CN102797637A - 微功耗风力发电机 - Google Patents

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Abstract

微功耗风力发电机由叶片和同步电机组成,同步电机的定子采用调频调幅方波励磁,输出功率恒频恒压,可直接并入电网。该同步发电机组中的风叶转轴直接驱动同步电机,免除了双馈感应发电机中的增速齿轮箱;采用同步发电机转子励磁,免除了双馈感应发电机中的励磁双向逆变器或全功率变换器;由于免除了增速齿轮箱,微功耗风力发电机组安装好就能发电,颠覆了切入风速和切出风速概念;风再小,只要叶片可以动,就能发电,风再大,只要风机括不倒,就能发电,整机机械能损耗和电能损耗都接近零。

Description

微功耗风力发电机
技术领域
[0001 ] 本发明涉及一种微功耗风力发电机。
背景技术
[0002] 图I是双馈感应发电机工作原理框图,通过叶轮将风能转变为机械转距(风轮转动惯量),通过主轴传动链,经过齿轮箱增速到异步发电机的转速后,通过励磁变流器励磁而将发电机的定子电能并入电网。如果超过发电机同步转速,转子也处于发电状态,通过变流器向电网馈电。
[0003] 最简单的风力发电机可由叶轮和发电机两部分构成,立在一定高度的塔干上,这是小型离网风机。最初的风力发电机发出的电能随风变化时有时无,电压和频率不稳定,没有实际应用价值。为了解决这些问题,现代风机增加了齿轮箱、偏航系统、液压系统、刹车系统和控制系统等。
[0004] 齿轮箱可以将很低的风轮转速(1500千瓦的风机通常为12-22转/分)变为很高的发电机转速(发电机同步转速通常为1500转/分)。同时也使得发电机易于控制,实现稳定的频率和电压输出。偏航系统可以使风轮扫掠面积总是垂直于主风向。
[0005] 根据变速恒频变桨矩风机的特点,国内目前装机的电机一般分为二类:
[0006] I、异步型:
[0007] I)笼型异步发电机;功率为600/125kW、750kW、800kW、1250kW,定子向电网输送不同功率的50Hz交流电。
[0008] 2)绕线式双馈异步发电机;功率为1500kW定子向电网输送50Hz交流电,转子由变频器控制,向电网间接输送有功或无功功率。
[0009] 2、同步型:
[0010] I)永磁同步发电机;功率为750kW 1200kff 1500kW由永磁体产生磁场,定子输出经全功率整流逆变后向电网输送50Hz交流电。
[0011] 2)电励磁同步发电机;由外接到转子上的直流电流产生磁场,定子输出经全功率整流逆变后向电网输送50Hz交流电。
[0012] 同步发电机的电压变化率约为20〜40%,一般工业和家用负载都要求电压保持基本不变,为此,随着负载电流的增大,必须相应地调整励磁电流。高速同步发电机因大多数发电机与原动机同轴联动,火电厂都用高速汽轮机作原动机,所以汽轮发电机通常用高转速的2极电机,其转速达3000转/分(在电网频率为60赫时,为3600转/分)。核电站多用4极电机,转速为1500转/分(当电网频率为60赫时,为1800转/分)。为适应高速、高功率要求,高速同步发电机在结构上,一是采用隐极式转子,二是设置专门的冷却系统。
[0013] 上述同步、异步风力发电机有以下缺点:
[0014] I)必须增速齿轮箱,方能达到电机的同步转速,机械能损耗大;
[0015] 2)必须双向逆变器或全功率变换器,电能损耗大;
[0016] 3)切入风速时开始发电、切出风速时锁定电机,即风小不能发电,风大不能发电,很难伺候不说,浪费太多风能;
[0017] 4)直接采用市电励磁,低电压穿越性能极差。
发明内容
[0018] 图2是微功耗风力发电机原理框图,叶片转轴直接驱动同步发电机,无齿轮箱的机械传动损耗;转子励磁电流采用微功耗功率变换获得,其功率损耗接近零。微功耗风力发电机由叶片、叶片转轴、同步电机、励磁方波发生器组成,叶片转轴与同步电机转轴刚性联接,励磁方波发生器产生调频调幅对称方波电流,对同步电机的转子励磁;叶片受风转动,叶片转轴与叶片联动,驱动同步电机发电。
[0019] 同步发电机输出电压的频率由下式决定:
[0020] f = nXp/60 (Hz) ; (I)
[0021] f:输出电压频率;
[0022] η:发电机转轴转速;
[0023] ρ:发电机转子极对数。
[0024] 设电机转子极对数为2,输出电压频率为50Hz,则由(I)式可计算得风叶转轴转速为:
[0025] N = 50X60/2 = 1500(转); (2)
[0026] 即当同步发电机的极对数为2时,风叶转轴转速应为1500转。
[0027] 设电机转子极对数为20,输出电压频率为50Hz,则由(I)式可计算得风叶转轴转 速为:
[0028] N = 50X60/20 = 150(转); (3)
[0029] 即当同步发电机转子的极对数为20时,风叶转轴转速应为150-300转。
[0030] 设电机转子的极对数为200,输出电压频率为50Hz,则由(I)式可计算得风叶转轴转速为:
[0031] N = 50X60/200 = 15(转); (4)
[0032] 即当同步发电机转子的极对数为200时,风叶转轴转速应为15转,正好落入风叶典型转速之内。比较式(2)、(3)、(4)可知,要获得相同的输出频率,增加同步发电机的极对数,可减少风叶转轴的转速,即风叶转轴的转速η和电机的极对数P成反比。风叶转轴的转速一般为12-22之间,在免除增速齿轮箱的前提下,为了获得50Hz的输出频率,必须增加发电机转子上的极对数,但工艺上不可能无限增加发电机的极对数,在一个发电机的转子制作200个极对,显然不切实际。
[0033] 微功耗风力发电机组,由叶片和同步电机组成,同步电机的定子采用调频调幅方波励磁,输出功率恒频恒压,可直接并入电网。该同步发电机组中的风叶转轴直接驱动同步电机,免除了双馈感应发电机中的增速齿轮箱;采用同步发电机转子励磁,免除了双馈感应发电机中的励磁双向逆变器或全功率变换器;由于免除了增速齿轮箱,微功耗风力发电机组安装好就能发电,颠覆了切入风速和切出风速概念;风再小,只要叶片可以动,就能发电,风再大,只要风机括不倒,就能发电,整机机械能损耗和电能损耗都接近零。
附图说明[0034] 图I是传统风力发电机原理图;
[0035] 图2是微功耗风力发电机原理图;
[0036] 图3机械角度和电角度对比图;
[0037] 图4是极对数等于I时定子旋转一周时定子所产生的360电角度;
[0038] 图5是极对数等于2时定子旋转一周时定子所产生的720电角度;
[0039] 图6是极对数等于3时定子旋转一周时定子所产生的1080电角度;
[0040] 图7是励磁电流极性变换I次时时定子所产生的360电角度;
[0041] 图8是励磁电流极性变换2次时时定子所产生的720电角度;
[0042] 图9是励磁电流极性变换3次时时定子所产生的1080电角度;
[0043] 图10是定子励磁电流的仿真波形;
[0044] 图11是定子励磁方波发生器。
具体实施方式
[0045] I、输出电压与电网同频
[0046] 图3表示机械角度和电角度的关系,从几何上说,沿电机定子内园或转子外园旋转一周就是转了 360°,这样划分的角度称为机械角度,用符号θπ表示。但从磁场角度来看,一对磁极对应着一个交变的周期,也是360°,如果是P对磁极,则对应的交变周期就是ΡΧ360。,这样划分的角度称为电角度,用符号Θ表示。如果将电机沿气隙展开,一个园周长可以用360°机械角度表示,而不论电机极对的多少,一个磁极对应180°电角度,一对磁极对应360°电角度,一个园周长应该对应P X 360°的电角度,可见电角度和机械角度的关系是Θ =PX θ,,,ο
[0047] 如发电机的转子由直流电流励磁,发电机的转子在叶片转轴的驱动下旋转,当极对数为I时(2个磁极),转子旋转I周,定子上的感生电动势产生I个正弦波周期,同步旋转磁场旋转I周(请参考图4);当极对数为2时(4个磁极),转子旋转I周,定子上的感生电动势产生2个正弦波周期,同步旋转磁场旋转2周(请参考图5);当极对数为3时(6个磁极),转子旋转I周,定子上的感生电动势产生3个正弦波周期,同步旋转磁场旋转3周(请参考图6)。由此可见,同步旋转磁场的转速Nf和叶片转轴转速Np相等。
[0048] 如发电机的转子由方波电流励磁,而电机的极对数均为1,发电机的转子在叶片转轴的驱动下旋转。当转子旋转I周、励磁电流的极性改变I次时,定子上的感生电动势产生I个正弦波周期,即同步旋转磁场旋转I周(请参考图7);当转子旋转I周、励磁电流的极性改变2次时,定子上的感生电动势产生2个正弦波周期,即同步旋转磁场旋转2周(请参考图8);当转子旋转I周、励磁电流的极性改变3次时,定子上的感生电动势产生3个正弦波周期,即同步旋转磁场旋转3周(请参考图9)。由此可见,同步旋转磁场的转速Nf和励磁方波电流在I周内极性改变的次数Nt相等。
[0049] 比较图4、5、6和图7、8、9及其说明,可以得出结论:同步发电机转子励磁方波电流的极性,在叶片转轴或发电机转子旋转I周内改变的次数,对于旋转磁场所产生的作用和效果,等同于发电机转子上的极对数。换言之,在免除了增速齿轮箱的前提下,为了使输出电压的频率仍然保持50Hz,不必增加发电机转子上的极对数,而只须改变转子励磁方波电流的频率。要使励磁方波的频率达到3000Hz,是非常容易的事情,而要使发电机转子上的极对数增加到3000个,却是完全不可能的。
[0050]当免除增速齿轮箱,叶片转轴或发电机转子旋转转速为12-22时,而要保持输出频率为50Hz,根据(I)式可求得转子上极对数P为:
[0051] f = nXp/60 = 50 (Hz)
[0052]则:p = 50 X 60/n = 50 X 60/ (12-22) = (250-135. 36 对) (5)
[0053]当免除增速齿轮箱,叶片转轴或发电机转子旋转转速为I时(微风),根据(I)式可求得转子极对数P为:
[0054] P = 50X60/1 = 3000 (对) (6)
[0055] 根据以上分析可知,引入方波对同步发电机转子励磁后,发电机旋转磁场的同步 转速不再等于同步发电机转子转速,以极短的时间进行观察,转子仍以直流电流励磁,保持着同步发电机的一切特点。在叶片转轴或发电机转子旋转一周内,只要使转子励磁方波电流极性改变的次数Nt,等于发电机转子应该具备的极对数Np,就可以保持输出电压的频率为50Hz,此乃同步发电机转子采用调频方波励磁,可免除增速齿轮箱的真谪。
[0056] 2、同步电动机的调速
[0057] 电动机和发电机之间存在可逆关系,当采用调频对称方波对同步发电机的转子励磁,可免除发电机的增速齿轮箱,则当采用调频对称方波对同步电动机的转子励磁,同样可以并免除电动机的减速齿轮箱,达到电动机调速的目的。按照上述发电机的理解的逆过程,可以先讨论极对数的情况:
[0058] 如果同步电动机的定子接入正弦波电压,在气隙产生旋转磁场,发电机的转子在旋转磁场的驱动下旋转,当极对数为I时(2个磁极),定子上的感生电动势产生旋转I周电角度,转子旋转I周机械角度;当极对数为2时(4个磁极),定子上的感生电动势产生旋转I周电角度,转子旋转1/2周机械角度;当极对数为3时出个磁极),定子上的感生电动势产生旋转I周电角度,转子旋转1/3周机械角度。由此可见,同步发电机转子上的极对数可以用来调节其旋转速度,但可惜的是,极对数在电动机生产后就固定而不能改变。
[0059] 如果同步电动机的定子接入正弦波电压,在气隙产生旋转磁场,发电机的转子在旋转磁场的驱动下旋转,电动机的转子由对称调频方波电流励磁,极对数为1(2个磁极)不变。
[0060] 当对称调频方波厉磁电流的极性改变I次时,定子上的感生电动势产生旋转I周电角度,转子旋转I周机械角度;当对称调频方波厉磁电流的极性改变2次时,定子上的感生电动势产生旋转I周电角度,转子旋转1/2周机械角度;当对称调频方波厉磁电流的极性改变3次时,定子上的感生电动势产生旋转I周电角度,转子旋转1/3周机械角度。实际上是对称调频方波厉磁电流极性改变的次数,代替了转子上的极对数,从而达到和极对数完全相同的效果,转子的极对数不能改变,但改变对称调频方波厉磁电流的频率则是轻而容易举的事情,因此同步电动机的调速也可免除减速齿轮箱。
[0061] 3、全风速发电
[0062] 按照蒲福风级表,从最低零级到最高17级,风速从0,2m/s到61. 2m/s,微功耗风力发电机都能发电。由于免除了增速齿轮箱,风叶转轴直接驱动同步发电机的转子,只要风叶在动,发电机的转子就动,发电机转子一动,定子就有电流输出。另外,当叶片转速为12转/s,根据公式(I)可计算出齿轮箱的变比为250,当叶片转速为I转/s,根据公式(I)可计算出齿轮箱的变比为3000,此式说明只要存在增速齿轮箱,就不可能低转速(12转以下)发电。
[0063] 当风力大到足以使叶片转速达到22转/s以上时,增速齿轮箱必须停机保护,风力太大,无法承受如此大的机械应力。当免除了增速齿轮箱后,叶片转轴直接驱动同步发电机,而同步发电机的正常转速为3000转/s,风再大,叶片转轴的转速也不可能达到3000转/s,所以微功耗风力发电机可以从最小风力到最大风力,全风速发电。 [0064] 4、输出电压与电网同幅
[0065] 图11是极性反转电源,功能是把电压的极性取反,从一个正电压Vi获得一个等幅的负电压Vb。MOS管Q1、Q12的共同源极分别接电阻R2和C1、D4的串联支路,D4的阴极接地,输入电压Vi是正电压,其幅值与与励磁所需要的幅值相等,驱动信号VI、V2的频率,和转子励磁方波所需要的方波频率相等。前IOms期间,Ql导通,Vi在电阻R2上形成IOms正方波电压Va,同时通过D4向电容Cl充电,极性上正下负;第二个IOms到来的时候,Ql截止,Q2导通,把Cl的正电压端接地,二极管D3输出负电压,于是在电阻Rl上得到IOms的负方波电压Vb,图10的仿真波形是正负脉冲电压Va、Vb,正负两电压的中心点接地。采用闭环控制方法,只要使输入电压Vi的幅值等于转子励磁所需要的幅值即可,而驱动信号VI、V2的频率,采用闭环控制方法,使得驱动信号VI、V2的频率与转子励磁方波所需要的频率相等即可,此乃现在技术,此处不再重复。
[0066] 5、微功耗风力发电机组成的实际风电场
[0067] 微功耗风力发电机组成的实际风电场,通过30公里馈线,和120KV电网联结,其间经过两个变压器,从120KV高压到25KV中压,再从25KV中压到575V低压,风电场包括6台机组,每台机组容量I. 5MW,自带负载500KW。双馈感应发电机DFIG以微功耗风力发电机MLSG取代,同步发电机转子的直流厉磁电流以对称方波电流取代。
[0068] 在实际风电场应该增加电网调峰、调谷和强化低电压穿越功能,风力发电白天晚上都一样,但白天是用电高峰,晚上是用电低谷,晚上电网并不要电,电发得越多,浪费越多,得想办法把晚上发的电能存贮起来,等到白天用电高峰时并网,因此须增加电能蓄电池存贮。风电场有电能存贮,机组厉磁用自己的电,与电网无关,可大大改善低电压穿越功能。
[0069] 6、特点
[0070] 传统双馈感应发电机一般采用异步发电机,而异步电机更适合于电动机运行;同步电机作为发电机运行,相对于异步电机具有明显优势,但如果把同步电机用作风力发电,由于所发电能必须通过全功率变换才能并入电网,其优越性大打折扣。
[0071] 微功耗风力发电机MLSG正是采用同步电机作为风力发电机,免除了增速齿轮箱,免除了全功率变换器,使得同步电机作为发电机的优势获得充分发挥,大大降低风力发电机的机械能损耗和电能损耗,具有以下优点:
[0072] I)免除机械传动齿轮箱,减少机械能损耗,同时提高发电系统可靠性;
[0073] 2)免除双馈感应发电机中转子励磁双向逆变器,或全功率变换器,减少功率变换过程中的电能损耗;
[0074] 3)全风速发电,I级软风启动,12级飓风发电,只要叶片动就能发电,只要风机不倒就能发电,极大提高了风能利用率;
[0075] 4)由于微功耗风力发电机整机效率高,对电网索取的功率极少,对电网依赖的程度极小,因而低电压穿越功能极佳 。

Claims (1)

1. 一种微功耗风力发电机,其特征是:整机由叶片、叶片转轴、同步电机、励磁方波发生器组成,叶片转轴与同步电机转轴刚性联接,励磁方波发生器产生调频调幅对称方波电流,对同步电机的转子励磁;叶片受风转动,叶片转轴与叶片联动,驱动同步电机发电。
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