CN109931221A - 一种双速永磁风力发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双速永磁风力发电系统，包括：同轴连接的叶轮、双速永磁电机、变流器和变压器；所述叶轮与所述双速永磁电机的输入端连接，所述双速永磁电机的输出端与所述变流器的输入端连接，所述变流器的输出端经过所述变压器与电网连接；所述双速永磁电机能够产生两种不同极对数的磁场，实现两个额定工作转速，用于将所述叶轮捕获的风能转化为电能；所述变流器，用于通过开关切换所述双速永磁电机定子绕组的工作状态，对电能转换过程进行监测和处理。本发明的双速永磁风力发电系统功率密度大，电机效率高，且双速永磁电机产生能够两种不同极对数的磁场，实现两个额定工作转速，增大了转速调节范围，提高了风能转化效率。

Description

一种双速永磁风力发电系统
技术领域
本发明属于新能源发电技术领域，更具体地，涉及一种双速永磁风力发电系统。
背景技术
风力发电是除水力发电外最具有潜力的可再生能源发电技术。近年来，风力发电在我国得到了飞速的发展，我国已成为名副其实的风电大国。
风力发电机的特性通常由一簇风能利用系数Cp的无因次性能曲线来表示，风能利用系数是风力发电机叶尖速比λ的函数，如果保持浆距角不变，可用如图1所示的Cp(λ)曲线表示风能利用系数与叶尖速比的关系。叶尖速比λ可表示为其中Ω为风力发电机风轮角速度，R为风轮半径， v为主导风速，vt为叶尖线速度。由于风速的变化范围很宽，如果风轮转速保持恒定，根据上式可知，叶尖速比λ变化范围也将很宽，由图1可知发电机运行在最佳风能利用系数Cpmax点的机率很小。
风力发电机从风中捕获的机械功率可表示为其中ρ为空气密度，A为风力发电机叶轮旋转一周扫过的面积，由此可见，在风速一定时，风轮获得的功率取决于风能利用系数，为保持风力发电机机械功率最大，需要使发电机在任何风速下，都运行在最佳风能利用系数点下，根据图1，需要使风轮的叶尖速比λ保持在λopt，因此在风速变化时，只要调节风轮转速，使叶尖速度与风速之比保持不变，就可获得最佳的风能利用系数，这就是变速风力发电机组进行转速控制的基本目标。
现有技术的风力发电系统主要包括定速风力发电系统和变速风力发电系统；对于定速风力发电系统，由于风轮保持一定转速运行，风能转换效率较低，已逐步被变速风力发电系统所取代，而对于变速风力发电系统，如发电单元采用双速异步发电机，虽能实现较宽的转速调节范围，但存在功率密度低的问题；如发电单元采用永磁发电机提高功率密度，又存在转速调节范围窄的问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种双速永磁风力发电系统，旨在解决现有变速风力发电系统不能兼顾转速调节范围与功率密度的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种双速永磁风力发电系统，包括：同轴连接的叶轮、双速永磁电机、变流器和变压器；
所述叶轮与所述双速永磁电机的输入端连接，所述双速永磁电机的输出端与所述变流器的输入端连接，所述变流器的输出端经过所述变压器与电网连接；
所述双速永磁电机用于产生两种不同极对数的磁场，实现两个额定工作转速，用于将所述叶轮捕获的风能转化为电能；
所述变流器，用于通过开关切换所述双速永磁电机定子绕组的工作状态，以对电能转换过程进行监测和处理。
优选地，所述双速永磁电机采用极弧宽度不等的表贴或内置磁钢产生两种不同极对数的磁场，实现两个额定工作转速。
可选地，所述双速永磁电机采用两套极对数不同的定子绕组产生与所述磁钢产生的磁场极对数匹配的磁场。
进一步可选地，所述两套极数不同的定子绕组的工作状态为：在低风速状态下，将开关切换到多极对数定子绕组；在高风速状态下，将开关切换到少极对数定子绕组。
可选地，所述双速永磁电机采用一套定子绕组通过变极方式产生与所述磁钢产生的磁场极对数匹配的磁场。
进一步可选地，所述一套定子绕组的工作状态为：在低风速状态下，将开关接入定子绕组；在高风速状态，将开关接入变极后的少极对数定子绕组。
优选地，所述定子绕组为三相绕组或多相绕组。
可选地，所述叶轮通过变速齿轮箱与双速双速永磁电机相连接。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
(1)本发明的双速永磁风力发电系统采用双速永磁电机，没有励磁绕组产生的铜耗，电机效率高，且采用高磁能积的磁钢，电机功率密度高。
(2)本发明的双速永磁风力发电系统，双速永磁电机能够产生两种不同极对数的工作磁场，实现两个额定工作转速，增大了转速调节范围，提高了电机机械功率，进而提高了风能转化效率。
附图说明
图1桨距角不变时风力发电机性能曲线；
图2为本发明实施例的一种双速永磁风力发电系统结构示意图；
图3为本发明实施例的一种双速永磁电机结构示意图；
图4为本发明实施例的一种双速永磁电机两套极对数不同的定子绕组工作状态转换示意图；
图5为本发明实施例的一种双速永磁电机一套定子绕组变极示意图；
其中：1为叶轮，2为双速永磁电机，21为定子，22为定子绕组，23 为转子，24为磁钢，3为变流器，4为变压器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图2所示，本发明提供的双速永磁风力发电系统，包括同轴连接的叶轮1、双速永磁电机2、变流器3和变压器4；
叶轮1包括为水平或垂直分布的多个叶片，与双速永磁电机2的输入端连接，用于实现风能捕获；实际应用中，叶轮1可通过变速齿轮箱与双速永磁电机2连接；双速永磁电机2的输出端与变流器3的输入端连接，变流器3的输出端经过变压器4与电网连接；
如图3所示，双速永磁电机2包括嵌套的定子和转子，其中，定子包括：定子导磁铁心21，定子绕组22；转子包括：转子导磁铁心23和磁钢 24，双速永磁电机2用于将叶轮1捕获的风能转换为电能；变流器3包括开关管、电容和二极管等电力电子器件，用于切换定子绕组的工作状态，以对电能转换过程进行监测和处理；变压器4用于隔离发电系统与电网；
双速永磁电机2采用极弧宽度不等的表贴或内置磁钢产生两种不同极对数的磁场，磁钢产生的磁场与绕组产生的极对数相同的磁场相作用来实现机电能量转换。如极对数为4或2，极对数为4的磁场与多极对数定子绕组产生的磁场相互作用，极对数为2的磁场与少极对数定子绕组产生的磁场相互作用。
为了与转子产生的两种极对数磁场相匹配，定子可设置两套极对数不同的绕组产生两种不同极对数的磁场；
采用两套极对数不同的定子绕组时，变流器3与定子绕组22的连接方式如图4所示，在低风速状态下，开关k切到第一套定子三相绕组 (A1-B1-C1)，对应多极对数定子绕组；在高风速状态下，开关k切到第二套定子绕组(A2-B2-C2)，对应少极对数定子绕组。开关k可由电子开关代替，通过开关k切换绕组工作状态，以在最大范围内实现风能的高效利用。
定子也可设置一套绕组，通过变极方式与转子产生的两种极对数磁场相匹配，设置一套定子绕组时，变流器3与定子绕组22的连接方式如图5 所示，在低风速状态下，开关S1闭合，开关S2保持断开，接入定子绕组，对应绕组连接为多极对数连接方式；在高风速状态下，开关S1断开，开关 S2闭合，接入变极后的少极对数定子绕组。
由于双速永磁电机2能够产生两种不同极对数的工作磁场，因此存在两种同步转速与之相对应。
本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种双速永磁风力发电系统，其特征在于，包括：同轴连接的叶轮、双速永磁电机、变流器和变压器；
所述叶轮与所述双速永磁电机的输入端连接，所述双速永磁电机的输出端与所述变流器的输入端连接，所述变流器的输出端经过所述变压器与电网连接；
所述双速永磁电机能够产生两种不同极对数的磁场，实现两个额定工作转速，用于将所述叶轮捕获的风能转化为电能；
所述变流器，用于通过开关切换所述双速永磁电机定子绕组的工作状态，对电能转换过程进行监测和处理。
2.根据权利要求1所述的一种双速永磁风力发电系统，其特征在于，所述双速永磁电机采用极弧宽度不等的表贴或内置磁钢产生两种不同极对数的磁场，实现两个额定工作转速。
3.根据权利要求2所述的一种双速永磁风力发电系统，其特征在于，所述双速永磁电机采用两套极对数不同的定子绕组产生与所述磁钢产生的磁场极对数匹配的磁场。
4.根据权利要求3所述的一种双速永磁风力发电系统，其特征在于，所述两套极数不同的定子绕组的工作状态为：在低风速状态下，将开关切换到多极对数定子绕组；在高风速状态下，将开关切换到少极对数定子绕组。
5.根据权利要求2所述的一种双速永磁风力发电系统，其特征在于，所述双速永磁电机采用一套定子绕组通过变极方式产生与所述磁钢产生的磁场极对数匹配的磁场。
6.根据权利要求5所述的一种双速永磁风力发电系统，其特征在于，所述一套定子绕组的工作状态为：在低风速状态下，将开关接入定子绕组；在高风速状态，将开关接入变极后的少极对数定子绕组。
7.根据权利要求1或6任一项所述的一种双速永磁风力发电系统，其特征在于，所述叶轮通过变速齿轮箱与所述双速永磁电机连接。
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