CN105041575B - 一种多电机发电装置及风力发电机组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多电机发电装置及风力发电机组。该多电机发电装置包括分动箱、第一电机和第二电机，其中：所述分动箱包括输入轴、第一输出轴和第二输出轴；所述第一输出轴连接所述第一电机，所述第二输出轴连接所述第二电机，所述第一电机和第二电机中仅第一电机连接有变流装置，所述第一电机连接的变流装置能调整所述第二电机的电功率。本发明通过较小功率的变流装置实现了较大功率风力发电机组的变速运行控制，有效地降低了系统成本，并具有制造难度低、可靠性好等优点。

Description

一种多电机发电装置及风力发电机组

技术领域

本发明主要涉及风力发电技术领域，具体地说，涉及一种多电机发电装置，以及设置有该多电机发电装置的风力发电机组。

背景技术

为提高风能的利用效率，变速变桨风力发电机组已成为当今的主流产品。在低风速时，通过变流装置调节风轮转速，追踪最大风能利用系数，进而提高风电机组的效率；在高风速时，通过变桨装置调节桨距角，使风机在额定功率状态运行。

现有技术中，中大功率风电机组单机容量已达到2～3MW，为提高风能资源的利用，期望进一步增大单机容量，这对于海上风电而言需求尤为迫切。然而因超大功率的风电变流技术瓶颈、发电机超大体积制造的限制，以及造价的大幅上升(甚至超过两台机组的总造价)，实际中难以快速推广使用。

为了解决超大功率风力发电机组技术与成本的问题，国内外厂家纷纷提出双电机系统，采用的技术方案主要有以下几种：

方案一：采用双电枢的混合励磁双发电机技术，降低变流器的单台功率等级。

方案二：在轮毂的前后两侧分别安装一套发电机的双电机系统，进而降低单台发电机体积和变流器功率等级。

方案三：风轮带动长通轴转动，同时串联两个发电机，以降低单台发电机体积和变流器功率等级，发电机对称布置于机舱底架两侧以平衡整机重心。

对于前述方案一，虽然避开了变流技术难点，但超大功率发电机、增速齿轮箱体积仍很庞大，制造难度和成本仍然很高。

对于前述方案二，采用两个电机串联，但布局在轮毂的前后两侧，存在的明显不足是整机重心不稳，且实际上难于制造安装。

对于前述方案三，其与方案二本质上是一样的，只是改善了发电机的安装位置，长通轴方式决定其两个发电机转速必须相同，还需要对第一个电机进行特殊的改制，且不利于低风速时提高效率。同时，该方案需采用相同的变流装置进行并联使用，成本较高。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多电机发电装置，设置有二台或更多电机，在提高发电装置容量的同时，可解决现有技术中制造难度高、成本高的缺陷或至少其中之一。

本发明的多电机发电装置，包括分动箱、第一电机和第二电机，其中：

所述分动箱包括输入轴、第一输出轴和第二输出轴；

所述第一输出轴连接所述第一电机，所述第二输出轴连接所述第二电机，所述第一电机和第二电机中仅第一电机连接有变流装置，所述第一电机连接的变流装置能调整所述第二电机的电功率。

进一步地，所述分动箱还包括第三输出轴，所述第三输出轴连接第三电机。

进一步地，所述第一电机连接的变流装置能调整所述第三电机的电功率。

进一步地，所述第一电机为永磁同步电机，所述永磁同步电机的转子连接所述第一输出轴，定子连接所述变流装置；所述第二电机为鼠笼电机，所述鼠笼电机的转子连接所述第二输出轴，定子用于连接电网。

进一步地，所述第一电机为双馈异步电机，所述变流装置为双馈变流器。

进一步地，所述第二电机连接软并网装置。

进一步地，所述软并网装置包括接触器和可逐步导通的双向晶闸管，所述接触器和晶闸管并联后用于与电网相连。

进一步地，仅在所述第一电机并入电网，且风速符合所述第二电机切入条件时，所述第二电机才并入电网。

进一步地，所述第一输出轴的输出速比与所述第二输出轴的输出速比不同。

本发明的另一个方面，还提供一种风力发电机组，所述风力发电机组设置有前述任一项的多电机发电装置。

本发明的多电机发电装置，包括分动箱、第一电机和第二电机，分动箱分别连接第一电机和第二电机，第一电机连接变流装置，而第二电机不连接任何变流装置。通过调整第一电机连接的变流装置的参数，可控制第一输出轴的转速，进而能控制第二输出轴的转速，从而可控制第二电机的转差率及电功率，最终实现第一电机与第二电机从动能换取电能的比例系数，保证各电机的最佳功率分配，进而能实现风能的最大利用。

本发明一方面通过二个或更多的电机实现发电装置的大功率输出，另一方面可通过较小功率的变流装置实现了较大功率风力发电机组的变速运行控制，相对于现有技术有效地降低了系统成本；由于小功率变流器技术成熟，因而制造难度低、可靠性好。此外，本发明还具有电机选用灵活，控制简单，易于安装维护等优点。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明一实施例的多电机发电装置的结构示意图；

图2是本发明一实施例的风力发电机组的运行流程图。

附图标记说明：

1 分动箱

2 第一电机

3 变流装置

4 第二电机

5 软并网装置

10 输入轴

11 第一输出轴

12 第二输出轴

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”主要用于区分不同的部件，但不对部件进行具体限制。本发明各处的电机是指发电机，各处的连接既可以是直接连接也可以是间接连接。

图1所示是本发明一实施例的多电机发电装置的结构示意图。在该实施例中，多电机发电装置包括二个电机。本领域技术人员应当清楚，本发明也可以包括更多电机。

从图1中可以看出，该实施例的多电机发电装置至少包括分动箱1、第一电机2和第二电机4。其中分动箱1包括输入轴10、第一输出轴11和第二输出轴12，其可以采用现有及改进技术中的一分二分动箱。其中输入轴10与风力发电机组的主轴机械连接，其作用是将风轮通过主轴传递的动能传递至第一电机2和第二电机4。第一输出轴11与第一电机2连接，第二输出轴12与第二电机4连接。

此外，前述第一电机2和第二电机中仅第一电机2连接有变流装置3，该变流装置3可采用现有及改进的结构。第一电机2通过该变流装置3连接电网。该变流装置3可采用全控型风电变流器，能实现第一电机2转矩控制和输出电网有功无功的独立调节。

前述第二电机4不连接任何变流装置，第一电机2连接的变流装置3能调整第二电机4的电功率。第二电机4不通过变流装置3连接电网，其可以直接连接电网。为了限制第二电机4并网时的冲击电流，优选该第二电机4连接有软并网装置5，通过该软并网装置5与电网相连。

软并网装置5可采用多种可能结构，优选其采用旁路双向晶闸管软切入技术，包括接触器和可逐步导通的双向晶闸管，接触器和晶闸管并联后用于与电网相连。第二电机4并网时通过软并网装置5内的双向晶闸管逐步导通，并网完成后第二电机4通过软并网装置5内的接触器直接与电网相连。

前述第一电机2通过变流装置3与电网相连，通过变流装置3的调整，其可在较宽范围内变速恒频运行；前述第二电机4只能在同步转速附近很小的转速范围内运行。该实施例可根据风速大小，调整功率在第一电机2和第二电机4上的分配，进而能更有效地利用风能。

控制系统根据不同的运行情况，调整第一电机2连接的变流装置3的参数，可控制第一输出轴11的转速，进而能控制第二输出轴12的转速，从而可控制第二电机4的转差率及电功率，最终实现第一电机2与第二电机4从动能换取电能的比例系数，保证各电机的最佳功率分配，进而能实现风能的最大利用。

前述第一电机2和第二电机4可采用多种类型的电机。作为一种优选的组合方式，第一电机2为永磁同步电机，该永磁同步电机的转子连接第一输出轴11，定子连接变流装置3；第二电机4为鼠笼电机，该鼠笼电机的转子连接第二输出轴12，定子用于连接电网。

作为另一种可能方式，第一电机2为双馈异步电机，变流装置3为双馈变流器。应当清楚，将第一电机2替换为鼠笼电机，将第二电机4替换为永磁同步电机，或者其它可能方式，均包括在本发明的技术方案之内。

显然地，本发明还可以采用一分三分动箱，即分动箱1还包括第三输出轴，第三输出轴连接第三电机，进而实现发电系统更多的可能选择。该第三电机的电功率可采用单独的装置控制，优选第三电机也不连接任何变流装置，第一电机2连接的变流装置3能调整第三电机的电功率。

前述实施例通过二个或更多的电机实现发电装置的大功率输出，通过较小功率的变流装置3实现了较大功率风力发电机组的变速运行控制，相对于现有技术有效地降低了系统成本；由于小功率变流器技术成熟，因而制造难度低、可靠性好。此外，前述实施例还具有电机选用灵活，控制简单，易于安装维护等优点。

图2是本发明一实施例的风力发电机组的运行流程图，其主要过程如下：

自检完成后，当机组无故障且风速大于切入风速而小于切出风速时，可进入待风状态；

进入待风状态后，当风速达到设定的第一电机2切入条件时，启动变流装置3，第一电机2并入电网；

第一电机2并入电网后，当风速满足设定的第二电机4切入条件时，通过变流装置3调节第二输出轴12的转速接近第二电机4的同步转速，启动软并网装置5，第二电机4并入电网；

当第一电机2和第二电机4均并入电网后，通过变流装置3实时调节风轮转速以获得最高发电效率；

当风速满足设定的第二电机4切出条件时，软并网装置5动作，第二电机4脱网；

当风速满足设定的第一电机2切出条件时，变流装置3动作控制第一电机2脱网。

前述过程中，仅在第一电机2并入电网，且风速符合第二电机4切入条件时，第二电机4才并入电网，此后在二个电机之间进行功率分配，实现风能的最大利用。

此外，第一输出轴11的输出速比与第二输出轴12的输出速比不同，而且优选各输出轴的输出速比固定不变，输出速比可根据与其连接的电机特性而灵活匹配设定。当然，二个输出轴的输出速比也可以相同。前述的输出速比是指输入速度与输出速度的比值。前述技术方案可保证第一电机2和第二电机4在不同的转速情况下切入和切出，既提高了低风速时的风能利用效率，又满足了高风速时的功率等级。

除了前述实施例的多电机发电装置外，本发明还提供一种设置有前述多电机发电装置的风力发电机组。该风力发电机组的其它结构如塔筒、基础等部分可参考现有及改进的技术，本文在此不进行赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多电机发电装置，其特征在于，包括分动箱(1)、第一电机(2)和第二电机(4)，其中：

所述分动箱(1)包括输入轴(10)、第一输出轴(11)和第二输出轴(12)；

所述第一输出轴(11)连接所述第一电机(2)，所述第二输出轴(12)连接所述第二电机(4)，所述第一电机(2)和第二电机(4)中仅第一电机(2)连接有变流装置(3)，所述第二电机(4)不连接任何变流装置，所述第一电机(2)连接的变流装置(3)能调整所述第二电机(4)的电功率；所述第二电机(4)连接软并网装置(5)；

当所述多电机发电装置无故障且风速大于切入风速而小于切出风速时，进入待风状态；

进入待风状态后，当风速达到设定的所述第一电机(2)切入条件时，启动所述变流装置(3)，所述第一电机(2)并入电网；

所述第一电机(2)并入电网后，当风速满足设定的所述第二电机(4)切入条件时，通过所述变流装置(3)调节所述第一电机的转速，使所述第一电机的转速接近所述第二电机(4)的同步转速，启动所述软并网装置(5)，所述第二电机(4)并入电网；

当所述第一电机(2)和所述第二电机(4)均并入电网后，通过所述变流装置(3)实时调节风轮转速以获得最高发电效率；

当风速满足设定的所述第二电机(4)切出条件时，所述软并网装置(5)动作，所述第二电机(4)脱网；

当风速满足设定的所述第一电机(2)切出条件时，所述变流装置(3)动作控制所述第一电机(2)脱网。

2.根据权利要求1所述的多电机发电装置，其特征在于，所述分动箱(1)还包括第三输出轴，所述第三输出轴连接第三电机。

3.根据权利要求2所述的多电机发电装置，其特征在于，所述第一电机(2)连接的变流装置(3)能调整所述第三电机的电功率。

4.根据权利要求1所述的多电机发电装置，其特征在于，所述第一电机(2)为永磁同步电机，所述永磁同步电机的转子连接所述第一输出轴(11)，定子连接所述变流装置(3)；所述第二电机(4)为鼠笼电机，所述鼠笼电机的转子连接所述第二输出轴(12)，定子用于连接电网。

5.根据权利要求1所述的多电机发电装置，其特征在于，所述第一电机(2)为双馈异步电机，所述变流装置(3)为双馈变流器。

6.根据权利要求1所述的多电机发电装置，其特征在于，所述软并网装置(5)包括接触器和可逐步导通的双向晶闸管，所述接触器和晶闸管并联后用于与电网相连。

7.根据权利要求1-5任一项所述的多电机发电装置，其特征在于，仅在所述第一电机(2)并入电网，且风速符合所述第二电机(4)切入条件时，所述第二电机(4)才并入电网。

8.根据权利要求1-5任一项所述的多电机发电装置，其特征在于，所述第一输出轴(11)的输出速比与所述第二输出轴(12)的输出速比不同。

9.一种风力发电机组，其特征在于，所述风力发电机组设置有权利要求1-8任一项所述的多电机发电装置。