CN202178582U - 发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种发电系统，其包括：第一电机，第一电机的转子与原动机连接，转子采用多相对称的励磁绕组进行交流励磁，定子采用三相绕组，输出预定频率的三相交流电；第二电机，第二电机的转子与第一电机的转子同轴连接，第二电机的定子进行励磁，转子绕组进行馈电；第一变频装置，其连接第一电机的转子励磁绕组和第二电机的转子绕组，与第一电机和第二电机的转子同速旋转，根据第一电机转子的转速，实时向第一电机的转子励磁绕组输入频率为第一电机转差频率的交流励磁电进行励磁。

Description

发电系统

技术领域

本实用新型涉及发电技术领域，具体地说，涉及一种发电系统，该系统尤其适用于风力发电及水利发电。

背景技术

传统的同步发电机由于技术成熟、结构简单、成本低廉，各种形式的发电系统中被广泛地使用。而对于水利发电系统和风力发电系统，由于在一天中的各个时刻水流速度和风速是不断变化的，原动机或者原动机经管齿轮箱等变速机构输出的转速难以保持恒定，在采用同步发电机为核心的发电系统中，发电系统输出的电压频率和幅值难以保持稳定。对于风力发电系统，由于在现在风电机组由离网型、向并网型小容量向大容量发展的阶段，这一问题更是尤为突出。

为了解决上述问题，要么强迫原动机与同步发电机的转速匹配，对于水力发电而言，可能导致水轮机无法处于最佳工况，大大降低了发电效率，同时会降低发电机组的寿命；要么在发电系统的输出端增加变频装置，这无疑增加了成本，也不利于提高发电效率。

同时，并网运行的同步发电机必须从电网吸收感性的无功电流，这将导致电网功率因数下降，也不利于提高电力系统的静态和暂态稳定性。

实用新型内容

本实用新型为了解决现有的以同步电机为核心的发电系统，在原动机变速运行时发电系统难以保持恒频输出的缺陷，提供一种发电系统。

本实用新型所需要解决的技术问题，可以通过以下技术方案来实现：

一种发电系统，其特征在于，包括：

第一电机，第一电机的转子与原动机连接，转子采用多相对称的励磁绕组进行交流励磁，定子采用三相绕组，输出预定频率的三相交流电；

第二电机，第二电机的转子与第一电机的转子同轴连接，第二电机的定子进行励磁，转子绕组进行馈电；

第一变频装置，其连接第一电机的转子励磁绕组和第二电机的转子绕组，与第一电机和第二电机的转子同速旋转，根据第一电机转子的转速，实时向第一电机的转子励磁绕组输入频率为第一电机转差频率的交流励磁电进行励磁。

本实用新型中，所述第一电机的定子绕组连接电网，定子绕组输出电网频率的三相交流电。

所述第一电机的定子绕组通过第三变频装置连接电网，并通过第三变频装置输出电网频率的三相交流电。

本实用新型中，所述第一电机的转子励磁绕组采用m相交流励磁，其转子具有m×P对分裂凸极，m×P对分裂凸极的励磁绕组由m相各P对励磁绕组组成，m相励磁绕组在空间上相差360/(2×m×P)度电角度分布，m相励磁绕组由第一变频装置输入时间上相差360/(2×m)度电角度的交流电进行励磁。

所述第一电机的转子为隐极转子，转子采用三相对称的励磁绕组，由第一变频装置输入三相交流电进行励磁。

本实用新型中，所述第二电机为同步发电机，定子绕组通过第二变频装置由电网提供直流电进行励磁。

本实用新型中，所述第二电机为永磁同步发电机，定子安装永磁体，由永磁体进行励磁。

本实用新型的发电系统，由于第一电机与第二电机同轴设置，第二电机转子与第一电机转子相对静止，第二电机提供的励磁电源通过同速度旋转的变频装置直接连通第一电机转子励磁绕组，省略容易出故障的碳刷，大大减少了第一电机的维修费用及时间。

通过变频装置改变第一电机转子励磁电源的频率，可以适应第一电机转速的变化，使其与原动机的最佳转速匹配，提高机组的效率并显著提高电力系统的静态和暂态稳定性。

同时，通过变频装置改变第一电机励磁电流的幅度，可以调节发电机系统发出或吸取的无功分量，以适应电网功率因数的调整，特别是可以深吸电网无功稳定运行；通过变频装置改变第一电机励磁电流的相位，可以快速完成发电状态的电磁调节过程，从而保证发电系统电压或无功的快速调节。

这样，在水力发电中，可以根据水头不同季节的变化相应地改变第一电机转子励磁电源的频率，使得水轮机无论在汛期还是枯水期都处于最佳工况，提高效率，并延长机组的使用寿命。

在风力发电中，在风力大小变化时，使风力机叶尖转速与风速之比保持不变来达到最佳的风能利用率，第一电机变速运行中，始终保持输出恒频的交流电。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本实用新型。

图1为本实用新型实施例一的结构示意图。

图2为本实用新型实施例二的结构示意图。

图3为本实用新型实施例三的结构示意图。

图4为本实用新型实施例四的结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。

本实用新型的主旨在于，针对现有以同步电机为核心的发电系统，尤其是水利发电系统和风力发电系统，由于在一天中的各个时刻水流速度和风速是不断变化的，原动机或者原动机经管齿轮箱等变速机构输出的转速难以保持恒定，使得发电系统输出的电压频率和幅值难以保持稳定的问题，提供一种发电系统。

参见图1，本实用新型的实施例一中，第一电机1的定子绕组与传统同步发电机的定子绕组相同，采用三相绕组，转子绕组进行励磁，在原动机6或者原动机6经齿轮箱等变速机构7的带动下，定子绕组向电网5进行馈电，定子绕组中的三相对称交流电，则在第一电机1的气隙中产生一个旋转磁场，此旋转磁场的旋转速度为同步转速                                                ：

     其中，P为第一电机1极对数，

为电网频率，

为转子静止时定子电流产生的旋转磁场相对于定子的旋转速度。

本实施例中，第一电机1的转子励磁绕组采用交流进行励磁，在转子励磁绕组中通入交流励磁电流，那么，当转子静止时，在第一电机1气隙中同样产生一个旋转磁场，此磁场的旋转速度

由励磁电流的频率决定：

其中，P为第一电机1极对数，

为转子励磁绕组中流励磁电流的频率，

为转子静止时转子励磁绕组中的电流产生的旋转磁场相对于定子的速度。

那么，当第一电机1的转子不是处于静止状态，而是以旋转速度

进行旋转，那么转子励磁绕组中励磁电流产生的磁势相对于定子的旋转速度为

。符号表示适用于第一电机1转子不同的转速，转子处于亚同步转速运行时，转子励磁绕组中励磁电流产生的旋转磁势的旋转方向与转子转动方向相同，转子励磁绕组中励磁电流产生的磁势相对于定子的旋转速度为

；转子处于超同步转速运行时，转子励磁绕组中励磁电流产生的旋转磁势的旋转方向与转子转动方向相反，转子励磁绕组中励磁电流产生的磁势相对于定子的旋转速度为

。

如果保持，则无论第一电机1转子旋转速度

如何变化，第一电机1转子励磁绕组产生的旋转磁势与定子绕组产生的旋转磁势始终是相对静止的，那么第一电机1定子绕组中输出的三相交流电即可保持频率恒定，实现恒频输出。所以，当第一电机1转子的旋转速度

发生变化时，要保持定子绕组输出恒定频率的交流电，只要改变转子励磁绕组中励磁电流的频率来调节转子励磁绕组产生的磁势的旋转速度，使之与定子绕组产生的磁势的旋转速度保持一致即可。

设第一电机1的转差率为s，则：

，那么：

 再根据需要保持

，得到

，即，说明第一电机1转子励磁绕组中励磁电流的频率

应当等于其转差频率。

符号同样表示适用于第一电机1转子不同的转速，+号表示转子处于亚同步转速运行时，转子励磁绕组通入的励磁电流应当产生与转子转动方向同相的旋转磁势；－号表示转子处于超同步转速运行时，转子励磁绕组通入的励磁电流应当产生与转子转动方向同相的旋转磁势，即与转子处于亚同步转速运行时相比，此时转子励磁绕组通入的励磁电流的相序是相反的。

再参见图1，本实施例中，设置了转子与第一电机1同轴连接的第二电机2，第一电机1的转子与原动机6连接，或者通过变速机构7与原动机6连接，那么在原动机6的带动下第一电机1和第二电机2的转子将同轴转动。

第二电机2采用同步发电机，定子绕组进行直流励磁，其励磁电流通过第二变频装置4由电网5提供，其转子在与第一电机1同轴转动的过程中，转子绕组将向外进行馈电。第二电机2转子绕组提供的电源将作为第一电机1转子励磁绕组的励磁电源使用，即第二电机2起到提供励磁电源的作用，由于第二电机2转子绕组馈电的频率通常不满足第一电机1定子绕组电流恒频输出所需转子励磁电流频率的要求，同时，第一电机1的转子励磁绕组可能采用非三相交流励磁的励磁方式，第二电机2的转子绕组通过第一变频装置3与第一电机1的转子励磁绕组连接。根据第一电机1转子的转速，第一变频装置3实时向第一电机1的转子励磁绕组输入频率为第一电机1转差频率的交流励磁电进行励磁。

为了避免在第一电机1和第二电机2上使用碳刷，第一变频装置3较优的是与第一电机1和第二电机2的转子同速旋转，由于本实用新型的发电系统功率等级较高，第一电机1转子的直径、第一电机1和第二电机2之间传动轴的直径都是比较大的，第一变频装置3可设置在第一电机转子1朝向第二电机2一侧的端部，第二电机2转子绕组与第一变频装置3的连接线则可沿着第一电机1和第二电机2的传动轴进行布置。上述结构与采用同轴励磁机的传统同步发电机，其整流装置的设置方式是相似的，本领域技术人员应当知晓，此处不再进行累述。

对于第一电机1的转子，可以采用凸极转子结构也可以采用隐极转子结构。当采用凸极转子结构时，根据转子励磁绕组励磁的相数，转子的结构稍有不同，以下对其结构和工作原理进行简单描述。

当第一电机1的转子采用凸极结构，同时采用两相交流励磁时，假设第一电机1的转子为P对极，那么第一电机1的转子具有2P对分裂凸极，2P对分裂凸极的励磁绕组由2相各P对励磁绕组组成，2相励磁绕组在空间上相差360/(4P)度电角度分布，2相励磁绕组由第一变频装置3输入时间上相差90度电角度的交流电进行励磁，转子励磁绕组的磁势方程为：

合成磁势为：

该磁场是以角频率为

的旋转磁场，由于

，该磁场的旋转速度

，说明上述结构符合第一电机1转子励磁绕组交流励磁的要求，该磁场的旋转速度可由转子励磁绕组通入的交流励磁电流的频率进行调整。

当第一电机1的转子采用凸极结构，同时采用三相交流励磁时，假设第一电机1的转子为P对极，那么第一电机1的转子具有3P对分裂凸极，3P对分裂凸极的励磁绕组由3相各P对励磁绕组组成，3相励磁绕组在空间上相差360/(6P)度电角度分布，3相励磁绕组由第一变频装置3输入时间上相差60度电角度的交流电进行励磁，转子励磁绕组的磁势方程为：

合成磁势

为：

该磁场同样是以角频率为

的旋转磁场，由于

，该磁场的旋转速度，说明上述结构符合第一电机1转子励磁绕组交流励磁的要求，该磁场的旋转速度可由转子励磁绕组通入的交流励磁电流的频率进行调整。

当第一电机1的转子采用凸极结构，同时采用四相交流励磁时，假设第一电机1的转子为P对极，那么第一电机1的转子具有4P对分裂凸极，4P对分裂凸极的励磁绕组由4相各P对励磁绕组组成，4相励磁绕组在空间上相差360/(8P)度电角度分布，4相励磁绕组由第一变频装置3输入时间上相差45度电角度的交流电进行励磁，转子励磁绕组的磁势方程为：

合成磁势

为：  

该磁场同样是以角频率为的旋转磁场，由于

，该磁场的旋转速度

，说明上述结构符合第一电机1转子励磁绕组交流励磁的要求，该磁场的旋转速度可由转子励磁绕组通入的交流励磁电流的频率进行调整。

即在本实用新型中，第一电机1的转子采用凸极结构，无论转子励磁绕组采用多少相的交流励磁方式，其规则如下所述：第一电机1的转子采用m相交流励磁，其转子具有m×P对分裂凸极，m×P对分裂凸极的励磁绕组由m相各P对励磁绕组组成，m相励磁绕组在空间上相差360/(2×m×P)度电角度分布，m相励磁绕组由第一变频装置3输入时间上相差360/(2×m)度电角度的交流电进行励磁。

在上述结构中，两相励磁转子的机械结构最简单，随着励磁绕组相数的增加，转子的机械结构越来越复杂。但是对于电磁性能，对于相同励磁磁场，如果励磁电流相同，假设两相励磁绕组没分裂极上励磁绕组的匝数为n，则对于3相，4相，5相………m相励磁绕组，则励磁绕组的匝数为n/2，n/3，n/4，n/5….n/m，即相数越少，励磁绕组匝数越多。在实际运用中，根据实际发电机容量的大小及励磁功率的大小，合理选择励磁绕组的相数是相当重要的。

当第一电机1的转子采用隐极结构时，转子励磁绕组采用三相对称的励磁绕组，由第一变频装置3输入三相交流电进行励磁即可，该结构和原理属于现有技术，不进行过多的阐述。

需要指出的是，第一电机1转子励磁绕组采用上述不同的交流励磁方式时，由于第一电机1转子励磁绕组交流励磁的相数并不相同，第一变频装置3需要提供不同相数的交流励磁电，那么，在不同相数的交流励磁方式下，第一变频装置3的结构应当是不同的。由于第一变频装置3并不是本实用新型主要涉及的部分，本领域技术人员对不同相数的交流励磁方式下，第一变频装置3的结构应当如何设计也是熟知的，本实用新型中同样不进行过多阐述。

另外，第一变频装置3除了可以改变第二电机2转子绕组输出电源的频率，达到第一电机1定子绕组实现恒频输出外，第一变频装置3一方面可以改变第一电机1励磁电流的幅度，实现调节发电机系统发出或吸取的无功分量，以适应电网功率因数的调整，特别是可以深吸电网无功稳定运行；另一方面改变第一电机1励磁电流的相位，实现快速完成发电状态的电磁调节过程，从而保证发电系统电压或无功的快速调节。

在水力发电中，可以根据水头不同季节的变化相应地改变第一电机1转子励磁电源的频率，使得水轮机无论在汛期还是枯水期都处于最佳工况，提高效率，并延长机组的使用寿命。

在风力发电中，在风力大小变化时，风力机叶尖转速与风速之比保持不变来达到最佳的风能利用率，使得在较宽的风速变化范围内都可以得到较高的功率输出，同时谐波污染减小，第一电机1变速运行中，始终保持输出恒频的交流电。

参见图2，实施例二与实施例一的区别在于，第二电机2采用永磁同步发电机，定子安装永磁体，由永磁体进行励磁，这样省略了电网5到第二电机2的第二变频装置4，使得发电系统的结构更为简单。实施例二中，第一电机1转子的结构、发电系统的运行原理与实施例一相同，此处就不再累述了。

参见图3、图4，实施例三的第二电机2与实施例一的第二电机2相同，采用同步发电机；实施例四的第二电机2与实施例二的第二电机2相同，采用永磁同步发电机。

实施例三与实施例一，实施例四与实施例二的区别在于，在第一电机定子绕组与电网5之间设置了第三变频装置8，使得第一电机1定子绕组端输出的三相交流电的频率可以不等于电网频率，通过第三变频装置8变频后再输入电网。

增加第三变频装置8是因为，第一电机1定子绕组在输出电网频率（例如我国采用50Hz）的三相交流电时，如果第一电机1的极数较少，第一电机1的转子需要原动机6提供一个比较高的转速，而在水利发电和风力发电中，原动机6不可能提供一个较高的转速，因此必须通过齿轮箱等变速机构7进行升速，在风力发电系统中，齿轮箱经常需要采用三级传动，由于齿轮箱等机构很容易出现故障，增大了整个发电系统的故障率；如果第一电机1极数较多，转子励磁绕组采用交流励磁时，转子的结构又会变得比较复杂。

为了解决上述问题，实施例三和实施例四中，第一电机1定子绕组输出的三相交流电的频率可以是低于电网频率的某个预定频率（实施例一和实施例二中即采用电网频率为预定频率），这样，采用前述的原理，根据第一电机1转子的转速，通过第一变频装置3调整其转子励磁绕组交流励磁电的频率始终等于第一电机1的转差频率，同样可以实现第一电机1定子绕组恒定输出上述预定频率的三相交流电。

那么，在第一电机1极数较少时，齿轮箱等变速机构7可以由三级传动改变为一级传动，降低了齿轮箱等变速机构7的故障率；在第一电机1极数较多时（在结构复杂程度可以承受的范围内），可以不设置变速机构7，这将降低整个发电系统的故障率。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (7)

1.发电系统，其特征在于，包括：

第一电机，第一电机的转子与原动机连接，转子采用多相对称的励磁绕组进行交流励磁，定子采用三相绕组，输出预定频率的三相交流电；

第二电机，第二电机的转子与第一电机的转子同轴连接，第二电机的定子进行励磁，转子绕组进行馈电；

第一变频装置，其连接第一电机的转子励磁绕组和第二电机的转子绕组，与第一电机和第二电机的转子同速旋转，根据第一电机转子的转速，实时向第一电机的转子励磁绕组输入频率为第一电机转差频率的交流励磁电进行励磁。

2.根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于：所述第一电机的定子绕组连接电网，定子绕组输出电网频率的三相交流电。

3.根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于：所述第一电机的定子绕组通过第三变频装置连接电网，并通过第三变频装置输出电网频率的三相交流电。

4.根据权利要求1至3任一所述的发电系统，其特征在于：所述第一电机的转子励磁绕组采用m相交流励磁，其转子具有m×P对分裂凸极，m×P对分裂凸极的励磁绕组由m相各P对励磁绕组组成，m相励磁绕组在空间上相差360/(2×m×P)度电角度分布，m相励磁绕组由第一变频装置输入时间上相差360/(2×m)度电角度的交流电进行励磁。

5.根据权利要求1至3任一所述的发电系统，其特征在于：所述第一电机的转子为隐极转子，转子采用三相对称的励磁绕组，由第一变频装置输入三相交流电进行励磁。

6.根据权利要求1至3任一所述的发电系统，其特征在于：所述第二电机为同步发电机，定子绕组通过第二变频装置由电网提供直流电进行励磁。

7.根据权利要求1至3任一所述的发电系统，其特征在于：所述第二电机为永磁同步发电机，定子安装永磁体，由永磁体进行励磁。

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