一种复合储能变速恒频发电系统

技术领域

本发明涉及发电系统技术领域，特别是涉及一种复合储能变速恒频发电系统。

背景技术

目前实现变速恒频发电主要有以下两种发电系统：双馈感应发电系统和永磁直驱发电系统。

双馈感应发电系统使用的是双馈感应发电机，叶轮通过多级齿轮增速箱驱动发电机，发电机定子绕组直接和电网连接，转子绕组和频率、幅值、相位都可以按照要求进行调节的变频器相连。但是，其成本高，双馈感应发电机工作在一个有限的变速范围内，双馈感应发电机转子侧功率变换器的容量只是所调节功率的一部分，大约为发电机额定功率的20％-30％。其次，由于转子采用绕线式，因此转子引出线处、滑环、碳刷成为电机三大故障点。

永磁直驱发电系统使用的是低速直驱型永磁同步发电机，发电机的输出经交直交功率变换器转换成恒频恒压的电能接入电网。但是直驱型永磁同步发电机体积非常大，对轴承等转动部件的要求极高，其次，由于其风轮和发电机直接连接会增加叶片的冲击载荷，并且将其直接传递到发电机上，增加了发电机出故障的可能性。另外，直驱型永磁同步发电机维护复杂，无法在现场条件下维修，一旦出现问题必须要运送回厂家进行维修。

专利CN110017250A提出一种变速恒频风力发电系统，采用了无刷双机电端口电机，电机的中间转子不带负载，内转子与风机的叶片连接，电机定子的第一绕组通过变流器接入电网，第二绕组自短路。在实现变速恒频的发电的同时，有效地避免了增速齿轮箱和电刷带来的机械磨损。但是仍然存在风轮和发电机直接连接会增加叶片的冲击载荷，并且将其直接传递到发电机上，增加了发电机出故障的可能性。

对现有变速调频发电系统而言，均是对产生的电能进行调频处理后并入电网，不可避免的会出现发热导致电能损耗的现象，损耗在10％-20％。并且并网的电力电子设备价格较高。其次，电力电子设备对发电机产生的电能进行调频容易受到环境干扰。现有的风力发电系统没有进行输入转速的调节，转速不恒定，导致发电机效率变化，不能持续工作在高效区间内。

发明内容

本发明的目的是提供一种复合储能变速恒频发电系统，在发电机与叶轮之间添加了飞轮动力总成和变速恒频机构，解决了因风速波动导致发电机产生的电能不能直接并入电网的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种复合储能变速恒频发电系统，包括叶轮、发电机、飞轮动力总成、变速恒频机构和控制单元；所述飞轮动力总成包括飞轮、电机一和第一行星排，所述第一行星排分别与所述电机一和所述飞轮连接；所述变速恒频机构包括电机二和第二行星排，所述第二行星排分别与所述电机二和所述发电机连接；所述叶轮分别与所述第一行星排和所述第二行星排连接；所述控制单元分别与所述电机一和所述电机二电连接。

优选地，所述第一行星排包括第一太阳轮、第一行星轮、第一齿圈和第一行星架，所述电机一与所述第一太阳轮传动连接，所述第一太阳轮与所述第一行星轮啮合，所述第一行星轮与所述第一齿圈啮合，所述第一行星轮与所述第一行星架连接，所述第一齿圈用于与所述飞轮连接。

优选地，所述第一齿圈与增速齿轮啮合，所述增速齿轮与所述飞轮连接。

优选地，所述第一齿圈与传动齿轮连接，所述传动齿轮与增速齿轮啮合，所述增速齿轮与所述飞轮连接。

优选地，所述第二行星排包括第二太阳轮、第二行星轮、第二齿圈和第二行星架，所述电机二与所述第二齿圈传动连接，所述第二太阳轮与所述第二行星轮啮合，所述第二行星轮与所述第二齿圈啮合，所述第二行星架分别与所述第二行星轮和所述发电机连接。

优选地，所述第一行星架与所述第二太阳轮连接。

优选地，所述叶轮与所述第一行星排之间设置有齿轮箱，所述叶轮、所述齿轮箱、所述第一行星排和所述第二行星排同轴设置。

优选地，所述齿轮箱为增速齿轮箱。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明基于飞轮功率密度高且工作稳定和调速电机稳定性好、效率高且控制方便的特点，在叶轮和发电机之间添加了飞轮动力总成和变速恒频机构，发电机恒定工作在最高效点，使发电机产生的电能不需要调频就可以直接并入电网，避免了电能调频的损耗，同时无需使用变流器降低了生产成本；其次，发电机输入转速稳定且工作在高效区间内，发电量更多、效率更高，延长了其工作寿命，部件受环境影响较小、工作稳定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的复合储能变速恒频发电系统示意图(实施例一)；

图2为本发明的叶轮的叶片力矩的变化趋势曲线图；

图3为本发明的第一行星架转速阶梯波形图；

图4为本发明的发电机转速曲线图；

图5为本发明的复合储能变速恒频发电系统示意图(实施例二)；

其中：1.发电机；2.第二齿圈；3.第二行星架；4.第二太阳轮；5.电机二；6.控制单元；7.电机一；8.第一齿圈；9.第一太阳轮；10.第一行星架；11.增速齿轮；12.飞轮；13.齿轮箱；14.叶轮；15.传动齿轮。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种复合储能变速恒频发电系统，在发电机与叶轮之间添加了飞轮动力总成和变速恒频机构，解决了因风速波动导致发电机产生的电能不能直接并入电网的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1所示：本实施例提供了一种复合储能变速恒频发电系统，包括叶轮14、发电机1、飞轮动力总成、变速恒频机构和控制单元6；飞轮动力总成包括飞轮12、电机一7和第一行星排，第一行星排分别与电机一7和飞轮12连接；变速恒频机构包括电机二5和第二行星排，第二行星排分别与电机二5和发电机1的输入端连接，发电机1的输出端与电网电路连接；叶轮14分别与第一行星排和第二行星排连接；控制单元6分别与电机一7、电机二5和电网电路电连接。

具体地，本实施例中，第一行星排包括第一太阳轮9、第一行星轮、第一齿圈8和第一行星架10，电机一7与第一太阳轮9传动连接，第一太阳轮9与第一行星轮啮合，第一行星轮与第一齿圈8啮合，第一行星轮与第一行星架10连接，第一齿圈8与增速齿轮11啮合，增速齿轮11与飞轮12连接。

本实施例中，第二行星排包括第二太阳轮4、第二行星轮、第二齿圈2和第二行星架3，电机二5与第二齿圈2传动连接，第一行星架10与第二太阳轮4连接，第二太阳轮4与第二行星轮啮合，第二行星轮与第二齿圈2啮合，第二行星架3分别与第二行星轮和发电机1的输入端连接。

本实施例中，叶轮14与第一行星排之间设置有齿轮箱13，齿轮箱13为增速齿轮箱，叶轮14与齿轮箱13的输入端连接，齿轮箱13的输出端连接第一行星架10和第二太阳轮4，叶轮14、齿轮箱13、第一行星架10、第二太阳轮4和发电机1同轴设置。

如图2所示，根据某风力发电厂采集的外部风速的部分数据，计算得到了叶轮14的叶片力矩的变化趋势。电机一7通过调节飞轮12吸收或者释放能量，将第一行星架10稳定在阶梯速度波形，如图3所示。根据叶轮14的叶片力矩变化制定第一行星架10在两个阶梯转速之间调节。根据叶轮14的叶片力矩的变化或者控制单元6的控制策略的不同，第一行星架10的转速可以是在多个转速阶梯之间进行调节，阶梯波形不仅仅局限于图3，可以是多个阶梯波形。第二太阳轮4的转速经过电机二5的调节，让第二行星架3的输出转速恒定，保证了发电机1的转速恒定，如图4所示。

本实施例的复合储能变速恒频发电系统工作时，叶轮14在外界风的作用下旋转，产生的转速经齿轮箱13放大后传递至第一行星架10；飞轮动力总成对因风速波动产生的转速波动进行滤波，具体地，通过控制单元6控制电机一7输出不同转速，进而对飞轮12进行调速，当风速过大，所产生的转速过快时，飞轮12吸收能量，以动能的形式将能量储存起来；当风速过小，所产生的转速过慢时，飞轮12释放能量，补充转速；飞轮动力总成将波动的转速转化为阶梯变化的转速(转速处于某一较高阶梯或某一较低阶梯)传递至第二太阳轮4，通过控制单元6控制电机二5输出不同转速对第二行星架3进行调速，将阶梯变化的转速转化为恒定的转速，使发电机1工作在高效区间。本实施例利用了飞轮12进行一次调节，利用电机二5进行二次调速，可以将发电机1稳定工作在一个恒定的速度。

本实施例在发电机1与叶轮14之间添加了飞轮动力总成和变速恒频机构，将输入转速滤波，对发电机1输入稳定的转速，使其工作在高效区间，发电机1处于最优稳定运行状态，安全高效，延长了寿命；发电机1产生的电能不需要调频就可以直接并入电网，省去了变流器，避免了将发电机1产生的电能调频时的损耗，实现了低成本和高效率；本实施例的发电机1工作在稳定的转速区间内，避免了来自叶轮14的冲击载荷，延长了发电机1的工作寿命；利用飞轮12功率密度高的特点，储能效果明显；本实施例的复合储能变速恒频发电系统各部件受环境影响较小、工作稳定。

实施例二

如图5所示，本实施例与实施例一的区别在于：第一齿圈8与传动齿轮15连接，传动齿轮15与增速齿轮11啮合，增速齿轮11与飞轮12连接。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。