CN100594658C - 机电混合式无级变速风力发电装置 - Google Patents

机电混合式无级变速风力发电装置 Download PDF

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Abstract

机电混合式无级变速的风力发电装置能实现真正的变速恒频运行，可显著提高系统的可靠性、运行效率和风能的利用效率，可显著提高电气变速器的工作点、运行效率及整个系统的效率。该装置包括风力机(1)、机械增速器(2)，电气变速器(3)，发电机(4)，第一功率变换器(5)、第二功率变换器(6)、第三功率变换器(7)；如果直流电源由储能单元(蓄电池、电容器等)组成，则可以将部分输入功率以电能的形式储存起来，也可以将储能单元中的能量释放到输出轴。当风力机功率大于发电机的功率时，可将多余的能量转换为电能储存起来；反之，当风力机功率小于发电机功率时，则可将储能单元中的能量释放出来补充输入功率的不足。

Description

机电混合式无级变速风力发电装置
技术领域
本发明是一种用于风力发电的装置，属于风力发电机制造的技术领域。
背景技术
随着全社会对能源和环境问题的持续关注，可再生能源的开发利用正呈现出加速发展的趋势，风能在地球上广泛存在并是目前为人们所掌握的最为成熟的可再生能源之一。风力发电机组是风力发电系统中将机械能转化为电能的装置，是将原动力与输出电能相连接的工具，它不仅直接影响到输出电能的质量和效率，也影响到整个风电转换系统的性能和系统的结构。由于风能是能量密度较低的一种能源，由风能驱动的风力机工作在较低的转速(几十转/分)。纵观目前国内外已投入运行和正在研发的风力发电系统，基本可归为两大类。第一类风力发电系统是在风力机和发电机之间采用机械增速齿轮，但多级增速齿轮不仅体积大而笨重，可靠性差，需要经常维护，是风力发电系统中最薄弱的环节；第二类是直接驱动风力发电机，取消了增速齿轮，因此具有效率高、动态响应快、维护费用低等优点。然而，由于直接驱动发电机在每分钟几十转的低速下工作，为保证其输出电压在正常频率的范围内(30-80Hz)，发电机需要采纳较大的定转子直径和较多的极对数，给发电机的设计和制造增加了难度。另一方面，风能具有随机性，忽大忽小，目前的风力发电系统，当风速小于额定风速时，风轮可最大限度地吸收风能，而当风速高于某一限值时，为了保持发电机输出频率基本恒定，采用调节风叶桨距使风轮失速，至使风能不能被充分利用。为了解决上述问题，2007年提出了一种以电气无级变速器作为中间环节的新型风力发电系统-电气无级变速双功率流风力发电系统，并申请了发明和实用新型专利。该系统既取消了多级增速齿轮，又可采用常规电励磁发电机，并使发电机恒速工作，实现真正的变速恒频运行。但当风速较低，变速比较大的时候，电气变速器的效率明显降低，导致整个风力发电系统的利用效率降低。因此，研制开发适合于风能高效转换、运行可靠、效率高、控制方便且供电性能良好的新型发电系统，一直是该领域技术人员长期的追求。
发明内容
技术问题：本发明的目的是在电气无级变速双功率流风力发电系统的基础上提出一种基于机电混合式无级变速的风力发电装置，实现真正的变速恒频运行，可显著提高系统的可靠性、运行效率和风能的利用效率，可显著提高电气变速器的工作点、运行效率及整个系统的效率。
技术方案：本发明的机电混合式无级变速风力发电装置包括风力机、机械增速器，电气变速器，发电机，第一功率变换器、第二功率变换器；其中：机械增速器和电气变速器构成了机电混合式无级变速风力发电系统的调速部分；电气变速器包含定子、外转子、内转子、以及滑环，内转子上设置多相绕组，经滑环和电刷连接到第一功率变换器；定子上也设置多相绕组，并与第二功率变换器相连；电气变速器有二个轴，一侧轴为输入轴，联接机械增速器和电气变速器外转子；另一侧轴为输出轴，联接变速器内转子和发电机；第一功率变换器、第二功率变换器接到同一个直流电源。外转子结构根据所采用电机类型的不同，是笼型转子，或是永磁转子或其他型式。直流电源是蓄电池、或电容构成。
工作时，风力机驱动机械增速器低速端以角速度ωw旋转，经过一级机械增速器升速后驱动电气变速器外转子以角速度ωo旋转。当内转子绕组和定子绕组中通入电流时，通过电磁耦合作用，内转子上将产生电磁转矩，驱动内转子以角速度ωg旋转，从而带动发电机转子旋转发电。由风力机转换而来的机械功率，将被分为二部分，一部分以机械功率的形式，以电磁场为媒介由外转子直接传递到内转子，称为机械功率流；另一部分以电功率的形式，由定子绕组、功率变换器6、功率变换器5，滑环和电刷、传递到内转子绕组，称为电功率流。两种功率流的比例，由内外转子的速度比决定。如忽略各种损耗不计，则变速器的输入功率(风力机功率)应与输出功率(即发电机输入功率)相等。
如果直流电源由储能单元(蓄电池、电容器等)组成，则可以将部分输入功率以电能的形式储存起来，也可以将储能单元中的能量释放到输出轴。当风力机功率大于发电机的功率时，可将多余的能量转换为电能储存起来；反之，当风力机功率小于发电机功率时，则可将储能单元中的能量释放出来补充输入功率的不足。
通过控制加到电气变速器定子绕组和内转子绕组上的电流大小、频率，可以无级调节发电机的转速，使发电机的转速不随风速的变化而改变，实现变风速恒频输出。
有益效果：本发明是在电气无级变速双功率流风力发电系统的基础上提出一种基于机电混合式无级变速的风力发电系统，采用一级机械增速进行升速，电气变速器进行调速，既增加了系统的可靠性，提高了电气变速器的工作点，又保留了电气无级变速双功率流风力发电系统的优点，实现真正的变速恒频运行，可显著提高系统的可靠性、运行效率和风能的利用效率。由于经过一级机械增速，电气变速器的增速比不必太大，可显著提高电气变速器的工作点、运行效率及整个系统的效率。具体如下：
1、通过采用一级机械增速器增速，增加了电气变速器的输入速度，降低了电气变速器的内外转子变速比，提高了电气变速器的工作点和运行效率。
2、由于机械增速器的存在，对风能进行缓冲，保护了电气变速器，提高了系统的可靠性，同时一级机械增速器比多级机械强度高，可靠性好，效率高。
3、无论风速如何变化，通过机电混合式变速系统，可使发电机工作在额定转速，实现变速恒频运行。
4、电能可由常规电励磁发电机产生，不经过电力电子装置，无谐波，电能质量好。
5、具有机械功率和电功率双功率流，可将多余风能储存，必要时再释放出来驱动发电机，风能利用效率高。
6、机电混合式变速系统可以用作起动电动机，也可对风轮进行制动。
附图说明
图1为该发电系统的组成原理图，其中有：风力机1，机械增速器2，电气变速器3、定子3.1，外转子3.2，内转子3.3，滑环3.4，主发电机4，第一功率变换器5、第二功率变换器6。
图2为一台基于机械增速器和永磁式电气变速器所构成的机电混合式风力发电系统具体实施方案。
具体实施方式
本发明的机电混合式无级变速风力发电装置包括风力机1、机械增速器2，电气变速器3，发电机4，第一功率变换器5、第二功率变换器6；其中：机械增速器2和电气变速器3构成了机电混合式无级变速风力发电系统的调速部分；电气变速器3包含定子3.1、外转子3.2、内转子3.3、以及滑环3.4，内转子3.3上设置多相绕组，经滑环3.4和电刷连接到第一功率变换器5；定子3.1上也设置多相绕组，并与第二功率变换器6相连；电气变速器3有二个轴，一侧轴为输入轴，联接机械增速器2和电气变速器外转子3.2；另一侧轴为输出轴，联接变速器内转子3.3和发电机4；第一功率变换器5、第二功率变换器6接到同一个直流电源E。外转子3.2结构根据所采用电机类型的不同，是笼型转子，或是永磁转子或其他型式。直流电源E是蓄电池、或电容构成。
以一台基于机械增速器和永磁式电气变速器所构成的机电混合式风力发电系统为例，如图2所示。风力机的转速通过一级机械增速器进行增速，电气变速器的外转子与机械增速器相连。外转子安装在一个空心骨架上，空心骨架经轴承安装在输入轴上。外转子内、外表面分别嵌放永磁体，定子上嵌放三相对称绕组，并与功率变换器1相联，内转子安装在输出轴上，其表面嵌放三相对称绕组，通过滑环和电刷与功率变换器2相联，输出轴与发电机轴直接相连，主发电机采用常规三相同步电励磁发电机，由直流斩波电路供应励磁电流。
本发明的特征是采用机械增速器和电气变速器共同配合调速。第一、采用一级机械增速器增速，对风能进行缓冲，保护电气无级变速器，提高系统的可靠性和电气变速器的工作效率；第二、利用电气变速器实现无级调速，使发电机恒速运行，实现真正的变速恒频运行；第三、由于电气变速器有二条功率流，可以将多余的风能储存到电容或蓄电池等储能元件里，在必要时再释放出补充风能的不足，因而可明显提高风能的利用效率。

Claims (3)

1.一种机电混合式无级变速风力发电装置，其特征在于该装置包括风力机(1)、机械增速器(2)、电气变速器(3)、发电机(4)，第一功率变换器(5)、第二功率变换器(6)，风力机(1)与机械增速器(2)相连；其中：机械增速器(2)和电气变速器(3)构成了机电混合式无级变速风力发电系统的调速部分；电气变速器(3)包含定子(3.1)、外转子(3.2)、内转子(3.3)、以及滑环(3.4)，内转子(3.3)位于中间，外转子(3.2)位于内转子(3.3)外，定子(3.1)位于外转子(3.2)外，内转子(3.3)上设置多相绕组，经滑环(3.4)和电刷连接到第一功率变换器(5)；定子(3.1)上也设置多相绕组，并与第二功率变换器(6)相连；电气变速器(3)有二个轴，一侧轴为输入轴，联接机械增速器(2)和电气变速器外转子(3.2)；另一侧轴为输出轴，联接变速器内转子(3.3)和发电机(4)；第一功率变换器(5)、第二功率变换器(6)接到同一个直流电源(E)。
2.根据权利要求1所述的机电混合式无级变速风力发电装置，其特征在于外转子(3.2)结构根据所采用电机类型的不同，是笼型转子，或是永磁转子或其他型式。
3.根据权利要求1所述的机电混合式无级变速风力发电装置，其特征在于直流电源(E)是蓄电池或电容构成。
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