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高耗能产业的非并网式大型电机

阅读:739发布:2021-02-06

专利汇可以提供高耗能产业的非并网式大型电机专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 的高耗能产业的非并网式大型 风 力 发 电机 ,主要是在大中型 风力 发电机 基础 上,将非常昂贵的用于稳压、稳频、稳 相位 等控制 电路 及装置和高倍增速 齿轮 箱直接取消,还可简化 叶轮 的调速装置等,其结构包括 叶片 和 轮毂 组成的叶轮、调速装置、发电机、 塔架 和调向装置,叶轮驱动发电机为直驱式或半直驱式,发电机发出的电为直流电输出。具有结构简单、零部件少、故障率低、生产成本低等优点,使风电的综合成本完全能由目前的0.5-0.6元/度下降到0.2元/度以下,非常有利于大批量生产制造风力 发电机组 和迅速发展风电事业,非常有利于完成要在我国东部沿海率先建成高耗能、低成本的绿色重化工基地的目标任务。,下面是高耗能产业的非并网式大型电机专利的具体信息内容。

1、一种高耗能产业的非并网式大型电机,包括叶片轮毂组成的叶 轮、调速装置、发电机、塔架和调向装置,其特征在于所述叶轮驱动发电机为直 驱式或半直驱式,即风轮轴直接与发电机轴联接或经低倍增速后与发电机轴联 接,发电机发出的电为直流电输出。
2、如权利要求1所述的高耗能产业的非并网式大型风力发电机,其特征在 于所述低倍增速的倍数不大于10倍。
3、如权利要求1或2所述的高耗能产业的非并网式大型风力发电机,其特 征在于发电机的数量为1个或2个或2个以上,当发电机为2个或2个以上时, 发电机之间的转子轴经离合器相互串联或并联或串并联联接,低风速时,单级电 机工作,高风速时,多台电机逐级切入满负荷发电。
4、如权利要求1或2所述的高耗能产业的非并网式大型风力发电机,其特 征在于发电机选用永磁转子式发电机。
5、如权利要求3所述的高耗能产业的非并网式大型风力发电机,其特征在 于发电机选用永磁转子式发电机。

说明书全文

技术领域

发明涉及一种电机,特别是一种主要为高耗能产业提供一种直接使 用的非并网式大型风力发电机,属于供电或配电领域。

背景技术

风能是人类最早利用的最廉价、最方便、最清洁的一种可再生的绿色能源, 将风能转变为电能的风力发电已越来越受到世界各国的重视,在风力资源丰富的 风场安装大功率风力发电机的技术和设备已基本成熟,目前对大规模风电的使用 主要靠与市电并网后再输送给用户使用,能够与市电并网的风电必须做到其频 率、相位电压均应与市电相同,同时还要将发电机在并网瞬间对电网的冲击电 流值限制在规定的范围内(一般为1.5倍额定电流以下),使之得到一个较为平 滑的并网暂态过程才能并网。现有的大型风力发电机均为变速恒频式平轴风力 发电机,其结构主要由风轮、低速联轴器增速器、高速联轴器、发电机、塔架、 调速装置、调向装置、制动器等组成,其中有许多结构都是为了能够与市电并网 而设计的非常复杂,如风轮中的叶片必须要设计成变桨距叶片或固定桨距叶尖可 变桨距或叶尖设有阻尼器等几种叶片,还要与调速装置配套使用才能使风轮在风 速变化较小(如5-12m/s)的范围内调整转速而进行正常工作;又因市电电网频 率为50HZ,而风轮的转速较低,为了与发电机匹配,都必须要在与风轮联接的 低速联轴器和与发电机联接的高速联接器之间接一个增速器,增速器的增速一般 是几十倍,需要多级齿轮增速,其齿轮箱的重量有的达到几吨重,使发电机结构 复杂,造价昂贵,再加上与稳压、稳频、稳相位等控制系统配套,造成风电的价 格反而高于市电价格,如果缺乏政府扶持则无价格优势。但即使采取包括降低发 电效率等各种措施,还会因风速波动太大等原因而还会使风电频率等参数变化很 大,且又由于技术条件的限制以及电网稳定性的要求,使风电在电网中所占比重 往往限制在5%之内。风电是一种受风速控制而不同于常规电源,其主要表现在 以下几方面:
(一)风速是波动且随机变化的,因此风电机组发出的电能也是波动的。尽 管这种波动可以控制或者可以预测,但是目前来讲,多数是不可控的或者控制效 果是极其微弱的。这便增加了电网调度人员调度的不确定性和复杂性。
(二)风电机组中的发电机形式多样,可以是异步发电机、同步发电机或是 双馈感应发电机。因此,无功功率特性复杂,这便带来了电网电压的偏差问题, 这就需要电网设计时应考虑无功补偿和输出电压自动调正系统,从而减少对电网 的影响。
(三)风力发电的技术特点与常规发电不匹配,现有的电力系统运行规范不 适用,需要针对风电特性进行改进和补充。
(四)风力发电技术因其不同特性,因此要求随着风力机技术的特点,制定 相应的规定和管制条例。
(五)风电场位置一般远离负荷中心,也远离常规电厂,这是目前国内风电 场建设中的一个普遍现象。风能资源丰富的地区往往远离主要的电力需求区域, 这就给传输风电带来了困难,意味着需要对现有电网结构或框架进行改造和变 动,如扩建电网等,而这不仅仅是替换一些设备就可以实现的。在世界各地,电 网扩建是一个大问题,一方面它导致了风电成本的升高,另一方面大范围的传输 系统改造也会延迟风电的上网和使用。例如英国北部风能资源丰富地区的许多风 电项目,从投产到真正联网发电,这期间电网的更新往往需要十年的时间。
因而,风电与市电并网,会对市电电网产生比较大的负面影响,这些影响主 要有:
(一)风电输出功率的大幅变动对电网的影响
从对电网的影响度看,风力发电第一个特点就是出力变动大,且呈不规则 变动性状,不易预测。由风力发电机组的输出功率表示式可知,风力发电机组的 输出功率与风力发电机组风叶扫风面积成正比,与空气密度成正比,与风速的三 次方函数成正比。风力发电机组的机型确定后,其风叶扫风面积是不变的,在固 定的地域空气密度变化不大,惟独风速变化相当大且是随机性的,因此风力发电 机组输出功率变化大主要是由于风速变化而引起的。根据美国风电场的运行经 验,即使由数十台风电机组成的风电场,通常在1分钟内最大输出功率变动也达 40%左右。
(二)风力发电对电网的无功功率影响
在直流电路里,电压乘电流就是有功功率。但在交流电路里,电压乘电流是 视在功率,而能起到作功的一部分功率(即有功功率)将小于视在功率。
(三)风电对并网潮流分布的影响
由于风力发电不可控的间断性,不论以何种方式接入,对地区电网的潮流分 布影响是明显的。以高电压等级并网,潮流分布影响较小,但不能实现电力电量 的就近消化。
(四)风力发电的谐波对电网的影响
“谐波污染”已经成为电网内三大公害之一。理想的发电机,其电动势可以 认为是纯正弦的,即不含高次谐波,由于风电的特殊性导致谐波对所并电网的 危害较大。谐波对线路的主要危害是引起附加损耗。谐波可引起系统的电感、电 容发生谐振,使谐波放大,如在某个特定谐波时却可能引起谐振,可能将谐波电 流放大几倍甚至数十倍,电网谐振引起设备过电压,产生谐波过流,对设备造成 危害。当谐波引起系统谐振时,谐波电压升高,谐波电流增大,引起继电保护及安 全自动装置误动,损坏系统设备(如电力电容器、电缆电动机等),引发系统事 故,威胁电力系统的安全运行。谐波还干扰通信设备,增加电力系统的功率损耗(如 线损),使无功补偿设备不能正常运行等,给系统和用户带来危害。
(五)风电并网对系统的冲击
风电接入系统后不仅影响电网的潮流分布,而且由于发电机内部电感双磁链 不能突变导致异步发电机在并网时会产生冲击电流,其大小与发电机的暂态电抗 并网时电压的高低以及并网时的滑差大小有关,滑差越大则交流暂态衰减时间就 越长,并网时冲击电流有效值也就越大。
(六)对公共连接点(PCC点)电能质量的影响
风力发电对PCC点的影响主要由稳态电压波动、电压闪变、谐波电压不平 衡、瞬态电压跌落或凹陷等,从目前一些地区运行经验看,大量引入风电产生的 联网问题主要是薄弱系统的电压问题,其次是闪变和谐波等问题。
以上分析可知,由于技术条件的限制以及电网稳定性等的要求,我国的风力 发电机组的主要零部件还依赖于进口,还需要与非常昂贵的稳压、稳频、稳相位 等控制系统配套,使风电设备和风电价格昂贵而难以下降。到2005年底,我国 已有的31个风电场投入正常运行,风电装机容量为126万千瓦,但是这些风电 场几乎全部处于亏损状态。目前的风电成本约为0.5-0.6元/度,比火电成本还高, 比水电成本更高。而目前,江苏省已批和在建的6个风电场,总装机容量将达 125万千瓦,一旦建成投产后,效益也将难以得到保证,商业前景并不乐观。
另一方面,对高耗能产业如氯工业的电解食盐水和电解、电解等金属 冶炼过程中都需要消耗允许在一定范围内波动的特大电流的直流电,而这些特大 电流的直流电目前主要还是由市电电网提供,使市电电网在供电不足的情况下还 无法减轻这种沉重负担。
发明目的
本发明的目的主要是为了克服上述现有的与市电电网并网的大型风力发电 机的结构相当复杂、费用太高、风电成本居高不下等不足之处,根据上述高耗能 产业需要的特大电流是允许可以在一定范围内波动的直流电的实际情况,在满足 高耗能产业需要的情况下,设计一种国产化程度高的结构简单、生产成本低、有 效风速区间大、发电效率高的高耗能产业的非并网式大型风力发电机
本发明的高耗能产业的非并网式大型风力发电机,主要是在现有的各种大中 型风力发电机的基础上,将非常昂贵的用于稳压、稳频、稳相位等控制电路及控 制装置直接取消或降低精度要求而降低成本,将结构复杂的多级高倍增速齿轮箱 直接取消或改为结构简单的低倍增速传动,利用多个发电机适时接入发电而扩大 风速有效区间和提高发电效率,其结构包括叶片和轮毂组成的叶轮、调速装置、 发电机、塔架和调向装置,所述叶轮驱动发电机为直驱式或半直驱式,即风轮轴 直接与发电机轴联接或经低倍增速后与发电机轴联接,发电机发出的电为直流电 输出。所述低倍增速的倍数一般不大于10倍。所述发电机的数量可根据需要任 意设定,可为1个或2个或2个以上,当发电机为2个或2个以上时,发电机之 间的转子轴经离合器相互串联或并联或串并联联接,低风速时,单级或少量电机 切入工作,风速较大时,多台电机逐级切入直至满负荷发电。为了进一步提高发 电效率,所用的发电机最好选用永磁转子式发电机。
本发明的高耗能产业的非并网式大型风力发电机,主要是根据高耗能产业需 要的特大电流是允许可以在一定范围内波动的直流电的实际情况,对电压无频率 要求,因而在电机制造上可以取消沉重的增速齿轮箱,发电机轴直接连接到风轮 轴上或经单级低倍增速与风轮轴连接,转子的转速可以随风速而改变,其交流电 的频率也可以随之变化而不再影响使用,因这些频率不定的交流电均可经整流器 方便的整流成直流电,再输送到企业直接用于工业生产,由于取消齿轮箱既可降 低造价,也减少了传动环节及其损耗,仅此一项即可提高约8%的输出功率。还 可将大型风力发电机组中为了与市电并网而设置的非常昂贵的用于稳压、稳频、 稳相位等控制电路及控制装置直接取消,还可简化叶轮的调速装置等,又能方便 的将风电场内的若干台风电机的直流输出电压自行并网输送到较远的地方使用, 必要时还可用逆变器将直流电逆变成与市电频率相同的交流电即可作日常生活 用电。该非并网式风力发电机具有结构简单、零部件少、故障率低、生产成本低 等优点,完全可以在现有的各种大型风力发电机的基础上进行改装,非常有利于 大批量生产制造风力发电机组和迅速发展风电事业。使用多台发电机在高风速逐 步切入发电,既增加了发电量,又扩大了风速的有效使用范围,更有利于大幅度 降低电价,使风电的综合成本完全能由目前的0.5-0.6元/度下降到0.2元/度以下, 非常有利于完成江苏省提出的要在我国东部沿海率先建成高耗能、低成本、具有 强大国际竟争力和中国特色的绿色重化工基地的目标任务。
附图说明
附图1是本发明的一种结构示意图;
附图2是本发明的另一种结构示意图;
附图3是本发明中以两台发电机为例的风速/功率图。

具体实施方式

参见附图1和2,图中的1是叶片,2是轮毂,3是调速装置,4是塔架,5 是机仓,6是风轮轴,7是联轴器,8是调向装置,9是第一台发电机,10是离 合器,11是第二台发电机,12是第三台发电机,13是另一个离合器,14是第四 台发电机,15是传动齿轮箱。其中图1是用两台发电机与风轮轴直接联接的结 构示意图,还可以依次串联联接更多台发电机。图2是用四台发电机串联和并联 后经传动齿轮与风轮轴联的结构示意图,也还可以串联和并联更多的发电机,具 体数量可根据当地风量和发电机的功率大小等因素综合考虑,如风量大,而发电 机的功率小就可多用几台发电机,反之可少用几台发电机。将结构复杂的多级高 倍增速齿轮箱直接取消或改为结构简单的低倍增速传动,利用多个发电机适时接 入发电而扩大风速有效区间和提高发电效率,该发电机组的结构主要包括叶片1 和轮毂2组成的叶轮、调速装置3、发电机9、塔架4和调向装置8,所述叶轮 驱动发电机9为直驱式或半直驱式,即风轮轴6直接与发电机轴联接或经低倍增 速后与发电机轴联接,发电机发出的电为直流电输出。所述低倍增速的倍数一般 不大于10倍。所述发电机的数量可根据需要任意设定,可为1个或2个或2个 以上,当发电机为2个或2个以上时,发电机之间的转子轴经离合器相互串联或 并联或串并联联接,低风速时,单级或少量电机切入工作,风速较大时,多台电 机逐级切入直至满负荷发电。为了进一步提高发电效率,所用的发电机最好选用 永磁转子式发电机,可以不需外励磁,极大地节约了成本,不仅使整体操控简单, 还提高了发电效率和发电量,而且故障率低,维护方便。发出的电是直流输出, 如选用交流发电机时只需接入整流器即可将交流电整流成直流输出,将非常昂贵 的为了与市电电网并网而专设计的稳压、稳频、稳相位等控制系统全部省去, 使控制简单,又能利用负载可自动调节发动机负荷,当风速减小时,风机转速减 少,输出电压和电流下降,发电机功率也随之下降,负荷自动下调而使电机转速 回升;反之,当风速增加时,风机转速加快,输出的电压和电流增大,发电机功 率也随之上升,负荷自动上调而使电机转速减低。也就是说,该风电机能在风力 变化不是太大的情况下,利用直流负载即可自动调节电机转速,保持风机运转, 极大的减少调速装置的工作频率,延长风电机组的使用寿命。
图3是使用两台750KW发电机在风速为5-25m/s时的输出功率示意图,从 图中可知,当风速达8.5m/s时,第一台发电机即可满负荷输出750KW,当风速 达11m/s时,第二台发电机接入发电,到风速达13m/s-16m/s时,两台发电机即 可满负荷输出1500KW,使发电效率成倍提高,发出的直流电可直接用于海水淡 化、制氢以及生产氯碱、电解铝等高耗能产业,为高耗能产业提供大量低价能源, 促进高耗能产业的飞速发展,又有利于促进风电事业的迅速发展,还为市电电网 减轻了沉重的负担。还能方便的将风电场内的若干台风电机的直流输出电压自行 并网输送到较远的地方使用,必要时还可用逆变器将直流电逆变成与市电频率相 同的交流电即可作日常生活用电。使缺乏稳定频率输出的被一直认为是垃圾电的 大功率风电成为价廉物美的绿色环保的取之不尽的黄金电。
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