CN101242157A - 一种级联式变速恒频风力发电*** - Google Patents

Abstract

本发明公开一种级联式变速恒频风力发电***，其包括风力机、双转子电机、发电机和变频器；双转子电机包含滑环、外转子、内转子；发电机包括定子、转子；风力机通过轴一与所述内转子联接；内转子上设置三相绕组，并通过滑环与变频器连接；所述外转子通过轴二与发电机转子联接，发电机定子内设置三相绕组与电网相连。本发明通过级联式电传动结构，配以变频调磁调速手段，形成功率的分汇流，实现了变速恒频发电功能，同时去除了升速齿轮箱传动环节，降低了***的故障率；发电机与电网直接相连，电力电子元器件的额定功率容量可明显降低。本发明可用在风力发电领域，也可用于汽轮发电机组、水轮发电机组、内燃机发电机组等。

Description

一种级联式变速恒频风力发电***

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种新型级联式变速恒频风力发电***。

背景技术

众所周知，随着资源的短缺和温室效应的日趋严重，世界各国逐步加大了开发和利用可再生、无污染的能源的力度。风力发电是其中最接近实用的一种。由于风力是一种不稳定的动力源，风速经常变化；而风力发电机与电网并网时，要求风电的频率保持恒定。为了解决风速与风电频率之间的矛盾，人们提出了多种解决方案，其中效果最好的是变速恒频发电方法。

目前通用变速恒频发电方法主要有以下两种：基于绕线异步机(双馈电机)的双馈发电***和基于低速永磁同步发电机的直驱式发电***。

双馈发电机是在转子中施加低频交流电流实现励磁的一种特种异步发电机，通过调节励磁电流的幅值、频率、相序，确保发电机输出电功率恒频恒压。双馈发电***的最大特点是变频器的容量取决于发电机变速运行时的最大滑差功率，一般电机的最大滑差率为±(25～35)％，因此变频器的最大容量仅为发电机额定容量的1/4～1/3。但由于受到极数的限制，风力机与发电机之间采用了升速齿轮箱，不仅增加了***成本，而且成为了目前风力发电***中的薄弱环节。

直驱式发电***，风力机直接驱动永磁同步电动机输出频率和电压随转速变化的交流电，经交_直_交变频器，转换成恒压、恒频(50Hz)的电功率接入电网。该***中，发电机发出的全部电功率都要通过变频器，变频器容量需按100％功率选取，比双馈***容量大，投资大，谐波吸收困难。但由于采用了低速永磁同步发电机，因此在风力机与发电机之间不需要安装升速齿轮箱，电机轻，效率高，工作可靠，故障率低。

研制开发一种效率高，成本低，运行可靠且供电性能良好的变速恒频风力发电***是风力发电领域一直追求而又未完全实现的理想。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种变速恒频风力发电***，该***能综合扬弃直驱式风力发电***与双馈式风力发电***的优缺点，不仅具备在较大速比范围内高效地实现变速恒频发电功能，而且既取消升速齿轮箱，提高***可靠性，又可采用较小容量的变频器，降低***成本。

为实现上述目的，本发明在现有基于低速永磁发电机的直驱式方案与基于双馈电机的双馈式方案的基础上，实施级联式的结构改动，形成可实现功率分流的双转子电机与低速发电机的组合体，构成一种具备功率分汇流功能的变速恒频风力发电***。具体方案如下：

一种级联式变速恒频风力发电***，该***包括风力机、双转子电机、发电机，变频器四个部分；其中双转子电机包含滑环、外转子、内转子；发电机包括定子、转子；风力机通过轴一与双转子电机中的内转子联接；内转子上设置三相绕组，并通过滑环与变频器连接；双转子电机外转子通过轴二与发电机转子联接，发电机定子内设置三相绕组与电网相连。

上述级联式变速恒频风力发电***，风力机输入的功率被分为两路，一路经发电机被直接送往电网，一路通过变频器经变频变压后送往电网。

对上述级联式变速恒频风力发电***作改动，即风力机通过轴一与双转子电机中外转子联接；外转子上设置三相绕组，并通过滑环与变频器连接；双转子电机内转子通过轴二与发电机转子联接，发电机定子内设置三相绕组与电网相连。

将上述级联式变速恒频风力发电***的双转子电机的外转子与发电机的转子复合成一个转子，原有级联式结构转化为两个转子、一个定子构成的嵌套结构。

上述级联式变速恒频风力发电***，其双转子电机与发电机为绕线式异步电机、鼠笼式异步电机、单相交流电机、多相交流电机、同步电机、直流电机、开关磁阻电机或永磁电机。

上述级联式变速恒频风力发电***，其变频器可能根据双转子电机类型的不同变换为其他类型功率变换器，包括交-交变换器，交-直-交变换器，直-交变换器等。

上述级联式变速恒频风力发电***，其变频器与双转子电机的电气连接方式为接触式电刷-滑环方式或非接触的旋转变压器形式。

上述的级联式变速恒频风力发电***，所述变频器上电源接口接入一个直流电源，所述直流电源为电池组或超级电容或飞轮电池。

上述的级联式变速恒频风力发电***，其风力机与转子相联接的轴一，以及双转子电机与发电机转子相联接的轴二为其它传动类型，包括齿轮传动、无级机械传动、液压传动、液力传动或电气传动。

上述的级联式变速恒频风力发电***，其风力机为原动机，所述原动机为汽轮机、水轮机或内燃机。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果为：

第一，本方案中发电机与电网连接简单，无需通过电力电子装置。如果采用了同步发电机，容易实现平滑的电功率输出，相对于异步电机，有利于调节功率因素，优化***内的电网质量。

第二，本方案中风力机功率的主要部分通过高效率的直接回路送到发电机。电传动分路的功率容量视调速范围而定，一般只有发电机额定容量的几分之一，电力电子元器件的额定功率容量可明显降低。

第三，去除了升速变速箱的传动环节，简化了风力发电机组结构，降低了***的故障率，提高了运转可靠性。

第四，新方案有能力控制发电机工作在稳定的同步转速点，因此可以实现优化风力机叶片的桨距调节，也就是可以减少风力机桨距的调节次数，这对桨距调节机构是有利的。

第五，目前的级联式方案中双转子部分可以与发电机揉为一体，形成由内外转子与定子三部分组成的特殊电机结构，有利于构成布局紧凑、性能优良、运转可靠的新***。

附图说明

图1为级联式变速恒频风力发电***方案示意图。

其中有：1-风力机；2-双转子电机，包括21-滑环，22-外转子，23-内转子，低速发电机3，包括31-定子，32-转子，以及4-变频器，6-风力机与双转子电机内转子的联接轴，即轴一；7-双转子电机外转子与发电机转子的联接轴，即轴二；8-电网。

图2为级联式变速恒频风力发电***基本工作原理示意图。

图中各零部件标记意义同图1。图中还有非零部件标记的符号，其中ω及圆弧箭头表示角速度，T及圆弧箭头表示转矩，P及粗线箭头表示功率(流)，符号的下标e指电传动分路、下标M指机械功率传动分路、其他指对应的零部件。

图3为本发明衍生实施方案之一的例图。图中零部件标记意义同图1。

图4为本发明衍生实施方案之二的例图。图中5-复合型转子，其它零部件标记意义同图1。

图5为本发明衍生实施方案之三的例图。图中9-直流电池组，其它零部件标记意义同图1。

图6为本发明衍生实施方案之四的例图。图中10-增速齿轮箱，其它零部件标记意义同图1。

图7为本发明衍生实施方案之五的例图。图中11-非接触式旋转变压器，其它零部件标记意义同图1。

具体实施方式

以下结合本说明书的各附图，对本发明的具体实施方式做详细说明。本说明书各附图中出现的相同零部件均采用同一标记。

级联式变速恒频风力发电***方案如图1所示，主要由四个部分组成：风力机1、双转子电机2、低速发电机3、变频器4，其中双转子电机2是具有双转子结构的同步永磁电机。包括滑环21、外转子22、内转子23。与普通同步永磁电机的区别在于释放了对定子的约束，使之转变为外转子22。内转子23内设置三相绕组与通过滑环21与变频器4相连，外转子22内设置永磁磁极。风力机1与内转子23通过轴一6直接相联；外转子22与发电机3的转子32通过轴二7直接相联。发电机3为永磁同步多级低速发电机，发电机定子31内设置三相绕组与电网相连，发电机转子32内设置永磁磁极。

当风力机1驱动内转子23相对于外转子22旋转而发电时，两者间相互作用的电磁力矩将拖动外转子22及与之联接的发电机转子32做同向、但速度可以不等的旋转运动。

当内转子22的绕组通过一个三相低频电流时，在内转子22中形成一个低速旋转磁场，这个磁场的旋转转速ω’与内转子22的机械转速ω₆相叠加，形成了一个转速为ω₆±ω’的旋转磁场。在它的作用下，外转子23跟随内转子22转动，转速为ω₇。根据同步电机的工作原理，转速ω₇＝ω₆±ω’。为了达到发电机3能够向电网提供恒频电功率的目的，可以通过增大或减少内转子22励磁电流的频率，相应调整外转子23转速(也是转轴二7和发电机转子32的转速)ω₇至指定的发电机同步转速ω_n并稳定工作。内转子22与外转子23的电磁作用力矩为T’，当***稳定工作时：T₇＝T’＝T₆。

假设来自风力机的功率为P₁＝T₆ω₆；经双转子电机2直接驱动发电机的有效功率为P_M＝T₇ω_n＝T₆ω_n；发电机发电效率为η₃，则通过发电机3输送到电网上的功率P₃＝T₆ω_nη₃。分流到变频器4的电传动回路功率为P_e＝T₆(ω₆-ω_n)，且有P₁＝P_e+P_M。P_e经电传动分路有所损耗，电传动效率为η_e，传递到电网上的功率为P₄＝η_eP_e；输送到电网上的总电功率为P₈＝P₃+P₄＝T₆ω_nη₃+T₆(ω₆-ω_n)η_e。

当ω₆＞ω_n时，双转子电机2把风力机的大部分机械功率直接经外转子22传递到发电机3；又把其余部分转换为电功率，经由变频器4输送到电网8。当ω₆＜ω_n时，变频器4从电网吸收部分功率，与风力机的机械功率相叠加后，经外转子22传递到发电机3，最后送回到电网。假设双转子电机转差率为s＝(ω₆-ω_n)/ω_n。那么如果控制转差率在±25％以内，即风力机的输入转速ω₆在发电机同步转速ω_n的75％～125％范围内，那变频器4的功率容量只需发电机容量的1/4。这与双馈电机较为类似。

双转子电机2与发电机3可为绕线式异步电机、鼠笼式异步电机、单相交流电机、多相交流电机、同步电机、直流电机、开关磁阻电机或永磁电机。以上阐述本发明基本型的工作原理。根据不同使用要求和特点，本发明的具体实施方案可繁可简，由基本型可派生出多种衍生方案。下面列举了若干衍生方案作为例子，结合这些实施例进一步对本发明做更详细的说明。

衍生实施例

衍生方案之一，如图3所示，基本结构与基本实施例方案相同，有所不同的是风力机1与外转子22通过轴一6联接、内转子23与发电机3的转子32通过轴二7联接。这样取得的效果与原方案类似。

衍生方案之二，如图4所示，使基本型方案中的双转子电机2的外转子23与发电机的转子32揉合在一起，在内转子22外周设置复合转子5，在复合转子5的外周设置定子31。复合转子5的内外侧都是设置永磁磁极，复合转子5的外侧相当于基本型中的发电机外转子32，复合转子5的内侧相当于基本型中的双转子电机外转子23。这样使得***的结构更为紧凑，但轴向尺寸有所增加。

衍生方案之三，如图5所示，通过交-直-交变频器4上设置的电源接口，接入直流电池组9。可以必要时储存富余风能，再在合适的时机释放出来，配以优化的控制策略有利于提高整体能量转换效率。

衍生方案之四，如图6所示，双转子电机与发电机转子通过增速齿轮箱10传动。当风速较低时，经过齿轮增速，可以降低发电机的极对数，改变电功率的分流比例，有助于提高整体运行效率。

衍生方案之五，如图7所示，采用非接触式旋转变压器11，替代基本型方案的滑环21，这样可以提高***可靠性。

Claims (8)

1. 一种级联式变速恒频风力发电***，其特征在于该***包括风力机(1)、双转子电机(2)、发电机(3)和变频器(4)；其中双转子电机(2)包含滑环(21)、外转子(22)、内转子(23)；发电机(3)包括定子(31)、转子(32)；风力机(1)通过轴一(6)与双转子电机中(2)的内转子(23)联接；内转子(23)上设置三相绕组，并通过滑环(21)与变频器(4)连接；双转子电机(2)外转子(22)通过轴二(7)与发电机转子(32)联接，发电机定子(31)内设置三相绕组与电网(8)相连。

2. 根据权利要求1所述级联式变速恒频风力发电***，其特征在于风力机(1)通过轴一(6)与双转子电机中外转子(22)联接；外转子(22)上设置三相绕组，并通过滑环(21)与变频器(4)连接；双转子电机内转子(23)通过轴二(7)与发电机转子(32)联接，发电机定子(31)内设置三相绕组与电网(8)相连。

3. 根据权利要求1所述级联式变速恒频风力发电***，其特征在于双转子电机的外转子与发电机的转子复合成一个转子(5)，原有级联式结构转化为两个转子、一个定子构成的嵌套结构。

4. 根据权利要求1、2或3所述级联式变速恒频风力发电***，其特征在于双转子电机(2)与发电机(3)为绕线式异步电机、鼠笼式异步电机、单相交流电机、多相交流电机、同步电机、直流电机、开关磁阻电机或永磁电机。

5. 根据权利要求4所述级联式变速恒频风力发电***，其特征在于变频器(4)与双转子电机(2)的电气连接方式为接触式电刷-滑环方式或非接触的旋转变压器形式。

6. 根据权利要求5所述的级联式变速恒频风力发电***，其特征在于在所述变频器(4)上电源接口接入一个直流电源，所述直流电源为电池组或超级电容或飞轮电池。

7. 根据权利要求6所述的级联式变速恒频风力发电***，其特征在于风力机(1)与转子相联接的轴一(6)，以及双转子电机与发电机转子相联接的轴二(7)的传动类型为齿轮传动、无级机械传动、液压传动、液力传动或电气传动。

8. 根据权利要求7所述的级联式变速恒频风力发电***，其特征在于风力机(1)为原动机，所述原动机为汽轮机、水轮机或内燃机。

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