CN101042112B - 大功率非并网风力发电机组 - Google Patents
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Abstract
本发明的大功率非并网风力发电机组是根据非并网风电理论，改进和优化现有风电机组。该机组主要由风轮、发电机和塔架组成。风轮为定桨距变速风轮，风轮轴直接驱动发电机转子，发电机选用可控功率的直流发电机或双凸极无刷直流发电机或双定子双凸极无刷直流发电机。本发明的定桨距风轮通过可控功率的发电机直接控制风轮转速，以控制叶片攻角，使风轮处于高效工作区。超过额定风速后，控制风轮转速使叶片失速，限制了功率输出，扩大了风轮工作风速范围，使机组的风能利用效率和工作范围达到甚至超过变桨距风电机组。具有结构简单、高效、高可靠性和低成本等特点，有利于大规模推广使用。必要时，还可将该直流电通过逆变器向市电电网供电。
Description
技术领域
本发明涉及一种风力发电机，特别是一种主要为高耗能产业提供一种直接使用的结构简单可靠、使用维护方便、成本低、效率高、有效风速范围宽的大功率风力发电机组，属于风力发电领域。
背景技术
目前世界上大规模风能的利用主要按照“风轮-发电机-电网-用户”这条路线来进行，其中电网是风电的负载和用户的电源，电网的存在保证了风电的利用。而风电并网作为目前世界上大规模风电场的唯一应用方式，但由于风能的高度不稳定性，导致风电电流具有大幅度、随机的波动特性，严重制约了风电在电网中的比例，使目前终端负荷用电比例难以超过10％，成为一个世界性难题。同时，为达到风电并网稳频、稳相位等苛刻要求，几乎全世界相关的最新科学技术成果和材料均应用在并网风机上，由此带来了设备、技术复杂化和风能利用效率降低，导致风电成本大幅上升。从而严重制约了风电产业的大规模发展。
由于风场风速变化范围大，对于定桨距恒转速运行的风力机风轮，随着风场风速增加，气流相对于风轮叶片翼型攻角增加。当风速达一定值后，上叶面产生流动分离，叶片失速。风速进一步增大，由浅失速向深失速转变。附图1为不同来流风速对应的翼型速度与力矩系数示意图，图1上方的1-1表示在曲线a点处深失速状态的速度图；1-2表示在曲线b点处浅失速状态的速度图；1-3表示在曲线c点处无分离状态的速度图；三个速度图中的C为与风速相关的轴向速度；U为风轮转速相关的切向速度；W为关于风轮叶片的相对速度。由于定桨距恒转速的运行条件，风力机的高效稳定工作范围小。为了增加有效工作范围和最大限度满足上网的技术需求，采用结构更复杂的变桨距变速运转的风力机，虽然能够在较宽的工作范围内随着来流风速增加，通过叶片桨距调节改变叶片的桨距，适应气流方向变化，避免叶片失速，通过变速提高了运行效率。但变桨距调节机构和变速系统增加了风机结构和系统的复杂性，显著增加了设备成本及维护工作量。
非并网发电的技术思路是根据非并网风电理论，将风电直接用于用户，有利于最大限度的使用风电和发展风电，既可避免了风电对电网的冲击，也减少了为了满足与市电并网的苛刻条件而使风电增加了不必要的高成本，只有大幅度的降低风电成本，才能吸引耗电大户大量使用风电。所以，大力发展非并网风电是突破限制风电发展瓶颈的强有效措施。经过多年的研究试验，已找到如电解铝、电解铜、电解锰、电解盐水、海水淡化等耗电大户因主要使用直流电进行大规模生产，完全可以直接使用风电，但目前的风电价格仍然高，必须开发高效率、高可靠性和低成本的风力发电机组，才能大幅度降低风电成本，促进风电事业的迅速发展。
发明内容
本发明的目的是为了给大规模消耗电能的耗电大户直接提供廉价电能而提供一种设计简单合理、使用维护方便、有效风速范围宽的高效率、高可靠性和低成本而设计的大功率非并网风力发电机组。
本发明的大功率非并网风力发电机组主要由风轮、发电机和塔架组成，其特征在于风轮选用定桨距变速风轮，风轮轴直接驱动发电机转子，发电机选用可控功率的直流发电机或双凸极无刷直流发电机或内外双定子双凸极无刷直流发电机。
所述内外双定子双凸极无刷直流发电机主要是在双凸极无刷直流发电机的基础上，将单定子或同侧双定子改为内外两侧分别设有定子，其结构包括内、外两个定子和一个转子，所述转子位于两定子之间，外定子、内定子和转子均为凸极结构，外定子向内侧的凸极与内定子向外侧的凸极一一对应，各有6n个极；转子向外侧和向内侧各有4n个凸极，n为正整数，转子向外侧的凸极与向内侧的凸极两两错开60°/4n机械角；外定子每个极上套装有集中电枢绕组，其同相位的极上的电枢绕组串联构成一相，内定子每个极上也套装有集中电枢绕组，其同相位的极上的电枢绕组串联构成一相；外定子和内定子上分别嵌绕励磁绕组。
由于将风电直接用于用户，特别是直接用于能适应电流在一定范围内波动的耗电大户，如电解铝、电解铜、电解锰、电解盐水、海水淡化等耗电大户，主要使用直流电，对频率和相位等无任何要求，所以，完全可以绕开“恒频”二字，使机组可以在很宽风速范围内正常、高效工作。虽然使用定桨距风轮，但在新的系统中其功能已经发生质的变化，本发明的定桨距风轮通过可控功率的发电机来直接控制风轮的转速，达到控制风轮叶片的攻角，使风轮始终处于高效工作区，当风速超过机组的额定的风速时，控制风轮转速使叶片失速，控制了功率的输出，有效地扩大了风轮的工作风速范围，使机组的风能利用效率和工作范围达到甚至超过了变桨距风电机组，是原先的定桨距风电机组无法比拟的。同时，又将风轮轴直接驱动发电机转子，可以使结构大为简化，有效降低了生产成本。又因使用了双凸极无刷直流发电机，其励磁绕组的电源直接使用电枢绕组的输出电源，当风速不足以推动风轮时励磁绕组的工作电压为零，定子的磁性仅为很小的剩磁，有利于转子在低风速时的启动，转子启动后，利用剩磁即可发出低压电而向励磁绕组提供小电流，使磁场逐渐增强，输出电压和电流逐渐增大。这种双凸极电机具有弱励磁和很好的可控特性，如使用内外双定子结构的双凸极无刷直流发电机，更有利于提高效率及减小体积和重量。具有结构简单可靠、使用维护方便、设备成本和电费价格低、效率高、有效风速范围宽等优点，适合在风电场大量安装使用。主要用于非并网直接向用户供电，或将若干台风电机组相互联接成专用的风电局域网直接向用户供电。必要时，还可将该直流电通过逆变器变成与市电电网的频率、相位和电压相同的交流电后也可向市电电网供电。
附图说明
附图1是失速流动速度与翼型关系图；
附图2是本发明的结构示意图；
附图3是本发明中的内外双定子双凸极无刷直流发电机的一种结构示意图；
附图4和5是内外双定子双凸极无刷直流电机发电运行三相半波共阳极整流电路的两种原理图。
附图6和7是内外双定子双凸极无刷直流电机发电运行三相半波共阴极整流电路的两种原理图。
附图8和9是内外双定子双凸极无刷直流电机发电运行三相全桥整流电路的两种原理图。
具体实施方式
下述实施例只作为说明之例，并不是对本发明所作的限定。
附图1是根据空气动力学中的失速流动速度与翼型的关系绘制的示意图，本发明的非并网风力发电系统，所用到的定桨距风力机与电机调节系统配合，达到不仅无需桨距调节机构即可实现较大风速范围内高效率运行，同时可避免大风速情况下的过载。在来流风速较低时，通过电机控制系统调节风力机转速，改变切向速度U，使气流相对速度W始终顺着叶片前缘流入，使叶片始终处于有利迎角，因此使风轮具有更大的功率输出。在大来流风速下，为了降低风轮的功率输出避免系统过载，通过风力机风轮转速调节系统(如增加发电机的励磁电流)改变风轮转速，从而调整叶尖速比，使相对气流速度攻角增大，风轮处于失速状态，风能利用系数随风速提高而降低，保证输出功率的稳定，同时风轮的轴向推力系数也随叶尖速比的降低而降低，增强了风轮结构的安全性。即本发明中的定桨距变速风轮还通过控制发电机的励磁电流调节风轮的转速，使风轮始终处于高效工作区；当风速超过机组的额定的风速时，控制风轮转速使叶片失速，限制风轮的功率输出。
附图2是本发明的结构示意图，图中的21是风轮，22是风轮轴，23是发电机，24是机座，25是塔架。其结构主要由风轮21、发电机23和塔架25组成，其特征在于风轮21选用定桨距变速风轮，风轮轴22直接驱动发电机23的转子，发电机最好选用内外双定子双凸极无刷直流发电机，也可选用普通的双凸极无刷直流发电机或其它可控功率的直流发电机。
附图3是附图2中的内外双定子双凸极无刷直流发电机的一种结构示意图，图3中的31是发电机外定子；32是发电机外定子的电枢绕组；33是转子；34是电机内定子；35是发电机内定子的电枢绕组；36是外定子的励磁绕组；37是内定子的励磁绕组；A1、X1、B1、Y1、C1、Z1表示外定子上电枢绕组的A、B、C相接线端。当本发明的内外双定子双凸极无刷直流发电机为3相电机时，基本结构为6n/4n/4n/6n极结构，即外定子极数6n个，中间转子外侧极数4n个，中间转子内侧极数4n个，内定子极数6n个，中间转子向外侧的凸极与向内侧的凸极两两错开60°电角，对应的机械角度为60°/4n。作为一个实施例，为便于说明，附图3给出了基本结构三相6/4极内外双定子双凸极无刷直流电机的剖面结构示意图，外定子31有六个向内侧的凸极极，每个极上套装有集中电枢绕组32，相对的两个极上的电枢绕组串联构成一相，组成A1-X1、B1-Y1、C1-Z1三相绕组。内定子34有六个向外侧的凸极极，与外定子31的六个凸极极一一对应，同样，内定子34的每个极上也套装有集中电枢绕组35，其相对两个极上的电枢绕组也串联构成一相，组成A2-X2、B2-Y2、C2-Z2三相绕组。外定子31与内定子34之间为转子33，转子33向外侧及内侧各有四个凸极极，向外侧的凸极极与向内侧的凸极极两两错开15°机械角，对应60°电角度。本实施例采用励磁绕组通入直流电提供发电机磁势源，外定子31槽内嵌绕有励磁绕组36，内定子34槽内嵌绕有励磁绕组37，外定子和内定子上分别嵌绕的励磁绕组36和37的两端经控制电路与电枢绕组输出的直流电连接或直接与电枢绕组输出的直流电连接。
内、外定子各自的电枢绕组输出分别经过三相半波共阳极整流电路、或分别经过三相半波共阴极整流电路、或分别经过全桥整流电路整流成直流电再串联或并联输出。其连接关系如图4-9所示。
其中，图4和5为采用三相半波共阳极整流电路的两种方式，外定子上三相电枢绕组A1-X1、B1-Y1、C1-Z1的输出经三个共阳极连接的整流二极管D31、D32、D33半波整流，内定子上三相电枢绕组A2-X2、B2-Y2、C2-Z2的输出也经三个共阳极连接的整流二极管D34、D35、D36半波整流，两组整流输出串联(图4)或并联(图5)连接。
图6和7为采用三相半波共阴极整流电路的两种方式，外定子上三相电枢绕组A1-X1、B1-Y1、C1-Z1的输出经三个共阳极连接的整流二极管D21、D22、D23半波整流，内定子上三相电枢绕组A2-X2、B2-Y2、C2-Z2的输出也经三个共阳极连接的整流二极管D24、D25、D26半波整流，两组整流输出串联(图6)或并联(图7)连接。
图8和9为采用三相全桥整流方式，外定子上三相电枢绕组A1-X1、B1-Y1、C1-Z1的输出经功率二极管D1～D6组成的全桥整流电路整流，内定子上三相电枢绕组A2-X2、B2-Y2、C2-Z2的输出经功率二极管D7～D12组成的全桥整流电路整流，两路整流输出串联(图8)或并联(图9)连接。
Claims (1)
1.一种大功率非并网风力发电机组，主要由风轮、发电机和塔架组成，所述风轮为定桨距变速风轮，风轮轴直接驱动发电机转子，发电机选用可控功率的内外双定子双凸极无刷直流发电机，所述定桨距变速风轮还通过控制发电机的励磁电流调节风轮的转速，使风轮始终处于高效工作区；当风速超过机组的额定的风速时，控制风轮转速使叶片失速，限制风轮的功率输出，其特征在于所述内外双定子双凸极无刷直流发电机包括内、外两个定子和一个转子，所述转子位于两定子之间，外定子、内定子和转子均为凸极结构，外定子向内侧的凸极与内定子向外侧的凸极一一对应，定子极数为6n个；转子向外侧和向内侧的极数各有4n个，n为正整数，转子向外侧的凸极与向内侧的凸极两两错开60°/4n机械角；外定子每个极上套装有集中电枢绕组，其同相位的极上的电枢绕组串联构成一相，内定子每个极上也套装有集中电枢绕组，其同相位的极上的电枢绕组串联构成一相；外定子和内定子上分别嵌绕励磁绕组。
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