CN201705558U - 逆向转子对输聚风发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种逆向转子对输聚风发电系统，包括发电机，所述发电机包括电机壳体，在电机壳体内设有外转子、内转子和电机转轴，所述电机转轴的一端连接有前叶轮，所述外转子远离前叶轮的一端连接有后叶轮，所述前叶轮上的叶片与后叶轮上的叶片迎风角相反，系统运行时，前叶轮上的叶片与后叶轮上的叶片在同一方向的风力作用下，分别驱动内转子和外转子开始逆向旋转，逆向旋转的两个转子与单个转子旋转比较，增大了内外转子切割磁力线的强度，本实用新型提高了发电的功率，与普通风力发电机相比，具有单机输出功率高、投资小、度电成本低、年发电量时间长、经济效益与环境保护效益高等特点。

Description

逆向转子对输聚风发电系统

技术领域

本实用新型涉及一种风力发电系统，具体的说涉及一种逆向转子对输聚风发电系统。

背景技术

目前，全球性的能源危机已经成为世界各国迫切面对的现实，哥本哈根气候会议成为全球瞩目的焦点，各国都开始为寻找新的能源及人们对低碳环境的创建产生了更加强烈的愿望。近几年，为了探究生态能源的利用，国内、外的风电事业有良好的发展趋势，但能源专家指出：风电的不稳定性、间歇性和度电成本高等问题，仍是风电不能与火电竞争的主要因素。据调查，像中国华能集团在我市北海滩建造的风力发电厂，每台风机投资1500多万元，风电的平均输出功率尚达不到额定功率的450％，风能资源得不到充分利用，应引起全世界新能源专家的关注。

为了提高风电的商品竞争力，降低风度电成本，提高单位面积风能利用率，选择最佳方案增大风力发电机的输出功率，有必要在风能资源的技术探究中，研发投资小、功能强的风力发电系统。

实用新型内容

本实用新型要解决的问题是针对以上现有技术的不足，提供一种能够提高风能的利用率和发电功率、降低发电成本的逆向转子对输聚风发电系统。

为解决上述问题，本实用新型采用以下技术方案：

一种逆向转子对输聚风发电系统，包括发电机，所述发电机包括电机壳体，在电机壳体内设有外转子、内转子和电机转轴，所述电机转轴的一端连接有前叶轮，所述外转子远离前叶轮的一端连接有后叶轮。

以下是本实用新型对上述方案的进一步改进：

所述前叶轮上的叶片与后叶轮上的叶片迎风角相反。

进一步改进：

所述外转子与内转子之间设有线圈。

另一种改进：

所述外转子与电机壳体之间设有碳刷滑环。

另一种改进：

所述电机转轴上安装有碳刷滑环。

另一种改进：

所述发电机的外部连接有聚风装置。

另一种改进：

所述聚风装置包括依次连接的收缩管、直管、扩散管，所述发电机的电机壳体通过支撑架安装在直管内。

自然风经收缩管后被浓缩，提高了风能的能流密度，并因浓缩风能装置前后压差的作用而增速，拓宽了风能利用的下限风速；经过直管，速度大小、方向频繁变化的自然风进一步整流和均匀后驱动双轮逆向旋转发电，提高了风能的品质，改善了风能的不稳定性，使叶轮旋转时振动小，减少了交变载荷对叶轮的冲击，噪音低，提高了发电质量，并延长了发电系统和机组的寿命；后方设置的扩散管又更好地提高了增速效果。能够使低风速的自然风有效利用，叶轮直径虽小输出功率却较大。通过这种特殊的浓缩风能装置，将自然风加速、整流、均匀化，实现了将稀薄的风能浓缩后利用的目的，有效地改善了风能密度低和不稳定的缺点，提高了风力发电机的效率和可靠性。

另一种改进：

所述收缩管的端部设有增压圆弧板。

系统运行时，前叶轮上的叶片与后叶轮上的叶片在同一方向的风力作用下，分别驱动内转子和外转子开始逆向旋转，逆向旋转的两个转子与单个转子旋转比较，增大了内外转子切割磁力线的强度。

试验表明，该系统逆向转子的叶轮风流速增强1.23倍，双转子叶轮风能利用系数Cp系数提高43.2％，分别达0.656和0.604，系统的叶轮转速提高1.38倍，功率输出增大1.765倍，年发电时间延长达430小时。逆向转子对输聚风发电系统的研制，为今后风力发电的研究提供了一个研究方向。

本实用新型改变传统风力发电机只有转子旋转，定子不动的发电模式，通过逆向旋转的两个绕线转子，分两级固定内、外转子，两个转子带动叶轮逆向旋转，通过滑环完成电流的双路输出，提高了发电的功率。与普通风力发电机相比，具有单机输出功率高、投资小、度电成本低、年发电量时间长、经济效益与环境保护效益高等特点。

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：

附图说明

附图1为本实用新型实施例的结构示意图；

附图2为本实用新型实施例中发电机的结构示意图。

图中：1-聚风装置；2-增压圆弧板；3-收缩管；4-直管；5-电机转轴；6-发电机；7-扩散管；8-尾翼；9-支撑架；10、11-碳刷滑环；51-前叶轮；52-后叶轮；61-电机壳体；62-外转子；63-线圈；64-内转子。

具体实施方式

实施例，如图1所示，一种逆向转子对输聚风发电系统，包括发电机6，所述发电机6的外部连接有聚风装置，所述聚风装置包括依次连接的收缩管3、直管4、扩散管7，所述发电机6的电机壳体61通过支撑架9安装在直管4内，所述收缩管3进风的一端端部设有增压圆弧板2。

如图2所示，所述发电机6包括电机壳体61，在电机壳体61内设有外转子62、内转子64和电机转轴5，所述外转子62与内转子64之间设有线圈63，所述外转子62与电机壳体61之间设有碳刷滑环11，所述电机转轴5上安装有碳刷滑环10，所述电机转轴5的一端连接有前叶轮51，所述外转子62远离前叶轮51的一端连接有后叶轮52，叶轮51上的叶片与后叶轮52上的叶片迎风角相反。

系统运行时，前叶轮51上的叶片与后叶轮52上的叶片在同一方向的风力作用下，分别驱动内转子和外转子开始逆向旋转，逆向旋转的两个转子与单个转子旋转比较，增大了内外转子切割磁力线的强度。

发电系统运行时，根据系统的内、外转子绕组电流产生的旋转磁场关系，可用其数学表达式如下

n₁＝n±n₂       (1)

f₁＝pn/60±f₂，(2)

$s=\frac{n_1-n}{n_1,}=\±\frac{n2}{n_1}---\left(3\right)$

式中n₁、n、n₂分别为外转子电流磁场旋转速度、内转子旋转速度和内转子电流磁场相对于内转子的旋转速度，f₁、f₂分别为外、内转子电流频率，p为发电机极对数，s为发电机的转差率。由式(1)可知，当发电机内转子转速n发生变化时，调节内转子电流频率f₂，可使f₁保持恒定不变，实现双馈异步发电机的变速恒频控制。当n＜n₁时，电机处于亚同步速运行状态，内转子磁场旋转方向与内转子旋转方向相同，励磁电源向内转子提供交流励磁电流，外转子向电网馈出电能，式(1)、式(2)、式(3)均取正号，当n＞n₁时，电机处于超同步速运行状态，内转子磁场旋转方向与内转子旋转方向相反，此时定、内转子均向电网馈出电能，式(1)、式(2)、式(3)均取负号；当n＝n₁时，f₂＝0，励磁电源向内转子提供直流励磁，此时电机作为普通隐极式同步发电机运行，当风速变化时，VSCF系统工作过程是：

1、当风速降低时，风力机转速降低，异步发电机内转子转速也降低，内转子绕组电流产生的旋转磁场转速将低于异步电机的同步转速ns，外转子绕组感应电动势的频率f低于f₁(50Hz)，与此同时转速测量装置立即将转速降低的信息反馈到控制内转子电流频率的电路，使内转子电流的频率增高，则内转子旋转磁场的转速又回升到同步转速ns，这样外转子绕组感应电势的频率f又恢复到额定频率f₁(50Hz)。

2、当风速增高时，风力机及异步电机内转子转速升高，异步发电机外转子绕组的感应电动势的频率将高于同步转速所对应的频率f₁(50Hz)，测速装置会立即将转速和频率升高的信息反馈到控制内转子电流频率的电路，使内转子电流的频率降低，从而使内转子旋转磁场的转速回降至同步转速ns，外转子绕组的感应电动势频率重新恢复到频率f₁(50Hz)。必须注意，当超同步运行时，内转子旋转磁场的转向应与内转子自身的转向相反，因此当超同步运行时，内转子绕组应能自动变换相序，以使内转子旋转磁场的旋转方向倒向。

3、当异步电机内转子转速达到同步转速时，此时内转子电流的频率应为0，即内转子电流为直流电流，这与普通同步发电机转子励磁绕组内通入直流电是一致的。实际上，在这种情况下该系统已经和双馈异步发电机一样了，该系统输出端电压的控制是靠控制发电机内转子电流的大小来实现，当发电机的负载增加时，发电机输出端电压降低，此信息由电压检测获得，并反馈到控制内转子电流大小的电路，也即通过控制三相半控或全控整流桥的晶闸管导通角，使导通角增大，从而使发电机内转子电流增加，定子绕组的感应电动势增高，发电机输出端电压恢复到额定电压。反之，当发电机负载减小时，发电机输出端电压升高，通过电压检测后获得的反馈信息将使半控或全控整流桥的晶闸管的导通角减小，从而使内转子电流减小，外转子绕组输出端电压降回至额定电压。

根据逆向转子对输聚风发电系统实验样机功率的转数运行关系，风力发电机不论在亚同步运行、超同步运行，还是过负荷运行过程，VSCF系统都要起到功率调节的作用。由于风能的不稳定性和捕获最大风能的要求，发电机转速在不断变化，而且经常在同步转速上下波动，这就要求转子交流励磁电源有良好的变频输入输出特性，具有能量的双向流动能力，采用IGB T器件构成的PWM整流2PWM，逆变形式的交-直-交静止变频器作为其励磁电源。

通过对逆向转子对输聚风发电系统实验样机的实际运行效果分析，逆向转子对输聚风发电系统较传统失速型风力发电机系统具有下列优势。

1、逆向转子对输聚风发电系统有能力控制异步发电机的滑差在恰当的数值范围内变化，因此可以实现优化风力机叶片的桨距调节。

2、由于风力机是变速运行，其运行速度能够在一个较宽的范围内被调节到风力机的最优化效率数值，使风力机的功率系数Cp值得到优化，从而获得较高的系统效率。

3、可以实现发电机低起伏的平滑的电功率输出，达到优化系统内的电网质量，同时减小发电机温度变化。

4、可以降低机组剧烈的转矩起伏和噪声水平，从而能够减小所有部件的机械应力。

5、可独立运行，也可并网运行，并可实现功率因数的调节。建立在VSCF发电技术基础上的逆向转子对输聚风发电系统确保发电机输出功率恒频、恒压，保证了功率输出的平稳性和传动系统的柔性，实现风能-电能安全可靠转换。

Claims (8)

1.一种逆向转子对输聚风发电系统，包括发电机(6)，所述发电机(6)包括电机壳体(61)，在电机壳体(61)内设有外转子(62)、内转子(64)和电机转轴(5)，其特征在于：所述电机转轴(5)的一端连接有前叶轮(51)，所述外转子(62)远离前叶轮(51)的一端连接有后叶轮(52)。

2.根据权利要求1所述的逆向转子对输聚风发电系统，其特征在于：所述前叶轮(51)上的叶片与后叶轮(52)上的叶片迎风角相反。

3.根据权利要求1或2所述的逆向转子对输聚风发电系统，其特征在于：所述外转子(62)与内转子(64)之间设有线圈(63)。

4.根据权利要求3所述的逆向转子对输聚风发电系统，其特征在于：所述外转子(62)与电机壳体(61)之间设有碳刷滑环(11)。

5.根据权利要求3所述的逆向转子对输聚风发电系统，其特征在于：所述电机转轴(5)上安装有碳刷滑环(10)。

6.根据权利要求1或2所述的逆向转子对输聚风发电系统，其特征在于：所述发电机(6)的外部连接有聚风装置。

7.根据权利要求6所述的逆向转子对输聚风发电系统，其特征在于：所述聚风装置包括依次连接的收缩管(3)、直管(4)、扩散管(7)，所述发电机(6)的电机壳体(61)通过支撑架(9)安装在直管(4)内。

8.根据权利要求7所述的逆向转子对输聚风发电系统，其特征在于：所述收缩管(3)的端部设有增压圆弧板(2)。

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