Te = TL，進(jìn)而滿足負(fù)載運(yùn)行的需求。在該工作模式的運(yùn)行過(guò)程中，儲(chǔ)能裝置9在吸收調(diào)速電機(jī)3回饋的電能的同時(shí)，也吸收由太陽(yáng)能-電能轉(zhuǎn)化裝置7轉(zhuǎn)化的電能。在該工作模式的運(yùn)行過(guò)程中，可以加入附加工作模式(參見(jiàn)第(4)項(xiàng))。(3)工作模式三。該工作模式適用于風(fēng)力機(jī)1輸出的機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tm小于負(fù)載所需要的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL，即風(fēng)力機(jī)1捕獲的風(fēng)能不足以滿足負(fù)載所需的能量，或者負(fù)載需要加速等情況。在該工作模式下，太陽(yáng)能-電能轉(zhuǎn)化裝置7轉(zhuǎn)化的電能傳遞至直流母線6后，再經(jīng)過(guò)機(jī)側(cè)變流器5的電壓轉(zhuǎn)換(具體的電壓轉(zhuǎn)換形式取決于電機(jī)的類型和電機(jī)的調(diào)速需求)送入調(diào)速電機(jī)3的電樞繞組；調(diào)速電機(jī)3處于電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，其提供的電磁轉(zhuǎn)矩Te與機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tm同向，共同拖動(dòng)負(fù)載旋轉(zhuǎn)，通過(guò)對(duì)機(jī)側(cè)變流器5的合理控制，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩平衡，即 Tm+Te = TL，進(jìn)而滿足負(fù)載運(yùn)行的需求。在該工作模式的運(yùn)行過(guò)程中，如果太陽(yáng)能_電能轉(zhuǎn)化裝置7轉(zhuǎn)化的電能在能夠滿足調(diào)速電機(jī)3的需求前提下，仍有盈余，則多余的這些電能由儲(chǔ)能裝置9通過(guò)充放電電路10予以吸收；反之如果太陽(yáng)能-電能轉(zhuǎn)化裝置7轉(zhuǎn)化的電能不足以滿足調(diào)速電機(jī)3的需求時(shí)，儲(chǔ)能裝置9通過(guò)充放電電路10釋放出部分能量，以補(bǔ)償這部分能量的差值。在該工作模式的運(yùn)行過(guò)程中，可以加入附加工作模式(參見(jiàn)第(4)項(xiàng))。(4)附加工作模式在本實(shí)用新型提出的風(fēng)力機(jī)裝置的運(yùn)行過(guò)程中(工作模式一至工作模式三中的任意一種狀態(tài))，如果太陽(yáng)能-電能轉(zhuǎn)化裝置7和調(diào)速電機(jī)3(兩者中的一種，或同時(shí))提供的電能已經(jīng)超過(guò)儲(chǔ)能裝置9的容量；或者如果電網(wǎng)有功功率不平衡，需要有功補(bǔ)償或吸收時(shí)，則控制開(kāi)關(guān)12閉合，網(wǎng)側(cè)變流器11處于逆變(向電網(wǎng)提供能量)或整流(吸收電網(wǎng)的能量)工作狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)裝置與電網(wǎng)之間的能量交換。有益效果(1)本實(shí)用新型提出的風(fēng)力機(jī)裝置，可以為負(fù)載提供穩(wěn)定的輸出轉(zhuǎn)速(輸出軸4的轉(zhuǎn)速)。當(dāng)風(fēng)能與負(fù)載所需能量之間出現(xiàn)不平衡時(shí)，若風(fēng)力機(jī)裝置的輸出轉(zhuǎn)速減小，則控制機(jī)側(cè)變流器5的輸出電壓使調(diào)速電機(jī)3處于電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，將太陽(yáng)能發(fā)出的電能或儲(chǔ)能裝置9里的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，補(bǔ)償給負(fù)載，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定；若風(fēng)力機(jī)裝置的輸出轉(zhuǎn)速增加， 則控制調(diào)速電機(jī)3處于回饋制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，將輸出軸4上多余的機(jī)械能變成電能，再由儲(chǔ)能裝置9吸收。(2)本實(shí)用新型提出的風(fēng)力機(jī)裝置，在風(fēng)速(或風(fēng)能)不變的情況下，可以靈活調(diào)節(jié)輸出軸4的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而滿足負(fù)載的調(diào)速運(yùn)行需求。當(dāng)負(fù)載需要加速運(yùn)行時(shí)，控制機(jī)側(cè)變流器5的輸出電壓使調(diào)速電機(jī)3處于電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，將太陽(yáng)能發(fā)出的電能或儲(chǔ)能裝置9里的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，滿足負(fù)載加速的需求；當(dāng)負(fù)載需要減速時(shí)，控制調(diào)速電機(jī)3處于回饋制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，將輸出軸4上多余的機(jī)械能變成電能，再由儲(chǔ)能裝置9吸收。由于調(diào)節(jié)過(guò)程完全依靠電氣調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)，與改變風(fēng)力機(jī)槳距的機(jī)械方式相比，其響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)特性好。(3)本實(shí)用新型提出的風(fēng)力機(jī)裝置，將太陽(yáng)能、風(fēng)能和儲(chǔ)能裝置有機(jī)結(jié)合，即可以實(shí)現(xiàn)輸出互補(bǔ)，又可以實(shí)現(xiàn)最大太陽(yáng)能和風(fēng)能的轉(zhuǎn)化。正常運(yùn)行時(shí)，主要由風(fēng)力機(jī)1帶動(dòng)輸出軸旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成為負(fù)載所需的動(dòng)能，此時(shí)太陽(yáng)能發(fā)出的電能由儲(chǔ)能裝置9吸收；當(dāng)風(fēng)能的大小與負(fù)載的需求不平衡時(shí)，則利用太陽(yáng)能予以補(bǔ)充，或者利用儲(chǔ)能裝置9吸收多余的風(fēng)能。(4)本實(shí)用新型提出的風(fēng)力機(jī)裝置，在為負(fù)載提供旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能的同時(shí)，還可以與電網(wǎng)進(jìn)行能量交換。當(dāng)網(wǎng)側(cè)變流器11處于逆變工作狀態(tài)時(shí)，風(fēng)力機(jī)裝置將直流母線6上的電能(包括太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化的電能、儲(chǔ)能裝置9釋放的電能、調(diào)速電機(jī)3回饋的電能)向電網(wǎng)輸送；當(dāng)網(wǎng)側(cè)變流器11處于整流工作狀態(tài)時(shí)，儲(chǔ)能裝置9通過(guò)充放電電路10吸收電網(wǎng)上多余的電能。因此本實(shí)用新型提出的風(fēng)力機(jī)裝置有助于提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。(5)由于本實(shí)用新型提出的風(fēng)力機(jī)裝置的轉(zhuǎn)速(輸出軸4的轉(zhuǎn)速)可控、可調(diào)，當(dāng)其應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)提供原動(dòng)力時(shí)，無(wú)論發(fā)電機(jī)是何種類型(同步發(fā)電機(jī)、異步發(fā)電機(jī)、永磁發(fā)電機(jī)等)，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁是否可控(電勵(lì)磁、永磁勵(lì)磁等)，在風(fēng)速變化時(shí)，發(fā)電機(jī)仍然可以實(shí)現(xiàn)恒頻輸出，進(jìn)而提高風(fēng)電網(wǎng)的電能品質(zhì)。[0028]風(fēng)力機(jī)1采用各種常規(guī)的定槳距風(fēng)力機(jī)或變槳距風(fēng)力機(jī)。變速箱2采用由齒輪構(gòu)成的機(jī)械傳動(dòng)裝置。調(diào)節(jié)電機(jī)3采用可運(yùn)行于電動(dòng)和發(fā)電兩種狀態(tài)的直流電機(jī)或交流電機(jī)。輸出軸4的兩端分別通過(guò)聯(lián)軸器與調(diào)節(jié)電機(jī)3的轉(zhuǎn)軸和負(fù)載連接。調(diào)節(jié)電機(jī)3為直流電機(jī)時(shí)，機(jī)側(cè)變流器5采用雙向DC/DC變換電路，例如 Buck-Boost ；調(diào)節(jié)電機(jī)3為交流電機(jī)時(shí)，機(jī)側(cè)變流器5采用能量能夠雙向流動(dòng)的AC/DC變換電路，例如利用IGBT、MOSFET等半導(dǎo)體器件構(gòu)成的三相半橋式電路。直流母線6可采用銅排、電纜線等構(gòu)成。太陽(yáng)能-電能轉(zhuǎn)化裝置7采用太陽(yáng)能電池構(gòu)成。穩(wěn)壓電路8可采用Buck或Boost電路結(jié)構(gòu)。儲(chǔ)能裝置9采用超級(jí)電容器組，或者蓄電池組、飛輪儲(chǔ)能裝置等。充放電電路10采用雙向DC/DC變換電路，例如雙向Buck電路。網(wǎng)側(cè)變流器11采用能量能夠雙向流動(dòng)的AC/DC變換電路，例如利用IGBT、M0SFET 等半導(dǎo)體器件構(gòu)成的三相半橋式電路。開(kāi)關(guān)12采用可控機(jī)械式開(kāi)關(guān)，例如接觸器。風(fēng)力機(jī)1將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，通過(guò)變速箱2驅(qū)動(dòng)與負(fù)載連接的輸出軸4 轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而將能量傳遞給負(fù)載，當(dāng)風(fēng)能不足或過(guò)剩時(shí)，通過(guò)改變調(diào)速電機(jī)3的運(yùn)行方式，以及利用太陽(yáng)能-電能轉(zhuǎn)化裝置7輸出的電能和儲(chǔ)能裝置9的充放電控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出軸4上的轉(zhuǎn)速控制和調(diào)節(jié)，進(jìn)而滿足負(fù)載運(yùn)行的需求。根據(jù)風(fēng)力機(jī)1輸出的機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tm和負(fù)載所需要的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL之間的大小關(guān)系，本實(shí)用新型提出的利用太陽(yáng)能調(diào)速運(yùn)行的風(fēng)力機(jī)裝置可運(yùn)行在工作模式一至工作模式三，以及附加工作模式下。實(shí)施方式2:在實(shí)施方式1的基礎(chǔ)上，取消變速箱2部件，風(fēng)力機(jī)1直接與調(diào)速電機(jī)3的一側(cè)軸
端連接在一起。
權(quán)利要求1.利用太陽(yáng)能調(diào)速運(yùn)行的風(fēng)力機(jī)裝置，其特征是包括風(fēng)力機(jī)、調(diào)速電機(jī)、輸出軸、機(jī)側(cè)變流器、直流母線、太陽(yáng)能-電能轉(zhuǎn)化裝置、穩(wěn)壓電路、儲(chǔ)能裝置、充放電電路、網(wǎng)側(cè)變流器、開(kāi)關(guān)，調(diào)速電機(jī)一端與風(fēng)力機(jī)相連、另一端與輸出軸相連，機(jī)側(cè)變流器的一端與調(diào)速電機(jī)的電樞繞組相連、另一端與直流母線相連，太陽(yáng)能-電能轉(zhuǎn)化裝置連接穩(wěn)壓電路的輸入端，穩(wěn)壓電路的輸出端與直流母線相連，儲(chǔ)能裝置經(jīng)過(guò)充放電電路連接直流母線，網(wǎng)側(cè)交流器的直流端與直流母線連接在一起，網(wǎng)側(cè)交流器的交流端連接開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)還連接電網(wǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用太陽(yáng)能調(diào)速運(yùn)行的風(fēng)力機(jī)裝置，其特征是所述的風(fēng)力機(jī)和調(diào)速電機(jī)之間安裝變速箱。
專利摘要本實(shí)用新型的目的在于提供利用太陽(yáng)能調(diào)速運(yùn)行的風(fēng)力機(jī)裝置，其特征是包括風(fēng)力機(jī)、調(diào)速電機(jī)、輸出軸、機(jī)側(cè)變流器、直流母線、太陽(yáng)能-電能轉(zhuǎn)化裝置、穩(wěn)壓電路、儲(chǔ)能裝置、充放電電路、網(wǎng)側(cè)變流器、開(kāi)關(guān)，調(diào)速電機(jī)一端與風(fēng)力機(jī)相連、另一端與輸出軸相連，機(jī)側(cè)變流器的一端與調(diào)速電機(jī)的電樞繞組相連、另一端與直流母線相連，太陽(yáng)能-電能轉(zhuǎn)化裝置連接穩(wěn)壓電路的輸入端，穩(wěn)壓電路的輸出端與直流母線相連，儲(chǔ)能裝置經(jīng)過(guò)充放電電路連接直流母線，網(wǎng)側(cè)交流器的直流端與直流母線連接在一起，網(wǎng)側(cè)交流器的交流端連接開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)還連接電網(wǎng)。本實(shí)用新型響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)特性好，有助于提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)H02J15/00GK202040016SQ201120157178
公開(kāi)日2011年11月16日 申請(qǐng)日期2011年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月17日
發(fā)明者劉宏達(dá), 張強(qiáng), 張敬南, 張文義, 畢洪大, 程鵬, 趙凱岐 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)