CN105896592A - 基于复合结构感应电机的风力发电系统及风力发电测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于复合结构感应电机的风力发电系统，包括风力机、与所述风力机动力输出端传动连接的复合结构感应电机、与所述感应电机传动连接的同步发电机以及电气连接的蓄电池，所述同步发电机的电力输出端与电网连接，所述蓄电池通过功率转换器VSI3与电网连接，所述蓄电池通过功率转换器与感应电机连接，所述感应电机包括由外至内依次同轴设置的定子、外转子和内转子，所述外转子为双层鼠笼式结构，所述外转子的双层鼠笼之间设置有磁屏蔽材料制成的隔磁环，所述内转子位于外转子内，所述蓄电池通过功率转换器VSI1与内转子连接，蓄电池通过功率转换器VSI2与定子连接，能够有效增强风力发电系统的适应性，降低弃风现象发生的可能性，而且能够保证电网的能量均衡，而且稳定性好。

Description

基于复合结构感应电机的风力发电系统及风力发电测试系统

技术领域

本发明涉及一种风力发电系统，尤其涉及一种基于复合机构感应电机的风力发电系统及风力发电测试系统。

背景技术

当前，化石燃料日益枯竭，其燃烧所带来的环境问题也给人类带来了很多麻烦。新能源以其可持续性和清洁性引发人们越来越多的关注。风力发电作为新能源开发利用的一个重要方面得到了极大发展。现有主流的风力发电系统主要有双馈型和直驱型两种类型，但是永磁直驱型风力发电系统体积庞大，需要全容量的电力电子装置；双馈型风力发电系统能够解决上述问题，实现变速恒频运行，但是由于工作在高速，离不开多级机械增速装置。大功率电力电子装置和多级齿轮箱是现有风力发电系统比较薄弱的环节，一定程度上制约了风力发电产业的发展。

因此，本发明提出一种基于复合结构感应电机的风力发电系统，能够有效增强风力发电系统的适应性，降低弃风现象发生的可能性，而且能够保证电网的能量均衡，而且稳定性好。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于复合结构感应电机的风力发电系统，能够有效增强风力发电系统的适应性，降低弃风现象发生的可能性，而且能够保证电网的能量均衡，而且稳定性好。

本发明提供了一种基于复合结构感应电机的风力发电系统，包括风力机、与所述风力机动力输出端传动连接的复合结构感应电机、与所述感应电机传动连接的同步发电机以及电气连接的蓄电池，所述同步发电机的电力输出端与电网连接，所述蓄电池通过功率转换器VSI3与电网连接，所述蓄电池通过功率转换器与感应电机连接；

所述感应电机包括由外至内依次同轴设置的定子、外转子和内转子，所述外转子为双层鼠笼式结构，所述外转子的双层鼠笼之间设置有磁屏蔽材料制成的隔磁环，所述内转子位于外转子内，所述蓄电池通过功率转换器VSI1与内转子连接，蓄电池通过功率转换器VSI2与定子连接。

进一步，还包括变速器，所述变速器的动力输入端与风力机的动力输出端传动连接，变速器的动力输出端与感应电机的动力输入端连接。

进一步，还包括测试单元，所述测试单元包括用于检测复合感应电机状态的检测模块、与所述处理模块连接的处理模块以及与所述处理模块连接的上位机。

进一步，所述检测模块包括用于检测感应电机输出转矩的转矩检测器，所述转矩检测器均与处理模块连接。

进一步，所述处理模块包括dspace控制模块以及功率转矩测量仪，所述功率转矩测量仪与转矩检测器连接，功率转矩测量仪与dspace控制模块连接，所述dspace控制模块与上位机连接。

相应地，本发明提供了一种基于复合结构感应电机的风力发电测试系统，包括测功机、与所述测功机的动力输出端传动连接的复合结构感应电机、与所述感应电机传动连接的同步发电机以及电气连接的蓄电池，所述同步发电机的电力输出端与电网连接，所述蓄电池通过功率转器VSI3与电网连接，所述蓄电池通过功率转换器与感应电机连接；

所述感应电机包括由外至内依次同轴设置的定子、外转子和内转子，所述外转子为双层鼠笼式结构，所述外转子的双层鼠笼之间设置有磁屏蔽材料制成的隔磁环，所述内转子位于外转子内，所述蓄电池通过功率转换器VSI1与内转子连接，蓄电池通过功率转换器VSI2与定子连接；

还包括测试单元，所述测试单元包括用于检测复合感应电机状态的检测模块、与所述处理模块连接的处理模块以及与所述处理模块连接的上位机。

进一步，所述检测模块包括用于检测感应电机转轴转速的旋转变压器和用于检测感应电机输出转矩的转矩检测器，所述旋转变压器和转矩检测器均与处理模块连接。

进一步，所述处理模块包括处理器、dspace控制模块以及功率转矩测量仪，所述处理器的输入端与旋转变压器连接，所述处理器与dspace控制模块连接，所述功率转矩测量仪与转矩检测器连接，功率转矩测量仪与dspace控制模块连接，所述dspace控制模块与上位机连接。

进一步，所述旋转变压器为两个，分别设置于感应电机的动力输入端和动力输出端。

本发明的有益效果：本发明提供的基于复合结构感应电机的风力发电系统，能够有效增强风力发电系统的适应性，能够有效降低风俗变化对风力发电系统的影响，从而降低弃风现象发生的可能性，而且能够保证电网的能量均衡，而且稳定性好；

本发明的基于复合结构感应电机的风力发电测试系统，能够对风力发电系统的参数进行准确测量，为风力发电系统在实际工作中的控制策略的制定作出准确指导，从而保证风力发电系统的稳定运行。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的复合结构感应电机的结构示意图。

图2为本发明的风力发电系统的结构示意图。

图3为本发明单电机电动模式下电池电量不足时对应功率流示意图。

图4为本发明单电机电动模式下电池电量充足时对应功率流示意图。

图5为本发明双电机发电模式下电池电量不足时对应功率流示意图。

图6为正常风速时电机电动发电并存模式下对应功率流示意图。

图7为单电机发电模式下电池电量饱和时对应功率流示意图。

图8为双电机发电模式下电池电量饱和时对应功率流示意图。

图9为脱网运行模式下电池电量未饱和时弱风对应功率流示意图。

图10为脱网运行模式下电池电量未饱和时弱风对应功率流示意图。

图11为本发明的风力发电测试系统的结构示意图。

具体实施方式

图1为本发明的复合结构感应电机的结构示意图，图2为本发明的风力发电系统的结构示意图，本发明提供了一种基于复合结构感应电机的风力发电系统，包括风力机9、与所述风力机9动力输出端传动连接的复合结构的感应电机、与所述感应电机传动连接的同步发电机11以及蓄电池，所述同步发电机11的电力输出端与电网连接，所述蓄电池通过功率转器VSI3与电网连接，所述蓄电池通过功率转换器与感应电机连接；

所述感应电机包括由外至内依次同轴设置的定子2、外转子3和内转子8，所述外转子3为双层鼠笼式结构，所述外转子3的双层鼠笼之间设置有磁屏蔽材料制成的隔磁环4，所述内转子8位于隔磁环4内，所述蓄电池通过功率转换器VSI1与内转子连接，蓄电池通过功率转换器器VSI2与定子连接，其中，外转子由于是两层鼠笼结构，位于隔磁环外部的鼠笼为外鼠笼，位于隔磁环内部的鼠笼为内鼠笼，外鼠笼和外转子与定子组成外电机，内鼠笼和内转子与定子组成内电机，从而形成双电机式的复合结构，感应电机的定子固定设置于机壳1上，转子及隔磁环设置于感应电机的传动轴6上，为了使隔磁环隔磁效果良好，隔磁环采用筒状结构，且隔磁环的右端底部向外(即图1和图2中的右侧)凸起形成凹槽结构5，利于设置轴承使得隔磁环稳固的设置在传动轴6上，通过上述结构，感应电机能够起到无级变速作用，能够有效避免风速对风力发电系统的影响，从而避免弃风现象的影响，而且当风力充足的情况下，也就是说当前风力超过发电系统所承受的最高限度时，外电机可以用作发电机运行，将风能转化为电能存储到蓄电池中，当风力过小时，电池放电，一方面控制内电机运行作为电动机带动同步发电机进行发电，另一方面还通过功率转换器VSI3向电网补充电能，从而使得电网的能量均衡，确保电网稳定运行，当然，当蓄电池电量不足的时候，同样可以通过电网的作用向蓄电池补充电能；由于内电机和外电机在工作过程中会产生磁场，从而相互干扰而导致风力发电系统的稳定性降低，通过隔磁环的作用，能够有效地消除复合电机的自身干扰，从而确保稳定运行，稳定性高，当然，同步发电机输出电能并入电网时还需通过断路器以及调压器，属于现有技术，在此不加以赘述。

本实施例中，还包括变速器10，所述变速器10的动力输入端与风力机9的动力输出端传动连接，变速器10的动力输出端与感应电机的动力输入端连接，通过变速器的作用，在风速极高或者风速极低时，通过变速器的作用，可以断开风力机与感应电机的之间的连接，而在风速较低或者较高时，变速箱起到一级调节作用，并且变速箱与感应电机的结合，能够大大提高风力发电系统的风力适应性，确保整个风力发电系统的持续稳定运行。

本实施例中，还包括测试单元，所述测试单元包括用于检测复合感应电机状态的检测模块、与所述处理模块连接的处理模块以及与所述处理模块连接的上位机。

其中，所述检测模块包括用于检测感应电机输出转矩的转矩检测器12，转矩检测器12与处理模块连接。

所述处理模块包括dspace控制模块以及功率转矩测量仪，所述功率转矩测量仪与转矩检测器连接，功率转矩测量仪与dspace控制模块连接，所述dspace控制模块与上位机连接，通过上述结构，能够实现对不同功率级别风力发电系统中的复合结构的感应电机测试，实时采集系统的数据，为进一步改善控制策略提供实时准确的数据支持，其中，dspace控制模块和功率转矩测量仪均为现有技术，在此不加以赘述。

相应地，本发明提供了一种基于复合结构感应电机的风力发电测试系统，包括测功机14、与所述测功机14的动力输出端传动连接的复合结构的感应电机、与所述感应电机传动连接的同步发电机11以及蓄电池，所述同步发电机11的电力输出端与电网连接，所述蓄电池通过功率转器VSI3与电网连接，所述蓄电池通过功率转换器与感应电机连接；

所述感应电机包括由外至内依次同轴设置的定子2、外转子3和内转子8，所述外转子3为双层鼠笼式结构，所述外转子3的双层鼠笼之间设置有磁屏蔽材料制成的隔磁环4，所述内转子8位于隔磁环4内，所述蓄电池通过功率转换器VSI1与内转子8连接，蓄电池通过功率转换器VSI2与定子连接；

还包括测试单元，所述测试单元包括用于检测复合感应电机状态的检测模块、与所述处理模块连接的处理模块以及与所述处理模块连接的上位机，通过上述结构，能够对风力发电系统的参数进行准确测量，为风力发电系统在实际工作中的控制策略的制定作出准确指导，从而保证风力发电系统的稳定运行。

本实施例中，所述检测模块包括用于检测感应电机转轴转速的旋转变压器13和用于检测感应电机输出转矩的转矩检测器12，所述旋转变压器13和转矩检测器12均与处理模块连接。

其中，所述处理模块包括处理器、dspace控制模块以及功率转矩测量仪，所述处理器的输入端与旋转变压器13连接，所述处理器与dspace控制模块连接，所述功率转矩测量仪与转矩检测器12连接，功率转矩测量仪与dspace控制模块连接，所述dspace控制模块与上位机连接；

所述旋转变压器为两个，分别设置于感应电机的动力输入端和动力输出端；其中，所述处理器为ARM单片机，通过上述结构，能够对风力发电系统进行实验室的数据测量，能够测量参数准确分析风力发电系统的稳定性及可靠性，为实际工作进行准确指导。

以下对本发明的风力发电系统的不同工作模式进行进一步说明：系统工作情况如表1所示的表格为例：

表1

如图1至图10所示：由于感应电机为复合结构，因此，外转子和定子之间构成外电机，内转子和定子之间构成内电机,其中，图3-图10中的参数分别为：EM1为內电机，EM2为外电机，P_in为变速器传输到复合结构感应电机传动轴上的功率，P_EM1为直流母线输入到內电机的功率，P_EM2为直流母线输入到外电机的功率，P_EM3代表直流母线与电网端的能量流动，P_d为内转子直接耦合到外转子侧的功率，P_e代表电池与直流母线端的能量流动，P_out为复合结构感应电机输出至同步发电机端的功率，箭头表示能量流动方向；

第一种状况：单电机电动模式，系统首次运行或者启动时，在风力机速度上升的过程中，复合结构感应电机可辅助风力机启动，此时外电机锁止，内电机工作在电动状态。若电池电量不足，电网可通过逆变器VSI3向电池充电，同时通过逆变器VSI1向内转子释放电能，此时内部功率流如图3所示。当电池电量充足时，可同样通过逆变器VSI1向内转子释放电能，此时内部功率流如图4所示。风力机可尽快达到目标速度运转，此后启动同步发电机，整个过程中缩短了启动时间；

双电机工作模式，当风力偏弱但仍具有利用价值时，为保证电网端供电，复合结构感应电机中内外电机将工作在电动状态，为同步发电机补充转矩。当电池电量充足时，电池会首先通过逆变器VSI1、VSI2向复合结构感应电机中的内外电机供电，使其工作在电动状态。若电池电量不足，电网端将通过VSI3一方面为电池充电，另一方面为内外电机提供能量。此时其功率流动情况如图5所示；通过各模块采集到的数据，计算机软件可显示出系统的能量流动情况，并计算出复合结构感应电机的效率。根据电池组能量的变化情况，复合结构感应电机能量传递效率可计算为：

若电池放电：

若电池充电：

感应电机电动发电并存模式，风力强但未超出机组容量时，复合结构感应电机中内外电机正常运行，内电机在发电状态运行，外电机在电动状态下运行。复合结构感应电机可看作一个可变齿轮箱，正常风速下一部分能量通过内转子形成的磁场耦合进外转子中，另外一部分通过直流母线和逆变器VSI1、VSI2进入外转子，功率流动如图6所示。此时系统效率为，

$\mathrm{\η}=\frac{P_{out}}{P_{in}}$

此模式下整个过程中电池起到一个平衡功率传输的作用。若风速偏强时，直流母线上的电能将分为两部分，一部分通过VSI2进入外转子，一部分为电池充电，若此模式时间较长电池电量充满时，多余的电能将通过VSI3向电网端流动，此时功率流动如图7所示。此时，根据能量流动方向的不同，其效率可计算为：

若电池充电：

若电网端吸收电能：

双电机发电模式：当风力超过发电机组容量时，复合结构感应电机中内外电机均可作为发电机运行，多余电能首先通过VSI1，VSI2输送至蓄电池，当电池饱和时，VSI3接通电网，多余电能将传输至电网端。电池电量饱和时系统能量流动如图8所示，根据不同的功率流，系统效率可计算为：

若电池电量未饱和：

若电网端吸收电能：

第二种情况：非正常工作状况，若电网发生故障，系统前期依然可以发电运转，系统产生的电能被保存在电池中。根据风速强度的不同，能量流动又可分为两种情况。当风力较弱时，此时复合结构感应电机中外转子保持静止，内转子与外转子可等效为一个发电机，此时其功率流向如图9所示，当风力较强超过内电机作为发电机所能承受的容量时，内外电机可看作两台发电机运行。此时其功率流向如图10所示，两种情况下虽然其功率流向不同，但都可通过下式来计算其功率，

$\mathrm{\η}=\frac{P_e}{P_{in}}$

若此时电池电量达到饱和，系统将停止运行。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种基于复合结构感应电机的风力发电系统，其特征在于：包括风力机、与所述风力机动力输出端传动连接的复合结构感应电机、与所述感应电机传动连接的同步发电机以及电气连接的蓄电池，所述同步发电机的电力输出端与电网连接，所述蓄电池通过功率转换器VSI3与电网连接，所述蓄电池通过功率转换器与感应电机连接；

所述感应电机包括由外至内依次同轴设置的定子、外转子和内转子，所述外转子为双层鼠笼式结构，所述外转子的双层鼠笼之间设置有磁屏蔽材料制成的隔磁环，所述内转子位于外转子内，所述蓄电池通过功率转换器VSI1与内转子连接，蓄电池通过功率转换器VSI2与定子连接。

2.根据权利要求1所述基于复合结构感应电机的风力发电系统，其特征在于：还包括变速器，所述变速器的动力输入端与风力机的动力输出端传动连接，变速器的动力输出端与感应电机的动力输入端连接。

3.根据权利要求1或2所述基于复合结构感应电机的风力发电系统，其特征在于：还包括测试单元，所述测试单元包括用于检测复合感应电机状态的检测模块、与所述处理模块连接的处理模块以及与所述处理模块连接的上位机。

4.根据权利要求3所述基于复合结构感应电机的风力发电系统，其特征在于：所述检测模块包括用于检测感应电机输出转矩的转矩检测器，所述转矩检测器均与处理模块连接。

5.根据权利要求4所述基于复合结构感应电机的风力发电系统，其特征在于：所述处理模块包括dspace控制模块以及功率转矩测量仪，所述功率转矩测量仪与转矩检测器连接，功率转矩测量仪与dspace控制模块连接，所述dspace控制模块与上位机连接。

6.一种基于复合结构感应电机的风力发电测试系统，其特征在于：包括测功机、与所述测功机的动力输出端传动连接的复合结构感应电机、与所述感应电机传动连接的同步发电机以及电气连接的蓄电池，所述同步发电机的电力输出端与电网连接，所述蓄电池通过功率转换器VSI3与电网连接，所述蓄电池通过功率转换器与感应电机连接；

所述感应电机包括由外至内依次同轴设置的定子、外转子和内转子，所述外转子为双层鼠笼式结构，所述外转子的双层鼠笼之间设置有磁屏蔽材料制成的隔磁环，所述内转子位于外转子内，所述蓄电池通过功率转换器VSI1与内转子连接，蓄电池通过功率转换器VSI2与定子连接；

还包括测试单元，所述测试单元包括用于检测复合感应电机状态的检测模块、与所述处理模块连接的处理模块以及与所述处理模块连接的上位机。

7.根据权利要求6所述基于复合结构感应电机的风力发电测试系统，其特征在于：所述检测模块包括用于检测感应电机转轴转速的旋转变压器和用于检测感应电机输出转矩的转矩检测器，所述旋转变压器和转矩检测器均与处理模块连接。

8.根据权利要求7所述基于复合结构感应电机的风力发电测试系统，其特征在于：所述处理模块包括处理器、dspace控制模块以及功率转矩测量仪，所述处理器的输入端与旋转变压器连接，所述处理器与dspace控制模块连接，所述功率转矩测量仪与转矩检测器连接，功率转矩测量仪与dspace控制模块连接，所述dspace控制模块与上位机连接。

9.根据权利要求7所述基于复合结构感应电机的风力发电测试系统，其特征在于：所述旋转变压器为两个，分别设置于感应电机的动力输入端和动力输出端。