基于数控飞轮混合驱动的风力发电变速恒频方法及其装置制造方法及图纸

基于数控飞轮混合驱动的风力发电变速恒频装置包括风力机转子、增速齿轮箱、差动齿轮箱和主同步发电机，差动齿轮箱的两个输出轴分别与主同步发电机和数控飞轮机构相连接，数控飞轮机构还连接有伺服电机、伺服电机驱动器和数控飞轮控制器。本发明专利技术的方法是：通过增速齿轮箱对风力机转子的转速进行增速，再将变速后的风力机转子接收的输入功率送入差动齿轮机构进行功率分流或合流，使大部分输入功率由差动齿轮机构送入主同步发电机转变成电能馈入大电网，使另一小部分输入功率由差动齿轮机构送入数控飞轮机构进行储能和放能。本发明专利技术省去了控制与变频环节的流变系统，在提高发电效率与可靠性的同时，显著降低了系统造价。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种风力发电系统的变速恒頻方法，特别涉及一种基于数控飞轮储能—放能调速的风力发电变速恒頻方法，本专利技术还涉及实现该方法的变速恒頻装置。
技术介绍
风力资源作为一种宝贵的、可再生的洁净能源越来越受到世界各国重视，应用前景看好。然而，风能的低能密度和随机性，决定了风车捕获风能存在一个最大功率点，风车追踪最大功率点需要风车转速随风速变化。如何最大限度地获得稳定的风能问题从风电技术诞生之日起一直困扰着风电技术的发展。因此，变速恒频技术的一直是风力发电领域内的一个关键技术。概括起来，目前的变速恒频方法主要有以下几种方法感应电机型、双馈电机型、直驱永磁发电机型等变速恒频风力发电系统等。然而，这些方法的共同特点是需要电力电子的“流变系统”进行整流与变频转换。随着风电单机规模越来越大，流变系统造价与降低系统成本的矛盾日益突出。在申请号为200510022770.7的专利申请文本《一种风力发电差动永磁电机装置》(公开号CN1808852，公开日2006年7月26日)和申请号200510022771.1的申请文本《一种风力发电的变速恒频方法》(公开号CN1794562，公开日2006年6月28日)中公开了一种混合驱动型变速恒频方法技术和实现该方法的差动永磁电机装置。所谓“混合驱动”就是通过两自由度机构的运动合成或分解，实现对常速电机和伺服电机进行控制，以获得常速电机和伺服电机单独使用时无法得到的特性。该方法通过行星齿轮差速器的一个输入轴和两个输出轴分别连接风力机轴和发电机及一个可控电机，通过可控电机实现风力机的变速输入和发电机的恒速恒频(50HZ)输出，此时80％的电力通过发电机直接并入电网，而只有20％的电力通过可控电机发出交流电后通过AC-DC-AC变流后(50Hz)并入电网，这就是变速恒频风力发电系统混合驱动思想。然而，尽管同目前的其它变速恒频方法相比，上述专利文本的技术通过差动永磁电机可以大幅度的降低系统造价、提供系统效率，但是由于对永磁伺服电机而言，仍然无法摆脱“流变系统”(尽管已经缩小到了整个风力发电系统总容量的15％到20％)，因此，依然存在功率损耗过大的问题，而且依然需要造价昂贵的流变系统。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于数控飞轮混合驱动的风力发电变速恒频方法，采用基于数控飞轮的变速恒频混合驱动方法，解决了现有变速恒频方法功率损耗大的问题，显著提高风力发电系统的发电效率，降低了系统造价。本专利技术的另一目的是提供一种实现上述方法的变速恒频装置。本专利技术所采用的技术方案是，一种基于数控飞轮混合驱动的风力发电变速恒频方法，首先使接收风能的风力机转子的转速通过一增速齿轮箱进行增速，然后将变速后的风力机转子接收的输入功率送入一差动齿轮机构进行功率分流或合流，使一部分输入功率由差动齿轮机构送入主同步发电机，经主同步发电机转变成的电能馈入大电网，使另一部分输入功率由差动齿轮机构送入一数控飞轮机构进行储能和放能a.当风力机转子的输入功率大于主同步发电机的额定功率时，差动齿轮机构将输入功率进行分流一路功率流通过差动齿轮机构进入主同步发电机发电并且直接并入大电网，另一路功率流通过差动齿轮机构进入一数控飞轮机构，通过控制器对数控飞轮机构转动惯量的主动控制，实现能量在这一分路上的储存和对其转速变化的主动控制，以保证主同步发电机的转速恒定；b.当风力机转子的输入功率小于主同步发电机的额定功率时，数控飞轮机构将储存的功率流流入差动齿轮机构，差动齿轮机构将数控飞轮机构储存的功率和来自风力机转子的输入功率进行合流，并将合流的功率送入主同步发电机并直接并网发电，以保证主同步发电机的转速恒定。本专利技术所采用的另一技术方案是，一种实现上述方法的变速恒频装置，包括风力机转子，风力机转子后依次连接有增速齿轮箱、差动齿轮箱和将电能直接馈入大电网的主同步发电机，差动齿轮箱设置有差动齿轮箱第一输出轴和差动齿轮箱第二输出轴，差动齿轮箱通过差动齿轮箱第一输出轴与主同步发电机连接，通过差动齿轮箱第二输出轴与数控飞轮机构相连接，数控飞轮机构还连接有伺服电机、伺服电机驱动器和数控飞轮控制器。本专利技术的特点还在于，差动齿轮箱包括两个自由度的支路，第一支路包括之间相啮合的第一中心轮、第一行星轮和第二中心轮，并通过差动齿轮箱第一输出轴连接主同步发电机，第二支路包括相啮合的行星架和第二行星轮，并通过差动齿轮箱第二输出轴连接数控飞轮机构。数控飞轮机构包括左右对称设置的两个离心飞球，两个离心飞球上分别设置有球铰，还包括上下对称设置的两个球铰，两个离心飞球和两个球铰之间分别由连杆依次相连，两个离心飞球通过连杆、球铰与数控飞轮输出轴连接，数控飞轮输出轴与差动齿轮箱第二输出轴相连接，两个离心飞球通过连杆、球铰与推杆相连接，推杆通过丝杠与伺服电机相连接。本专利技术的优点在于通过基于两自由度差速齿轮机构的数控飞轮混合驱动实现风电系统的变速恒频，该方法采用差速机构的一个输入轴和两个输出轴分别连接行星增速齿轮箱的输出轴、主同步发电机的输入轴和数控飞轮的转轴，通过差速机构，实现绝大部分的电能通过主同步发电机直接恒频输出；与此同时，通过控制器与逆变器对数控飞轮转动惯量的主动控制及调整，来实现风力机的变速输入和发电机的恒速恒频(50HZ)输出。由此可将80％至90％的电能通过同步主同步发电机直接并入电网，而只有10％至20％的电能通过数控飞轮进行储能和放能变化，从而可以彻底省掉流变系统，降低系统造价、提高系统可靠性。本专利技术与传统的兆瓦级风力发电系统变速恒频方法相比，由于彻底省掉了流变系统，只有机械能的储能与放能过程，因此很大程度上在降低风力发电系统的整体造价的同时，还显著提高了发电系统的发电效率、提高了系统可靠性。附图说明图1为本专利技术变速恒频装置的结构示意图；图2为本专利技术变速恒频方法实施例示意图；图3为本专利技术变速恒频装置中数控飞轮机构的结构示意图。图中，1.风力机转子，2.数控飞轮机构，3.伺服电机，4.伺服电机驱动器，5.大电网，6.主同步发电机，7.差动齿轮箱，8.增速齿轮箱，9.联轴器，10.联轴器，11.联轴器，12.差动齿轮箱第二输出轴，13.差动齿轮箱输入轴，14.差动齿轮箱第一输出轴，15.数控飞轮输出轴，16.主同步发电机输入轴，17.增速齿轮箱输出轴，18.数控飞轮控制器，19.风力机转子输出轴，20.检测信号线，21.第一中心轮，22.第一行星轮，23.第二中心轮，24.行星架，25.第二行星轮，26.离心飞球，27.连杆，28.球铰，29.推杆，30.丝杠，31.离心飞球，32.球铰。具体实施例方式以下结合附图及具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明。图1提供了一种实现本专利技术方法的变速恒频装置，包括风力机转子1，风力机转子1后依次连接的增速齿轮箱8、差动齿轮箱7和将电能馈入大电网5的主同步发电机6，差动齿轮箱7设置有差动齿轮箱第一输出轴14和差动齿轮箱第二输出轴12，差动齿轮箱7通过差动齿轮箱第一输出轴14与主同步发电机6连接，通过差动齿轮箱第二输出轴12与数控飞轮机构2相连接，数控飞轮机构2还连接有伺服电机3、伺服电机驱动器4和数控飞轮控制器18。差动齿轮箱7采用一台2自由度混合驱动差速机构，差动齿轮箱输入轴13和差动齿轮箱第二输出轴12、差动齿轮箱第本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于数控飞轮混合驱动的风力发电变速恒频方法，其特征在于，首先使接收风能的风力机转子（１）的转速通过一增速齿轮箱（８）进行增速，然后将变速后的风力机转子（１）接收的输入功率送入一差动齿轮机构进行功率分流或合流，使一部分输入功率由差 动齿轮机构送入主同步发电机（６），经主同步发电机（６）转变成电能馈入大电网（５），使另一部分输入功率由差动齿轮机构送入一数控飞轮机构（２）进行储能和放能：ａ．当风力机转子（１）的输入功率大于主同步发电机（６）的额定功率时，差动齿轮机 构将输入功率进行分流：一路功率流通过差动齿轮机构进入主同步发电机（６）发电并且直接并入大电网（５），另一路功率流通过差动齿轮机构进入一数控飞轮机构（２），通过控制器对数控飞轮机构（２）转动惯量的主动控制，实现能量在这一分路上的储存和对其转速变化的主动控制，以保证主同步发电机的转速恒定；ｂ．当风力机转子（１）的输入功率小于主同步发电机（６）的额定功率时，数控飞轮机构（２）将储存的功率流流入差动齿轮机构，差动齿轮机构将数控飞轮机构（２）储存的功率和来自风力机转子（１）的输 入功率进行合流，并将合流的功率送入主同步发电机（６）并直接并网发电，以保证主同步发电机（６）的转速恒定。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：穆安乐，刘宏昭，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]