CN102510171A - 直驱式感应风力发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直驱式感应风力发电系统，至少包括叶片，与叶片直连的直驱式感应发电机，和与电网连接的网侧变流器，所述感应发电机输出端连接机侧变流器，所述机侧变流器与网侧变流器之间设有直流支撑电容，所述直驱式感应发电机的定子设有至少一套三相主绕组，三相主绕组直接与机侧变流器连接，所述三相主绕组的每一相均接有交流励磁电容。本发明通过将交流励磁电容与四象限变流器无功电流的匹配设计等实现感应发电机功率密度的大幅提高，实现风力发电系统的无功电流优化控制和高效的机电能量转换与电能变换，最终提高整个风力发电机组的效率。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域中的风力发电系统，具体地说是一种直驱式感应风力发电系统。
背景技术
风能作为一种可再生能源，其资源极其丰富。据专家估计，全世界风能资源总量约为每年2万亿千瓦，仅1％的地面风能转化为电能就能满足现今全世界对能源电力的需求。同时随着风力发电技术的不断发展进步，风力发电的成本呈现下降的趋势，风力发电具有显著的环保效益和经济效益。近些年来风力发电的发展不断超越其预期的发展速度，并越来越受到世界各国的重视。
由于风力发电系统应用场合的特殊性，对发电、变电装置的空间尺寸和重量等有着非常严格的限制和要求，同时，对系统的容量、供电品质、可靠性与可维修性等性能指标需求也在不断提高。而感应发电机采用鼠笼式转子结构，与普通同步发电机相比具有结构简单、故障率低、机械强度好、维护成本低等优点。然而传统的感应发电机存在功率密度不高、功率因数低、控制上电压调节不灵活等不足之处，仅适用于中小功率场合，同时，传统电机受电磁设计、冷却方式和加工工艺的限制，使其转矩密度难以大幅提高。
此外，传统感应发电机转子的端板和导条通常采用中频焊接等焊接方式，这些焊接方式不仅需要使用电阻率远大于端环和导条的焊料，且不可避免的增加了接触电阻，不仅会增加损耗，更重要的是还存在局部发热导致端板膨胀断裂的安全隐患。
发明内容
本发明目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种可以大幅度提高发电机系统功率密度和效率的直驱式感应风力发电系统。
实现本发明目的采用的技术方案是：一种直驱式感应风力发电系统，至少包括叶片，还包括与叶片直连的直驱式感应发电机，和与电网连接的网侧变流器，所述感应发电机输出端连接机侧变流器，所述机侧变流器与网侧变流器之间设有直流支撑电容，所述直驱式感应发电机的定子设有至少一套三相主绕组，主绕组直接与机侧变流器连接，所述主绕组的每一相均接有交流励磁电容。
进一步地，在上述直驱式感应风力发电系统中，所述直驱式感应发电机的定子还设有一套三相辅助绕组，所述三相辅助绕组的每一相均设有交流励磁电容。
进一步地，上述机侧变流器和网侧变流器为四象限全功率变流器，且由n个完全相同的功率器件并联组成，其中n≤3。其中所述功率器件包括二极管和三极管，所述二极管的阳极与所述三极管的发射极连接，阴极与所述三极管的集电极连接。
进一步地，在上述直驱式感应风力发电系统中，直驱式感应发电机包以下两种结构：
第一，上述直驱式感应发电机至少包括定子、转子、机座、转轴和轴承，所述机座的顶部设有散热筋板，机座的四周设有风机。
第二，上述直驱式感应发电机至少包括定子、转子、机座、转轴和轴承，所述机座的顶部设有散热筋板，机座内设有冷却介质喷淋系统，所述冷却介质喷淋系统包括安装在机座内壁的喷淋环和安装于机座底部的储液盒，所述机座内设有将储液盒中的冷却介质通抽取到喷淋环的磁力泵。为了防止冷却介质泄漏到感应发电机本体以外，机座与转轴之间设有旋转密封装置，所述旋转密封装置包括基座，所述基座和转轴之间设有若干用导磁钢材料做成的密封挡板，所述密封挡板呈“H”状，密封挡板与转轴的连接端内充满磁性流体，密封挡板另一端的开口连通成散热通道；基座和转轴之间还有永磁体。
更进一步地，上述感应发电机的鼠笼转子的导条和端环通过搅拌摩擦焊焊接而成一体。
本发明的感应发电机输出采用专用背靠背全功率变流器形式，考虑电网故障等极端条件，通过四象限全控电力电子变流器与发电机的匹配设计，结合无速度传感器矢量控制、软件锁相环技术、过调制SVPWM方法、信号延时补偿算法、前馈+反馈控制技术等措施，实现风力发电机组系统的高效控制，保证发电机组良好的电能品质与运行稳定性。
此外，本发明还具有以下优点：
(1)在有限的发电、变电装置的空间内，本发明采用两种散热结构的感应发电机，一是通过机座四周的风机加速电机内空气的循环，再通过机座顶端的散热筋板传导散热。二是通过机座内的冷却介质喷淋系统将冷却介质在喷洒在机座，吸热后的冷却介质蒸发后通过散热筋板传导散热。
(2)感应发电机的鼠笼转子的导条和端环通过搅拌摩擦焊焊接而成一体，避免使用焊条，且不会增加焊接电阻。
附图说明
图1为直驱式感应风力发电系统的结构示意图。
图2为图1中增加三相辅助绕组的结构示意图。
图3为图1中直驱式感应发电机的结构示意图。
图4为图1中直驱式感应发电机的另一种结构示意图。
图5为图4中冷却介质喷淋系统的结构框图。
图6为图5中旋转密封装置的结构示意图。
图7为感应发电机鼠笼转子的导条和端环摩擦焊结构示意图。
图8a和图8b为机侧变流器主-从统一控制原理图。
图9为背靠背全功率变流器拓扑结构组成示意图。
图10为背靠背全功率变流器控制框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，直驱式感应风力发电系统包括依次连接的叶片、直驱式感应发电机、机侧变流器、网侧变流器，其中机侧变流器与网侧变流器之间设有直流支撑电容C2，网侧变流器与电网之间设有线路滤波器。直驱式感应发电机的定子设有至少一套三相主绕组，三相主绕组直接与机侧变流器连接，三相主绕组的每一相均接有交流励磁电容C1。
如图2所示，直驱式感应发电机的定子还设有一套三相辅助绕组，三相辅助绕组的每一相均设有交流励磁电容。主绕组和辅助绕组在电路上相互隔离，仅存在磁耦合。增加辅助绕组利于避免高频谐振，改善发电机供电品质和系统电磁兼容性。
本实施例所用直驱式感应发电机的结构如图3所示，包括定子1、转子2、机座3、转轴4和轴承5，机座3的顶部设有散热筋板6，机座3的四周设有风机7。直驱式感应发电机采用卧式结构，其中定子1铁芯采用整段结构；当电机功率等级较大或散热要求较高时，通过风机7加强电机内空气的循环和散热，再通过机座3外圆的散热筋板6及端部盖板带走热量；
此外，为了提高散热的效率，本实施例还提供一种直驱式感应发电机，其结构如图4所示，包括定子1、转子2、机座3、转轴4和轴承5，所述机座3的顶部设有散热筋板6，机座3内设有冷却介质喷淋系统，冷却介质喷淋系统的结构如图5所示。冷却介质喷淋系统包括安装在机座3内壁的喷淋环8和安装于机座底部的储液盒9，所述机座3内设有将储液盒中的冷却介质通抽取到喷淋环的磁力泵10。磁力泵10将储液盒9中的冷却介质抽取到喷淋环8中喷洒出来用于散热，喷洒出的冷却介质回流到储液盒9中可以循环使用。
为了防止冷却介质泄漏到感应发电机本体以外，机座与转轴之间设有旋转密封装置，如图6所示，所述旋转密封装置包括基座，所述基座和转轴之间设有若干用导磁钢材料做成的密封挡板，所述密封挡板呈“H”状，密封挡板与转轴的连接端内充满磁性流体，密封挡板另一端的开口连通成散热通道；基座和转轴之间还有永磁体。
为减小因鼠笼转子导条和端环普通焊接方式导致较大的接触电阻，以及由此引起的损耗增加、局部过热和可靠性问题，通过搅拌摩擦焊进行转子导条和端环的焊接，焊接轨迹为转子端环一周整圆，如图7所示。将端环18套上转子导条17后，将摩擦头16紧压在端环18与转子导条17的接触面，利用摩擦头16高速旋转产生的热量将端环18和转子导条17的接触部分熔化在一起，从而形成一体，由于焊接过程不需要焊料，焊接部位的电阻率与端环18或导条17的电阻率基本一致，最终连接成焊接轨迹19。
当风场自然风吹转叶片，带动感应发电机的转子转动，通过励磁电容提供起励所需的无功电流建立电压，再经过对机、网侧四象限全功率变流器的控制，提供发电机系统所需的励磁电流与最大转矩电流，实现向电网输送有功及无功功率。
发电机侧变流器(INU)提供电机所需励磁电流，自动调节励磁电流幅值与相位，稳定电机交流电压；同时，通过电机转矩电流的调节，实现电机功率整流输出。机侧变流器采用基于磁场定向的无速度传感器矢量控制，负责在一定带宽内实现对电机电磁转矩参考值的跟踪控制，能够实现电机转矩电流和励磁电流的解耦控制，保证发电机励磁及功率因数的精确控制，从而最终实现对电磁转矩的跟踪；网侧变流器(ISU)连接机侧变流器与电网，负责将电能传送至电网并维持直流电压的恒定，如图8所示。采用双dq变换软件锁相环实现对电网电压的相位跟踪，保证发电机组在电网故障条件下的可控稳定运行。本发明中机侧及网侧变流器均为四象限全功率变流器，采用全控型功率器件，机侧变流器和网侧变流器为四象限全功率变流器，由n个完全相同的功率器件并联组成，其中n≤3。功率器件包括二极管和三极管，所述二极管的阳极与所述三极管的发射极连接，阴极与所述三极管的集电极连接，其组合方式及范围如图9所示。该全功率变流器控制框图如图10所示。
本发明已通过最佳实施例的详细附图加以描述。熟于此领域技术人员可从最佳实施例衍生许多变化而毋须背离本发明的范畴。因此，最佳实施例不致限制本发明的范畴。本发明的范畴定义于申请专利范围。
Claims (9)
1.一种直驱式感应风力发电系统，其特征在于：包括与叶片直连的直驱式感应发电机，和与电网连接的网侧变流器，所述感应发电机输出端连接机侧变流器，所述机侧变流器与网侧变流器之间设有直流支撑电容，所述直驱式感应发电机的定子设有至少一套三相主绕组，主绕组直接与机侧变流器连接，所述主绕组的每一相均接有交流励磁电容。
2.根据权利要求1所述直驱式感应风力发电系统，其特征在于：所述直驱式感应发电机的定子还设有一套三相辅助绕组，所述三相辅助绕组的每一相均设有交流励磁电容。
3.根据权利要求1或2所述直驱式感应风力发电系统，其特征在于：所述直驱式感应发电机至少包括定子(1)、转子(2)、机座(3)、转轴(4)和轴承(5)，所述机座(3)的顶部设有散热筋板(6)，机座(3)的四周设有风机(7)。
4.根据权利要求1或2所述直驱式感应风力发电系统，其特征在于：所述直驱式感应发电机至少包括定子(1)、转子(2)、机座(3)、转轴(4)和轴承(5)，所述机座(3)的顶部设有散热筋板(6)，机座(3)内设有冷却介质喷淋系统，且机座(3)与转轴之间设有旋转密封装置。
5.根据权利要求4所述直驱式感应风力发电系统，其特征在于：所述冷却介质喷淋系统包括安装在机座(3)内壁的喷淋环(8)和安装于机座(3)底部的储液盒(9)，所述机座(3)内设有将储液盒(9)中的冷却介质通抽取到喷淋环(8)的磁力泵(10)。
6.根据权利要求4所述直驱式感应风力发电系统，其特征在于：所述旋转密封装置包括基座(12)，所述基座和转轴(4)之间设有若干用导磁钢材料做成的密封挡板(14)，所述密封挡板(14)呈“H”状，密封挡板(14)与转轴(4)的连接端充满磁性流体，密封挡板(14)另一端的开口连通成散热通道(14)；基座(12)和转轴(4)之间还设有永磁体(13)。
7.根据权利要求1所述直驱式感应风力发电系统，其特征在于：所述机侧变流器和网侧变流器为四象限全功率变流器，且由n个完全相同的功率器件并联组成，其中n≤3。
8.根据权利要求7所述直驱式感应风力发电系统，其特征在于：所述功率器件包括二极管和三极管，所述二极管的阳极与所述三极管的发射极连接，阴极与所述三极管的集电极连接。
9.根据权利要求1所述直驱式感应风力发电系统，其特征在于：所述感应发电机的鼠笼转子的导条和端环通过搅拌摩擦焊焊接而成一体。
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