專利名稱：利用太陽能調(diào)速運行的風力機裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及的是一種風力機裝置。
背景技術：
隨著風能的不斷開發(fā)和利用，風力機裝置的應用也愈加廣泛，同時各種各樣的負載對風力機裝置的性能要求也越來越高，例如在風力發(fā)電場合，為了得到頻率恒定的發(fā)電機輸出電壓，要求風力機裝置必須在風速變化的情況下，能夠提供的穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速。從目前的技術發(fā)展現(xiàn)狀來看，變槳距風力機是解決這一問題的主要方法，當風速發(fā)生變化或者負載需要變速運行時，變槳距風力機通過調(diào)節(jié)槳距來改變捕獲風能的大小， 進而滿足負載運行的需求。但是變槳距風力機的使用卻存在有以下明顯的不足(1)變槳距風力機的槳距調(diào)節(jié)是一個機械過程，調(diào)節(jié)過程時間長，動態(tài)響應速度慢；(2)為了對轉(zhuǎn)速進行控制和調(diào)節(jié)，變槳距風力機需要根據(jù)負載所需能量的大小，來調(diào)節(jié)其捕獲、轉(zhuǎn)化的風能，在這種情況下，變槳距風力機無法實現(xiàn)對最大風能的轉(zhuǎn)化，降低了風能的利用率。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于提供實現(xiàn)風能和太陽能的互補，進一步提高新能源的開發(fā)和利用的利用太陽能調(diào)速運行的風力機裝置。本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的本實用新型利用太陽能調(diào)速運行的風力機裝置，其特征是包括風力機、調(diào)速電機、輸出軸、機側(cè)變流器、直流母線、太陽能-電能轉(zhuǎn)化裝置、穩(wěn)壓電路、儲能裝置、充放電電路、網(wǎng)側(cè)變流器、開關，調(diào)速電機一端與風力機相連、另一端與輸出軸相連，機側(cè)變流器的一端與調(diào)速電機的電樞繞組相連、另一端與直流母線相連，太陽能-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，儲能裝置經(jīng)過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關，開關還連接電網(wǎng)。本實用新型還可以包括1、所述的風力機和調(diào)速電機之間安裝變速箱。本實用新型的優(yōu)勢在于本實用新型將太陽能、風能和儲能裝置有機結合，既可以實現(xiàn)輸出互補，又可以實現(xiàn)最大太陽能和風能的轉(zhuǎn)化，其響應速度快、動態(tài)特性好，有助于提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

圖1為本實用新型的裝置結構圖。
具體實施方式

以下結合附圖舉例對本實用新型做更詳細地描述實施方式1 結合圖1，本實用新型提出的利用太陽能調(diào)速運行的風力機裝置由風力機1、變速箱2、調(diào)速電機3、輸出軸4、機側(cè)變流器5、直流母線6、太陽能-電能轉(zhuǎn)化裝置7、穩(wěn)壓電路 8、儲能裝置9、充放電電路10、網(wǎng)側(cè)變流器11、開關12等部分構成，具體結構如圖1所示。 風力機1的輸出軸與變速箱2的輸入連接在一起；調(diào)速電機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3連接，另一端用于與風力機裝置的負載連接；調(diào)速電機3的電樞繞組與機側(cè)變流器5的一側(cè)端口連接在一起；機側(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；儲能裝置9經(jīng)過充放電電路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，其交流端接至開關12 ；開關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)。工作原理風力機1始終運行于最大風能捕捉的工況，根據(jù)風力機1輸出的機械轉(zhuǎn)矩Tm(折算到變速箱2的輸出軸側(cè))和與輸出軸4連接在一起的負載所需要的負載轉(zhuǎn)矩TL之間的大小關系，本實用新型提出的利用太陽能發(fā)電調(diào)速的風力機裝置可運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力機1輸出的機械轉(zhuǎn)矩Tm等于負載所需要的負載轉(zhuǎn)矩TL，即風力機1捕獲的風能滿足負載所需能量的情況。在該工作模式下，機側(cè)變流器5處于截止狀態(tài)，調(diào)速電機3的電樞繞組開路，調(diào)速電機3軸上輸出的電磁轉(zhuǎn)矩Te為零；風力機1通過變速箱2和輸出軸4帶動負載轉(zhuǎn)動，風力機1捕獲的風能全部提供給負載； 此時太陽能-電能轉(zhuǎn)化裝置7轉(zhuǎn)化的電能通過穩(wěn)壓電路8送至直流母線6，再由儲能裝置9 通過充放電電路10予以吸收。在該工作模式的運行過程中，可以加入附加工作模式(參見第⑷項)。(2)工作模式二。該工作模式適用于風力機1輸出的機械轉(zhuǎn)矩Tm大于負載所需要的負載轉(zhuǎn)矩TL，即風力機1捕獲的風能過多，超出負載所需的能量，或者是負載需要減速、 制動等情況。在該工作模式下，通過調(diào)節(jié)機側(cè)變流器5提供給調(diào)節(jié)電機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3的種類和參數(shù)等)，使調(diào)速電機3處于回饋制動運行狀態(tài)，其電磁轉(zhuǎn)矩Te與機械轉(zhuǎn)矩Tm方向相反，將部分由風力機1捕獲的風能變成電能，而這部分電能經(jīng)過調(diào)節(jié)電機3的電樞繞組、機側(cè)變流器5、充放電電路10，最終由儲能裝置9 吸收、存儲。通過對機側(cè)變流器5的合理控制，可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩平衡，即Tm-Te = TL，進而滿足負載運行的需求。在該工作模式的運行過程中，儲能裝置9在吸收調(diào)速電機3回饋的電能的同時，也吸收由太陽能-電能轉(zhuǎn)化裝置7轉(zhuǎn)化的電能。在該工作模式的運行過程中，可以加入附加工作模式(參見第(4)項)。(3)工作模式三。該工作模式適用于風力機1輸出的機械轉(zhuǎn)矩Tm小于負載所需要的負載轉(zhuǎn)矩TL，即風力機1捕獲的風能不足以滿足負載所需的能量，或者負載需要加速等情況。在該工作模式下，太陽能-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)過機側(cè)變流器5的電壓轉(zhuǎn)換(具體的電壓轉(zhuǎn)換形式取決于電機的類型和電機的調(diào)速需求)送入調(diào)速電機3的電樞繞組；調(diào)速電機3處于電動機運行狀態(tài)，其提供的電磁轉(zhuǎn)矩Te與機械轉(zhuǎn)矩Tm同向，共同拖動負載旋轉(zhuǎn)，通過對機側(cè)變流器5的合理控制，可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩平衡，即 Tm+Te = TL，進而滿足負載運行的需求。在該工作模式的運行過程中，如果太陽能_電能轉(zhuǎn)化裝置7轉(zhuǎn)化的電能在能夠滿足調(diào)速電機3的需求前提下，仍有盈余，則多余的這些電能由儲能裝置9通過充放電電路10予以吸收；反之如果太陽能-電能轉(zhuǎn)化裝置7轉(zhuǎn)化的電能不足以滿足調(diào)速電機3的需求時，儲能裝置9通過充放電電路10釋放出部分能量，以補償這部分能量的差值。在該工作模式的運行過程中，可以加入附加工作模式(參見第(4)項)。(4)附加工作模式在本實用新型提出的風力機裝置的運行過程中(工作模式一至工作模式三中的任意一種狀態(tài))，如果太陽能-電能轉(zhuǎn)化裝置7和調(diào)速電機3(兩者中的一種，或同時)提供的電能已經(jīng)超過儲能裝置9的容量；或者如果電網(wǎng)有功功率不平衡，需要有功補償或吸收時，則控制開關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)，進而實現(xiàn)風力機裝置與電網(wǎng)之間的能量交換。有益效果(1)本實用新型提出的風力機裝置，可以為負載提供穩(wěn)定的輸出轉(zhuǎn)速(輸出軸4的轉(zhuǎn)速)。當風能與負載所需能量之間出現(xiàn)不平衡時，若風力機裝置的輸出轉(zhuǎn)速減小，則控制機側(cè)變流器5的輸出電壓使調(diào)速電機3處于電動運行狀態(tài)，將太陽能發(fā)出的電能或儲能裝置9里的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，補償給負載，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定；若風力機裝置的輸出轉(zhuǎn)速增加， 則控制調(diào)速電機3處于回饋制動運行狀態(tài)，將輸出軸4上多余的機械能變成電能，再由儲能裝置9吸收。(2)本實用新型提出的風力機裝置，在風速(或風能)不變的情況下，可以靈活調(diào)節(jié)輸出軸4的轉(zhuǎn)速，進而滿足負載的調(diào)速運行需求。當負載需要加速運行時，控制機側(cè)變流器5的輸出電壓使調(diào)速電機3處于電動運行狀態(tài)，將太陽能發(fā)出的電能或儲能裝置9里的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，滿足負載加速的需求；當負載需要減速時，控制調(diào)速電機3處于回饋制動運行狀態(tài)，將輸出軸4上多余的機械能變成電能，再由儲能裝置9吸收。由于調(diào)節(jié)過程完全依靠電氣調(diào)節(jié)實現(xiàn)，與改變風力機槳距的機械方式相比，其響應速度快、動態(tài)特性好。(3)本實用新型提出的風力機裝置，將太陽能、風能和儲能裝置有機結合，即可以實現(xiàn)輸出互補，又可以實現(xiàn)最大太陽能和風能的轉(zhuǎn)化。正常運行時，主要由風力機1帶動輸出軸旋轉(zhuǎn)，將風能轉(zhuǎn)化成為負載所需的動能，此時太陽能發(fā)出的電能由儲能裝置9吸收；當風能的大小與負載的需求不平衡時，則利用太陽能予以補充，或者利用儲能裝置9吸收多余的風能。(4)本實用新型提出的風力機裝置，在為負載提供旋轉(zhuǎn)的機械能的同時，還可以與電網(wǎng)進行能量交換。當網(wǎng)側(cè)變流器11處于逆變工作狀態(tài)時，風力機裝置將直流母線6上的電能(包括太陽能轉(zhuǎn)化的電能、儲能裝置9釋放的電能、調(diào)速電機3回饋的電能)向電網(wǎng)輸送；當網(wǎng)側(cè)變流器11處于整流工作狀態(tài)時，儲能裝置9通過充放電電路10吸收電網(wǎng)上多余的電能。因此本實用新型提出的風力機裝置有助于提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。(5)由于本實用新型提出的風力機裝置的轉(zhuǎn)速(輸出軸4的轉(zhuǎn)速)可控、可調(diào)，當其應用于風力發(fā)電系統(tǒng)中，為風力發(fā)電機提供原動力時，無論發(fā)電機是何種類型(同步發(fā)電機、異步發(fā)電機、永磁發(fā)電機等)，發(fā)電機勵磁是否可控(電勵磁、永磁勵磁等)，在風速變化時，發(fā)電機仍然可以實現(xiàn)恒頻輸出，進而提高風電網(wǎng)的電能品質(zhì)。[0028]風力機1采用各種常規(guī)的定槳距風力機或變槳距風力機。變速箱2采用由齒輪構成的機械傳動裝置。調(diào)節(jié)電機3采用可運行于電動和發(fā)電兩種狀態(tài)的直流電機或交流電機。輸出軸4的兩端分別通過聯(lián)軸器與調(diào)節(jié)電機3的轉(zhuǎn)軸和負載連接。調(diào)節(jié)電機3為直流電機時，機側(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3為交流電機時，機側(cè)變流器5采用能量能夠雙向流動的AC/DC變換電路，例如利用IGBT、MOSFET等半導體器件構成的三相半橋式電路。直流母線6可采用銅排、電纜線等構成。太陽能-電能轉(zhuǎn)化裝置7采用太陽能電池構成。穩(wěn)壓電路8可采用Buck或Boost電路結構。儲能裝置9采用超級電容器組，或者蓄電池組、飛輪儲能裝置等。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的AC/DC變換電路，例如利用IGBT、M0SFET 等半導體器件構成的三相半橋式電路。開關12采用可控機械式開關，例如接觸器。風力機1將風能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)的機械能，通過變速箱2驅(qū)動與負載連接的輸出軸4 轉(zhuǎn)動，進而將能量傳遞給負載，當風能不足或過剩時，通過改變調(diào)速電機3的運行方式，以及利用太陽能-電能轉(zhuǎn)化裝置7輸出的電能和儲能裝置9的充放電控制，可以實現(xiàn)對輸出軸4上的轉(zhuǎn)速控制和調(diào)節(jié)，進而滿足負載運行的需求。根據(jù)風力機1輸出的機械轉(zhuǎn)矩Tm和負載所需要的負載轉(zhuǎn)矩TL之間的大小關系，本實用新型提出的利用太陽能調(diào)速運行的風力機裝置可運行在工作模式一至工作模式三，以及附加工作模式下。實施方式2:在實施方式1的基礎上，取消變速箱2部件，風力機1直接與調(diào)速電機3的一側(cè)軸
端連接在一起。
權利要求1.利用太陽能調(diào)速運行的風力機裝置，其特征是包括風力機、調(diào)速電機、輸出軸、機側(cè)變流器、直流母線、太陽能-電能轉(zhuǎn)化裝置、穩(wěn)壓電路、儲能裝置、充放電電路、網(wǎng)側(cè)變流器、開關，調(diào)速電機一端與風力機相連、另一端與輸出軸相連，機側(cè)變流器的一端與調(diào)速電機的電樞繞組相連、另一端與直流母線相連，太陽能-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，儲能裝置經(jīng)過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關，開關還連接電網(wǎng)。
2.根據(jù)權利要求1所述的利用太陽能調(diào)速運行的風力機裝置，其特征是所述的風力機和調(diào)速電機之間安裝變速箱。
專利摘要本實用新型的目的在于提供利用太陽能調(diào)速運行的風力機裝置，其特征是包括風力機、調(diào)速電機、輸出軸、機側(cè)變流器、直流母線、太陽能-電能轉(zhuǎn)化裝置、穩(wěn)壓電路、儲能裝置、充放電電路、網(wǎng)側(cè)變流器、開關，調(diào)速電機一端與風力機相連、另一端與輸出軸相連，機側(cè)變流器的一端與調(diào)速電機的電樞繞組相連、另一端與直流母線相連，太陽能-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，儲能裝置經(jīng)過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關，開關還連接電網(wǎng)。本實用新型響應速度快、動態(tài)特性好，有助于提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。
文檔編號H02J15/00GK202040016SQ201120157178
公開日2011年11月16日 申請日期2011年5月17日 優(yōu)先權日2011年5月17日
發(fā)明者劉宏達, 張強, 張敬南, 張文義, 畢洪大, 程鵬, 趙凱岐 申請人:哈爾濱工程大學