CN108282120A - 用于风力发电的双定子永磁同步发电机控制***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种用于风力发电的双定子永磁同步发电机的控制***，包括发电机本体，发电机本体包括机壳，机壳中设有内定子与外定子，外定子包绕于内定子外部，内定子与外定子之间留有间隙，内定子与外定子的轴线重合，内定子与外定子之间设有转子，转子为杯形结构，其内壁安装有内永磁体，其外壁安装有外永磁体，机壳中设有叶轴，叶轴向机壳外部伸出，其末端固定有扇叶，转子固定于叶轴上；外定子及内定子分别连接有机侧变流器，机侧变流器并联后与网侧变流器连通，网侧变流器通过并网断路器与供电网络连通，叶轴上设有转速传感器，转速传感器通过控制电路与机侧变流器连通，将双定子永磁同步发电机应用于风电***，最大限度地利用不同风况的风能。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电设备，尤其涉及一种用于风力发电的双定子永磁同步发电机。
背景技术
目前可供风力发电机组选型的发电机类型主要有：笼型异步发电机、双馈异步发电机、同步发电机等。
笼型异步发电机***结构简单、成本低且可靠性高，比较适合风力发电这种特殊场合，在风力发电发展的初期，笼型异步发电机得到了广泛的应用，有效地促进了风电产业的兴起。但笼型异步发电机转速只能在额定转速之上1％～5％内运行，输入的风功率不能过大或过小，若发电机超过转速上限，将进入不稳定运行区。
双馈异步发电机其工作方式是对绕线式转子异步电机用串级的方式调节转差率。双馈异步发电机通过逆变器与转子回路实现能量交换。该类电机可以变速工作，不过需要使其容量大概为装机总容量1/3，而且需要速度上下限比值为2:1的逆变器。
同步发电机的磁通是通过永磁体或者励磁绕组来产生的，如果使用励磁绕组，电机的无功功率和定子端电压都可以随意调节而不依赖电路中负载的大小。在变速风机上使用同步电机，必须采用逆变器把电机和电网完全隔离开，所有功率需要由逆变器来传送。同步电机可以安装多对磁极，因而可以用在直驱型风力发电机上。电励磁同步发电机***成本较高，功率变换器损耗较大。
综上，笼型异步发电机只能工作在额定转速之上很窄的范围内，输入的风功率不能过大或过小，若发电机超过转速上限，将进入不稳定运行区；双馈发电机***存在多级齿轮箱及滑环、电刷，不可避免地带来摩擦损耗，增大了维护量及噪声等。在电网故障瞬间，骤然变大的定子和转子电流要求变换器增加保护措施，增大了软硬件投入，而且大的故障电流增加了风力机的扭转负荷。而且传统的风力发电机，当风速过大时，风机停止工作，以免发生危险；当风速过小时，风能所提供的动能不足以使风机工作。因此，有必要对风力发电机进行结构改进，以克服上述缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于风力发电的双定子永磁同步发电机，最大限度地利用不同风况下的风能资源，稳定发电。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：
用于风力发电的双定子永磁同步发电机的控制***，包括发电机本体，发电机本体包括机壳，机壳中设有内定子与外定子，外定子包绕于内定子外部，内定子与外定子之间留有间隙，内定子与外定子的轴线重合，内定子与外定子之间设有转子，转子为杯形结构，其内壁安装有内永磁体，其外壁安装有外永磁体，机壳中设有叶轴，叶轴向机壳外部伸出，其末端固定有扇叶，转子固定于叶轴上，随扇叶一同运转；
外定子及内定子分别连接有机侧变流器，机侧变流器并联后与网侧变流器连通，网侧变流器通过并网断路器与供电网络连通，叶轴上设有转速传感器，转速传感器通过控制电路与机侧变流器连通。
外定子固定于机壳内壁，内定子固定于定位筒上，定位筒端部固定于机壳中。
机壳中固定有一对轴承，叶轴通过轴承安装于机壳中。
这种用于风力发电的双定子永磁同步发电机的控制方法，包括：
当风速较大时，内定子和外定子同时作发电机使用；当风速适中时，外定子作发电机使用，内定子空载；当风速较小时，外定子作发电机使用，内定子作电动机使用，转速接近于额定转速。
本发明的优点在于：
该发电机将双定子永磁同步发电机应用于风电***中，可以继承直驱式永磁同步发电机省去齿轮箱等传动装置、提高***运行效率与可靠性等优点，还可以在不增加电机体积的前提下，增大电机的输出功率和机械特性，同时利用特殊的控制策略，最大限度地利用不同风况的风能。
在普通的单定子永磁同步电机的基础上，充分利用转子内部的空间，增加一套定子绕组。采用内、外定子夹中间转子的双定子结构能够尽量减少电机的转动惯量，同时有利于电机的散热。采用双边永磁体结构，使得永磁体材料的优异性能得到充分的运用，更有利于提高电机的功率密度，减少***工艺制造的费用和运行维护的成本。
普通风机的结构决定其只能在一定的风速范围内运行，本技术方案可使风机在更宽的风速范围内工作。当风速较大时，由于两个定子同时工作，所以其能工作的最高风速大于普通风机的最高风速；当风速较小时，内定子作电动机使用，提供的动能和外部的风能一起使外定子工作，其输出电功率大于输入到内定子上的输入电功率，此时整个风机的输出电功率大于输入电功率，风能得到最大限度的利用。
附图说明
图1是本发明提出的用于风力发电的双定子永磁同步发电机的纵向剖视图；
图2是该发电机的使用状态示意图；
图3是该发电机的控制原理示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合图示与具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1、图2所示，本发明提出的用于风力发电的双定子永磁同步发电机的控制***包括发电机本体，发电机本体包括机壳1，机壳中设有内定子2与外定子3，外定子包绕于内定子外部，内定子与外定子之间留有间隙，内定子与外定子的轴线重合，内定子与外定子之间设有转子4，转子为杯形结构，其内壁安装有内永磁体5，其外壁安装有外永磁体6，机壳中设有叶轴7，叶轴向机壳外部伸出，其末端固定有扇叶，转子固定于叶轴上，随扇叶一同运转；外定子及内定子分别连接有机侧变流器，机侧变流器并联后与网侧变流器连通，网侧变流器通过并网断路器与供电网络连通，叶轴上设有转速传感器，转速传感器通过控制电路与机侧变流器连通。外定子固定于机壳内壁，内定子固定于定位筒8上，定位筒端部固定于机壳中。机壳中固定有一对轴承9，叶轴通过轴承安装于机壳中。
如图3，这种用于风力发电的双定子永磁同步发电机的控制方法，包括：当风速较大时，内定子和外定子同时作发电机使用；当风速适中时，外定子作发电机使用，内定子空载；当风速较小时，外定子作发电机使用，内定子作电动机使用，转速接近于额定转速。
风能是一种清洁的可再生资源，具有很好的开发利用前景。但由于风具有风速波动大，风能不稳定的特点，能利用的风能有限，本发明专利利用双定子永磁同步电机和相应的控制策略，提高了可利用风能的风速范围。由于我国拥有广阔的领土面积和漫长的海岸线，风能资源丰富，可利用风速范围的提高，必将转化为可观的电能资源。
以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让本领域的技术人员了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.用于风力发电的双定子永磁同步发电机的控制***，包括发电机本体，其特征在于：
发电机本体包括机壳，机壳中设有内定子与外定子，外定子包绕于内定子外部，内定子与外定子之间留有间隙，内定子与外定子的轴线重合，内定子与外定子之间设有转子，转子为杯形结构，其内壁安装有内永磁体，其外壁安装有外永磁体，机壳中设有叶轴，叶轴向机壳外部伸出，其末端固定有扇叶，转子固定于叶轴上，随扇叶一同运转；
外定子及内定子分别连接有机侧变流器，机侧变流器并联后与网侧变流器连通，网侧变流器通过并网断路器与供电网络连通，叶轴上设有转速传感器，转速传感器通过控制电路与机侧变流器连通。
2.根据权利要求1所述的用于风力发电的双定子永磁同步发电机的控制***，其特征在于：
外定子固定于机壳内壁，内定子固定于定位筒上，定位筒端部固定于机壳中。
3.根据权利要求1所述的用于风力发电的双定子永磁同步发电机的控制***，其特征在于：
机壳中固定有一对轴承，叶轴通过轴承安装于机壳中。
4.根据权利要求1所述的用于风力发电的双定子永磁同步发电机的控制方法，其特征在于，包括：
当风速较大时，内定子和外定子同时作发电机使用；当风速适中时，外定子作发电机使用，内定子空载；当风速较小时，外定子作发电机使用，内定子作电动机使用，转速接近于额定转速。
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