CN101273513B - 分布式电源用发电装置的主电路 - Google Patents

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Abstract

使用永磁发电机的分布式电源用发电装置存在如下问题，即，因为永磁发电机的交流输出是滞后电流，所以永磁发电机的间隙磁通会退磁，而且内部感应电压会减小，所述的永磁发电机不使用PWM变换器而是具有多种绕组以通过风力等来获得最大输出。一种分布式电源用发电装置的主电路，是通过个别的整流器来对由产生不同感应电压有效值的多个绕组构成的永磁发电机的交流输出进行整流，所述分布式电源用发电装置的主电路的特征在于，在所述多个绕组中产生高感应电压有效值的绕组的交流输出端子与所述个别的整流器之间串联连接电容器，使得此电容器与所述永磁发电机的串联阻抗，在所述永磁发电机的额定转速范围内而成为电容性阻抗。

Description

分布式电源用发电装置的主电路
技术领域
本发明是关于一种不管风速或水流速如何，都可以从由风车或水车所驱动的永磁发电机取出能由风或水所得的大致的最大输出的分布式电源用发电装置的主电路，本发明尤其是关于一种不使用PWM(Pulse-WidthModulation，脉宽调制)变换器而由永磁发电机进行恒电压充电的分布式电源用发电装置的主电路。 
背景技术
本案申请人先前提出了一种分布式电源用发电装置：为了不使用PWM变换器而由连接到风车或水车的永磁发电机将交流转换成直流来取出大致的最大输出，在永磁发电机的产生不同感应电压的多个绕组(winding)的交流输出端子上，经由各电抗线圈(reactor)而串联连接各整流器，并且将这些整流器的直流输出并联连接后输出到外部(例如，参照日本公开专利文献1)。 
参照图13中表示连接到风车的分布式电源用发电装置的主电路连线图，对所述早期申请案技术进行详细说明。 
图13中，1为风车，2为早期申请案技术的分布式电源用发电装置，3为永磁发电机，4、5为第一电抗线圈及第二电抗线圈，7、8为第一整流器及第二整流器，11为正侧输出端子，12为负侧输出端子，13为电池。 
图13中表示了永磁发电机3有两种绕组，且为三相的情况。 
图13中，永磁发电机3中的因为匝数较少所以感应电压有效值较低的第一绕组的交流输出端子W1连接到第一电抗线圈4，进而连接到第一整流器7。 
匝数较多的第二绕组的交流输出端子W2连接到第二电抗线圈5，进而连接到第二整流器8。 
所述第一整流器7、第二整流器8各自的直流侧，并联连接到正侧输出端子11及负侧输出端子12，各绕组的合计输出对电池13进行充电。 
以下表示从这样构成的分布式电源用发电装置2获得大致的风车最大输出的方法。 
图12是说明以风速为参数时的相对于风车转速的风车输出特性的概要图。 
就风车而言，如果规定了风车的形状及风速U，那么相对于风车转速N的风车输出P就可以确定为唯一值，例如相对于风速Ux及Uy的风车输出P 分别如图12所示。并且，相对于各种风速的风车输出P的峰值，成为如图12所示的最大输出曲线Pt那样。 
也就是说，在图12的相对于风车转速的风车输出特性中，当风速为Ux时，如风速Ux时的风车输出曲线与最大输出曲线的交点Sx所示，在风车转速为Nx时，达到风车最大输出Px。 
而且，当风速为Uy时，在风车转速为Ny时，达到风速Uy时的风车最大输出Py。 
也就是表示了：如果换个角度考虑图12的最大输出曲线，为了从风获得最大输出，当规定了风车转速N时，可以将此时的永磁发电机3的输出P确定为最大输出曲线Pt上的唯一值。 
图11是将早期申请案技术中作为对象的分布式电源用发电装置2的直流输出连接到电池等恒电压源时的说明图，分布式电源用发电装置2的永磁发电机3的第一绕组、第二绕组的各输出，由于各绕组的感应电压有效值的差异以及各绕组内部电感和连接到各输出端子的电抗线圈所导致的电压下降，而成为图11的相对于风车转速的输出特性所示的P1、P2那样。 
也就是说，当风车转速N较低时，因为永磁发电机3内的第一绕组及第二绕组的产生电压低于电池电压Vb，所以无法对电池13进行充电。 
但是，当风车转速N上升而到达N2附近时，第二绕组中开始有电流流动，且电流随着风车转速N的上升而上升，第二绕组的输出成为P2。 
此时，即使风车转速N上升而使感应电压上升，电池电压仍会保持大致固定，而因为第二绕组的电感以及第二电抗线圈5的阻抗是与频率成比例，所以输出P2只会逐渐增大。 
对于第一绕组而言，因为转速N进一步上升而开始获得输出，而因为第一绕组的内部电感以及第一电抗线圈4较小，所以可获得大的输出。 
图10是表示早期申请案中作为对象的分布式电源用发电装置对电池等恒电压源的输出的图。 
将永磁发电机3内的第一绕组、第二绕组的输出P1、P2相加所得的合计输出成为近似输出曲线Ps。 
专利文献1：日本专利特开2004-64928号(图1) 
然而，在从如上所述的分布式电源用发电装置2的主电路获得电力时，由于永磁发电机3的绕组产生的交流输出是滞后电流，所以会使永磁发电机3的间隙磁通退磁，从而成为内部感应电压减少而使分布式电源用发电装置2的输出减少的主要原因。 
尤其，虽然匝数较多的第二绕组中流动的电流较少，但是因为匝数较多，所以与滞后的电流和匝数的积成正比的退磁作用的影响变大，从而导致匝数较少的第一绕组无法进行大的交流输出。 
如果在图10中的先前的分布式电源用发电装置2对电池等恒电压源的输出中观察所述退磁作用的影响，则在风车转速N较大时，最大输出曲线Pt与近似输出曲线Ps之差即Pz变大。 
为了减轻此退磁作用，例如必须增加永磁发电机3内的永久磁铁的磁通方向的厚度。 
发明内容
本发明是鉴于所述情况而完成的，主要目的在于提供一种分布式电源用发电装置的主电路，此分布式电源用发电装置的主电路可减少永磁发电机3内的昂贵的永久磁铁的数量，以降低永磁发电机3的价格，并且在风车转速N较大时也可以使最大输出曲线Pt与近似输出曲线Ps大致一致。 
因而，本发明是一种分布式电源用发电装置的主电路，包括：永磁发电机，由风车或水车驱动、且由产生不同感应电压有效值的多个绕组构成，每一绕组具有一交流输出端子；电容器，串联连接于所述多个绕组的产生高感应电压有效值的交流输出端子与第二整流器之间。其中所述永磁发电机的每一绕组的交流输出端子的交流输出分别被所述第一整流器与所述第二整流器整流后，所述第一整流器与所述第二整流器的直流输出并联相加后输出到外部。 
[发明效果] 
本发明可以提供一种分布式电源用发电装置的主电路，可减少永磁发电机3内的昂贵的永久磁铁的数量，以降低永磁发电机3的价格，并且在风车转速N较大时也可以使最大输出曲线Pt与近似输出曲线Ps大致一致。 
附图说明
图1是用来说明本发明的由风车驱动的分布式电源用发电装置的主电路的图。 
图2是用来说明永磁发电机内的绕组种类为三种，且将本发明适用于匝数最多的绕组时的第二实施例的分布式电源用发电装置的主电路图。 
图3是用来说明永磁发电机内的绕组种类为三种、且将本发明适用于匝数第二多的绕组时的第三实施例的分布式电源用发电装置的主电路图。 
图4是用来说明适用于永磁发电机内的绕组种类为一种时的本发明的第四实施例的分布式电源用发电装置的主电路图。 
图5是用来说明本案中作为对象的分布式电源用发电装置对电池等恒电压源的输出的图。 
图6是用来说明本发明第一实施例中的各绕组的输出的图。 
图7是用来说明本发明第二实施例中的各绕组的输出的图。 
图8是用来说明本发明第三实施例中的各绕组的输出的图。 
图9是用来说明本发明第四实施例中的各绕组的输出的图。 
图10是用来说明早期申请案中作为对象的分布式电源用发电装置对电池等恒电压源的输出的图。 
图11是用来说明早期申请案中作为对象的分布式电源用发电装置的各绕组的输出的图。 
图12是用来说明以风速为参数时的相对于风车转速的风车输出特性的概要的图。 
图13是早期申请案的分布式电源用发电装置的主电路图。 
1                     风车 
2                     分布式电源用发电装置 
3                     永磁发电机 
4、5、6               第一电抗线圈、第二电抗线圈、第三电抗线圈 
7、8、9               第一整流器、第二整流器、第三整流器 
10                    电容器 
11                    正侧输出端子 
12                    负侧输出端子 
13                    电池 
W1、W2                交流输出端子 
P、P1、P2、P3、Px、Py 输出 
Pt                    最大输出曲线 
Ps                    近似输出曲线 
N、N1、N2、N3、Nx、Ny 风车转速 
Pz                    最大输出曲线Pt与近似输出曲线Ps之差 
Sx                    交点 
Ux、Uy                风速 
具体实施方式
一种分布式电源用发电装置的主电路，是通过个别的整流器来对由产生不同感应电压有效值的多个绕组构成的永磁发电机的交流输出进行整流，并将此个别的整流器的直流输出相加后输出到外部，所述分布式电源用发电装置的主电路中，在所述多个绕组的产生高感应电压有效值的交流输出端子与所述个别的整流器之间串联连接电容器，使得所述永磁发电机的内部电感所产生的电感性阻抗与所述电容器所产生的电容性阻抗的串联和，在所述永磁发电机的额定转速范围内成为电容性阻抗。 
实施例1 
图1是用来说明本发明的从风车或水车获得直流输出的分布式电源用 发电装置的主电路图。 
图1中，10是电容器，与图13相同的编号表示相同的构成零件。 
以下，一边参照说明了本发明原理的图5以及图6，一边对图1进行说明。 
在匝数较多的第二绕组的交流输出端子W2上，串联连接着电容器10，进而连接着第二整流器8。在匝数较少的第一绕组的交流输出端子W1上，串联连接着第一电抗线圈4，进而连接着第一整流器7。 
第一整流器7以及第二整流器8的输出并联连接着，它们的合计直流输出对电池13进行充电。 
此处，根据所述永磁发电机3内的第二绕组的内部电感来设计电容器10，以使得第二绕组的内部电感与电容器10的串联阻抗，在所述永磁发电机3的额定转速范围内成为电容性阻抗。 
通过这样的设计，在第二绕组中，流动着朝向电池13的有效电流和因电容性阻抗产生的超前电流进行矢量(vector)相加而成的交流电流。 
当风车转速N较低时，因为第二绕组的产生电压低于电池电压Vb，所以无法对电池13进行充电。 
但是，当风车转速N上升而到达N2附近时，开始有电流流动，第二绕组的输出成为P2。 
由于风车转速N的增加，即，由于永磁发电机3的频率增加，第二绕组的内部电感与电容器10的串联阻抗减小，所以随着感应电压的上升，第二绕组的交流输出电流与频率的平方大致成比例地增加。 
而且，为了使第二绕组中流动着超前电流，须在使永磁发电机3的间隙磁通增磁的方向，使第一绕组及第二绕组的内部感应电压增加。 
图6是将本案技术中作为对象的分布式电源用发电装置2的直流输出连接到电池等恒电压源时的说明图，分布式电源用发电装置2的永磁发电机3的第一绕组、第二绕组的各输出，因为各绕组的感应电压有效值的差异、以及各绕组内部电感和连接到各输出端子的电抗线圈或电容器所导致的电压下降，而成为图6的相对于风车转速的输出特性所示的P1、P2那样。 
图5是表示本案中作为对象的分布式电源用发电装置2对电池等恒电压源的输出的图。 
因为转速N上升，内部电感等较小的第一绕组开始获得大的输出。 
此处，因为第二绕组中流动着超前电流，所以第一绕组的内部感应电压增加。但是，由于第一绕组自身的滞后电流引起的退磁作用，第二绕组的超前电流引起的增磁作用随着第一绕组电流的增加而受到抑制。 
因而，将第一绕组、第二绕组的输出P1、P2相加所得的合计输出，比图10中的先前的近似输出曲线Ps的输出大，从而获得像图5所示的近似 输出曲线Ps那样的输出，并获得近似于最大输出曲线Pt的输出。 
实施例2 
图2表示本发明的第二实施例。 
图2是表示永磁发电机3内的绕组种类为三种，且将本发明适用于匝数最多的绕组时的分布式电源用发电装置的主电路图。 
图2中，9是第三整流器，与图13及图1相同的编号表示相同的构成零件。 
以下，对图2进行说明。 
在永磁发电机3内的匝数较多的第三绕组的交流输出端子W3上，串联连接着电容器10，进而连接着第三整流器9。在匝数次多的第二绕组的交流输出端子W2上，串联连接着第二电抗线圈5，进而连接着第二整流器8。在匝数最少的第一绕组的交流输出端子W1上，串联连接着第一电抗线圈4，进而连接着第一整流器7。 
第一整流器7至第三整流器9的输出并联连接着，它们的合计直流输出对电池13进行充电。 
此处，根据所述永磁发电机3内的绕组的内部电感来设计电容器10，以使得第三绕组的内部电感与电容器10的串联阻抗，在所述永磁发电机3的额定转速范围内成为电容性阻抗。 
通过这样的设计，当风车转速N上升而第三绕组的感应电压大于电池电压Vb时，在第三绕组中，流动着朝向电池13的有效电流和因电容性阻抗产生的超前电流进行矢量相加而成的交流电流。 
由于风车转速N的增加，即，由于永磁发电机的交流输出的频率增加，第三绕组的内部电感与电容器10的串联阻抗减小，所以随着第三绕组的感应电压的上升，第三绕组的交流输出电流是与频率的平方大致成比例地增加。 
而且，为了使第三绕组中流动着超前电流，须在使永磁发电机3的间隙磁通增磁的方向，当第三绕组中有电流流动时，第一绕组至第三绕组的内部感应电压增加。 
但是，由于第一绕组及第二绕组的滞后电流引起的退磁作用，第三绕组的超前电流引起的增磁作用随着第一绕组电流及第二绕组电流的增加而受到抑制。 
图7是本发明的第二实施例中的各绕组的输出，当风车转速N上升时，各绕组的输出增加，尤其是第三绕组的输出是与风车转速N即频率成反比地增加。 
由于永磁发电机3有三种绕组，因此将这些第一绕组至第三绕组的输出P1至P3相加所得的合计输出，与图5所示的两绕组时的近似输出曲线 Ps相比，可获得更近似于最大输出曲线Pt的输出。 
实施例3 
图3表示本发明的第三实施例。 
图3是表示永磁发电机3内的绕组种类为三种的情况，进而将本发明适用于使电容器连接到匝数第二多的绕组的交流输出端子的情况下的分布式电源用发电装置的主电路图。 
图3中，6为第三电抗线圈，与图2相同的编号表示相同的构成零件。 
以下，对图3进行说明。 
在匝数最多的第三绕组的交流输出端子W3上，串联连接着第三电抗线圈6，进而连接着第三整流器9。 
在匝数次多的第二绕组的交流输出端子W2上，串联连接着电容器10，进而连接着第二整流器8。 
在匝数最少的第一绕组的交流输出端子W1上，串联连接着第一电抗线圈4，进而连接着第一整流器7。 
第一整流器7至第三整流器9的输出并联连接着，它们的合计直流输出对电池13进行充电。 
此处，根据所述永磁发电机3内的绕组的内部电感来设计电容器10，以使得第二绕组的内部电感与电容器10的串联阻抗，在所述永磁发电机3的额定转速范围内成为电容性阻抗。 
通过这样的设计，当风车转速上升而第二绕组的感应电压大于电池电压Vb时，在第二绕组中流动着超前电流。 
而且，因为第二绕组中流动着超前电流，所以会在使永磁发电机3的间隙磁通增磁的方向，当风车转速上升而第二绕组中开始有电流流动时，第一绕组至第三绕组的内部感应电压增加。 
图8是本发明的第三实施例中的各绕组的输出，当风车转速N上升时，各绕组的输出增加，尤其是第二绕组的输出是与风车转速N即频率的平方大致成比例地增加。 
由于永磁发电机3有三种绕组，因此将这些第一绕组至第三绕组的输出P1至P3相加所得的合计输出，与图5所示的近似输出曲线Ps相比，可获得更近似于最大输出曲线Pt的输出。 
但是，由于第一绕组及第三绕组的滞后电流引起的退磁作用，第二绕组的超前电流引起的增磁作用随着第一绕组电流及第三绕组电流的增加而受到抑制。 
这样在匝数第二多的第二绕组上连接电容器10时，流到电容器10的电流增多，而且第二绕组的内部阻抗较小，但因为流动超前电流所需的风车转速N的范围狭小，所以有如下优点，即，用来在额定转速范围内成为 电容性阻抗的电容器10的电容较小亦可。 
实施例4 
图4是表示本发明的第四实施例。 
图4是表示在永磁发电机3内的绕组的种类为一种的情况下适用本发明时的分布式电源用发电装置的主电路图。 
图4中，与图1相同的编号表示相同的构成零件。 
以下对图4进行说明。 
在第一绕组的交流输出端子W1上，串联连接着电容器10，进而连接着第一整流器7。 
此处，根据所述永磁发电机3内的绕组的内部电感来设计电容器10，以使得第一绕组的内部电感与电容器10的串联阻抗，在所述永磁发电机3的额定转速范围内成为电容性阻抗。 
通过这样的设计，当风车转速N上升而第一绕组的感应电压大于电池电压Vb时，在第一绕组中，流动着超前电流和对电池电压Vb的充电电流即有效电流。 
从而，当第一绕组中开始有电流流动时，因超前电流而使第一绕组的内部感应电压增加。 
图9是本发明的第四实施例中的第一绕组的输出，当风车转速N上升时，第一绕组的输出是与风车转速N即频率的平方大致成比例地增加。 
此第一绕组的输出P1并不近似于最大输出曲线Pt，但是因为永磁发电机3的间隙磁通得到增磁，所以能够利用比先前的仅连接了整流器的分布式电源用发电装置的主电路更简便的方法，来获得近似于最大输出曲线Pt的输出。 
[产业上的可利用性] 
根据本发明的分布式电源用发电装置的主电路，在风车转速N较大时，也可以使最大输出曲线Pt与近似输出曲线Ps大致一致，并且可以减少永磁发电机3内的昂贵的永久磁铁的数量，以降低永磁发电机3的价格。 
而且，因为存在着匝数较多的绕组的增磁作用，所以即便减少匝数较少的绕组的匝数，也可以获得必要的感应电压，因此可以通过减少绕组及绕组空间来减小永磁发电机3的体积、重量。因而，永磁发电机变轻，即便是收纳在螺桨式风车(propeller windmill)的短舱(nacelle)内时也可以使整个短舱变轻，有利于实际应用。 
本发明的分布式电源用发电装置的主电路，在想要使永磁发电机的效率最高的转速时，各绕组的超前电流(leading current)或滞后电流达到最佳，从而可将永磁发电机的总功率损失(total copper loss)降到最小。 
而且，当第二绕组的内部电感与电容器10产生共振时，阻抗仅成为电 阻，从而流动较大的电流。因而，如果在永磁发电机3的额定转速或此转速以上以引起所述共振状态的方式而规定电容器10的电容，则随着转速的上升，电容器10也将成为用于使缓缓运转的风车停止的电制动器(electricbrake)。 
本发明的分布式电源用发电装置的主电路，无需风速计或昂贵的PWM变换器，进而减少了永磁发电机内的永久磁铁，因此可以廉价地构成，并且所述PWM变换器所需的备用电力(standby power)已不需要，因此可以增加一整年的发电量，有利于实际应用。 
在所述实施例2及实施例3的说明中，对将电容器10连接到匝数最多的绕组或者匝数第二多的绕组的情况进行了说明，但是也可以将电容器10连接到匝数最多的绕组以及匝数第二多的绕组这两者。 
以上对利用风力的情况进行了说明，而例如利用水力时，如果规定水车的形状，则也可以适用于对获得最大输出时的相对于转速的输出特性进行唯一确定的用途。 
而且，在所述的说明中，以三相进行了说明，但是也可以适用于单相及其它相数。 
进而，在图1至图3的实施例中，对在第一绕组的交流输出端子W1上连接第一电抗线圈4的情况进行了说明，但是可以通过设计永磁发电机3以使所需的第一电抗线圈4的电感值变小，从而将第一电抗线圈去除。 

Claims (5)

1.一种分布式电源用发电装置的主电路，包括：
永磁发电机，由风车或水车驱动、且由产生不同感应电压有效值的多个绕组构成，每一绕组具有一交流输出端子；
第一电抗线圈，串联连接于所述多个绕组中产生低感应电压有效值的绕组的交流输出端子与第一整流器之间；
电容器，串联连接于所述多个绕组中产生高感应电压有效值的绕组的交流输出端子与第二整流器之间；
其中所述永磁发电机的每一绕组的交流输出端子的交流输出分别被所述第一整流器与所述第二整流器整流后，所述第一整流器与所述第二整流器的直流输出并联相加后输出到外部，并使得所述多个绕组中产生高感应电压有效值的绕组的内部电感所产生的电感性阻抗与所述电容器所产生的电容性阻抗之和，在所述永磁发电机的额定转速范围内成为电容性阻抗。
2.根据权利要求1所述的分布式电源用发电装置的主电路，其特征在于，所述多个绕组的种类为两种。
3.根据权利要求1所述的分布式电源用发电装置的主电路，其特征在于，所述多个绕组的种类为三种，且所述的分布式电源用发电装置的主电路还包括第三整流器及第二电抗线圈，
其中在所述三种绕组中产生最低感应电压有效值的绕组的交流输出端子与所述第一整流器之间串联连接所述第一电抗线圈，
在所述三种绕组中产生第二低的感应电压有效值的绕组的交流输出端子与所述第三整流器之间串联连接所述第二电抗线圈，且
在所述多个绕组中产生最高感应电压有效值的绕组的交流输出端子与所述第二整流器之间串联连接所述电容器，使得所述多个绕组中产生高感应电压有效值的绕组的内部电感所产生的电感性阻抗与所述电容器所产生的电容性阻抗之和，在所述永磁发电机的额定转速范围内成为电容性阻抗。
4.根据权利要求1所述的分布式电源用发电装置的主电路，其特征在于，所述多个绕组的种类为三种，且所述的分布式电源用发电装置的主电路还包括第三整流器及第二电抗线圈，
其中在所述三种绕组中产生最低感应电压有效值的绕组的交流输出端子与所述第一整流器之间串联连接所述第一电抗线圈，
在所述三种绕组中产生第二低的感应电压有效值的绕组的交流输出端子与所述第二整流器之间串联连接所述电容器，且
在所述三种绕组中产生最高感应电压有效值的绕组的交流输出端子与所述第三整流器之间串联连接所述第二电抗线圈，使得所述三种绕组中产生第二低的感应电压有效值的绕组的内部电感所产生的电感性阻抗与所述电容器所产生的电容性阻抗之和，在所述永磁发电机的额定转速范围内成为电容性阻抗。
5.一种分布式电源用发电装置的主电路，包括：
整流器；
永磁发电机，由风车或水车驱动，且所述永磁发电机的交流输出由所述整流器整流后输出到外部；
电容器，串联连接于所述永磁发电机的产生感应电压有效值的绕组的交流输出端子与所述整流器之间，使得所述永磁发电机的内部电感所产生的电感性阻抗与所述电容器所产生的电容性阻抗之和，在所述永磁发电机的额定转速范围内成为电容性阻抗。
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