CN110971095B - 一种双定子风力发电机及发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双定子风力发电机及发电系统，它由内向外依次为转轴、内定子、绕线转子、永磁转子和外定子。所述内定子和绕线转子之间为第一气隙，所述绕线转子与永磁转子之间为第二气隙，所述永磁转子和外定子之间为第三气隙。外定子与永磁转子构成外永磁同步电机，内定子、绕线转子与永磁转子构成内永磁双馈电机。本发明的优点，结构紧凑，发电量大，特别是在电网故障期间，可以显著改善风力发电系统的低电压穿越能力，提高了发电系统稳定运行性能并降低了风电控制系统的复杂性。

Description

一种双定子风力发电机及发电系统

技术领域

本发明涉及一种风力发电机，尤其涉及一种双定子风力发电机。

背景技术

变速恒频双馈风力发电机定子和电网相连，发电机转子和风轮机同轴联结，转子绕组采用绕线结构，转子绕组通过能量可以双向流动的变流器和电网相连，调节转子励磁电流的幅值、频率、相位等参数，实现在风速变化时，保持发电机定子侧具有恒频恒压的输出，转子侧则根据不同的运行状态通过双向变流器输入或输出能量，实现变速恒频双馈并网运行。采用双馈发电机可以在风速变化时，保持定子侧输出电压和频率不变，从而可以直接并网，另外双向变流器的容量可以比发电机的容量小很多。目前双馈发电机低电压穿越控制策略较复杂。因此如何提高双馈发电机低电压穿越能力，简化控制系统是国内外研究的热点。

永磁同步电机通过转动永磁体来励磁，省略齿轮箱等传动设备，使用更加简单方便。直驱永磁风力发电机通过全功率变流器与电网相连，为网侧提供无功功率提高了电网稳定性。风力机采用变桨距控制，可实现最大风能跟踪，风机低电压穿越能力较强。该类风力发电系统也存在一些不足，由于发电机定子与变流器相连，变流器的容量较大，直接导致风电机组成本升高且损耗大。

随着风力发电装机容量的不断增大，其对电网的影响已经不能忽略，特别是低电压穿越能力是并网规则要求比较严格的指标之一。例如在电网故障如电压跌落时保持并网，快速向电网提供有功和无功功率支持，帮助电网电压及频率的恢复及稳定是风力发电技术研究的重点。因此需要从改变发电机本体结构上或增加硬件保护电路，来实现风电机组低电压穿越并对变流器进行有效保护。

由于双定子永磁电机具有高功率密度、高效率等优点，而且在相同电机体积下，能够输出更高的电压和更优的电能质量，因此在风力发电领域的应用越来越受到重视。

发明内容

针对现有风力发电技术中要求在电网故障期间，发电机必须具备并网运行的低电压穿越能力，本发明将永磁同步发电机和双馈发电机优点相结合，提出了一种可以提升单机发电量、减小转子侧变流器励磁容量和简化风电控制系统，同时提高发电机低电压穿越能力的双定子风力发电机。所述发电机由内向外依次为转轴、内定子、绕线转子、永磁转子和外定子，所述内定子和绕线转子之间为第一气隙，所述绕线转子与永磁转子之间为第二气隙，所述永磁转子和外定子之间为第三气隙。内定子用支架固定在电机第二端盖上，内定子的槽中嵌放单层三相集中电枢绕组；外定子的槽中放置双层三相分布电枢绕组；永磁转子上的外层永磁体和内层永磁体均为表贴式结构，沿径向内、外层为同向充磁，并且相邻永磁体充磁方向相反。外定子与永磁转子构成外永磁同步电机，内定子、绕线转子与永磁转子构成内永磁双馈电机。

外定子固设在机壳的内壁。

绕线转子与发电机转轴固定连接。

优选地，绕线转子绕组依次连接有电刷和滑环，并通过电刷和滑环连接内永磁双馈发电机侧变流器，由内永磁双馈发电机侧变流器提供三相励磁电源。

永磁转子设置有独立轴承支撑，可以自由转动。

优选地，外定子、永磁转子、绕线转子以及内定子四者中心线在同一条直线上。

优选地，绕线转子轴上连接有转轮连接轴，转轮轴套上套设有第一风轮。

外定子包括：铁心和外定子绕组；内定子包括：铁心和内定子绕组。所述内定子绕组、外定子绕组和绕线转子绕组均为三相对称交流绕组。

优选地，永磁转子支架内层和外层都安装永磁体，内层永磁体产生的磁链和通入交流励磁电源的绕线转子绕组在第二气隙中产生的磁链匝链，同时与内定子绕组产生的磁场匝链，实现混合励磁。

优选地，所述内定子、外定子、永磁转子的极数和绕线转子的极数相同。

内定子支架固定在机壳第二端盖内侧。

一种双定子风力发电系统，包括：双定子风力发电机、内永磁双馈发电机侧变流器、内永磁双馈发电机网侧变流器、外永磁同步发电机侧变流器以及外永磁同步发电机网侧变流器。

双定子风力发电机的外定子绕组通过外永磁同步发电机侧变流器和网侧变流器与电网相连；双定子风力发电机的绕线转子绕组与内永磁双馈发电机侧变流器连接，再通过网侧变流器与电网连接。双定子风力发电机的内定子绕组直接与电网相连。

所述内永磁双馈发电机侧变流器和内永磁双馈发电机网侧变流器为部分功率变流器。

外永磁同步发电机侧变流器和外永磁同步发电机网侧变流器为全功率变流器。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

1、采用永磁体和绕线转子内交流电共同励磁，可以更加灵活地调节气隙磁场，降低了内永磁双馈发电机变流器励磁容量和控制策略的复杂性，提高了发电机的功率因数和效率。

2、在电网故障期间，由于永磁转子的存在，再加上绕线转子电流的幅值、频率或相位可调，进行增磁或弱磁控制提高了发电机在各种故障状态下的运行能力，对故障状态下的电网稳定提供有力支持。

3、由于采用双定子结构，发电量得到很大提高，当电网发生故障引起电网电压降低时，所述内永磁双馈发电机可以通过调整绕线转子中三相交流电的大小，相位和频率，来对电网进行无功支持，同时由于所述外永磁同步发电机的存在，可以为电网提供无功功率，低电压穿越能力得到较大增强，不需要过于复杂的控制策略。

4、采用同一径向结构的双定子和双转子，且其中一个转子采用绕线结构，两个定子槽中均放置独立的电枢绕组。通过增加定子和转子的数量，提高了径向结构的空间利用率，相当于两个电机合成的性能，提高了电机功率密度和转矩密度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为双定子风力发电机整体结构示意图；

图2为双定子风力发电机剖面结构示意图；

图3为应用双定子风力发电机的发电系统整体结构示意图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将运用具体的实施例及附图，对本发明保护的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本专利中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利保护的范围。

本实施例提供一种双定子风力发电机，如图1和图2所示，包括：机壳1，机壳1设有第一端盖13和第二端盖19；第一端盖13和第二端盖19分别设有两个固定孔，所述固定孔的孔壁内套分别设有轴承20和16。

机壳1内部设有永磁转子7，永磁转子7内部设有绕线转子4，绕线转子4内部包裹有内定子14；外定子2固设在机壳1的内壁。

本实施例中，永磁转子7与绕线转子4之间设有第二气隙，永磁转子产生的磁链和通入交流励磁电源的绕线转子绕组5在第一气隙和第二气隙中产生的磁链匝链，同时与内定子绕组14产生的磁场匝链，实现对内永磁双馈发电机主磁场混合励磁。

所述永磁转子7的极数要和外定子2、内定子14和绕线转子4的极数相同，所述永磁转子7采用导磁材料制作，永磁转子7内层和外层永磁体的充磁方向为径向充磁，该磁体结构可以提高发电机的气隙磁密。

在发电机永磁转子7与外定子2之间有第三气隙，外定子铁心、绕线转子铁心和内定子铁心由硅钢叠片或其他导磁材料构成，与普通电机制造工艺相同。

本实施例中，通过外永磁同步和内永磁双馈风力发电机复合本体结构，来减小励磁变流器的容量和运行时的稳定性，既有助于风力发电系统简化控制算法，同时也有助于节省风力发电运行和维护成本。

永磁转子7不接任何负载。永磁转子7的极数与外定子2和绕线转子4以及内定子4的极数相同；绕线转子4安装于永磁转子7内部，与永磁转子7之间有第二气隙，绕线转子4包括铁心和转子绕组5；绕线转子4与转轴12固定连接。外定子绕组3、绕线转子绕组5和内定子绕组15均为三相对称交流绕组。

本实施例的双定子风力发电机采用的永磁转子7和绕线转子4双转子结构，不但使第一气隙10和第二气隙9的气隙磁密提高、绕线转子轭部磁密降低，从而提高发电机的运行效率和转矩密度，同时使气隙磁密呈正弦分布，能够保证外定子绕组3和内定子绕组15电势呈正弦分布。

本发明还提供一种应用双定子风力发电机的发电系统，如图3所示，包括：双定子风力发电机、内永磁双馈发电机侧变流器24、内永磁双馈发电机网侧变流器25、外永磁同步发电机侧变流器26以及外永磁同步发电机网侧变流器27。

所述双定子风力发电机的外定子绕组3通过外永磁同步发电机侧变流器26和网侧变流器27与电网相连；所述双定子风力发电机的绕线转子绕组5与内永磁双馈发电机侧变流器24和网侧变流器25与电网连接。双定子风力发电机的内定子绕组15与电网相连。

所述内永磁双馈发电机侧变流器24和内永磁双馈发电机网侧变流器25为部分功率变流器。

所述外永磁同步发电机侧变流器26和外永磁同步发电机网侧变流器27为全功率变流器。

应用双定子风力发电机的发电系统并网运行如图3所示，所述内永磁双馈发电机的工作原理与普通双馈风力发电机原理类似，但是由于在结构上增加了永磁转子7励磁，根据风速变化的大小，调节内永磁双馈发电机侧变流器24来实现绕线转子绕组5电流的变化，此时绕线转子磁场和永磁转子磁场共同在内定子绕组15上感应出与电网频率相等的反电势，并入电网后发电机即可实现变速恒频双馈发电。所述外永磁同步发电机的原理与一般永磁同步发电机原理相同。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这个实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这个实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

其中各附图标记为：1、机壳，2、外定子，3、外定子绕组，4、绕线转子，5、绕线转子绕组，6、第三气隙，7、永磁转子，8、永磁转子支架，9、第二气隙，10、第一气隙，11、绕线转子支架，12、转轴，13、第一端盖，14、内定子,15、内定子绕组,16、第二端盖与转轴之间轴承，17、电刷，18、滑环，19、第二端盖，20、第一端盖与永磁转子支架之间轴承，21、内定子支架，22、第一风轮，23、第二风轮，24、内永磁双馈发电机侧变流器，25、内永磁双馈发电机网侧变流器，26、外永磁同步发电机侧变流器，27、外永磁同步发电机网侧变流器。

Claims (3)

1.一种双定子风力发电机，其特征是，它包括机壳(1)和第一端盖(13)和第二端盖(19)，其内安装发电机转轴(12)，在机壳(1)内还安装外定子(2)，外定子(2)由铁心和外定子绕组(3)构成；永磁转子(7)安装在外定子(2)和绕线转子(4)之间，并通过轴承(20)与发电机转轴(12)刚性连接，永磁转子(7)可以通过轴承(20)绕发电机转轴(12)自由旋转；内定子(14)位于绕线转子(4)内腔，内定子(14)由内定子铁心和内定子绕组(15)构成，通过内定子支架(21)固定在第二端盖(19)内侧，所述内定子(14)和绕线转子(4)之间为第一气隙（10），所述绕线转子(4)与永磁转子(7) 之间为第二气隙（9），所述永磁转子(7)和外定子(2) 之间为第三气隙（6），外定子(2)与永磁转子(7) 构成外永磁同步电机；内定子(14)、绕线转子(4)与永磁转子(7) 构成内永磁双馈电机；所述永磁转子（7）包括外层永磁体、内层永磁体和永磁转子支架（8），所述外层永磁体和内层永磁体固定设置在永磁转子支架（8）的外壁和内壁两侧，所述永磁转子支架（8）与转轴（12）以及第一端盖（13）均为可转动连接；绕线转子（4）与发电机转轴（12）固定连接，发电机转轴（12）连接有转轮连接轴，转轮轴套上套设有第一风轮（22）；所述外定子绕组(3)、内定子绕组(15)和绕线转子绕组（5）均为三相交流绕组；根据发电机运行状态的要求，可以通过改变绕线转子绕组(5)中电流的幅值、频率或相位对发电机内部主磁场进行调节；所述永磁转子（7）极数，外定子(2)极数，绕线转子(4)极数和内定子(14)极数相同。

2.根据权利要求1所述的双定子风力发电机，其特征是，所述永磁转子(7)、外层永磁体和内层永磁体为径向充磁，为钕铁硼材料，发电机转轴是采用隔磁材料制成或者采用隔磁套筒的非导磁材料。

3.一种应用权利要求1或2中的双定子风力发电机的发电系统，其特征是，包括：双定子风力发电机、内永磁双馈发电机侧变流器（24）、内永磁双馈发电机网侧变流器（25）、外永磁同步发电机侧变流器（26）以及外永磁同步发电机网侧变流器（27）；双定子风力发电机的外定子绕组（3）通过外永磁同步发电机侧变流器（26）和外永磁同步发电机网侧变流器（27）与电网相连；双定子风力发电机的绕线转子绕组（5）通过内永磁双馈发电机侧变流器（24）和内永磁双馈发电机网侧变流器（25）与电网连接，双定子风力发电机的内定子绕组（15）直接与电网相连，所述内永磁双馈发电机侧变流器（24）和内永磁双馈发电机网侧变流器（25）为部分功率变流器，所述外永磁同步发电机侧变流器（26）和外永磁同步发电机网侧变流器（27）为全功率变流器。

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