CN101546981A - 一种带电动机启动方式的垂直风力发电机 - Google Patents

Abstract

一种带电动机启动方式的垂直风力发电机，包括塔柱、位于塔柱上的一个以上的垂直风力发电单元。发电机上设有励磁系统、阻尼系统。励磁系统包括励磁控制装置、励磁机、旋转整流装置、电网、双向变频器；阻尼系统包括阻尼绕组、双向变频器、电网；励磁机转子与发电机转子连接，励磁控制装置与励磁机定子绕组连接，励磁机转子绕组通过旋转整流装置与发电机转子绕组连接，励磁控制装置与电网连接，电网与双向变频器连接，双向变频器与发电机定子绕组连接，阻尼绕组安装在发电机转子上。在低风速时，发电机可运行在电动模式，解决了发电机启动难的问题。正常运行时，能够实现变速恒频运行。

Description

一种带电动机启动方式的垂直风力发电机

技术领域

本发明涉及垂直风力发电机领域，尤其是带有电动机启动方式的垂直风力发电机。

背景技术

励磁系统是整个发电机系统的重要组成部分，励磁机相当于一个小型发电机，用于为发电机转子绕组提供直流励磁电流。发电机转子的励磁绕组通入直流电流，产生接近于正弦分布磁场(称为转子磁场)，其有效励磁磁通与静止的电枢绕组相交链。转子旋转时，转子磁场随同一起旋转、每转一周，磁力线顺序切割定子的每相绕组，在三相定子绕组内感应出三相交流电势。励磁系统对电力系统及发电机本身的安全稳定运行有很大的影响。对于大型的垂直风力发电机而言，虽然励磁系统具有以下优势：1)根据发电机负荷的变化相应的调节励磁电流，以维持机端电压为给定值；2)控制并列运行各发电机间无功功率分配；3)提高发电机并列运行的静态稳定性；4)提高发电机并列运行的暂态稳定性；5)在发电机内部出现故障时，进行灭磁，以减小故障损失程度；6)根据运行要求对发电机实行最大励磁限制及最小励磁限制。但是，在风力不足的时候，大型的发电机难以启动，那么在低风速时，发电机就失去了工作能力，发电效率低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种带电动机启动方式的垂直风力发电机，对发电机发电效率大大提供，且解决了发电机启动困难的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种带电动机启动方式的垂直风力发电机，包括塔柱、位于塔柱上的一个以上的垂直风力发电单元，所述垂直风力发电单元包括第一轴承、发电机、第二轴承、第三轴承、叶片；

所述第一轴承包括第一轴承外圈、第一轴承内圈，

所述第二轴承包括第二轴承外圈、第二轴承内圈，

所述第三轴承包括第三轴承外圈、第三轴承内圈；

所述发电机包括发电机定子、发电机转子，所述发电机定子上设有发电机定子绕组，所述发电机转子上设有发电机转子绕组；

所述叶片下端与第二轴承外圈固定连接，叶片上端与第三轴承外圈固定连接；

设有励磁系统、阻尼系统，所述励磁系统包括励磁控制装置、励磁机、旋转整流装置、电网、双向变频器；所述阻尼系统包括阻尼绕组、双向变频器、电网；所述励磁机包括励磁机转子、励磁机定子，所述励磁机转子上设有励磁机转子绕组，所述励磁机定子上设有励磁机定子绕组；所述励磁机转子与发电机转子连接，所述励磁控制装置与励磁机定子绕组连接，所述励磁机转子绕组通过旋转整流装置与发电机转子绕组连接，所述励磁控制装置与电网连接，所述电网与双向变频器连接，所述双向变频器与发电机定子绕组连接，所述阻尼绕组安装在发电机转子上。

根据风速的大小，发电机的工作状态可分为电动机运行、发电机运行和停机三种状态：

电动机运行：风力发电机在低风速或者启动困难时，励磁控制装置与电网断开，励磁电流为零。发电机运行在电动模式，发电机定子绕组与电网连接，电网通过双向变频器向发电机定子绕组提供有功功率。发电机定子绕组和阻尼绕组等效为异步电动机的电枢绕组和转子绕组，实现异步运行。通过调节双向变频器的输出频率，来调节发电机的转速。

发电机运行：当风速继续增大，发电机转速满足切入风速时，首先让发电机以电动机状态运行，并且带动励磁机的转子进行转动，励磁机转子绕组中感应出交流电，经过旋转整流装置的整流后，接入发电机转子绕组，发电机定子绕组感应出三相交流电，并且建立起电磁转矩。控制双向变频器暂时停止工作，电机退出电动工作状态，由外加机械转矩驱动发电机转子和励磁机转子旋转，并让励磁控制装置投入工作，发电机开始以同步发电机运行。状态切换后，重新让变频器投入工作，发电机定子绕组中三相交流电经过双向变频器整流、滤波后，接入工频电网，实行发电机运行。

停机：当风速超出一定范围时，励磁控制装置与电网之间连接断开，双向变频器与发电机之间也断开，发电机系统不消耗电能，也不输出电能。

作为改进，所述发电机为外转子发电机，所述发电机定子固定套在塔柱上。

作为改进，所述励磁机安装在发电机上方，励磁机定子固定套在塔柱上，励磁机转子下端与发电机转子上端连接。

作为改进，所述励磁机安装在发电机下方，励磁机定子固定套在塔柱上，励磁机转子上端与发电机转子下端连接。

作为改进，所述励磁机转子上端与第二轴承之间设有锥台型的上连接法兰，所述发电机转子下端与第一轴承之间设有锥台型的下连接法兰；所述上连接法兰的小端与第二轴承外圈固定连接，大端与励磁机转子上端固定连接，所述下连接法兰小端与第一轴承外圈固定连接，大端与发电机转子下端固定连接。

作为改进，所述发电机转子上端与第二轴承之间设有锥台型的上连接法兰，所述励磁机转子下端与第一轴承之间设有锥台型的下连接法兰；所述上连接法兰的小端与第二轴承外圈固定连接，大端与发电机转子上端固定连接，所述下连接法兰小端与第一轴承外圈固定连接，大端与励磁机转子下端固定连接。

作为改进，所述阻尼绕组由端环和阻尼条构成。

本发明与现有技术相比所带来的有益效果是：

励磁系统的加入：

1)根据发电机负荷的变化相应的调节励磁电流，以维持机端电压为给定值；

2)控制并列运行各发电机间无功功率分配；

3)提高发电机并列运行的静态稳定性；

4)提高发电机并列运行的暂态稳定性；

5)在发电机内部出现故障时，进行灭磁，以减小故障损失程度；

6)根据运行要求对发电机实行最大励磁限制及最小励磁限制。

阻尼系统的加入：

1)根据不同风速，电机既可以运行在发电状态，也可以运行在电动状态。

附图说明

图1为实施例1中垂直风力发电机结构示意图；

图2为图1的剖视图；

图3为实施例1的电气连接图；

图4为实施例2中垂直风力发电机结构示意图；

图5为图4的剖视图；

图6为实施例2的电气连接图；

图7为发电机转子俯视图；

图8为阻尼绕组结构示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1、2所示，一种带电动机启动方式的垂直风力发电机，包括塔柱、位于塔柱7上的一个垂直风力发电单元，所述垂直风力发电单元包括第一轴承1、发电机4、第二轴承5、第三轴承6、叶片8。所述第一轴承1包括第一轴承外圈11、第一轴承内圈12，所述第二轴承5包括第二轴承外圈51、第二轴承内圈52，所述第三轴承6包括第三轴承外圈61、第三轴承内圈62。所述第一轴承内圈12、第二轴承内圈52、第三轴承内圈62固定套在塔柱7上。所述叶片8下端与第二轴承外圈51固定连接，叶片8上端与第三轴承外圈61固定连接。所述发电机4为外转子发电机，且包括发电机定子42、发电机转子41。所述发电机定子42固定套在塔柱7上，且发电机定子42上设有发电机定子绕组(未标示)，发电机定子绕组为三相电枢绕组；所述发电机转子41上设有发电机转子绕组(未标示)，所述发电机转子绕组为直流励磁绕组。发电机4上设有励磁系统，所述励磁系统包括励磁控制装置13、位于发电机4上方的励磁机2、旋转整流装置14、电网16、双向变频器15。所述励磁机定子22固定套在塔柱7上，且励磁机定子22上设有励磁机定子绕组(未标示)，励磁机定子绕组为直流励磁绕组，所述励磁机转子21上设有励磁机转子绕组(未标示)，励磁机转子绕组为三相电枢绕组。所述励磁机转子21下端与发电机转子41上端连接，所述励磁机转子21上端与第二轴承5之间设有锥台型的上连接法兰9，所述上连接法兰9的小端与第二轴承外圈51固定连接，大端与励磁机转子21上端固定连接；所述发电机转子41下端与第一轴承1之间设有锥台型的下连接法兰10；所述下连接法兰10小端与第一轴承外圈11固定连接，大端与发电机转子41下端固定连接。所述励磁控制装置13与励磁机定子绕组连接，所述励磁机转子绕组通过旋转整流装置14与发电机转子绕组连接，所述励磁控制装置13与电网16连接，所述电网16与双向变频器15连接，所述双向变频器15与发电机定子绕组连接。如图7、8所示，发电机4上设有阻尼系统，所述阻尼系统包括由阻尼条31和阻尼端环32构成的阻尼绕组3、双向变频器15、电网16。所述阻尼绕组3安装在发电机转子41上。

本发明的垂直风力发电机工作原理如下：

如图3所示，根据风速的大小，发电机4的工作状态可分为电动机运行、发电机4运行和停机三种状态：

电动机运行：风力发电机4在低风速或者启动困难时，励磁控制装置13与电网16断开，励磁电流为零。发电机4运行在电动模式，发电机定子绕组与电网16连接，电网16通过双向变频器15向发电机定子绕组提供有功功率。发电机定子绕组和阻尼绕组3等效为异步电动机的电枢绕组和转子绕组，实现异步运行。通过调节双向变频器15的输出频率，来调节发电机4的转速。

发电机运行：当风速继续增大，发电机4转速满足切入风速时，首先让发电机4以电动机状态运行，并且带动励磁机的转子进行转动，励磁机转子绕组中感应出交流电，经过旋转整流装置14的整流后，接入发电机转子绕组，发电机定子绕组感应出三相交流电，并且建立起电磁转矩。控制双向变频器15暂时停止工作，电机退出电动工作状态，由外加机械转矩驱动发电机转子41和励磁机转子21旋转，并让励磁控制装置13投入工作，发电机4开始以同步发电机运行。状态切换后，重新让变频器投入工作，发电机定子绕组中三相交流电经过双向变频器15整流、滤波后，接入工频电网16，实行发电机运行。

当风速改变时，发电机4的转速也随之变化，发电机定子绕组中感应电流的频率也跟着改变，此时可以调节双向变频器15的工作参数，保证输出的频率不变，实现变速恒频运行。

当发电机运行在发电机状态时，通过调节励磁控制装置13的电流输出，来调节发电机转子绕组所获得的励磁电流，从而实现发电机4输出无功功率的调节。

停机：当风速超出一定范围时，励磁控制装置13与电网16之间连接断开，双向变频器15与发电机4之间也断开，发电机系统不消耗电能，也不输出电能。

实施例2

如图4至6所示，一种带电动机启动方式的垂直风力发电机，包括塔柱7、位于塔柱7上的两个垂直风力发电单元，所述两个垂直风力发电单元成上下垂直分布。所述垂直风力发电单元包括第一轴承1、发电机4、第二轴承5、第三轴承6、叶片8。所述第一轴承1包括第一轴承外圈11、第一轴承内圈12，所述第二轴承5包括第二轴承外圈51、第二轴承内圈52，所述第三轴承6包括第三轴承外圈61、第三轴承内圈62。所述叶片8下端与第二轴承外圈51固定连接，叶片8上端与第三轴承外圈61固定连接。所述发电机4为外转子发电机，且包括发电机定子42、发电机转子41。所述发电机定子42固定套在塔柱7上，且发电机定子42上设有发电机定子绕组，发电机定子绕组为三相电枢绕组；所述发电机转子41上设有发电机转子绕组，所述发电机绕组为直流励磁绕组。发电机4上设有励磁系统，所述励磁系统包括励磁控制装置13、位于发电机4下方的励磁机2、旋转整流装置14、电网16、双向变频器15。所述励磁机定子22固定套在塔柱7上，且励磁机定子22上设有励磁机定子绕组，励磁机定子绕组为直流励磁绕组，所述励磁机转子21上设有励磁机转子绕组，励磁机转子绕组为三相电枢绕组。所述励磁机转子21上端与发电机转子41下端连接，所述发电机转子41上端与第二轴承5之间设有锥台型的上连接法兰9，所述上连接法兰9的小端与第二轴承外圈51固定连接，大端与发电机转子41上端固定连接；所述励磁机转子21下端与第一轴承1之间设有锥台型的下连接法兰10，所述下连接法兰10小端与第一轴承外圈11固定连接，大端与励磁机转子21下端固定连接。所述励磁控制装置13与励磁机定子绕组连接，所述励磁机转子绕组通过旋转整流装置14与发电机转子绕组连接，所述励磁控制装置13与电网16连接，所述电网16与双向变频器15连接，所述双向变频器15与发电机定子绕组连接。如图7、8所示，发电机4上设有阻尼系统，所述阻尼系统包括由阻尼条31和阻尼端环32构成的阻尼绕组3、双向变频器15、电网16。所述阻尼绕组3安装在发电机转子41上。

本实施例中的垂直风力发电单元的工作原理与实施例1中的垂直风力发电单元的工作原理一样，在此不再详细叙述。

本发明垂直风力发电机上加入了励磁系统和阻尼系统，使得发电机能够实现变速恒频运行，能够向电网16输出无功功率；可根据不同风速，电机既可以运行在发电状态，也可以运行在电动状态。

Claims (7)

1.一种带电动机启动方式的垂直风力发电机，包括塔柱、位于塔柱上的一个以上的垂直风力发电单元，所述垂直风力发电单元包括第一轴承、发电机、第二轴承、第三轴承、叶片；

所述第一轴承包括第一轴承外圈、第一轴承内圈，

所述第二轴承包括第二轴承外圈、第二轴承内圈，

所述第三轴承包括第三轴承外圈、第三轴承内圈；

所述发电机包括发电机定子、发电机转子，所述发电机定子上设有发电机定子绕组，所述发电机转子上设有发电机转子绕组；

所述叶片下端与第二轴承外圈固定连接，叶片上端与第三轴承外圈固定连接；

其特征在于：设有励磁系统、阻尼系统，所述励磁系统包括励磁控制装置、励磁机、旋转整流装置、电网、双向变频器；所述阻尼系统包括阻尼绕组、双向变频器、电网；所述励磁机包括励磁机转子、励磁机定子，所述励磁机转子上设有励磁机转子绕组，所述励磁机定子上设有励磁机定子绕组；所述励磁机转子与发电机转子连接，所述励磁控制装置与励磁机定子绕组连接，所述励磁机转子绕组通过旋转整流装置与发电机转子绕组连接，所述励磁控制装置与电网连接，所述电网与双向变频器连接，所述双向变频器与发电机定子绕组连接，所述阻尼绕组安装在发电机转子上。

2.根据权利要求1所述的一种带电动机启动方式的垂直风力发电机，其特征在于：所述发电机为外转子发电机，所述发电机定子固定套在塔柱上。

3.根据权利要求2所述的一种带电动机启动方式的垂直风力发电机，其特征在于：所述励磁机安装在发电机上方，励磁机定子固定套在塔柱上，励磁机转子下端与发电机转子上端连接。

4.根据权利要求2所述的一种带电动机启动方式的垂直风力发电机，其特征在于：所述励磁机安装在发电机下方，励磁机定子固定套在塔柱上，励磁机转子上端与发电机转子下端连接。

5.根据权利要求3所述的一种带电动机启动方式的垂直风力发电机，其特征在于：所述励磁机转子上端与第二轴承之间设有锥台型的上连接法兰，所述发电机转子下端与第一轴承之间设有锥台型的下连接法兰；所述上连接法兰的小端与第二轴承外圈固定连接，大端与励磁机转子上端固定连接，所述下连接法兰小端与第一轴承外圈固定连接，大端与发电机转子下端固定连接。

6.根据权利要求4所述的一种带电动机启动方式的垂直风力发电机，其特征在于：所述发电机转子上端与第二轴承之间设有锥台型的上连接法兰，所述励磁机转子下端与第一轴承之间设有锥台型的下连接法兰；所述上连接法兰的小端与第二轴承外圈固定连接，大端与发电机转子上端固定连接，所述下连接法兰小端与第一轴承外圈固定连接，大端与励磁机转子下端固定连接。

7.根据权利要求1所述的一种带电动机启动方式的垂直风力发电机，其特征在于：所述阻尼绕组由端环和阻尼条构成。

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