CN101989806A - 多台风力发电机能量综合方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种结构简单，成本低，安装、维护方便，容量大、系统可靠性高，易于实现，可单独运行的多台风力发电机能量综合方法及装置，将至少三台小型风力发电机安装在具有风能的区域内，将小型风力发电机提供的电能通过系统控制器分别送给直流他励电动机，一台小型风力发电机对应一台直流他励电动机；通过机械传动机构将多台直流他励电动机输出的机械转矩叠加，将一台由电网或由蓄电池、逆变器供电的交流同步电动机与一台交流同步发电机同轴联接，直流他励电动机、交流同步电动机转柜叠加后共同拖动交流同步发电机并通过系统控制器实现恒转速，使交流同步发电机发出的电能与市电或逆变器同频率，交流同步发电机通过系统控制器与负载相连向负载直接供电。

Description

多台风力发电机能量综合方法及装置

技术领域

本发明特别涉及一种多台风力发电机能量综合方法及装置。

背景技术

一般风力发电可分独立运行与发电并网两种。

独立运行就是不与电网相连，单独向小型养殖场、加工厂及家庭或村落供电，利用风力发电作为主要能源或补充能源，达到节能环保的目的。为了保证供电的连续性，可用蓄电池储能或者与柴油机并联运行。此风力发电系统的单机容量一般小于100千瓦。独立运行单独向家庭或村落供电的单机容量为3-20千瓦。容量越小安装，维护越方便。

发电并网是将风力发电系统并入大电网，使得电网上的用户都能享受到绿色能源。发展风力发电作为替代能源，是新能源的发展方向。

交流发电机发出的电压相位、幅值、频率都不同，不能简单的并列运行，难以实现；直流发电机发出的电压幅值不同，也不能简单的并列运行；风力发电机并列运行需经繁杂的逆变技术。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单，成本低，运输、安装、维护方便，容量大、系统可靠性高，易于实现，可单独运行的多台风力发电机能量综合方法及装置。

本发明的技术解决方案是：

一种多台风力发电机能量综合方法，将至少三台小型风力发电机安装在具有风能的区域内，经电缆将小型风力发电机提供的电能通过系统控制器分别送给直流他励电动机，一台小型风力发电机对应一台直流他励电动机；通过机械传动机构将多台直流他励电动机输出的机械转矩叠加，将一台由电网或无电网时由蓄电池、逆变器供电的交流同步电动机与一台交流同步发电机同轴联接，直流他励电动机、交流同步电动机转柜叠加后共同拖动交流同步发电机并通过系统控制器实现恒转速，使交流同步发电机发出的电能与市电或逆变器同频率，将所述的交流同步发电机通过系统控制器与负载相连向负载直接供电。

上述的多台风力发电机能量综合方法，由小型风力发电机提供电能的直流他励电动机拖动至交流同步电动机的额定转速95%以上时，再通过系统控制器控制投入交流同步电动机电源。

上述的多台风力发电机能量综合方法，直流他励电动机转柜叠加是通过使各直流他励电动机做功的超越离合器与机械传动机构连接后实现。

上述的多台风力发电机能量综合方法，当交流同步电动机由电网供电时，若小型风力发电机发电功率大使得多台直流他励电动机汇集的转速高于交流同步电动机的同步转速，交流同步电动机向电网回馈电能；若小型风力发电机发电功率小使得直流他励电动机汇集的转速等于或低于交流同步电动机的同步转速，交流同步电动机从电网吸收电能，共同拖动交流同步发电机。

上述的多台风力发电机能量综合方法，无电网时首先由蓄电池经逆变器给交流同步电动机供电，交流同步发电机发电后通过系统控制器向蓄电池充电，再由蓄电池经过逆变器继续给交流同步电动机供电。

上述的多台风力发电机能量综合方法，所述的小型风力发电机的容量小于10KW。

一种多台风力发电机能量综合装置，包括至少三台小型风力发电机，其特殊之处是：每台小型风力发电机经电缆、系统控制器与对应的直流他励电动机连接，一台小型风力发电机对应一台直流他励电动机，每台直流他励电动机输出轴分别与对应的超越离合器连接，超越离合器输出轴与机械传动机构连接实现转矩叠加，机械传动机构的输出轴与一台交流同步发电机的输入轴连接，在所述的交流同步发电机的输入轴上还同轴连接有一台交流同步电动机，交流同步发电机的输出端通过系统控制器引出该多台风力发电机能量综合装置的供电端。

上述的多台风力发电机能量综合装置，所述的交流同步电动机的电源端连接有逆变器，逆变器的输入端接有蓄电池，所述的交流同步发电机的输出端通过系统控制器与蓄电池连接用来给蓄电池充电。

上述的多台风力发电机能量综合装置，所述的交流同步电动机的电源端通过系统控制器与逆变器连接。

上述的多台风力发电机能量综合装置，所述的机械传动机构具有多输入轴、单输出轴。

本发明的有益效果是： 一、转矩叠加，实现多台风力发电机能量综合

根据直流他励电动机转矩与转速的机械特性理论，在恒转矩、恒功率、通风机等负载一定时，通过改变电枢电压、励磁电流或电枢串电阻使得转速变化，可实现调速；反过来在电动机转速基本恒定的前提下，电压决定电动机的输出转矩，此电压来自于小型风力发电机输出。本发明采用直流他励电动机经过超越离合器和交流同步电动机经机械传动机构拖动交流同步发电机实现恒转速，通过超越离合器使各电动机都能做功，通过机械传动机构使多台电动机运行后转矩叠加，从而实现小型风力发电机的能量综合并且容量大。

二、同步电动机拖动同步运行

多台电动机中有一台是由市电电网或逆变器供电的交流同步电动机，它与交流同步发电机同轴联结，决定交流同步发电机的转速基本恒定，使发出的电能与市电同频率；交流同步电动机没有起动转矩，由小型风力发电机提供能量的直流他励电动机拖动其至额定转速95%以上时，再投入电源（市电或由蓄电池供电的逆变器）；直至达到同步转速，带动交流同步发电机运行，交流同步发电机的输入机械转矩来自多台电动机（交流同步电动机和多台直流他励电动机）的合成机械转矩。

三、交流同步电动机间接并网（回馈发电）蓄能

当负载轻或风力大，小型风力发电机发电功率大时，多台直流他励电动机汇集的转速高于交流同步电动机的同步转速（趋势），交流同步电动机工作在机械特性第二象限的回馈制动，为发电机运行状态，向电网回馈电能，此时有功电能表反向旋转，电网相当是个大的蓄能器，省掉价格昂贵、维修频繁的蓄电池，可源源不断的吸收现场用不了的电能，实现风能利用的最大化；当负载重或风力小，小型风力发电机发电功率小时，直流他励电动机汇集的转速等于或低于交流同步电动机的同步转速（趋势），交流同步电动机从电网吸收电能，共同拖动交流同步发电机。

交流同步电动机接到电网工作，是电网的负载，这样做不违反国家供电规则，因为他们不是一个供电系统。

四、交流同步发电机给予负载稳定的等同于市电质量的电源及适用场所

实际运行中 100千瓦以下区域供电的自备电源，电源质量要求不高时，可自发自用，不用使用复杂的同期、相位等控制设备并网运行。

在没有市电的条件时，利用蓄电池蓄能，经逆变器向交流同步电动机供电；工作中交流同步发电机向蓄电池充电，向交流同步电动机供电其能量来源是小型风力发电机。当没有风时，利用蓄电池蓄能维持供电。

本发明利用直流电机的机械特性直接进行能量综合，可简化系统、降低成本，运输、安装、维护方便，易于实现；当一台小型风力发电机故障，其他小型风力发电机还可工作，这就提高系统的可靠性。本系统适用在有电网电源、无电网电源，适合小型风力发电机工作的大型养殖场、中小型机械加工厂、节能建筑的生产、家庭及村落生活用电等的实际应用环境并可单独运行。

附图说明

图1是本发明(电网供电)的系统图；

图2是本发明（电网供电）的工作原理图；

图3是本发明(无电网供电)的系统图。

图中：小型风力发电机1，系统控制器2，直流他励电动机3，超越离合器4，机械传动机构5，交流同步电动机6，交流同步发电机7，负载8，电网9，蓄电池10，逆变器11。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，该多台风力发电机能量综合装置包括至少三台容量小于10KW的小型风力发电机1和一个系统控制器2，本实施例以四台为例。每台小型风力发电机1经电缆、系统控制器2分别与对应的直流他励电动机3连接，一台小型风力发电机1对应一台直流他励电动机3，每台直流他励电动机3输出轴分别与对应的超越离合器4连接，一台直流他励电动机3对应一台超越离合器4，超越离合器4输出轴与机械传动机构5连接实现转矩叠加，所述的机构传动机构5为齿轮传动机构、链条传动或皮带传动机构并具有多输入轴、单输出轴，本实施例以齿轮传动机构为例。机械传动机构5的输出轴与一台交流同步发电机7的输入轴连接，在所述的交流同步发电机7的输入轴上还同轴连接有一台交流同步电动机6，所述的交流同步电动机6的电源端通过系统控制器2引出，交流同步发电机7的输出端通过系统控制器2引出该多台风力发电机能量综合装置的供电端。

如图2所示，将至少三台小型风力发电机1安装在具有风能的区域内，经电缆将小型风力发电机1提供的电能通过系统控制器2分别送给对应的直流他励电动机3，一台小型风力发电机1对应一台直流他励电动机3，将直流他励电动机3通过超越离合器4与机械传动机构5连接使各直流他励电动机3做功后输出的机械转柜叠加，将一台由电网9供电的交流同步电动机6与一台交流同步发电机7同轴联接，由小型风力发电机1提供电能的直流他励电动机3拖动交流同步电动机6至其额定转速95%以上时，再由系统控制器2投入交流同步电动机6电源（即电网9），直流他励电动机3、交流同步电动机6转矩叠加后共同拖动交流同步发电机7，由系统控制器2控制实现恒转速，进而交流同步发电机7发出的电能与市电同频率，将所述的交流同步发电机7通过系统控制器2与负载8连接向负载8直接供电。

当负载轻或风力大，小型风力发电机1发电功率大时，多台直流他励电动机3汇集的转速高于交流同步电动机6的同步转速（趋势），交流同步电动机6工作在电动机机械特性的第二象限，处于回馈制动，为发电运行状态，多余电能通过系统控制器2与电网9相连回馈电网9，此时有功电能表反向旋转，电网9相当是个大的蓄能器，可源源不断的吸收现场用不了的电能，实现风能利用的最大化。当负载重或风力小，小型风力发电机1发电功率小时，直流他励电动机3汇集的转速等于或低于交流同步电动机6的同步转速（趋势），交流同步电动机6从电网9吸收电能，共同拖动交流同步发电机7；当风力小到一定值，小型风力发电机1不能发电，通过系统控制器2使交流同步发电机7停止工作，负载8可投到电网9，由电网9供电。

实施例2

如图3所示，该多台风力发电机能量综合装置包括至少三台容量小于10KW的小型风力发电机1和一个系统控制器2，本实施例以四台为例。每台小型风力发电机1经电缆、系统控制器2分别与对应的直流他励电动机3连接，一台小型风力发电机1对应一台直流他励电动机3，每台直流他励电动机3输出轴分别与对应的超越离合器4连接，一台直流他励电动机3对应一台超越离合器4，超越离合器4输出轴与机械传动机构5连接实现转矩叠加，所述的机构传动机构5为齿轮传动机构、链条传动或皮带传动机构并具有多输入轴、单输出轴，本实施例以齿轮传动机构为例。机械传动机构5的输出轴与一台交流同步发电机7的输入轴连接，在所述的交流同步发电机7的输入轴上还同轴连接有一台交流同步电动机6，所述的交流同步电动机6的电源端通过系统控制器2连接逆变器11，逆变器11的输入端接有蓄电池10，所述的交流同步发电机7的输出端通过系统控制器2与蓄电池10连接，用来给蓄电池充电，交流同步发电机7的输出端通过系统控制器2引出该多台风力发电机能量综合装置的供电端。

将至少三台小型风力发电机1安装在具有风能的区域内，经电缆将小型风力发电机1提供的电能通过系统控制器2分别送给对应的直流他励电动机3，一台小型风力发电机1对应一台直流他励电动机3，将直流他励电动机3通过超越离合器4与机械传动机构5连接使各直流他励电动机3做功后输出的机械转柜叠加，将一台由蓄电池10和逆变器11供电的交流同步电动机6与一台交流同步发电机7同轴联接，蓄电池10预先充满电，由小型风力发电机1提供电能的直流他励电动机3拖动至交流同步电动机6的额定转速95%以上时，再由系统控制器2投入蓄电池10作为交流同步电动机6电源，直流他励电动机3、交流同步电动机6转矩叠加后共同拖动交流同步发电机7，通过系统控制器2使交流同步电动机6达到与逆变器11频率相同的同步转速，实现恒转速，使交流同步发电机7发出的电能与逆变器同频率，将所述的交流同步发电机7通过系统控制器2与负载8连接向负载8直接供电，同时交流同步发电机7通过系统控制器2与蓄电池10充电，由蓄电池10经过逆变器11继续给交流同步电动机6供电。

Claims (10)

1.一种多台风力发电机能量综合方法，其特征是：将至少三台小型风力发电机安装在具有风能的区域内，经电缆将小型风力发电机提供的电能通过系统控制器分别送给直流他励电动机，一台小型风力发电机对应一台直流他励电动机；通过机械传动机构将多台直流他励电动机输出的机械转矩叠加，将一台由电网或无电网时由蓄电池、逆变器供电的交流同步电动机与一台交流同步发电机同轴联接，直流他励电动机、交流同步电动机转柜叠加后共同拖动交流同步发电机并通过系统控制器实现恒转速，使交流同步发电机发出的电能与市电或逆变器同频率，将所述的交流同步发电机通过系统控制器与负载相连向负载直接供电。

2.根据权利要求1所述的多台风力发电机能量综合方法，其特征是：由小型风力发电机提供电能的直流他励电动机拖动至交流同步电动机的额定转速95%以上时，再通过系统控制器控制投入交流同步电动机电源。

3.根据权利要求1所述的多台风力发电机能量综合方法，其特征是：直流他励电动机转柜叠加是通过使各直流他励电动机做功的超越离合器与机械传动机构连接后实现。

4.根据权利要求1所述的多台风力发电机能量综合方法，其特征是：当交流同步电动机由电网供电时，若小型风力发电机发电功率大使得多台直流他励电动机汇集的转速高于交流同步电动机的同步转速，交流同步电动机向电网回馈电能；若小型风力发电机发电功率小使得直流他励电动机汇集的转速等于或低于交流同步电动机的同步转速，交流同步电动机从电网吸收电能，共同拖动交流同步发电机。

5.根据权利要求1所述的多台风力发电机能量综合方法，其特征是：无电网时首先由蓄电池经逆变器给交流同步电动机供电，交流同步发电机发电后通过系统控制器向蓄电池充电，再由蓄电池经过逆变器继续给交流同步电动机供电。

6.根据权利要求1所述的多台风力发电机能量综合方法，其特征是：所述的小型风力发电机的容量小于10KW。

7.一种多台风力发电机能量综合装置，包括至少三台小型风力发电机，其特征是：每台小型风力发电机经电缆、系统控制器与对应的直流他励电动机连接，一台小型风力发电机对应一台直流他励电动机，每台直流他励电动机输出轴分别与对应的超越离合器连接，超越离合器输出轴与机械传动机构连接实现转矩叠加，机械传动机构的输出轴与一台交流同步发电机的输入轴连接，在所述的交流同步发电机的输入轴上还同轴连接有一台交流同步电动机，交流同步发电机的输出端通过系统控制器引出该多台风力发电机能量综合装置的供电端。

8.根据权利要求7所述的多台风力发电机能量综合装置，其特征是：所述的交流同步电动机的电源端连接有逆变器，逆变器的输入端接有蓄电池，所述的交流同步发电机的输出端通过系统控制器与蓄电池连接用来给蓄电池充电。

9.根据权利要求8所述的多台风力发电机能量综合装置，其特征是：交流同步电动机的电源端通过系统控制器与逆变器连接。

10.根据权利要求7所述的多台风力发电机能量综合装置，其特征是：所述的机械传动机构具有多输入轴、单输出轴。

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