CN201513299U - 无机械增速齿轮箱的风力发电装置 - Google Patents

Abstract

无机械增速齿轮箱的风力发电装置包括风力机(1)、双转子永磁无刷发电机(6)、双PWM功率变换器(10)、滤波器(11)和变压器(12)；其中在双转子永磁无刷发电机(6)中，自外圈向内分别顺序设有永磁低速外转子(2)、静止硅钢环(3)、永磁高速内转子(4)、定子(5)；双PWM功率变换器(10)中，电容(8)并联在PWM整流器(7)、PWM逆变器(9)的两连接线之间；风力机与永磁低速外转子直接相连，定子(5)绕组输出端连接PWM整流器输入端，PWM整流器输出端接PWM逆变器输入端，PWM逆变器的输出端并联滤波器后通过变压器并入电网供电。解决了现有风力发电装置中的机械增速齿轮箱机械磨损、噪音和维护等问题。

Description

无机械增速齿轮箱的风力发电装置

技术领域

本实用新型涉及一种无机械增速齿轮箱的风力发电装置，属于风力发电技术领域。

背景技术

随着全社会对能源和环境问题的持续关注，可再生能源的开发利用呈现出加速发展的趋势。风能在地球上广泛存在并且是目前为人们所掌握的技术最为成熟的可再生能源之一。在风力发电装置中，风力发电机组将风能转化为电能。风力发电可分为恒速恒频和变速恒频两种方式。由于恒速风电机组不能实现最大风能抽取，而变速恒频类风电机组具有能够实现最大风能追踪且并网方便、技术成熟等优点，成为风力发电的主流。为了实现发电机与电网的安全运行以及改善电能质量，风力发电机发出的交流电能常常先整流转换为直流电再逆变成交流电，然后并入电网。在整流和逆变装置中，常常采用脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)技术改变功率开关管的导通和关断时间，这种技术可以提高电能的功率因数和降低谐波含量，改善电能质量；常常使用绝缘栅双极晶体管(Insulated-GateBipolar Transistor，IGBT)作为功率开关管，其驱动功率大且开关速度较快。目前国内外己投入运行和正在研发的风力发电装置，基本可归为两大类：

第一类是以机械式增速齿轮箱为中间环节的高速发电装置。通常风力机工作转速较低，只有几十转每分钟，而传统的同步或异步发电机由于极数限制，转速通常都较高，因此采用机械齿轮箱增速。但增速齿轮箱不仅体积大而笨重，伴随有能量传递损耗，而且故障率高，需要经常维护，是风力发电装置中最薄弱的环节之一。

第二类是直驱式风力发电装置，取消了增速齿轮，因此具有效率高、动态响应快、维护费用低等优点。然而，由于直接驱动发电机在每分钟几十转的低速下工作，为保证其输出电压和频率在正常的范围内，发电机需要采用较大的定转子直径和较多的极对数，给发电机的设计、制造、运输和安装等增加了很大难度。

因此，有必要研究适合于风能高效转换利用、运行可靠、控制方便且供电质量优良的新型风力发电装置。

发明内容

技术问题：本实用新型通过提出一种无机械增速齿轮箱的风力发电装置，解决现有风力发电装置中的机械增速齿轮箱功率密度低、机械磨损和噪音等问题，并减小发电机的体积、重量和制造成本，提高发电效率和功率因数，改善电能质量。

技术方案：本实用新型公开了一种无机械增速齿轮箱的风力发电装置，该发电装置包括风力机、双转子永磁无刷发电机、双PWM功率变换器、滤波器和变压器；其中在双转子永磁无刷发电机中，自外圈向内分别顺序设有永磁低速外转子、静止硅钢环、永磁高速内转子、定子；双PWM功率变换器中，电容并联在PWM整流器、PWM逆变器的两连接线之间；风力机与永磁低速外转子直接相连，定子绕组输出端连接PWM整流器输入端，PWM整流器输出端接PWM逆变器输入端，PWM逆变器的输出端并联滤波器后通过变压器并入电网供电。

永磁低速外转子与静止硅钢环之间有气隙，静止硅钢环与永磁高速内转子之间有气隙，永磁高速内转子通过转轴和轴承与固定部件连接，永磁低速外转子与永磁高速内转子同心不同轴。

PWM整流器由第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT、第四IGBT、第五IGBT、第六IGBT组成三相整流桥，其输入端分别接第一电感、第二电感、第三电感；PWM逆变器由第七IGBT、第八IGBT、第九IGBT、第十IGBT、第十一IGBT、第十二IGBT组成三相逆变桥；电容为直流环节滤波电容。

滤波器由第一电阻、第一电容串联后接第四电感，第二电阻、第二电容串联后接第五电感，第三电阻、第三电容串联后接第六电感，三相并联。

当永磁低速外转子以角速度ω₁旋转时，经过磁场耦合作用，永磁高速内转子以角速度-ω₂反向高速旋转，与电机定子产生相对运动切发出电能。ω₁∶ω₂为速度变比，等于外、内转子的磁场极对数之比。

双PWM功率变换器由PWM整流器、电容和PWM逆变器组成。PWM整流器负责将电机发出的交流电能转换为直流电能。电容为直流环节滤波电容，是电压型PWM变换器的标志性组成部分，其作用是滤除直流电压脉动成分，保证网侧PWM变换器正常工作。PWM逆变器再将直流电能转换为交流电能，PWM逆变器输出端并联滤波器后并入电网供电。

在风的作用下，风力机旋转带动双转子永磁无刷发电机产生交流电能，电能通过电机定子绕组连接至双PWM功率变换器，随后电能由滤波器滤波后经过变压器并入电网供电。

有益效果：

(1)省去了机械增速齿轮箱，不存在齿轮箱的机械磨损、维护和噪音问题，提高了装置可靠性。同时提高了发电机转速，减小电机的体积，重量和制造成本。

(2)双转子永磁无刷交流发电机采用高磁能积稀土永磁体励磁，没有滑环和电刷，无需外加电源励磁，具有结构简单、体积小重量轻、功率密度高和效率高以及可靠性好等优点。

(3)PWM整流器具有提供正弦化低谐波的输入电流、功率因数接近为1以及能量双向流动的特点。

(4)双PWM功率变换电路具有变频并网功能，可控制发电机的输出功率因数，具有无功补偿能力，能抑制谐波向电网提供高质量的电能。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图。

其中有：风力机1、永磁低速外转子2、静止硅钢环3、永磁高速内转子4、定子5、双转子永磁无刷发电机6、PWM整流器7、电容8、PWM逆变器9、双PWM功率变换器10、滤波器11、变压器12。

图2为双PWM功率变换器的电路示意图。

图3为滤波器的电路示意图。

具体实施方式

下面是本实用新型的具体实施例来进一步描述：

本实用新型是一种无机械增速齿轮箱的风力发电装置，该发电装置包括风力机1、双转子永磁无刷发电机6、双PWM功率变换器10、滤波器11和变压器12；其中，双转子磁齿轮永磁无刷发电机6包括永磁低速外转子2、静止硅钢环3、永磁高速内转子4、定子5；双PWM功率变换器10包括PWM整流器7、电容8、PWM逆变器9；风力机1与永磁低速外转子2直接相连，定子5绕组输出端连接PWM整流器7输入端，PWM整流器7输出端接PWM逆变器9输入端，电容8并联在PWM整流器7与PWM逆变器9之间的两电源线之间，PWM逆变器9的输出端并联滤波器11输入端后通过变压器12并入电网供电。

如图1所示，双转子永磁无刷发电机6由永磁低速外转子2、静止硅钢环3、永磁高速内转子4组成。低速外转子2与静止硅钢环3之间有气隙、静止硅钢环3与永磁高速内转子4之间有气隙，永磁高速内转子4通过转轴和轴承与固定部件连接，永磁低速外转子2与永磁高速内转子4同心不同轴。

在图1中，风力机1和永磁低速外转子2直接相连。当风速达到起动风速后，风力机1带动永磁低速外转子2以速度ω₁旋转。永磁低速外转子2和永磁高速内转子4均安装有极对数不同的高磁能积稀土永磁体，在电机内产生交变磁场，并通过静止硅钢环3修正磁场性质，永磁低速外转子2、静止硅钢环3、永磁高速内转子4均无直接接触。在磁场耦合作用下，永磁高速内转子4以速度-ω₂反向旋转，与定子5产生相对运动，电机定子绕组发出交流电能。双转子永磁无刷发电机6输出端连接至双PWM功率变换器10输入端。

本实用新型所用的永磁体可以采用钕铁硼等稀土永磁材料，永磁体既可以采用表贴式贴在转子表面也可以采用内嵌式嵌在转子内部或其他方式安装。

如图2所示，双PWM功率变换器10由PWM整流器7、电容8、PWM逆变器9组成。电容8为直流环节滤波电容，是电压型PWM变换器的标志性组成部分，其作用是滤除直流电压脉动成分，保证网侧PWM变换器正常工作。

在图2中，PWM整流器7由第一IGBT～第六IGBT(G1～G6)组成三相整流桥，其输入端分别接第一电感La、第二电感Lb、第三电感Lc；PWM逆变器9由第七IGBT～第十二IGBT(s1～s6)组成三相逆变桥。PWM整流器7取代传统的二极管整流电路，将电机发出的交流电能转换为直流电能。通过PWM技术控制PWM整流器7内各个功率开关器件的开通关断，可提供正弦化低谐波的输入电流。调整输入电流幅值与相位即可调整功率因数，并可实现双向能量流动。PWM整流器7输出端用并联方式接电容8和PWM逆变器9输入端。PWM逆变器9将直流电能转换为交流电能，PWM逆变器9输出端接滤波器11，通过10kV三相升压变压器12并入电网供电。整个双PWM功率变换器10具有变频并网功能，在微处理器的支持下可控制发电机的输出功率因数，从而具有了无功补偿能力。并且它具有谐波抑制功能，可向电网提供高质量的电能。

在图3中，滤波器11负责过滤有害谐波，滤波器由第四电感L1、第一电阻R1、第一电容C1串联成一相，第五电感L2、第二电阻R2、第二电容C2串联成一相，第六电感L3、第三电阻R3、第三电容C3串联成一相，三相并联。

该风力发电装置为变速风力发电机组，可最大限度将风能转变为电能，以达到提高机组运行效率。根据风速情况，该装置主要运行在三个区域：

(1)风能利用系数C_p恒定区域

当风速达到起动风速后，风轮转速达到发电机切入转速，风力发电机组开始作发电运行。通过对发电机的转速进行控制，风能利用系数C_p不断上升，当达到最大风能利用系数C_pmax后，进入C_p恒定区域，机组在最佳状态下运行。通过变桨距调节，调节发电机阻力矩使转速跟随风速变化，使得叶尖速比维持在最优状态，实现最大风能捕获。

(2)转速恒定区域

随着风速的增加，机组最终可达到并维持极限转速，机组功率随风速的增大而增大。

(3)功率恒定区域

若风速继续增加，发电机和变换器功率将继续增大并达到功率极限，为维持该最大功率，必须减小发电机转速。利用PWM整流器能量双向流动的特点，将多余的电能释放出来驱动发电机，对风轮进行制动就可以使发电机转速下降。

Claims (4)

1.一种无机械增速齿轮箱的风力发电装置，其特征在于该发电装置包括风力机(1)、双转子永磁无刷发电机(6)、双PWM功率变换器(10)、滤波器(11)和变压器(12)；其中在双转子永磁无刷发电机(6)中，自外圈向内分别顺序设有永磁低速外转子(2)、静止硅钢环(3)、永磁高速内转子(4)、定子(5)；双PWM功率变换器(10)中，电容(8)并联在PWM整流器(7)、PWM逆变器(9)的两连接线之间；风力机(1)与永磁低速外转子(2)直接相连，定子(5)绕组输出端连接PWM整流器(7)输入端，PWM整流器(7)输出端接PWM逆变器(9)输入端，PWM逆变器(9)的输出端并联滤波器(11)后通过变压器(12)并入电网供电。

2.根据权利要求1所述的无机械增速齿轮箱的风力发电装置，其特征在于永磁低速外转子(2)与静止硅钢环(3)之间有气隙，静止硅钢环(3)与永磁高速内转子(4)之间有气隙，永磁高速内转子(4)通过转轴和轴承与固定部件连接，永磁低速外转子(2)与永磁高速内转子(4)同心不同轴。

3.根据权利要求1所述的无机械增速齿轮箱的风力发电装置，其特征在于PWM整流器(7)由第一IGBT(G1)、第二IGBT(G2)、第三IGBT(G3)、第四IGBT(G4)、第五IGBT(G5)、第六IGBT(G6)组成三相整流桥，其输入端分别接第一电感(La)、第二电感(Lb)、第三电感(Lc)；PWM逆变器(9)由第七IGBT(s1)、第八IGBT(s2)、第九IGBT(s3)、第十IGBT(s4)、第十一IGBT(s5)、第十二IGBT(s6)组成三相逆变桥；电容(8)为直流环节滤波电容。

4.根据权利要求1所述的无机械增速齿轮箱的风力发电装置，其特征在于滤波器由第一电阻(R1)、第一电容(C1)串联后接第四电感(L1)，第二电阻(R2)、第二电容(C2)串联后接第五电感(L2)，第三电阻(R3)、第三电容(C3)串联后接第六电感(L3)，三相并联。

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