CN100417008C - 一种风力发电的变速恒频方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风力发电的变速恒频方法，其特点是，首先将风力机转子(1)的转速通过增速齿轮箱(2)增速，然后将变速产生的输入功率(Pw)输入差动永磁电机(3)的输入轴(10)，由差动永磁电机(3)的差速机构(30)进行功率分流或合流产生功率流(Pg)进入差动永磁电机(3)的定子绕组(11)经馈线(7)对电网(9)实现恒速恒频发电。与传统的变速恒频方法相比，本发明在降低发电设备成本的同时，还可显著提高发电***的发电效率。

Description

一种风力发电的变速恒频方法
技术领域
本发明涉及一种发电***的变速恒频方法，特别涉及一种风力发电的变速恒频方法，
背景技术
在风力发电过程中，为了要最大限度地捕获风能，要求输入发电机转轴的速度随风速进行变化，即变速；当风力发电机与电网并联运行时，又要求发电机发出的电能频率与电网的频率一致，即恒频。但是，目前在风力发电等大型分布式发电***中，广泛采用的变速恒频方法主要有：笼型异步发电机变速恒频***、交流励磁双馈发电机变速恒频***、无刷双馈发电机变速恒频***和永磁发电机变速恒频***等。对于大型风力发电机***而言，这些变速恒频方案中的流变机构由于采用传统的整流和逆变方法所造成的功率损耗大多在15％-20％，并且需要造价昂贵的变流设备，特别是兆瓦级永磁发电机组及其变流设备，所以整个发电机***结构庞大且复杂，如采用降低功率损耗变流方法，目前国内的技术也不是很成熟。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于差速传动机构的风力发电的变速恒频方法，特别是一种带有两自由度混合驱动差速机构的差动永磁电机及其对应的分布式风力发电的变速恒频方法，其特点是，通过变速恒频与混合驱动，可以显著提高风力发电机的发电效率，降低***造价，且所需变速恒频***装置成本低、结构简单。
为实现以上目的，本发明是采用如下技术方案予以实现的：
一种风力发电的变速恒频方法，首先将风力机转子的转速通过增速齿轮箱增速，然后将变速产生的输入功率输入差动永磁电机的输入轴，或由控制电机电动产生的电动功率流输入差动永磁电机的输入轴，由差动永磁电机的差速机构进行功率分流或合流产生第一发电功率流进入差动永磁电机的定子绕组经馈线对电网发电。
在上述技术方案中，当风力机转子的输入功率大于差动永磁电机的额定功率时，输入功率沿差动永磁电机的输入轴进入差速机构进行功率分流，产生第一发电功率流和第二发电功率流，第一发电功率流通过行星齿轮对内齿圈的啮合，进入差动永磁电机的定子绕组经馈线对电网直接发电，第二发电功率流通过与差速机构行星齿轮与中心齿轮的啮合，流出差动永磁电机进入控制电机，并使控制电机发电，然后通过逆变器的输入端进行电流变换，将电能转换为与电网同频率的交流电。
当风力机转子的输入功率小于差动永磁电机的额定功率时，控制器控制逆变器使控制电机电动，让控制电机产生的电动功率流流入差动永磁电机，通过差速机构的中心齿轮齿合行星齿轮，并与进入差动永磁电机输入轴上的输入功率合流产生的第一发电功率流，由内齿圈带动转子旋转使差动永磁电机恒速恒频发电，经由馈线到电网。
将差动永磁电机中输入轴到差速机构内齿圈的传动比设计为20∶1～50∶1，可使与差动永磁电机的输出轴固联的控制电机的输出与输入功率流占差动永磁电机发电总功率的10％至20％，并使差动永磁电机上的定子线圈直接输出到电网的输出功率流占差动永磁电机3发电总功率的90％到80％。
本发明的优点在于：通过两自由度的混合驱动实现风电***的变速恒频，该方法采用差动永磁电机的一个输入轴和一个输出轴分别连接行星增速齿轮箱的输出转轴和控制电机的转轴，通过差动永磁电机的差速机构，实现绝大多份额的电能的直接恒频输出；与此同时，通过控制器与逆变器对控制电机转速的补偿调整，实现风力机的变速输入和发电机的恒速恒频(50HZ)输出。由此可将80％至90％的电能通过发电机直接并入电网，而只有10％至20％的电能通过制控电机发出交流电后经过AC-DC-AC变流后(50Hz)并入电网。
本发明与传统的兆瓦级风力发电***变速恒频方法相比，由于只有10％至20％的电能通过流变***，因此在很大程度上降低了流变***昂贵的造价，从而降低了风力发电***的整体造价。显然，该方法相对传统的变速恒频控制方法，在降低发电设备成本的同时，还可显著提高发电***的发电效率。
附图说明
图1为本发明的变速恒频方法原理图。
图2为图1中的差动永磁电机结构图。
图3为图2中A-A向的剖视图。
图4为是本发明的控制器部分的连接框图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述：
如图1所示，一种风力发电的变速恒频方法，
1)采用一台差动永磁电机3，将其输入轴10和输出轴23分别用联轴器与增速齿轮箱2的输出转轴和控制电机4的转轴连接，同时将风力机转子1与增速齿轮箱2的输入转轴连接。
2)将差动永磁电机3的定子线圈11经由电力馈线7与电网9电连接：将控制电机4用电力线与逆变器5的输入端33电连接：逆变器5的输出端8与电力馈线7并联电连接，控制器6与逆变器5信号连接。
3)将风力机转子1的转速通过增速齿轮箱2增速，然后将变速产生的输入功率Pw输入差动永磁电机3的输入轴10。当风力机转子1的输入功率Pw大于差动永磁电机3的额定功率时，输入功率Pw进入差动永磁电机3的输入轴10，并通过的差速机构30进行功率分流，一路功率流Pg通过行星齿轮17对内齿圈16的啮合，进入差动永磁电机3的定子绕组11直接发电，并经过馈线7到电网9；另一路功率流Ps(图1中的①)通过差速机构30行星齿轮17与中心齿轮25啮合，流出差动永磁电机输出轴23进入控制电机4，并使控制电机4发电，然后通过逆变器5的输入端33进行电流变换，将电能转换为与电网同频率的交流电。
4)将风力机转子1的转速通过增速齿轮箱2增速，然后将变速产生的输入功率Pw输入差动永磁电机3的输入轴10。当风力机转子1的输入功率Pw小于差动永磁电机3的额定功率时，用控制器6控制逆变器5使控制电机4电动，让控制电机4的功率流Ps(图1中的②)流入差动永磁电机3，通过差速机构30的中心齿轮25啮合行星齿轮17，并与差动永磁电机3输入轴10上的功率Pw合流形成功率流Pg，由内齿圈16带动转子15旋转使差动永磁电机3恒速恒频发电，经由馈线7到电网9。
如图2、图3所示，本发明所采用的差动永磁电机3包括机箱29、设置在机箱29内轴向两侧且分别与输入轴10、输出轴23相连的滚动轴承24、设置在机箱29内环壁27上的定子铁芯12及其定子线圈11、相对于定子铁芯12位置设有转子铁芯环13并镶嵌有永磁体14的转子15，转子15沿径向设置有差速机构30。
差速机构30包括侧板21、与转子的永磁体14固定在一起的内齿圈16、带有轴承18并与内齿圈16、设置在输出轴23上的中心齿轮25齿合的行星齿轮17，内齿圈16由螺钉26与侧板21固联；行星齿轮17由齿轮轴20设置在行星架19上；行星架19与输入轴10固联；侧板21与行星架19由轴承22滚动连接。从图2的结构可知，差动永磁电机3的输入轴10的功率输入是恒定的，由内齿圈16及永磁体14、定子绕组11等组成的差动永磁电机3的功率输出也是恒定的。控制电机4上的功率流Ps可以是流入或流出的，其双向变化是依据风力机转子1转速的大小由控制器6和逆变器5进行调整。将差动永磁电机3中输入轴(10)到差速机构(30)内齿圈(16)的传动比设计为30∶1，可使与差动永磁电机3的输出轴23固联的控制电机4的输出与输入功率流Ps占差动永磁电机3发电总功率的12％左右，并使差动永磁电机3上的定子线圈11直接输出到电网9的输出功率流Pg占差动永磁电机3发电总功率的88％左右。
如图4所示，控制电机4的电力馈线与电机侧逆变器34直接相联，电网侧逆变器35与电机侧逆变器34背靠背安装，逆变器5可以四象限运行。
控制器6包括对称设置的信号采集电路44和41、分别与信号采集电路44、41采集输出信号连接的前级处理电路48和45、由信号线53、51分别与前级处理电路48和45输出连接的DSP数字处理芯片47和46、分别与DSP数字处理芯片47和46输出信号连接的***扩展控制电路43和42、为各电路模块供电的电源模块49，DSP数字处理芯片47和46之间由串行信号线51和并网通讯接口电路50信号连接；信号采集电路44、41的分别与电机侧采样传感器组32、电网侧采样传感器组40信号连接；***扩展控制电路43和42的控制输出信号分别连接至电机侧逆变器34和电网侧逆变器35。电机侧采样传感器32可以采集控制电机4的转速、电流及电压等；电网侧采样传感器40可以采集电网侧逆变器35交流侧电网电压与电流、直流侧电压与电流等。
通过控制器6对逆变器5的控制实现对与差动永磁电机3的输出轴23固联的控制电机4的功率流向(发电和电动双向流动)与转速大小的控制，而实现对差动永磁电机的恒速控制，进而实现大功率的永磁同步发电机的恒频率输出。

Claims (3)

1. 一种风力发电的变速恒频方法，其特征是，首先将风力机转子(1)的转速通过增速齿轮箱(2)增速，然后将变速产生的输入功率(Pw)输入差动永磁电机(3)的输入轴(10)，或由控制电机(4)电动产生的电动功率流(Ps②)输入差动永磁电机(3)的输入轴(10)，由差动永磁电机(3)的差速机构(30)进行功率分流或合流产生第一发电功率流(Pg)进入差动永磁电机(3)的定子绕组(11)经馈线(7)对电网(9)发电；当风力机转子(1)的输入功率(Pw)大于差动永磁电机(3)的额定功率时，输入功率(Pw)沿差动永磁电机(3)的输入轴(10)进入差速机构(30)进行功率分流，产生第一发电功率流(Pg)和第二发电功率流(Ps①)，第一发电功率流(Pg)通过行星齿轮(17)对内齿圈(16)的啮合，进入差动永磁电机(3)的定子绕组(11)经馈线(7)对电网(9)直接发电；第二发电功率流(Ps①)通过与差速机构(30)行星齿轮(17)与中心齿轮(25)的啮合，流出差动永磁电机(3)进入控制电机(4)，并使控制电机(4)发电，然后通过逆变器(5)的输入端(33)进行电流变换，将电能转换为与电网同频率的交流电。
2. 一种风力发电的变速恒频方法，其特征是，首先将风力机转子(1)的转速通过增速齿轮箱(2)增速，然后将变速产生的输入功率(Pw)输入差动永磁电机(3)的输入轴(10)，或由控制电机(4)电动产生的电动功率流(Ps②)输入差动永磁电机(3)的输入轴(10)，由差动永磁电机(3)的差速机构(30)进行功率分流或合流产生第一发电功率流(Pg)进入差动永磁电机(3)的定子绕组(11)经馈线(7)对电网(9)发电；当风力机转子(1)的输入功率(Pw)小于差动永磁电机(3)的额定功率时，用控制器(6)控制逆变器(5)使控制电机(4)电动，让控制电机(4)产生的电动功率流(Ps②)流入差动永磁电机(3)，通过差速机构(30)的中心齿轮(25)啮合行星齿轮(17)，并与进入差动永磁电机(3)输入轴(10)上的输入功率(Pw)合流产生的第一发电功率流(Pg)，由内齿圈(16)带动转子(15)旋转使差动永磁电机(3)恒速恒频发电，经由馈线(7)到电网(9)。
3. 根据权利要求1或2所述的风力发电的变速恒频方法，其特征是，差动永磁电机(3)中的输入轴(10)到差速机构(30)内齿圈(16)的传动比为20∶1～50∶1。
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