CN112003437B - 一种复合结构风力发电机及发电系统 - Google Patents

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Abstract

一种复合结构风力发电机及发电系统，所述发电系统包括复合结构风力发电机，外无刷双馈发电机双向变换器，内永磁发电机双向变换器，所述复合结构风力发电机的功率绕组与电网相连，所述复合结构风力发电机的控制绕组通过外无刷双馈发电机双向变换器与电网相连，所述复合结构风力发电机的内定子绕组通过内永磁发电机双向变换器与电网相连。将永磁发电机和无刷双馈发电机的优点相结合，提高了发电机功率密度和单机发电量，保证在电网故障期间仍能连续安全运行。

Description

一种复合结构风力发电机及发电系统
技术领域
本发明涉及风力发电设备的技术领域，具体的是一种复合结构风力发电机及发电系统。
背景技术
风能是一种洁净的可再生能源，近年来在国内外发电领域受到了广泛的关注，我国的风能储量丰富，这就使得风力发电规模化发展成为可能。
永磁发电机是由永磁体励磁产生旋转磁场的发电机，永磁体作为转子产生旋转磁场，三相定子绕组在旋转磁场作用下通过电枢反应，感应三相对称电流。由于永磁发电机具有发电效率高等特点，近年来被广泛应用于风力发电领域。直驱型永磁发电机取消了增速齿轮箱，不需要滑环和电刷，提高了可靠性，减少了维修工作量，效率较高。
无刷双馈电机的出现使得风力发展进入了一个新的阶段，转子结构简单，不需要滑环和电刷，因此系统可靠性得到增强，为控制绕组提供功率的变换器容量较低，可以调节风机的速度实现变速恒频运行。
传统的永磁发电机和无刷双馈发电机风能利用率较低，功率密度和发电量需要进一步提高。采用双向变换器并网运行时，需要从电网吸收无功功率，特别是当电网发生故障时，从电网吸收无功功率会进一步阻碍电网电压的恢复。这就是现有技术的不足之处。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种复合结构风力发电机及发电系统，将永磁发电机和无刷双馈发电机的优点相结合，提高了发电机功率密度和单机发电量，保证在电网故障期间仍能连续安全运行。
本方案是通过如下技术措施来实现的：一种复合结构风力发电机，包括机壳，所述机壳可转动连接有转轴，所述转轴的一端固定连接有第二风轮机，在机壳内，所述转轴的外侧依次设置有内定子、永磁转子、调磁环转子和外定子；
所述外定子和调磁环转子之间为第一气隙，所述调磁环转子与永磁转子之间为第二气隙，所述永磁转子和内定子之间为第三气隙；
所述调磁环转子包括调磁环转子支架，所述调磁环转子支架上固定设置有调磁环；
所述内定子槽内放置内定子绕组，所述内定子绕组为三相交流绕组，所述内定子与机壳固定连接；
所述永磁转子包括永磁转子支架，所述永磁转子支架的外侧设置有外侧永磁体，所述永磁转子支架的内侧设置有内侧永磁体，所述永磁转子支架的一端与转轴固定连接；
所述调磁环转子支架的一端穿出机壳，所述调磁环转子支架穿出机壳的一端固定连接有第一风轮机，所述调磁环转子支架通过第二轴承与转轴、机壳可转动连接；
所述外定子槽内放置控制绕组和功率绕组，所述控制绕组和功率绕组均为三相交流绕组，所述外定子与机壳固定连接；
所述外侧永磁体、调磁环转子和外定子组成外无刷双馈发电机；所述内定子和内侧永磁体组成内永磁发电机。
优选的，所述内侧永磁体和外侧永磁体均采用瓦片形径向充磁，相邻两块永磁体充磁方向相反。
优选的，所述调磁环由导磁块和非导磁块沿圆周方向交错排列构成。
优选的，所述功率绕组磁极对数为p，所述控制绕组磁极对数为q，所述内定子绕组磁极对数为q，所述外侧永磁体和内侧永磁体磁极对数均为q，所述调磁环转子极对数为p+q，所述调磁环的导磁块和非导磁块数量之和为n，其关系满足n=p+q，所述p和q分别是正整数，且p和q不相等。
一种应用复合结构风力发电机的发电系统，包括复合结构风力发电机，外无刷双馈发电机双向变换器和内永磁发电机双向变换器；
所述复合结构风力发电机的功率绕组与电网相连，所述复合结构风力发电机的控制绕组通过外无刷双馈发电机双向变换器与电网相连，所述复合结构风力发电机的内定子绕组通过内永磁发电机双向变换器与电网相连。
优选的，所述外无刷双馈发电机双向变换器为部分功率变换器，所述内永磁发电机双向变换器为全功率变换器。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1.由于有永磁转子励磁，进一步降低了功率绕组变换器的容量，降低了变换器从电网吸收的励磁电流，从而减少了对电网的谐波污染，同时提高了功率密度和发电效率。
2.发电机无刷化，提高了运行的可靠性，特别适合海上发电、偏远地区发电等条件恶劣场合风电的供给。
3.复合结构风力发电机系统，发电量稳定，故障运行能力提高，当控制绕组变换器故障或风速较低时，发电机也能可靠发电，提高了系统的安全性。
由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
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些实施例，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为复合结构风力发电机结构示意图；
图2为复合结构风力发电机剖面示意图；
图3为发电系统的结构示意图。
其中:1.机壳，2.外定子，3.控制绕组，4.功率绕组，5.调磁环转子，6.永磁转子，6-1.外侧永磁体，6-2.内侧永磁体，7.第一气隙，8.调磁环，9.第二气隙，10.第三气隙，11.内定子，12.内定子绕组，13.端盖，14.第一轴承，15.转轴，16.第二轴承，17.第一风轮机，18.第二风轮机，19.永磁转子支架，20.外无刷双馈发电机双向变换器，21.内永磁发电机双向变换器，22.复合结构风力发电机，23-调磁环转子支架。
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。
实施例1
如图1-2所示，一种复合结构风力发电机，包括机壳1，所述机壳1的一侧固定设置有端盖13，所述端盖13是机壳1的一部分，所述机壳1可转动连接有转轴15，所述转轴15的一端固定连接有第二风轮机18，所述转轴15连接第二风轮机18的一端通过第一轴承14与端盖13转动连接，在机壳1内，所述转轴15的外侧依次设置有内定子11、永磁转子6、调磁环转子5和外定子2。
所述外定子2和调磁环转子5之间为第一气隙7，所述调磁环转子5与永磁转子6 之间为第二气隙9，所述永磁转子6和内定子11之间为第三气隙10。
所述调磁环转子5包括调磁环转子支架23，所述调磁环转子支架23上固定设置有调磁环8。
所述内定子11槽内放置内定子绕组12，所述内定子绕组12为三相交流绕组，所述内定子11与机壳1固定连接。
所述永磁转子6包括永磁转子支架19，所述永磁转子支架19的外侧设置有外侧永磁体6-1，所述永磁转子支架19的内侧设置有内侧永磁体6-2，所述永磁转子支架19的一端与转轴15固定连接。
所述调磁环转子支架23的一端穿出机壳1，所述调磁环转子支架23穿出机壳1的一端固定连接有第一风轮机17，所述调磁环转子支架23通过第二轴承16与转轴15、机壳1可转动连接。
所述外定子2槽内放置控制绕组3和功率绕组4，所述控制绕组3和功率绕组4均为三相交流绕组，所述外定子2与机壳1固定连接。
所述外侧永磁体6-1、调磁环转子5和外定子2组成外无刷双馈发电机；所述内定子11和内侧永磁体6-2组成内永磁发电机。
所述内侧永磁体6-2和外侧永磁体6-1均采用瓦片形径向充磁，相邻两块永磁体充磁方向相反。
所述调磁环8由导磁块和非导磁块沿圆周方向交错排列构成。
所述功率绕组4磁极对数为p，所述控制绕组3磁极对数为q，所述内定子绕组12磁极对数为q，所述外侧永磁体6-1和内侧永磁体6-2磁极对数均为q，所述调磁环转子5极对数为p+q，所述调磁环8的导磁块和非导磁块数量之和为n，其关系满足n=p+q，所述p和q分别是正整数，且p和q不相等。
实施例2
如图1-3所示，一种应用复合结构风力发电机的发电系统，包括复合结构风力发电机22，外无刷双馈发电机双向变换器20和内永磁发电机双向变换器21。
所述复合结构风力发电机22包括机壳1，所述机壳1的一侧固定设置有端盖13，所述端盖13是机壳1的一部分，所述机壳1可转动连接有转轴15，所述转轴15的一端固定连接有第二风轮机18，所述转轴15连接第二风轮机18的一端通过第一轴承14与端盖13转动连接，在机壳1内，所述转轴15的外侧依次设置有内定子11、永磁转子6、调磁环转子5和外定子2。
所述外定子2和调磁环转子5之间为第一气隙7，所述调磁环转子5与永磁转子(6)之间为第二气隙9，所述永磁转子6和内定子11之间为第三气隙10。
所述调磁环转子5包括调磁环转子支架23，所述调磁环转子支架23上固定设置有调磁环8。
所述内定子11槽内放置内定子绕组12，所述内定子绕组12为三相交流绕组，所述内定子11与机壳1固定连接。
所述永磁转子6包括永磁转子支架19，所述永磁转子支架19的外侧设置有外侧永磁体6-1，所述永磁转子支架19的内侧设置有内侧永磁体6-2，所述永磁转子支架19的一端与转轴15固定连接。
所述调磁环转子支架23的一端穿出机壳1，所述调磁环转子支架23穿出机壳1的一端固定连接有第一风轮机17，所述调磁环转子支架23通过第二轴承16与转轴15、机壳1可转动连接。
所述外定子2槽内放置控制绕组3和功率绕组4，所述控制绕组3和功率绕组4均为三相交流绕组，所述外定子2与机壳1固定连接。
所述外侧永磁体6-1、调磁环转子5和外定子2组成外无刷双馈发电机；所述内定子11和内侧永磁体6-2组成内永磁发电机。
所述内侧永磁体6-2和外侧永磁体6-1均采用瓦片形径向充磁，相邻两块永磁体充磁方向相反。
所述调磁环8由导磁块和非导磁块沿圆周方向交错排列构成。
所述功率绕组4磁极对数为p，所述控制绕组3磁极对数为q，所述内定子绕组12磁极对数为q，所述外侧永磁体6-1和内侧永磁体6-2磁极对数均为q，所述调磁环转子5极对数为p+q，所述调磁环8的导磁块和非导磁块数量之和为n，其关系满足n=p+q，所述p和q分别是正整数，且p和q不相等。
所述功率绕组4与电网相连，所述控制绕组3通过外无刷双馈发电机双向变换器20与电网相连，所述内定子绕组12通过内永磁发电机双向变换器21与电网相连。
所述外无刷双馈发电机双向变换器20为部分功率变换器，所述内永磁发电机双向变换器21为全功率变换器。
所述调磁环转子5与第一风力机17固定连接，所述永磁转子6固定在转轴15上，所述转轴15与第二风力机18固定连接，用于传递来自风力机的功率。
所述永磁内转子6装有外侧永磁体6-1和内侧永磁体6-2，外侧永磁体6-1为功率绕组4和控制绕组3提供励磁磁场。通过调磁环转子5上调磁块数量与永磁外转子6上永磁体数量的合理安排，实现外定子2的功率绕组4和控制绕组3磁场的解耦。
本发电系统的工作原理如下：所述永磁转子6在第二风轮机18的驱动下开始运转，并产生旋转磁场。所述第一风轮机17把风能转换成机械能并传递给调磁环转子5，使得调磁环转子5旋转，永磁转子6在第二风轮机18的拖动下旋转将风能转化为机械能，永磁磁场被调磁环转子5调制转换为p对极和q对极磁场，分别为外定子2的功率绕组4和控制绕组3励磁，所述功率绕组4产生的电能输送到电网；所述控制绕组3根据风速的变化，通过外无刷双馈发电机变换器20适时调整频率来改变永磁内转子6和调磁环转子5的速度，所述永磁转子6的转速受到功率绕组4和控制绕组3中电流频率的控制。由于风速的不断变化，电网频率f不变，可以通过调节控制绕组3中电流的频率，实现外无刷双馈发电机运行在同步速、亚同步速和超同步速三种工作状态，从而完成变速恒频发电。
对于内永磁发电机，第二风轮机18拖动永磁转子6运行，在内定子绕组12中感应出电动势，经过内永磁发电机变换器21与电网相连。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参考即可。
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。对这些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些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点、创造性的特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种复合结构风力发电机，其特征是：包括机壳（1），所述机壳（1）可转动连接有转轴（15），所述转轴（15）的一端固定连接有第二风轮机（18），在机壳（1）内，所述转轴（15）的外侧依次设置有内定子(11)、永磁转子(6)、调磁环转子(5)和外定子(2)；所述外定子(2)和调磁环转子(5)之间为第一气隙（7），所述调磁环转子(5)与永磁转子(6) 之间为第二气隙（9），所述永磁转子(6)和内定子(11)之间为第三气隙（10）；所述调磁环转子(5)包括调磁环转子支架（23），所述调磁环转子支架（23）上固定设置有调磁环（8）；所述内定子(11)槽内放置内定子绕组(12)，所述内定子绕组(12)为三相交流绕组，所述内定子（11）与机壳（1）固定连接；所述永磁转子（6）包括永磁转子支架（19），所述永磁转子支架（19）的外侧设置有外侧永磁体（6-1），所述永磁转子支架（19）的内侧设置有内侧永磁体（6-2），所述永磁转子支架（19）的一端与转轴（15）固定连接；所述调磁环转子支架（23）的一端穿出机壳（1），所述调磁环转子支架（23）穿出机壳（1）的一端固定连接有第一风轮机（17），所述调磁环转子支架（23）通过第二轴承（16）与转轴（15）、机壳（1）可转动连接；所述外定子(2)槽内放置控制绕组(3)和功率绕组(4)，所述控制绕组(3)和功率绕组(4)均为三相交流绕组，所述外定子（2）与机壳（1）固定连接；所述外侧永磁体(6-1)、调磁环转子(5)和外定子(2)组成外无刷双馈发电机；所述内定子(11)和内侧永磁体(6-2)组成内永磁发电机；所述调磁环(8)由导磁块和非导磁块沿圆周方向交错排列构成；所述功率绕组(4)磁极对数为p，所述控制绕组(3)磁极对数为q，所述内定子绕组(12)磁极对数为q，所述外侧永磁体(6-1)和内侧永磁体(6-2)磁极对数均为q，所述调磁环转子(5)极对数为p+q，所述p和q分别是正整数，且p和q不相等。
2.根据权利要求1所述的复合结构风力发电机，其特征是：所述内侧永磁体(6-2)和外侧永磁体(6-1)均采用瓦片形径向充磁，相邻两块永磁体充磁方向相反。
3.一种应用权利要求1或2中的复合结构风力发电机的发电系统，其特征是：包括复合结构风力发电机（22），外无刷双馈发电机双向变换器（20）和内永磁发电机双向变换器（21）；所述复合结构风力发电机（22）的功率绕组(4)与电网相连，所述复合结构风力发电机（22）的控制绕组(3)通过外无刷双馈发电机双向变换器（20）与电网相连，所述复合结构风力发电机（22）的内定子绕组（12）通过内永磁发电机双向变换器（21）与电网相连；所述外无刷双馈发电机双向变换器（20）为部分功率变换器，所述内永磁发电机双向变换器（21）为全功率变换器。
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Assignee: Shandong Rongtang Electric Power Technology Co.,Ltd.

Assignor: Qilu University of Technology

Contract record no.: X2023980048595

Denomination of invention: A composite structure wind turbine and power generation system

Granted publication date: 20220318

License type: Common License

Record date: 20231205

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