[发明专利]机械耦合式压缩空气储能微型混合风力发电系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种风力发电系统，尤其是一种机械耦合式压缩空气储能微型混合风力发电系统。

背景技术

作为一种清洁的可再生能源发电方式，风力发电技术得到了快速地发展。然而目前风电技术特别是小型风电存在如下几个重要问题：首先，风能的波动性和间歇性将造成输出功率的大幅变动，对负载稳定运行产生负面影响；其次，传统风电系统为刚性机电耦合系统，风机叶片、主轴和电机等部件承受很大的机械应力，导致其故障率居高不下，维护成本高；再次，目前小型风力发电系统一般没有对风电转换环节进行控制，导致风能利用系数比较低，最高仅在0.3左右；最后，小型风电系统大多采用蓄电池作为储能设备，但存在保养要求高、循环寿命短、且对环境有极大污染等缺陷。

能量存储是平抑风能波动性和间歇性的有效手段之一。作为应用最为广泛的储能方式，蓄电池在使用过程中有诸多限制和问题，如不能过充过放，SOC难以估计、循环寿命短等，且在生产过程及废弃处理中对环境造成严重污染。而压缩空气储能具有易于检测和控制、环境污染小，等诸多优点，在世界范围内备受关注，被认为是新世纪极具前景的能量存储系统。

当前研究的压缩空气蓄能技术主要是利用用电低谷的电力，采用空气压缩机将压缩空气储存在封闭的岩洞内；在用电高峰时，压缩空气与天然气混合、燃烧、膨胀以驱动燃气轮机带动发电机发电。在这种方式中，压缩空气储能主要作用为削峰填谷，且工作过程对环境依然有污染。

目前小型风力发电系统普遍采用不控整流加可控逆变的结构，并使用蓄电池作为储能装置，挂接到直流母线上。对于风能的波动造成的冲击，可以通过蓄电池及变流器进行吸收和消除。这样虽然可以实现风机的变速运行，但对设备的可靠性提出了更高的要求：蓄电池的充放电电流不能过大，需要增加相应的保护措施。而在实际系统中，出于降低成本考虑，该部分通常十分简单甚至没有。而变流器由于器件限制，对于较大的电压电流冲击极易造成损坏，导致故障率高、稳定性和可靠性较差等。

针对电气耦合出现的上述问题，人们提出了在风电系统的前端，即机械部分进行耦合以期减小和消除风力波动对后端电气设备的冲击和影响。发明专利WO2008/061263利用行星齿轮为补偿齿轮，并采用液压传动装置作为调速装置，以实现在风速变化时发电机的恒速运行。而中国发明专利申请201010602586(公开号CN102013762A)同样使用了行星齿轮作为变速器，而采用力矩电动机作为转速调节装置。但这两种方式均需为调速装置提供能量，存在控制系统复杂，能量利用率低，损耗大等缺点。

中国发明专利申请201110146879(公开号102230459A)设计了一种风电互补型、用于生产压缩空气的结构。该结构无法实现电能的产生，且无法通过调节风力机转速来实现风能最大利用率跟踪。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种机械耦合式压缩空气储能微型混合风力发电系统，该系统不仅可以通过气动控制技术调节涡旋式复合机转速的同时改变风力机的转速，实现风能最大跟踪的功能，而且采用涡旋式复合机作为能量转换装置，将暂时不用的多余能量以压缩空气的形式储存起来，代替了蓄电池，极大地减轻了环境污染。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种机械耦合式压缩空气储能微型混合风力发电系统，包括风力机，所述风力机通过电磁制动器I与行星齿轮的行星架轴相连，所述行星齿轮的太阳轮轴通过传动机构与涡旋式复合机相连，所述太阳轮轴上设有电磁制动器II或调速电机，涡旋式复合机通过气体通路与储气装置相连，所述气体通路上并联设有流量控制阀和止回阀；所述行星齿轮的齿圈通过同步传输带与风力发电机相连，风力发电机与变流器相连，变流器与负载相连；

所述风力机、涡旋式复合机以及风力发电机与行星齿轮的连接轴上均安装有转速传感器，所述风力发电机输出端安装有电流传感器，所述储气罐内安装有气体压力传感器；所述系统的主机外壳上安装有风速传感器；上述各传感器的输出信号分别通过导线与上位机相连；

所述上位机还与控制电磁制动器I、电磁制动器II、流量控制阀和变流器相连。

上位机输出数字量信号用于控制电磁制动器I和电磁制动器II的工作状态(制动或切离)，以及输出模拟量信号用于控制流量控制阀的开度大小，输出PWM信号控制变流器IGBT的开通与关断。

所述储气装置为储气罐。