一种将抽水储能和塔筒加阻相结合的风电机组及其工作方法

技术领域

本发明属于风力发电设备技术领域，特别涉及一种将抽水储能和塔筒加阻相结合的风电机组及其工作方法。

背景技术

现有的储能技术手段主要包括：物理储能、化学储能和电磁储能，其中抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮等是物理储能的主要手段。储能作为新能源发展的支撑技术，现阶段由于其高成本及相关技术水平的不完善，仍旧未进入大规模商业化应用。目前，以上储能技术除电化学储能的电池外，其他技术应用于风电场的储能均还在研究中。现有储能技术，都是根据容量比例，单独进行设计并配置到风电场中，由于储能系统成本过高，目前风电场极少配置储能，只有个别风电场配置了小规模的集中式储能系统。

传统的风力发电机组不具备储能功能。当电网的负载侧需求较低，电网调度中心会对发电侧上网的电量进行限制，此时，如果风资源较好，风电机组的限功率运行会导致大量的风能损失，风电场的经济收益受损；当电网的负载侧需求较高，电网调度中心会对发电侧上网电量提出需求，此时，如果风资源不佳，风电机组也无法响应电网的上网电量需求。解决上述问题的最佳办法就是配置储能。

近年，随着风电技术的快速发展，用于支撑风电机组的塔筒高度也是越来越高，很多项目的塔筒高度达到甚至超过140米。随着塔筒高度的增加，塔筒本身结构的刚度会越来越差，由于外部载荷导致的变形越来越大。塔筒顶部的大摆动位移，会导致机组发电效率下降，同时会容易导致机组内的部件故障。

发明内容

本发明的目的在于提供一种将抽水储能和塔筒加阻相结合的风电机组及其工作方法，在储能的同时还避免了塔筒顶部的大摆动位移。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种将抽水储能和塔筒加阻相结合的风电机组，包括叶轮、主轴、齿轮箱、第一发电机、液力耦合器、驱动装置、水塔、水轮、第二发电机、储水容器和控制系统；

叶轮、主轴和齿轮箱依次连接，齿轮箱设有两个输出端，一个输出端与第一发电机连接，另一个输出端通过液力耦合器与驱动装置连接；

控制系统与液力耦合器连接，用于控制液力耦合器的开闭，以控制驱动装置的运行；

水塔设置在塔筒的内部且位于顶部，水塔的底部开有出水口，顶部开有进水口；进水口通过驱动装置与储水容器连通，出水口通过管路与储水容器连接，在该管路上设有水轮，水轮设置在塔筒底部，水轮与第二发电机连接。

进一步，该风电机组包括正常发电模式、储能模式及正常发电与储能相结合模式；

正常发电模式时，风能全部转化为电能；

储能模式时，风能全部转化为水的势能存储起来；

正常发电与储能相结合模式时，一部分风能转化成电能，另一部分风能转化成水的势能存储起来。

进一步，驱动装置设置在风电机组机舱里，且置于齿轮箱的后端。

进一步，齿轮箱的其中一个输出端通过联轴器与第一发电机连接。

进一步，水塔通过固定件固定在塔筒顶部。

进一步，驱动装置采用液压马达。

进一步，水轮采用涡轮。

进一步，液力耦合器采用调速型液力耦合器。

进一步，进水口通过第一管路与驱动装置连接，驱动装置通过第二管路与储水容器连接。

本发明还公开了所述风电机组的工作方法，包括以下情况，具体为：

当电网负载端需求大，需风力发电机组全力发电时，风电机组按正常发电模式进行发电，具体过程为：

控制系统断开液力耦合器，将驱动装置与齿轮箱断开，齿轮箱的输出端只连接第一发电机，风电机组按正常发电模式进行发电，将吸收的风能全部转化为电能；

当电网负载端没有需求，需风力发电机组停机时，切换为储能模式，具体过程为：

控制系统控制液力耦合器闭合，驱动装置与齿轮箱连通，控制系统将第一发电机的定子励磁电流设定为零，第一发电机不发电；叶轮能量传递给齿轮箱，齿轮箱带动第一发电机和驱动装置运转，第一发电机空转不产生电能，驱动装置将储水容器中的水抽到水塔中，叶轮的能量全部转化成水的势能存储起来，当电网需要的时候，将水塔中的水释放，水经过水轮时，将水的势能转化成机械能，水轮再以机械能推动第二发电机，产生电能；

当电网负载端需求较小，对风力发电机组的上网电量有限制要求时，切换为正常发电与储能相结合模式，具体过程为：

控制系统根据电网负载端的需求计算出第一发电机的转子的励磁扭矩，通过给定的转子励磁扭矩控制第一发电机的功率输出，将部分风能转化成电能；

同时，控制系统对液力耦合器进行控制，改变液力耦合器的输出力矩和输出转速，驱动装置将储水容器中的水抽到水塔中，将另一部分风能转化成水的势能存储起来。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开了一种将抽水储能和塔筒加阻相结合的风电机组，将传统风电机组的齿轮箱改为多输出，除连接第一发电机外，还通过液力耦合器与驱动装置一体化集成设计，风电机组可以直接通过机械传动的方式带动驱动装置工作，且能实现对其进行控制的目标，能量转化链条短，能量转化效率相对较高；系统集成度高，可以将驱动装置放置于风电机组的机舱里面，与风电机组的齿轮箱输出轴相连；本发明在塔筒顶部的内部设计了水塔，水塔置于塔筒顶部内部，水塔用来贮存驱动装置从储水容器抽到塔筒顶部的水，从而将风能转化成水的势能储存起来；同时贮存水后的水塔，可以用作塔筒加阻的阻尼器，可有效降低塔筒顶部的振幅，降低机舱的振动有利于提高机组发电效率，水塔设置在塔筒内，节省了大量的占地面积；储存在高处的水的势能，通过管路可以释放到塔筒底部，水轮装置置于塔筒底部，可以将水的势能转化成电能，以便后续利用，同时水塔中的水再流回储水容器中，形成循环利用。本发明将抽水储能技术与塔筒加阻技术相结合，在储能的同时还避免了塔筒顶部的大摆动位移。

进一步，液力耦合器采用调速型液力耦合器，具有柔性传动自动适应功能和无级调速功能，调速型液力耦合器可以在输入端转速不变的条件下，通过在运行中调节工作腔的充液量而改变输出力矩和输出转速。

本发明还公开了该风电机组的工作方法，根据电网负载端需求将风电机组的工作模式分为正常发电模式、储能模式及正常发电与储能相结合模式，正常发电模式时，驱动装置与齿轮箱断开，风能全部转化为电能；储能模式时，齿轮箱带动第一发电机和驱动装置运转，第一发电机空转不产生电能，驱动装置将储水容器中的水抽到水塔中，叶轮的能量全部转化成水的势能存储起来，当电网需要的时候，将水塔中的水释放，将水的势能转化为电能；正常发电与储能相结合模式时，一部分风能转化成电能，另一部分风能转化成水的势能存储起来。该工作方法根据不同的电网负载端需求进行灵活调整，将风能进行转化存储和释放，做到合理分配。

附图说明

图1为本发明的一种将抽水储能和塔筒加阻相结合的风电机组的结构示意图；

其中，1为齿轮箱，2为联轴器，3为第一发电机，4为塔筒，5为液力耦合器，6为驱动装置，7为水塔，8为储水容器，9为第一管路，10为第二管路，11为水轮，12为第二发电机。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1所示，本发明公开了一种将抽水储能和塔筒加阻相结合的风电机组，包括叶轮、主轴、齿轮箱1、第一发电机3、调速型液力耦合器5、驱动装置6、水塔7、水轮11、第二发电机12、储水容器8和控制系统；叶轮、主轴和齿轮箱1依次连接，齿轮箱1设有两个输出端，在传统风电机组的叶轮、主轴、齿轮箱1、发电机等保持不变的基础上，将齿轮箱1增加一个输出端，变为两个输出端，其中一个输出端通过联轴器2与第一发电机3相连，与传统风电机组相同；另外一个输出端通过液力耦合器5与驱动装置6相连。由于液力耦合器5在传递扭矩方面比传统的机械式联轴器2损失大，效率偏低，因此齿轮箱1与第一发电机3依然采用联轴器2连接。

控制系统与液力耦合器5连接，可以根据需要控制液力耦合器5的开闭，达到控制驱动装置6运行的目的。

水塔7设置在塔筒4的内部且位于顶部，水塔7的底部开有出水口，顶部开有进水口；进水口通过驱动装置6与储水容器8连通，出水口通过管路与储水容器8连接，在该管路上设有水轮11，水轮11设置在塔筒4底部，水轮11与第二发电机12连接。

具体地，驱动装置6置于塔筒4顶部的风电机组机舱里，置于齿轮箱1的后端。驱动装置6一般采用液压马达，液压马达通过管路与置于塔筒4一侧的储水容器8相连，液压马达运行时，可将储水容器8中的水抽到塔筒4顶部并储存起来。

本发明在塔筒4顶部的内部设计了水塔7，水塔7置于塔筒4顶部内部并通过固定梁与塔筒4内部固定。水塔7的作用主要为：第一，用来贮存液压马达从储水容器8抽到水塔7中的水，从而将风能转化成水的势能储存起来；第二，贮存水后的水塔7可以用作塔筒4加阻的阻尼器，可有效降低塔筒4顶部的振幅，降低机舱的振动有利于提高机组发电效率。

水轮11一般采用涡轮，贮存于水塔7的水，需要的时候可通过管路释放到塔筒4底部，水流推动涡轮旋转发电，将储存的能量释放，同时水塔7中的水再流回储水容器8中，形成循环利用。

液力耦合器5采用调速型液力耦合器，具有柔性传动自动适应功能和无级调速功能，调速型液力耦合器可以在输入端转速不变的条件下，通过在运行中调节工作腔的充液量而改变输出力矩和输出转速。通过控制扭矩的传递，即控制液力耦合器5的工作腔的充液量，来控制液压马达的输出，从而控制储能的能量大小。

当电网负载端需求大，需风力发电机组全力发电时，控制系统会断开液力耦合器5，将液压马达与齿轮箱1脱离，齿轮箱1的输出端只有发电机，此时机组可按正常风力发电机组模式进行发电，将吸收的风能全部转化为电能并输送至电网。

当电网负载端没有需求，需风力发电机组停机时，可切换为储能的运行模式，此模式下，控制液力耦合器5闭合，液压马达与齿轮箱1相连，此外，控制系统会将第一发电机3的定子励磁电流设定为零，相当于第一发电机3的转子在空转，不发电。此模式下，叶轮能量传递给齿轮箱1，齿轮箱1通过联轴器2和液力耦合器5带动发电机和液压马达运转，但发电机是空转不产生电能，液压马达运转则将位于塔筒4底部容器里面的水抽到塔筒4顶部的水塔7中。此模式下，叶轮的能量全部转化成了水的势能存储起来，后续需要的时候，可以将水从水塔7释放，通过管道释放到塔筒4底部的涡轮装置，将水的势能转化成电能输送到电网。

当电网负载端需求较小，对风力发电机组的上网电量有限制要求时，通过控制系统计算得出风力发电机组发出的能量需要多少转化为电能发送给电网，需要多少通过抽水储能转化成水的势能存储起来。再通过控制系统计算得出转子的励磁扭矩，通过给定的转子励磁扭矩控制发电机的功率输出。同时，控制系统会对调速型液力耦合器5进行控制，调速型液力耦合器5可以在输入端转速不变的条件下，通过在运行中调节工作腔的充液量而改变输出力矩和输出转速，以此达到控制储能的目的。此模式下，叶轮的能量，通过齿轮箱1传递到发电机和液压马达，通过控制系统对发电机定子的励磁电流和调速型液力耦合器5的工作腔充液量进行控制，可以达到控制风机输出给电网的电量和抽水储能的量的目标。