一种基于无级变速的风力发电机机电分离方法

摘要

本发明公开了一种基于无级变速的风力发电机机电分离方法，包括以下步骤：1)确定自然风输入的功率和无级变速器所需输入功率；2)根据自然风输入的功率和无级变速器所需输入功率的差异，经输入功率控制程序计算获得补偿功率的数值及功率补偿控制策略，使得无极变速器的输入功率恒定；3)利用恒定功率输入的无级变速器将自然风输入的风速以任意变比变换转速，使得无级变速器的输出具有恒定转速以及恒定功率；4)无级变速器输出的恒定转速以及恒定功率经机械传动装置连接常规发电机，作为发电机原动力恒速工作，将能量转化为电能传送到电网中。通过本发明方法可以简化风力发电机的传动部分，简化机械装置，减小体积，实现机电分离。

说明书

技术领域

本发明涉及风力发电制造的技术领域，尤其是指一种基于无级变速的风力 发电机机电分离方法。

背景技术

现今，风能作为一种清洁无污染的可再生资源，它的开发利用一直是人们 探索与研究的重点。而如何提高风力发电机的使用效率，减少损耗和简化风力 发电机复杂笨重的结构是我们需要去思考解决的。

现行的大型风力发电机在风速低于一定值时，控制器控制机械刹车将叶轮 锁定停止并网发电，一定程度上限制了风能的利用；而当风速较大时，则会导 致变速器的效率降低从而降低了整个风力发电机的效率。另外，目前多数叶轮 与发电机之间的速度转换一般使用齿轮箱或变速器，但多级增速齿轮箱体积庞 大极易损耗且检修难度大。

2009年东南大学提出了一种无级变速恒频运行风力发电机，并申请了专利。 该电机采用了内外转子参与变速以及加入储能装置参与反馈，提高了风能的转 换效率以及供电稳定性。但是蓄电池的笨重短周期寿命以及复杂的电机结构的 对于风力发电机的维护检修带来了更复杂的工作。

在此基础上，本发明提出了一种基于无级变速的风力发电机机电分离的方 法，电网直接通过输入功率调节装置对无级变速器进行功率补偿，可以有效简 化功率传动装置并能稳定地在恒频状态下对风能功率充分利用。要实现风力发 电机的轻简化并且实现机械部分和发电部分的分离，其首先条件是实现传动系 统和维护工作的简化，而无级变速的恒定功率和恒定转速的输出恰好为之提供 了条件。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于无级变速的 风力发电机机电分离方法，该方法取消了复杂的传动装置、增速齿轮箱和变速 箱，简化了传动系统，便于风力发电机的维护，同时，无级变速器的恒功率及 恒转速的输出使得系统可经简单的传动转置外接常规发电机，并使其工作在恒 速状态，实现风力发电的机械部分和发电部分的分离，即发电部分将机械部分 输出的恒定功率和恒定转速作为原动力进行发电，机械部分与发电部分没有其 它联系从而实现两部分之间的分离。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种基于无级变速的风力 发电机机电分离方法，包括以下步骤：

1)确定自然风输入的功率和无级变速器所需输入功率，其中，所述自然风 输入的功率是指由风速及功率检测装置收集到的自然风带动扇叶转动输入风机 的功率，通过如下公式确定：

$P_{\mathrm{in}}=\mathrm{kP}=\frac{k{\left(\mathrm{\rho sv}\right)}^3}{2}$

式中包含变量：由风机上测速器确定实时风速v，扇叶扫过的面积s，由当 地的气象局提供年平均气体密度值ρ，校正系数k；

2)根据自然风输入的功率和无级变速器所需输入功率的差异，经输入功率 控制程序计算获得补偿功率的数值及功率补偿控制策略，使得无极变速器的输 入功率恒定；

3)利用恒定功率输入的无级变速器将自然风输入的风速以任意变比变换转 速，使得无级变速器的输出具有恒定转速以及恒定功率；

4)无级变速器输出的恒定转速以及恒定功率经机械传动装置连接常规发电 机，作为发电机原动力恒速工作，将能量转化为电能传送到电网中，实现风力 发电机的机械部分与发电部分的分离。

在步骤(2)中，所述输入功率控制程序是指经科学算法和程序语言编程的 一种软件，能够根据实时自然风输入的功率和无级变速器所需输入功率的差值， 计算获得补偿功率的数值及功率补偿控制策略，其中，补偿功率的数值由以下 公式获得：

P_patch＝P_rated-P_in

式中包含变量：P_patch为补偿功率，P_in为自然风输入的功率，P_rated为无级变速 器所需的输入功率；

所述功率补偿控制策略是指输入功率控制程序基于所获得的补偿功率的数 值，对输入功率调节装置提出的行动命令，其具体过程为：①当P_patch＜0时，输 入功率调节装置经整流逆变过程变换电压，施加到异步电机，此时异步电机作 为电动机，电网向无级变速器输入功率；②当P_patch＞0时，异步电机产生的磁场 产生的电磁力对于自然风是一种阻力，此时异步电机作为发电机，电网向无级 变速器吸收功率。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、采用电网控制进行功率的输入控制，既提高了对风能的利用效率，又增 加了系统的运行可靠性，还提高了系统的运行周期。

2、无级变速器可以实现系统在可调转速的范围内连续变化，真正地实现变 速恒频运行。

3、无级变速器代替了笨重、体积庞大且需经常维护多级增速齿轮，不仅减 轻了风机重量，还提高了系统运行可靠性。

4、本发明实现恒定功率，恒定转速输出有利于传动机械装置的简化，实现 风力发电机的机械部分和发电部分的分离。

5、电能相当于只由常规的电磁式发电机产生，没有经过电力电子装置，不 含谐波，电能质量好。

附图说明

图1为本发明所述风力发电机机电分离方法的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

本实施例所述的基于无级变速的风力发电机机电分离方法，采用功率检测 装置、输入功率控制程序、异步电机、整流逆变装置、无级变速器、常规发电 机，其中，所述异步电机与整流逆变装置相连，接到无级变速器输入端；所述 功率检测装置接连输入功率控制程序对异步电机、整流逆变装置、无级变速器 的输入功率调节装置发出指令。包括以下步骤：

1)确定自然风输入的功率和无级变速器所需输入功率，其中，所述自然风 输入的功率是指由风速及功率检测装置收集到的自然风带动扇叶转动输入风机 的功率，通过如下公式确定：

$P_{\mathrm{in}}=\mathrm{kP}=\frac{k{\left(\mathrm{\rho sv}\right)}^3}{2}$

式中包含变量：由风机上测速器确定实时风速v，扇叶扫过的面积s，由当 地的气象局提供年平均气体密度值ρ，校正系数k；

2)根据自然风输入的功率和无级变速器所需输入功率的差异，经输入功率 控制程序计算获得补偿功率的数值及功率补偿控制策略，使得无极变速器的输 入功率恒定；

3)利用恒定功率输入的无级变速器将自然风输入的风速以任意变比变换转 速，使得无级变速器的输出具有恒定转速以及恒定功率；

4)无级变速器输出的恒定转速以及恒定功率经机械传动装置连接常规发电 机，作为发电机原动力恒速工作，将能量转化为电能传送到电网中，实现风力 发电机的机械部分与发电部分的分离。

在步骤(2)中，所述输入功率控制程序是指经科学算法和程序语言编程的 一种软件，能够根据实时自然风输入的功率和无级变速器所需输入功率的差值， 计算获得补偿功率的数值并得到相应的功率补偿控制策略，保证动作准确实时、 可靠性高、相应速度快，其中，补偿功率的数值由以下公式获得：

P_patch＝P_rated-P_in

式中包含变量：P_patch为补偿功率，P_in为自然风输入的功率，P_rated为无级变速 器所需的输入功率；

所述功率补偿控制策略是指输入功率控制程序基于所获得的补偿功率的数 值，对输入功率调节装置提出的行动命令，其具体过程为：①当P_patch＜0时，输 入功率调节装置经整流逆变过程变换电压，施加到异步电机，此时异步电机作 为电动机，电网向无级变速器输入功率；②当P_patch＞0时，异步电机产生的磁场 产生的电磁力对于自然风是一种阻力，此时异步电机作为发电机，电网向无级 变速器吸收功率。

输入功率调节装置对控制程序的指令进行响应，该过程的目的在于：维持 无级变速器的恒定功率输入。无级变速器输出的恒功率、恒转速经过传动装置 输入发电机，该过程取消了齿轮箱，实现机电分离，极大简化了风力发电机的 复杂结构。

下面以一台大型带无级变速的风力发电机为例：如图1所示，功率检测装 置对风机的实时输入的功率信息进行收集并发送至输入功率控制程序，输入功 率控制程序计算自然风输入的功率和无级变速器所需输入功率的差异，做出判 断、发出指令，若P_patch＜0，输入功率控制程序发送发出功率的指令1，异步电机 转变为发电机向无级变速器输入功率；若P_patch＞0，输入功率控制程序发送吸收 功率的指令2，异步电机转变为发电机从无级变速器输入处吸收功率，通过上述 过程使得无级变速器具有恒定功率的输入。恒定功率输入的无级变速器将自然 风输入的转速以任意变比变换转速，输出恒定转速和恒定功率。恒定转速以及 恒定功率的输出经机械传动装置连接常规发电机，作为发电机原动力恒速工作， 实现风力发电机的机械部分与发电部分分离，发电机与电网相连，恒定的输出 功率保证了输入电网的电能质量。

以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实 施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范 围内。