CN102324801B - 风力发电装置 - Google Patents

Abstract

一种风力发电装置，风力机(11)与第三行星齿轮(20)的行星架(202)连接，第一行星齿轮(2)的行星架(22)和第二行星齿轮(3)的行星架(32)连接，第一调速电机(4)的转子(42)、第一行星齿轮(2)的太阳轮(21)和第三行星齿轮(20)的太阳轮(201)连接，第二调速电机(5)的转子(52)、第二行星齿轮(3)的太阳轮(31)和第一行星齿轮(2)的外齿圈(23)连接，锁止器(7)闭合使第三行星齿轮(20)的外齿圈(203)固定不转，离合器(8)闭合使第一行星齿轮(2)的行星架(22)、第二行星齿轮(3)的行星架(32)、第三行星齿轮(20)的行星架(202)同步旋转，第二行星齿轮(3)的外齿圈(33)与发电机(6)转子(62)连接。

Description

风力发电装置

技术领域

本发明涉及风力发电设备，特别涉及风力发电系统中实现变风速输入恒频率输出的设备。

背景技术

随着全社会对能源和环境问题的关注，可再生能源的开发和利用正呈现出加速发展的趋势，风能是世界上广泛存在并为人们所掌握的技术最为成熟的可再生能源之一。目前主流的风力发电系统为双馈电机和直驱系统，双馈发电系统的定子直接与电网相连，通过调节转子绕组中的滑差功率实现调速，因此转子绕组需要一套大功率的逆变器供电，同时转子上的滑环和电刷可靠性与寿命不高，需要定期维护；直驱系统取消了风力机到发电机的升速齿轮，但是直驱发电机工作转速低，发电机需要采用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。同时由于风能具有随机性，忽大忽小，当风速小于额定风速时，风轮可以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恒定，采用调节风叶桨距使风轮失速，致使风能不能被充分利用。为了解决上述问题，专利200710019236.X、200720033191.7、200810100747.9、200820116054.4提出了电气无级变速的风力发电机组，通过双机械端口电机将速度变化的风能转化为电能和恒频率输出的机械能。但是这种电机结构复杂、加工制造困难，同时也存在电刷和滑环的维护问题。因此高效、可靠、控制简单的变速恒频率风力发电装置是该领域技术人员长期的追求，专利200910089259.7虽然实现了变速恒频，但是当风能很大或者很小的时候，调速电机的容量比较大，造成系统体积、成本难以下降。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种将变速输入的能量转化为恒速输出的风力发电装置。

本发明的风力发电装置包括有源无级调速装置、风力机和发电机。

本发明的有源无级调速装置至少包括：第一行星齿轮、第二行星齿轮、第一调速电机、第二调速电机、第一功率变换器、第二功率变换器、一个锁止器和一个离合器，其中行星齿轮包括行星架、外齿圈和太阳轮，调速电机包括定子和转子两部分，功率变换器将电网的电能变换为变压变频的交流电给调速电机供电。第一行星齿轮的行星架通过有源无级调速装置一轴和第二行星齿轮的行星架刚性连接，第一调速电机的转子与第一行星齿轮的太阳轮刚性连接，第二调速电机的转子与第二行星齿轮的太阳轮刚性连接，第一行星齿轮的外齿圈与机壳之间有锁止器，锁止器闭合可以使外齿圈固定不转，第一行星齿轮的外齿圈与第二行星齿轮的太阳轮之间有离合器，离合器闭合可以使第一行星齿轮的外齿圈与第二行星齿轮的太阳轮同步旋转，第二行星齿轮的外齿圈作为有源无级调速装置的二轴。通过控制调速电机来调节第一行星齿轮的太阳轮和第二行星齿轮的太阳轮转速，达到有源无级调速装置一轴转速变化时，有源无级调速装置的二轴保持在设定的转速运行，实现无级变速功能。

同时，当有源无级调速装置一轴的转速小于设定转速时，锁止器闭合，离合器打开，有源无级调速装置工作在模式一；当有源无级调速装置一轴的转速大于设定转速时，锁止器打开，离合器闭合，有源无级调速装置工作在模式二；当有源无级调速装置一轴的转速等于设定转速时，进行锁止器和离合器开关变化，即模式一和模式二的切换；这样可以保证有源无级调速装置的二轴总是工作在固定的转速，同时保证调速电机容量较小。

模式一到模式二的切换发生在第二调速电机的转子转速为零时，即当有源无级调速装置一轴的转速小于设定转速时，锁止器闭合，离合器打开，有源无级调速装置工作在模式一，第二调速电机的转速为负值；随着有源无级调速装置一轴的转速增加，当有源无级调速装置一轴的转速等于设定转速时，第二调速电机的转速逐渐减小为零，此时闭合离合器，打开锁止器；有源无级调速装置一轴的转速继续增加，当有源无级调速装置一轴的转速大于设定转速时，有源无级调速装置工作在模式二。

本发明通过连续的控制调速电机转速，实现无级调速，而且由于调速电机可以对此装置输入或者输出能量，因此，系统是有源的无级调速装置。

本发明风力发电装置包括至少一个风力机、两个行星齿轮：第一行星齿轮，第二行星齿轮；两个调速电机：第一调速电机，第二调速电机；两个功率变换器：第一功率变换器，第二功率变换器；一个发电机，一个锁止器和一个离合器。将第一行星齿轮的行星架通过有源无级调速装置一轴和第二行星齿轮的行星架与风力机刚性连接，第一调速电机的转子与第一行星齿轮的太阳轮刚性连接，第二调速电机的转子与第二行星齿轮的太阳轮刚性连接，第一行星齿轮的外齿圈与机壳之间有锁止器，锁止器闭合可以使第一行星齿轮的外齿圈固定不转，第一行星齿轮的外齿圈与第二行星齿轮的太阳轮之间有离合器，离合器闭合可以使第一行星齿轮的外齿圈与第二行星齿轮的太阳轮同步旋转，第二行星齿轮的外齿圈与发电机的转子刚性连接，发电机的定子绕组直接与电网连接。第一调速电机通过第一功率变换器与电网连接，第二调速电机通过第二功率变换器与电网连接，功率变换器将电网的电能变换为变压变频的交流电分别给调速电机定子绕组供电。

同时功率变换器与调速电机之间还有信号线连接，可以进行通讯。

调速电机和发电机根据需要可以是永磁电机、异步电机或者其他类型的电机。

本发明所述的风力发电装置，当风力机的转速小于设定转速时，锁止器闭合，离合器打开，风力发电装置工作在模式一；当风力机的转速大于设定转速时，锁止器打开，离合器闭合，风力发电装置工作在模式二；当风力机的转速等于设定转速时，进行锁止器和离合器开关变化，即模式一和模式二的切换；如上所述，当风力机的转速等于设定转速时，可以根据需要选择风力发电装置的切换模式。这样可以保证发电机总是工作在固定的转速，同时保证切换过程的平稳性。模式一到模式二的切换发生在第二调速电机的转子转速为零时，即当风力机的转速小于设定转速时，锁止器闭合，离合器打开，风力发电装置工作在模式一，第二调速电机的转速为负值；随着风力机的转速增加，当风力机的转速等于设定转速时，第二调速电机的转速逐渐减小为零，此时闭合离合器，打开锁止器；风力机的转速继续增加，当风力机的转速大于设定转速时，风力发电装置工作在模式二。

本发明的装置工作在模式一时，一部分风能通过风力机传递到第一行星齿轮的行星架上，驱动行星架转动，由于锁止器闭合，因此第一行星齿轮的外齿圈固定不转，行星架上的能量全部传递到第一行星齿轮的太阳轮，驱动第一调速电机发电，所发电能通过第一功率变换器转换为相位与电压与电网相同的交流电，回馈电网。第二调速电机通过传感器测量电机的转速等信息，通过信号线反馈给第二功率变换器，第二功率变换器根据第二调速电机设定转速和反馈转速的信息给第二调速电机的定子绕组提供不同频率和电压的交流电，控制第二调速电机按照设定转速运行，通过调整第二调速电机转速，保证第二行星齿轮的外齿圈的转速恒定在设定的发电机工作转速。这时，风力机的另一部分风能通过第二行星齿轮的行星架传递到行星齿轮的外齿圈，由发电机转化为电能，输入到电网，剩余部分能量通过太阳轮传递到第二调速电机，通过第二功率变换器转换为相位与电压与电网相同的交流电输入到电网。

本发明的装置工作在模式二时，一部分风能通过风力机传递到第一行星齿轮的行星架上，驱动行星架转动，由于此时离合器闭合，因此第一行星齿轮的外齿圈与第二行星齿轮的太阳轮同步旋转，行星架上的能量一部分传递到第一行星齿轮的太阳轮，驱动第一调速电机发电，所发电能通过第一功率变换器转换为相位与电压与电网相同的交流电，回馈电网；另一部分传递到第一行星齿轮的外齿圈，驱动第二调速电机发电，所发电能通过第二功率变换器转换为相位与电压与电网相同的交流电，回馈电网。第二调速电机通过传感器测量电机的转速等信息，通过信号线反馈给第二功率变换器，第二功率变换器根据第二调速电机设定转速和反馈转速的信息给第二调速电机的定子绕组提供不同频率和电压的交流电，控制第二调速电机按照设定转速运行，通过调整第二调速电机转速，保证第二行星齿轮的外齿圈的转速恒定在设定的发电机工作转速。这时，风力机的剩余部分风能通过第二行星齿轮的行星架传递到行星齿轮的外齿圈，由发电机转化为电能，输入到电网，剩余部分能量通过太阳轮传递到第二调速电机，通过第二功率变换器转换为相位与电压与电网相同的交流电输入到电网。

同时，风力机可以通过变速齿轮与第一行星齿轮的行星架进行连接，第一调速电机可以通过变速齿轮与第一行星齿轮的太阳轮进行连接、第二调速电机可以通过变速齿轮与第二行星齿轮的太阳轮进行连接、发电机可以通过变速齿轮与第二行星齿轮的外齿圈进行连接，以方便机械设计和电机设计，同时提高电机的转速，减小体积和成本。

本发明还可以有另一种结构形式：本发明的风力发电装置包括至少一个风力机、三个行星齿轮：第一行星齿轮，第二行星齿轮,第三行星齿轮；两个调速电机：第一调速电机，第二调速电机；两个功率变换器：第一功率变换器，第二功率变换器；一个发电机，一个锁止器和一个离合器。风力机与第三行星齿轮的行星架刚性连接,第一行星齿轮的行星架和第二行星齿轮的行星架刚性连接在一起，第一调速电机的转子、第一行星齿轮的太阳轮和第三行星齿轮的太阳轮刚性连接在一起，第二调速电机的转子、第二行星齿轮的太阳轮和第一行星齿轮的外齿圈刚性连接在一起，第三行星齿轮的外齿圈与所述风力发电装置的机壳之间有锁止器，锁止器闭合可以使第三行星齿轮的外齿圈固定不转，第二行星齿轮的行星架与第三行星齿轮的行星架之间有离合器，离合器闭合可以使第一行星齿轮的行星架、第二行星齿轮的行星架、第三行星齿轮的行星架同步旋转，第二行星齿轮的外齿圈与发电机的转子刚性连接，发电机的定子绕组直接与电网连接。第一调速电机通过第一功率变换器与电网连接，第二调速电机通过第二功率变换器与电网连接，功率变换器将电网的电能变换为变压变频的交流电分别给调速电机定子绕组供电。

同时功率变换器与调速电机之间还有信号线连接，可以进行通讯。调速电机和发电机根据需要可以是永磁电机、异步电机或者其他类型的电机。

本发明所述的风力发电装置，当风力机的转速小于设定转速时，锁止器闭合，离合器打开，风力发电装置工作在模式一；当风力机的转速大于设定转速时，锁止器打开，离合器闭合，风力发电装置工作在模式二；当风力机的转速等于设定转速时，此时第二调速电机的转子转速为零，锁止器闭合，离合器打开，模式二向模式一切换；当风力机的转速等于设定转速时，锁止器打开，离合器闭合，模式一向模式二切换；如上所述，当风力机的转速等于设定转速时，可以根据需要选择风力发电装置的切换模式。这样可以保证发电机总是工作在固定的转速，同时保证切换过程的平稳性。模式一到模式二的切换发生在第二调速电机的转子转速为零时，即当风力机的转速小于设定转速时，锁止器闭合，离合器打开，风力发电装置工作在模式一，第二调速电机的转速为负值；随着风力机的转速增加，当风力机的转速等于设定转速时，第二调速电机的转速逐渐减小为零，此时闭合离合器，打开锁止器；风力机的转速继续增加，当风力机的转速大于设定转速时，风力发电装置工作在模式二。

本发明的第三种结构形式为：本发明风力发电装置包括至少一个风力机、三个行星齿轮：第一行星齿轮，第二行星齿轮,第三行星齿轮；两个调速电机：第一调速电机，第二调速电机；两个功率变换器：第一功率变换器，第二功率变换器；一个发电机，一个锁止器和一个离合器。风力机与第三行星齿轮的行星架刚性连接,第一行星齿轮的行星架和发电机的转子刚性连接在一起，发电机的定子绕组直接与电网连接。第一调速电机的转子、第一行星齿轮的太阳轮、第二行星齿轮的太阳轮、第三行星齿轮的太阳轮刚性连接在一起，第二调速电机的转子和第二行星齿轮的外齿圈刚性连接在一起，第三行星齿轮的外齿圈与所述风力发电装置的机壳之间有锁止器，锁止器闭合可以使第三行星齿轮的外齿圈固定不转，第二行星齿轮的行星架与第一行星齿轮的外齿圈刚性的连接在一起，第二行星齿轮的行星架与第三行星齿轮的行星架之间有离合器，离合器闭合可以使第二行星齿轮的行星架、第三行星齿轮的行星架和风力机同步旋转。第一调速电机通过第一功率变换器与电网连接，第二调速电机通过第二功率变换器与电网连接，功率变换器将电网的电能变换为变压变频的交流电分别给调速电机定子绕组供电。

同时功率变换器与调速电机之间还有信号线连接，可以进行通讯。调速电机和发电机根据需要可以是永磁电机、异步电机或者其他类型的电机。

本发明所述的风力发电装置，当风力机的转速小于设定转速时，锁止器闭合，离合器打开，风力发电装置工作在模式一；当风力机的转速大于设定转速时，锁止器打开，离合器闭合，风力发电装置工作在模式二；当风力机的转速等于设定转速时，此时第二调速电机的转子转速为零，锁止器闭合，离合器打开，模式二向模式一切换；当风力机的转速等于设定转速时，锁止器打开，离合器闭合，模式一向模式二切换；如上所述，当风力机的转速等于设定转速时，可以根据需要选择风力发电装置的切换模式。这样可以保证发电机总是工作在固定的转速，同时保证切换过程的平稳性。模式一到模式二的切换发生在第二调速电机的转子转速为零时，即当风力机的转速小于设定转速时，锁止器闭合，离合器打开，风力发电装置工作在模式一，第二调速电机的转速为负值；随着风力机的转速增加，当风力机的转速等于设定转速时，第二调速电机的转速逐渐减小为零，此时闭合离合器，打开锁止器；风力机的转速继续增加，当风力机的转速大于设定转速时，风力发电装置工作在模式二。

本发明的第四种结构形式为：本发明风力发电装置包括至少一个风力机、三个行星齿轮：第一行星齿轮，第二行星齿轮,第三行星齿轮；两个调速电机：第一调速电机，第二调速电机；两个功率变换器：第一功率变换器，第二功率变换器；一个发电机，一个锁止器和一个离合器。风力机与第三行星齿轮的行星架刚性连接,第一行星齿轮的行星架、第二行星齿轮的外齿圈和发电机转子刚性连接在一起，发电机的定子绕组直接与电网连接。第一调速电机的转子、第一行星齿轮的太阳轮和第三行星齿轮的太阳轮刚性连接在一起，第二调速电机的转子、第二行星齿轮的太阳轮刚性连接在一起，第三行星齿轮的外齿圈与所述风力发电装置的机壳之间有锁止器，锁止器闭合可以使第三行星齿轮的外齿圈固定不转，第二行星齿轮的行星架和第一行星齿轮的外齿圈刚性连接，第二行星齿轮的行星架与第三行星齿轮的行星架之间有离合器，离合器闭合可以使第一行星齿轮的外齿圈、第二行星齿轮的行星架、第三行星齿轮的行星架同步旋转。第一调速电机通过第一功率变换器与电网连接，第二调速电机通过第二功率变换器与电网连接，功率变换器将电网的电能变换为变压变频的交流电分别给调速电机定子绕组供电。

同时功率变换器与调速电机之间还有信号线连接，可以进行通讯。调速电机和发电机根据需要可以是永磁电机、异步电机或者其他类型的电机。

本发明所述的风力发电装置，当风力机的转速小于设定转速时，锁止器闭合，离合器打开，风力发电装置工作在模式一；当风力机的转速大于设定转速时，锁止器打开，离合器闭合，风力发电装置工作在模式二；当风力机的转速等于设定转速时，此时第二调速电机的转子转速为零，锁止器闭合，离合器打开，模式二向模式一切换；当风力机的转速等于设定转速时，锁止器打开，离合器闭合，模式一向模式二切换；如上所述，当风力机的转速等于设定转速时，可以根据需要选择风力发电装置的切换模式。这样可以保证发电机总是工作在固定的转速，同时保证切换过程的平稳性。模式一到模式二的切换发生在第二调速电机的转子转速为零时，即当风力机的转速小于设定转速时，锁止器闭合，离合器打开，风力发电装置工作在模式一，第二调速电机的转速为负值；随着风力机的转速增加，当风力机的转速等于设定转速时，第二调速电机的转速逐渐减小为零，此时闭合离合器，打开锁止器；风力机的转速继续增加，当风力机的转速大于设定转速时，风力发电装置工作在模式二。

上述的本发明风力发电装置具有改进方案一、方案二和方案三同样可以在风力机、第一调速电机、第二调速电机和发电机与本装置连接时采用齿轮变速，进行改进，使风力发电装置的体积更小、成本更低。

在上述给出本发明的装置主要是两个模式，在上述的两个模式装置的基础上，通过组合，可以行星三模式、四模式和多模式等集成的方案，这里不再一一描述。

本发明的有益效果：

1、与传统的双馈电机系统相比，本发明简化了风力发电机组的结构，省去了电刷和滑环装置，提高了可靠性和可维护性。

2、通过调速电机的控制可使发电机在固定的转速工作，实现变速恒频运行，可以充分利用恒频发电的成熟技术。

3、与直驱发电机系统相比，本发明装置中电能由常规发电机产生，直接输入到电网，不经过电力电子装置，电能质量好。

4、可用作起动电动机，对风轮进行起动和制动。

5、有效地减小了调速电机的容量。

6、行星齿轮具有升速作用，可以将转速提升，降低转矩，从而降低发电机的体积。

附图说明

图1是根据本发明第一示例性实施例的风力发电装置的结构示意图；

图中：有源无级调速装置一轴1，有源无级调速装置二轴100，第一行星齿轮2，第二行星齿轮3，第一调速电机4，第二调速电机5，第一功率变换器9，第二功率变换器10，锁止器7，离合器8，电网12；第一行星齿轮的行星架22，外齿圈23，太阳轮21；第二行星齿轮的行星架32，外齿圈33，太阳轮31；第一调速电机的转子42，定子41；第二调速电机的转子52，定子51；

图2本发明第一实施例中的有源无级调速装置的结构示意图；

图中：风力机11，发电机6，发电机的转子62，定子61；

图3是在根据本发明第一实施例的基础上变型的带齿轮变速的风力发电装置的结构示意图；

图中：第一变速齿轮13、第二变速齿轮14、第三变速齿轮15和第四变速齿轮16；

图4本发明第二实施例的风力发电装置的结构示意图；

图中：第三行星齿轮20，其中太阳轮201，行星架202，外齿圈203；

图5本发明第三实施例的风力发电装置的结构示意图；

图6本发明第四实施例的风力发电装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明的风力发电装置包括有源无级调速装置、风力机和发电机。下面，结合附图详细描述根据本发明实施例的风力发电装置。

图1是本发明第一实施例的风力发电装置的结构示意图。图2为本发明第一实施例的风力发电装置中的有源无级调速装置的结构示意图。

如图1所示，风力发电装置包括有源无级调速装置1000、风力机11和发电机6。风力机11连接到有源无级调速装置1000的一轴1，发电机6连接到有源无级调速装置1000的二轴100。风力机11在风力作用下旋转，将风能转换成机械能，传递到有源无级调速装置1000，有源无级调速装置1000将其转化为恒定速度的机械能，传递到发电机6，发电机6将电能反馈到电网12。

如图1和图2所示，有源无级调速装置1000包括两个行星齿轮：第一行星齿轮2和第二行星齿轮3；两个调速电机：第一调速电机4和第二调速电机5；两个功率变换器：第一功率变换器9和第二功率变换器10；一个锁止器7和一个离合器8。第一行星齿轮2的行星架22通过有源无级调速装置一轴1和第二行星齿轮3的行星架32刚性连接，第一调速电机4的转子42与第一行星齿轮2的太阳轮21刚性连接，第二调速电机5的转子52与第二行星齿轮3的太阳轮31刚性连接，第一行星齿轮2的外齿圈23与所述风力发电装置的机壳之间有锁止器7，锁止器7闭合可以使第一行星齿轮2的外齿圈23固定不转，第一行星齿轮2的外齿圈23与第二行星齿轮3的太阳轮31之间有离合器8，离合器8闭合可以使第一行星齿轮2的外齿圈23与第二行星齿轮3的太阳轮31同步旋转，第二行星齿轮3的外齿圈33与有源无级调速装置的二轴100刚性连接。第一功率变换器9将第一调速电机4与电网12或其他电源连接，第二功率变换器10将第二调速电机5与电网12或其他电源连接。

对于行星齿轮存在如下的关系：

ω_s＝(1+ρ)×ω_c-ω_r/ρ

ω_c＝ρ×ω_s/(1+ρ)+ω_r/(1+ρ)

ω_r＝(1+ρ)×ω_c-ρ×ω_s

T_s＝ρ×T_c/(1+ρ)＝ρ×T_r  (1)

T_r＝T_c/(1+ρ)

ρ＝太阳轮齿数/齿圈齿数

式中，ω_s是太阳轮的转速；T_s是太阳轮的转矩；

ω_r是齿圈的转速；T_r是外齿圈的转矩；

ω_c是行星架的转速；T_c是行星架的转矩；

由上式（1）可以看出，行星齿轮的太阳轮、行星架和外齿圈三者之间的转速具有严格的关系，这种关系与太阳轮齿数和外齿圈齿数的比值ρ相关，当ρ确定时，有源无级调速装置的外齿圈、太阳轮、行星架三个部件具有2个机械旋转自由度，即有源无级调速装置的外齿圈、太阳轮、行星架中任何2个部件的旋转速度确定后，第三个部件的速度唯一确定。

在本发明有源无级调速装置中，存在两组行星齿轮，第一行星齿轮2和第二行星齿轮3，均具有上述的关系，并且第一行星齿轮2的行星架22和第二行星齿轮3的行星架32刚性连接，当锁止器7闭合，离合器8打开，这种工作状态为模式一，此时具有如下的关系：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{m1}=(1+{\mathrm{\ρ}}_2){\mathrm{\ω}}_{100}\\ {\mathrm{\ω}}_{m2}=(1+{\mathrm{\ρ}}_1){\mathrm{\ω}}_{100}-{\mathrm{\ρ}}_1{\mathrm{\ω}}_1\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，

ω_m1是第一调速电机4的转速；

ω_m2是第二调速电机5的转速；

ω₁是有源无级变速装置一轴1的转速；

ω₁₀₀是有源无级变速装置二轴100的转速；

ρ₁是第一行星齿轮的太阳轮齿数与外齿圈齿数比值；

ρ₂是第二行星齿轮的太阳轮齿数与外齿圈齿数比值。

根据式（2）可以看出，有源无级变速装置一轴1的转速ω₁发生变化时，通过调整第二调速电机5的转速ω_m2可以保证有源无级变速装置二轴100的转速ω₁₀₀保持不变，实现无级调速。但是，在这种模式下，当有源无级变速装置一轴1的转速ω₁很高时，调整第二调速电机5的转速ω_m2会很高，导致调整第二调速电机5和第二功率变换器10的容量较大，导致系统体积大、成本高。因此，设定模式切换转速ω₁₂，当有源无级变速装置一轴1的转速ω₁<ω₁₂时，有源无级变速装置采用上述的工作模式一，而当有源无级变速装置一轴1的转速ω₁>ω₁₂时，锁止器7打开，离合器8闭合，这种工作状态称为模式二，此时具有如下的关系：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&omega;}}_{m1}=(1-{\mathrm{\&rho;}}_1{\mathrm{\&rho;}}_2){\mathrm{\&omega;}}_{100}+{\mathrm{\&rho;}}_1{\mathrm{\&rho;}}_2{\mathrm{\&omega;}}_1\\ {\mathrm{\&omega;}}_{m2}=(1+{\mathrm{\&rho;}}_1){\mathrm{\&omega;}}_{100}-{\mathrm{\&rho;}}_1{\mathrm{\&omega;}}_1\end{array}\right.---\left(3\right)$

可以看到，第一调速电机4参与了调速工作，分担了一部分功率输出，降低了第二调速电机5和第二功率变换器10的容量。

因此，本发明的风力发电装置可以通过调节第二调速电机5的速度，控制有源无级变速装置一轴1和有源无级变速装置二轴100的比值，而且此比值可以连续的变化，即实现无级调速。另一方面，根据工况的不同采用两种工作模式，有效减小了调速电机的容量。

如图1所示，所述的风力发电装置包含一个上述的有源无级调速装置，其中，风力机11与有源无级调速装置一轴1刚性连接，发电机6的转子62与有源无级调速装置二轴100刚性连接，发电机6的定子61绕组直接与电网12连接。

工作中，当风力机11的转速小于设定转速时，锁止器7闭合，离合器8打开，本发明的风力发电装置工作在模式一；当风力机11的转速大于设定转速时，锁止器7打开，离合器8闭合，所述的风力发电装置工作在模式二；这样可以保证发电机6总是工作在恒定的转速,同时保证切换过程的平稳性。

模式一到模式二的切换发生在第二调速电机5的转子52转速为零时，即当风力机的转速小于设定转速时，锁止器闭合7，离合器8打开，风力发电装置工作在模式一，第二调速电机5的转速为负值；随着风力机11的转速增加，当风力机11的转速等于设定转速时，第二调速电机5的转速逐渐减小为零，此时闭合离合器8，打开锁止器7；风力机11的转速继续增加，当风力机11的转速大于设定转速时，所述的风力发电装置工作在模式二。同理可以进行模式二到模式一的切换。

图1中本发明的风力发电装置工作在模式一时，一部分风能通过风力机11传递到第一行星齿轮2的行星架22上，驱动行星架22转动，由于锁止器7闭合，因此第一行星齿轮2的外齿圈23固定不转，行星架22上的能量全部传递到第一行星齿轮2的太阳轮21，驱动第一调速电机4发电，所发电能通过第一功率变换器9转换为相位与电压与电网12相同的交流电，回馈到电网12。第二调速电机5通过传感器测量电机5转速等信息，通过信号线反馈给第二功率变换器10，第二功率变换器10根据第二调速电机5设定转速和反馈转速的信息给第二调速电机5的定子51绕组提供不同频率和电压的交流电，控制第二调速电机5按照设定转速运行，通过调整第二调速电机5的转速，保证第二行星齿轮3的外齿圈33的转速恒定在设定的发电机6工作转速。这时，风力机11的另一部分风能通过第二行星齿轮3的行星架32传递到行星齿轮3的外齿圈33，由发电机6转化为电能，输入到电网12，剩余部分能量通过太阳轮31传递到第二调速电机5，通过第二功率变换器10转换为相位与电压与电网12相同的交流电输入到电网12。

本发明的风力发电装置工作在模式二时，一部分风能通过风力机11传递到第一行星齿轮2的行星架22上，驱动行星架22转动，由于此时离合器8闭合，因此第一行星齿轮2的外齿圈23与第二行星齿轮3的太阳轮31同步旋转，行星架22上的能量一部分传递到第一行星齿轮2的太阳轮21，驱动第一调速电机4发电，所发电能通过第一功率变换器9转换为相位与电压与电网12相同的交流电，回馈到电网12；另一部分传递到第一行星齿轮2的外齿圈23，驱动第二调速电机5发电，所发电能通过第二功率变换器10转换为相位与电压与电网12相同的交流电，回馈到电网12。第二调速电机5通过传感器测量电机5的转速等信息，通过信号线反馈给第二功率变换器10，第二功率变换器10根据第二调速电机5设定转速和反馈转速的信息给第二调速电机5的定子51绕组提供不同频率和电压的交流电，控制第二调速电机5按照设定转速运行，通过调整第二调速电机5转速，保证第二行星齿轮3的外齿圈33的转速恒定在设定的发电机6工作转速。这时，风力机11的剩余部分风能通过第二行星齿轮3的行星架32传递到行星齿轮3的外齿圈33，由发电机6转化为电能，输入到电网12，剩余部分能量通过太阳轮31传递到第二调速电机5，通过第二功率变换器10转换为相位与电压与电网12相同的交流电输入到电网12。

图3是图1中的风力发电装置增加齿轮变速后的变型示例。如图3所示，风力机11通过变速齿轮13与第一行星齿轮2的行星架22进行连接，第一调速电机4通过变速齿轮14与第一行星齿轮2的太阳轮21进行连接、第二调速电机5通过变速齿轮15与第二行星齿轮3的太阳轮31进行连接、发电机6通过变速齿轮16与第二行星齿轮3的外齿圈33进行连接，以方便机械设计和电机设计，同时提高电机的转速，减小体积和成本。

图4是本发明第二实施例的风力发电装置的结构示意图。如图所示，本发明第二实施例的风力发电装置包括至少一个风力机11，三个行星齿轮：第一行星齿轮2，第二行星齿轮3和第三行星齿轮20，两个调速电机：第一调速电机4和第二调速电机5，两个功率变换器：第一功率变换器9和第二功率变换器10，一个发电机6，一个锁止器7和一个离合器8。风力机11与第三行星齿轮20的行星架202刚性连接,第一行星齿轮2的行星架22和第二行星齿轮3的行星架32刚性连接在一起，第一调速电机4的转子42、第一行星齿轮2的太阳轮21和第三行星齿轮20的太阳轮201刚性连接在一起，第二调速电机5的转子52、第二行星齿轮3的太阳轮31和第一行星齿轮2的外齿圈23刚性连接在一起，第三行星齿轮20的外齿圈203与所述风力发电装置的机壳之间有锁止器7，锁止器7闭合可以使第三行星齿轮20的外齿圈203固定不转，第二行星齿轮3的行星架32与第三行星齿轮20的行星架202之间有离合器8，离合器8闭合可以使第一行星齿轮2的行星架22、第二行星齿轮3的行星架32、第三行星齿轮20的行星架202同步旋转，第二行星齿轮3的外齿圈33与发电机6的转子62刚性连接，发电机6的定子61绕组直接与电网12连接。第一功率变换器9将第一调速电机4与电网12连接，第二功率变换器10将第二调速电机5与电网12连接，第一功率变换器9和第二功率变换器10将电网的电能变换为变压变频的交流电分别给第一调速电机4和第二调速电机5的定子绕组供电，同时第一功率变换器9和第二功率变换器10分别与第一调速电机4和第二调速电机5之间还有信号线连接，可以进行通讯。第一调速电机4和第二调速电机5和发电机6根据需要可以是永磁电机、异步电机或者其他类型的电机。

当风力机11的转速小于设定转速时，锁止器7闭合，离合器8打开，风力发电装置工作在模式一；当风力机11的转速大于设定转速时，锁止器7打开，离合器8闭合，所述的风力发电装置工作在模式二；这样可以保证发电机6总是工作在固定的转速。在第二调速电机5的转子52转速为零，即当风力机11的转速等于设定转速时进行模式一和模式二之间的切换。

与第一实施例类似，也可以增加变速齿轮，即，风力机11可以通过变速齿轮与第三行星齿轮20的行星架202进行连接，第一调速电机4可以通过变速齿轮与第一行星齿轮2的太阳轮21进行连接、第二调速电机5可以通过变速齿轮与第二行星齿轮3的太阳轮31进行连接、发电机6可以通过变速齿轮与第二行星齿轮3的外齿圈33进行连接，以方便机械设计和电机设计，同时提高电机的转速，减小体积和成本。

图5是根据本发明第三示例性实施例的风力发电装置的结构示意图。如图5所示，本发明第三实施例的风力发电装置包括至少一个风力机11，三个行星齿轮：第一行星齿轮2，第二行星齿轮3和第三行星齿轮20，两个调速电机：第一调速电机4和第二调速电机5，两个功率变换器：第一功率变换器9和第二功率变换器10，一个发电机6，一个锁止器7和一个离合器8。风力机11与第三行星齿轮20的行星架202刚性连接，第一行星齿轮2的行星架22和发电机6的转子62刚性连接在一起，发电机6的定子61绕组直接与电网12连接。第一调速电机4的转子42、第一行星齿轮2的太阳轮21、第二行星齿轮3的太阳轮31、第三行星齿轮20的太阳轮201刚性连接在一起，第二调速电机5的转子52和第二行星齿轮3的外齿圈33刚性连接在一起，第三行星齿轮20的外齿圈203与所述风力发电装置的机壳之间有锁止器7，锁止器7闭合可以使第三行星齿轮20的外齿圈203固定不转，第二行星齿轮3的行星架（32）与第一行星齿轮2的外齿圈23刚性的连接在一起，第二行星齿轮3的行星架32与第三行星齿轮20的行星架202之间有离合器8，离合器8闭合可以使第二行星齿轮3的行星架32、第三行星齿轮20的行星架202和风力机11同步旋转。第一调速电机4通过第一功率变换器9与电网12连接，第二功率变换器10将第二调速电机5与电网12连接，第一功率变换器9和第二功率变换器10将电网的电能变换为变压变频的交流电分别给第一调速电机4和第二调速电机5的定子绕组供电，同时第一功率变换器9和第二功率变换器10分别与第一调速电机4和第二调速电机5之间还有信号线连接，可以进行通讯。第一调速电机4和第二调速电机5和发电机6根据需要可以是永磁电机、异步电机或者其他类型的电机。

本发明第三示例性实施例的风力发电装置，当风力机11的转速小于设定转速时，锁止器7闭合，离合器8打开，风力发电装置工作在模式一；当风力机11的转速大于设定转速时，锁止器7打开，离合器8闭合，风力发电装置工作在模式二；这样可以保证发电机6总是工作在固定的转速。在第二调速电机5的转子52转速为零，当风力机11的转速等于设定转速时进行模式一和模式二之间的切换。

与第一实施例类似，也可以增加变速齿轮，即，风力机11可以通过变速齿轮与第三行星齿轮20的行星架202进行连接，第一调速电机4可以通过变速齿轮与第一行星齿轮2的太阳轮21进行连接、第二调速电机5可以通过变速齿轮与第二行星齿轮3的外齿圈33进行连接、发电机6可以通过变速齿轮与第一行星齿轮2的行星架22进行连接，以方便机械设计和电机设计，同时提高电机的转速，减小体积和成本。

图6是本发明第四示例性实施例的风力发电装置的结构示意图。如图6所示，本发明第四实施例的风力发电装置包括至少一个风力机11，三个行星齿轮：第一行星齿轮2，第二行星齿轮3,和第三行星齿轮20，两个调速电机：第一调速电机4和第二调速电机5，两个功率变换器：第一功率变换器9和第二功率变换器10，一个发电机6，一个锁止器7和一个离合器8。风力机11与第三行星齿轮20的行星架202刚性连接，第一行星齿轮2的行星架22、第二行星齿轮3的外齿圈33和发电机6转子62刚性连接在一起，发电机6的定子61绕组直接与电网12连接。第一调速电机4的转子42、第一行星齿轮2的太阳轮21和第三行星齿轮20的太阳轮201刚性连接在一起，第二调速电机5的转子52、第二行星齿轮3的太阳轮31刚性连接在一起，第三行星齿轮20的外齿圈203与所述风力发电装置的机壳之间有锁止器7，锁止器7闭合可以使第三行星齿轮20的外齿圈203固定不转，第二行星齿轮3的行星架32和第一行星齿轮2的外齿圈23刚性连接，第二行星齿轮3的行星架32与第三行星齿轮20的行星架202之间有离合器8，离合器8闭合可以使第一行星齿轮2的外齿圈23、第二行星齿轮3的行星架32、第三行星齿轮20的行星架202同步旋转。第一功率变换器9将第一调速电机4与电网12连接，第二功率变换器10将第二调速电机5与电网12连接，第一功率变换器9和第二功率变换器10将电网的电能变换为变压变频的交流电分别给第一调速电机4和第二调速电机5的定子绕组供电，同时第一功率变换器9和第二功率变换器10分别与第一调速电机4和第二调速电机5之间还有信号线连接，可以进行通讯。第一调速电机4和第二调速电机5和发电机6根据需要可以是永磁电机、异步电机或者其他类型的电机。

根据本发明第四实施例所述的风力发电装置，当风力机11的转速小于设定转速时，锁止器7闭合，离合器8打开，风力发电装置工作在模式一；当风力机11的转速大于设定转速时，锁止器7打开，离合器8闭合，风力发电装置工作在模式二；这样可以保证发电机6总是工作在固定的转速。在第二调速电机5的转子52转速为零，当风力机11的转速等于设定转速时进行模式一和模式二之间的切换。

与第一实施例类似，也可以增加变速齿轮，即，风力机11可以通过变速齿轮与第三行星齿轮20的行星架202进行连接，第一调速电机4可以通过变速齿轮与第一行星齿轮2的太阳轮21进行连接、第二调速电机5可以通过变速齿轮与第二行星齿轮3的太阳轮31进行连接、发电机6可以通过变速齿轮与第二行星齿轮3的外齿圈33进行连接，以方便机械设计和电机设计，同时提高电机的转速，减小体积和成本。

在上述给出本发明的装置主要是两个模式，在上述的两个模式装置的基础上，通过组合，可以形成三模式、四模式和多模式等集成的方案，这里不再一一描述。

风力发电的现有技术中，直驱电机是一种变工况的电机，根据风速的大小不同工作在不同的工作点，发电机工况复杂，很难保证在所有工况下有较高的效率，本发明通过行星齿轮和调速电机组成的无级调速装置将变工况的风力机输出变成一个恒定转速输出的机械能，可利用现有的恒工况发电机技术，如热发电和水轮发电技术，不仅技术成熟，而且发电机工况简单，工作点单一，从而使发电系统具有很高的效率。同时直驱发电系统中，所有的电能都通过直驱发电机的功率变换器输出到电网，不仅会使电能的质量下降，而且直驱发电系统需要一个和发电机容量相同功率变换器，不仅提高了系统成本，降低了系统可靠性，而且造成功率变换器损耗，进一步降低了系统的效率。本发明的大部分能量通过发电机的绕组直接回馈到电网，不通过功率变换器的中间环节，电能质量高，谐波少，而且减少了损耗，提高了效率，本发明的功率变换器仅仅是给调速电机供电，电流容量较小，节省成本。同时本发明的风力发电系统省去了电刷，相比双馈电机系统具有更高的可靠性，减少了维护。而且本发明的装置通过两个模式的无级变速，有效地降低了调速电机的容量，扩大了风力机的转速范围，更加适合大容量的风力发电场合。

同时本发明通过行星齿轮和变速齿轮的调速设计，将大转矩低转速的机械能转化为高转速，低转矩的机械能输出，可以使得调速电机是一个高速低转矩的电机，体积小，节约成本，同时所需功率变换器也比较小，即采用两个小功率的调速电机将大功率的速度变化的机械能转化为一个恒转速的机械能。同时发电机也以是一个高速低转矩恒定工作频率的电机，同样具有体积小，节约成本的优势。

本发明的装置仅需两到三个行星齿轮、两个调速电机、两个功率变换器和一个锁止器、一个离合器配合，调整调速电机的转速和离合器、锁止器的开关状态，即可保持恒定频率的机械能输出。当风力机将能量传递到本发明的调速装置，输出一个恒定频率的电能送入电网，系统主要作用是将变化的速度变为恒定的速度，起到调速作用。

Claims (7)

1.一种风力发电装置，包括风力机（11）和发电机（6），其特征在于，所述的风力发电装置还包括有源无级调速装置（1000）；所述的有源无级调速装置包括三个行星齿轮：第一行星齿轮（2）、第二行星齿轮（3）和第三行星齿轮（20），两个调速电机：第一调速电机（4）和第二调速电机（5），两个功率变换器：第一功率变换器（9）和第二功率变换器（10），一个锁止器（7）和一个离合器（8）；所述的风力机（11）与第三行星齿轮（20）的行星架（202）刚性连接，第一行星齿轮（2）的行星架（22）和第二行星齿轮（3）的行星架（32）刚性连接，第一调速电机（4）的转子（42）、第一行星齿轮（2）的太阳轮（21）和第三行星齿轮（20）的太阳轮（201）三者刚性连接在一起，第二调速电机（5）的转子（52）、第二行星齿轮（3）的太阳轮（31）和第一行星齿轮（2）的外齿圈（23）三者刚性连接在一起；第三行星齿轮（20）的外齿圈（203）与所述的风力发电装置的机壳之间有锁止器（7），锁止器（7）闭合使第三行星齿轮（20）的外齿圈（203）固定不转；第二行星齿轮（3）的行星架（32）与第三行星齿轮（20）的行星架（202）之间有离合器（8），离合器（8）闭合使第一行星齿轮（2）的行星架（22）、第二行星齿轮（3）的行星架（32），以及第三行星齿轮（20）的行星架（202）三者同步旋转；第二行星齿轮（3）的外齿圈（33）与发电机（6）的转子（62）刚性连接，发电机（6）的定子（61）绕组直接与电网（12）连接；第一调速电机（4）通过第一功率变换器（9）与电网（12）或其他电源连接，第二调速电机（5）通过第二功率变换器（10）与电网（12）或其他电源连接，第一功率变换器（9）和第二功率变换器（10）将电网的电能变换为变压变频的交流电分别给第一调速电机（4）和第二调速电机（5）的定子绕组供电。

2.如权利要求1所述的风力发电装置，其特征在于，所述的风力机（11）通过变速齿轮与第三行星齿轮（20）的行星架（202）连接，第一调速电机（4）通过变速齿轮与第一行星齿轮（2）的太阳轮（21）连接、第二调速电机（5）通过变速齿轮与第二行星齿轮（3）的太阳轮（31）连接、发电机（6）通过变速齿轮与第二行星齿轮（3）的外齿圈（33）连接。

3.一种风力发电装置，包括风力机（11）和发电机（6），其特征在于，所述的风力发电装置还包括有源无级调速装置（1000）；所述的有源无级调速装置包括三个行星齿轮：第一行星齿轮（2），第二行星齿轮（3）和第三行星齿轮（20），两个调速电机：第一调速电机（4）和第二调速电机（5），两个功率变换器：第一功率变换器（9）和第二功率变换器（10），一个锁止器（7）和一个离合器（8）；所述的风力机（11）与第三行星齿轮（20）的行星架（202）刚性连接，第一行星齿轮（2）的行星架（22）和发电机（6）的转子（62）刚性连接，发电机（6）的定子（61）绕组直接与电网（12）连接；第一调速电机（4）的转子（42）、第一行星齿轮（2）的太阳轮（21）、第二行星齿轮（3）的太阳轮（31）、第三行星齿轮（20）的太阳轮（201）四者刚性连接在一起；第二调速电机（5）的转子（52）和第二行星齿轮（3）的外齿圈（33）刚性连接；第三行星齿轮（20）的外齿圈（203）与机壳之间有锁止器（7），锁止器（7）闭合使第三行星齿轮（20）的外齿圈（203）固定不转，第二行星齿轮（3）的行星架（32）与第一行星齿轮（2）的外齿圈（23）刚性连接在一起，第二行星齿轮（3）的行星架（32）与第三行星齿轮（20）的行星架（202）之间有离合器（8），离合器（8）闭合使第二行星齿轮（3）的行星架（32）、第三行星齿轮（20）的行星架（202）和风力机（11）三者同步旋转；第一调速电机（4）通过第一功率变换器（9）与电网（12）或其他电源连接，第二调速电机（5）通过第二功率变换器（10）与电网（12）或其他电源连接，第一功率变换器（9）和第二功率变换器（10）将电网的电能变换为变压变频的交流电分别给第一调速电机（4）和第二调速电机（5）的定子绕组供电。

4.如权利要求3所述的风力发电装置，其特征在于，所述的风力机（11）通过变速齿轮与第三行星齿轮（20）的行星架（202）连接，第一调速电机（4）通过变速齿轮与第一行星齿轮（2）的太阳轮（21）连接，第二调速电机（5）通过变速齿轮与第二行星齿轮（3）的外齿圈（33）连接，发电机（6）通过变速齿轮与第一行星齿轮（2）的行星架（22）连接。

5.一种风力发电装置，包括风力机（11）和发电机（6），其特征在于，所述的风力发电装置还包括有源无级调速装置（1000）；所述的有源无级调速装置包括三个行星齿轮：第一行星齿轮（2），第二行星齿轮（3）和第三行星齿轮（20），两个调速电机：第一调速电机（4）和第二调速电机（5），两个功率变换器：第一功率变换器（9）和第二功率变换器（10），一个锁止器（7）和一个离合器（8）；所述的风力机（11）与第三行星齿轮（20）的行星架（202）刚性连接，第一行星齿轮（2）的行星架（22）、第二行星齿轮（3）的外齿圈（33）和发电机（6）转子（62）三者刚性连接在一起；所述的发电机（6）的定子（61）绕组直接与电网（12）连接；第一调速电机（4）的转子（42）、第一行星齿轮（2）的太阳轮（21）和第三行星齿轮（20）的太阳轮（201）刚性连接在一起；第二调速电机（5）的转子（52）、第二行星齿轮（3）的太阳轮（31）刚性连接在一起；第三行星齿轮（20）的外齿圈（203）与所述风力发电装置的机壳之间有锁止器（7），锁止器（7）闭合使第三行星齿轮（20）的外齿圈（203）固定不转；第二行星齿轮（3）的行星架（32）和第一行星齿轮（2）的外齿圈（23）刚性连接，第二行星齿轮（3）的行星架（32）与第三行星齿轮（20）的行星架（202）之间有离合器（8），离合器（8）闭合使第一行星齿轮（2）的外齿圈（23）、第二行星齿轮（3）的行星架（32）、第三行星齿轮（20）的行星架（202）三者同步旋转；第一调速电机（4）通过第一功率变换器（9）与电网（12）或其他电源连接，第二调速电机（5）通过第二功率变换器（10）与电网（12）或其他电源连接，第一功率变换器（9）和第二功率变换器（10）将电网的电能变换为变压变频的交流电分别给第一调速电机（4）和第二调速电机（5）的定子绕组供电。

6.如权利要求5所述的风力发电装置，其特征在于，所述的风力机（11）通过变速齿轮与第三行星齿轮（20）的行星架（202）连接，第一调速电机（4）通过变速齿轮与第一行星齿轮（2）的太阳轮（21）连接，第二调速电机（5）通过变速齿轮与第二行星齿轮（3）的太阳轮（31）连接，发电机（6）通过变速齿轮与第二行星齿轮（3）的外齿圈（33）连接。

7.如权利要求1、3或5所述的风力发电装置，其特征在于，当所述的风力机(11)的转速小于设定转速时，锁止器（7）闭合，离合器（8）打开，所述的风力发电装置工作在模式一状态；当所述的风力机(11)的转速大于设定转速时，锁止器（7）打开，离合器（8）闭合，所述的风力发电装置工作在模式二状态；当风力机（11）的转速等于设定转速时，打开锁止器（7），闭合离合器（8），风力发电装置工作状态从模式一向模式二切换；闭合锁止器（7），打开离合器（8），风力发电装置工作状态从模式二向模式一切换。

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