CN202676881U

CN202676881U - 基于双转子电机变速恒频风力发电的测试系统

Info

Publication number: CN202676881U
Application number: CN 201220086974
Authority: CN
Inventors: 周斯加; 杨勇; 龙江启; 夏景演; 苏忠根
Original assignee: Wenzhou University
Current assignee: Wenzhou University
Priority date: 2012-03-09
Filing date: 2012-03-09
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2022-03-09

Abstract

本实用新型公开了一种基于双转子电机变速恒频风力发电的测试系统，该系统包括模拟电机、双转子电机、发电机、控制系统、交流变频调速驱动柜和变频器，其中双转子电机包括滑环、内转子和外转子；发电机包括定子和转子；模拟电机通过轴一与双转子电机的内转子联接；内转子上设置三相绕组，并通过滑环与变频器连接，变频器通过电路连接与交流变频调速驱动柜相连；双转子电机通过轴二与发电机的转子联接，发电机定子设置三相绕组通过电路与交流变频调速驱动柜连接；交流变频调速驱动柜通过电路连接与模拟电机连接；交流变频调速驱动柜通过数据电缆与控制系统相连；交流变频调速驱动柜外接电网。本系统具有节能环保、操作方便、成本低以及运行可靠等优点。

Description

基于双转子电机变速恒频风力发电的测试系统

技术领域

本实用新型涉及一种基于双转子电机变速恒频风力发电的测试系统。

背景技术

能源与环境是当今世界各国所面临的两大难题，风能其所具有的取之不尽、用之不竭、不污染环境、不破坏生态的特点决定了在保证未来人类社会可持续发展中必然扮演重要角色。但是风力是一种不稳定的动力源，风速时刻在变化；而风力发电机与电网并网时要求风电的频率保持恒定。因此，变速恒频技术是风力发电领域内的一个关键技术。

目前变速恒频的风力发电技术主要有感应发电机型、双馈发电机型、永磁直驱发电机型等类型。虽然现今已有很多的发电技术方案，更多的高效的方案也将不断地推出，但简便易行且集成化的发电测试系统目前还未见报道，这使得在前期的开发以及后期的完善无法更加高效地进行，风力技术的开发也受到限制。因此开发一种具有操作方便、成本低、运行可靠、节能等优点的发电测试系统显得尤为重要。

实用新型内容

针对双转子电机风力发电系统的检测系统空缺的问题，本实用新型提供了一种风力发电系统的检测系统。

为了实现节能环保、操作方便、运行可靠等目的，本实用新型具体的实现方案如下：

基于双转子电机变速恒频风力发电的测试系统，该系统包括模拟电机、双转子电机、发电机、控制系统、交流变频调速驱动柜和变频器，其中双转子电机包括滑环、内转子和外转子；发电机包括定子和转子；模拟电机通过轴一与双转子电机的内转子联接；内转子上设置三相绕组，并通过滑环与变频器连接，变频器通过电路连接与交流变频调速驱动柜相连；双转子电机通过轴二与发电机的转子联接，发电机定子设置三相绕组通过电路与交流变频调速驱动柜连接；交流变频调速驱动柜通过电路连接与模拟电机连接；交流变频调速驱动柜通过数据电缆与控制系统相连；交流变频调速驱动柜外接电网。

模拟电机作为原动机，所述的原动机为电动机、内燃机、汽轮机或者水轮机，其动力来源于交流变频调速驱动柜。

模拟电机为绕线式三相异步电机或者鼠笼式三相异步电机，双转子电机和发电机为同步电机、鼠笼式三相异步电机、绕线式三相异步电机或者单相交流电机。

双转子电机的外转子与发电机的转子复合成一个转子，整个系统构成了两个转子、一个定子的嵌套结构。

发电机和变频器与交流变频调速驱动柜连接且其为同一接口。

变频器与双转子电机的内转子通过滑环进行电气连接，其连接方式为接触式电刷-滑环方式，变频器上有电源接口且需要接入直流电源，所述的直流电源为蓄电池、电池组或者直流发电机。

模拟电机与内转子相联接的轴一以及外转子与发电机转子相联接的轴二的传动类型为齿轮传动、无级机械传动、液压传动、液力传动或者电气传动。

交流变频调速驱动柜外接电网，电网经电源电抗器与可将电网电压转换为直流电压的非调节型电源模块连接。

交流变频调速驱动柜的非调节型电源模块通过直流母线与电机模块连接，电机模块作为可逆变器将直流电压转回交流电压或者将交流电压转成直流电压；各个电机模块并联到直流母线上；在电机模块的输出端连接正弦滤波器，在非调节型电源模块输出端连接电机电抗器。

交流变频调速驱动柜中的各个电机模块通过电路连接分别与模拟电机和发电机连接。

本系统具有节能环保、操作方便、成本低以及运行可靠等优点。同时，对本实用新型的双转子电机以及发电机部分做相应的变化，本实用新型衍生的新的测试方法可以面对其他的风力发电系统。

附图说明

图1为基于双转子电机风力发电测试系统方案示意图;

其中：1为模拟电机，2为轴一，3为滑环，4为外转子，5为内转子，6为双转子电机，7为轴二，8为定子，9为转子，10为发电机，11为电网，12为控制系统，13为交流变频调速驱动柜，14为变频器。

图2为基于双转子电机风力发电测试系统工作原理图;

其中的各部分的代号同图1。

图3为基于双转子电机风力发电测试系统中交流变频调速驱动柜的构造简图;

其中与图一代号相同同图1，21为直流电源，22为数据电缆，23为模拟电机接线，24为发电机与变频器反馈接线，25为控制单元，26为外电源接线。

图4为基于双转子电机风力发电测试系统中交流变频调速驱动柜的驱动结构简图;

其中与图1和图3代号相同的同图1或者图3，15为电源电抗器，16为非调节型电源模块，17为电机电抗器，18为直流母线，19为正弦滤波器，20为电机模块。

具体实施方式

以下结合说明书的附图，对本实用新型的具体实施方式做详细地介绍。各附图中的相同的代号表示本系统中的相同部分。

基于双转子电机风力发电测试系统的总结构示意图如图一所示，主要由模拟电机1、双转子电机6、发电机10、交流变频调速驱动柜13、控制系统12以及变频器14组成，其中双转子电机6包括滑环3、内转子5和外转子；发电机10包括定子8和转子9；模拟电机1通过轴一2与双转子电机6的内转子5联接；内转子5上设置三相绕组，并通过滑环3与变频器14连接，变频器14与交流变频调速驱动柜13相连；双转子电机6通过轴二7与发电机的转子9联接，发电机定子8设置三相绕组通过电路与交流变频调速驱动柜13连接；交流变频调速驱动柜13通过电路连接与模拟电机1连接；交流变频调速驱动柜13通过数据电缆与控制系统12相连；交流变频调速驱动柜13外接电网11。

当整个系统开始运转时，通过控制系统12任意选择一个风力的模拟系统，控制系统12将这个系统中的模拟信号通过数据电缆22传递到交流变频调速驱动柜13的控制单元25，经控制单元25的信号处理后，模拟信号传递到相应的电机模块20以控制相应电机的运转。在启动交流变频调速驱动柜13后，24V的直流电源21对控制单元25进行供电，控制单元25通过对非调节型电源模块16的接通控制，交流变频调速驱动柜13从电网11接受电能，输入的电能经过电源电抗器15的处理后到达非调节型电源模块16，其中电源电抗器15起到了限制低频电源减轻电源模块16中半导体负载的作用。非调节型电源模块16将输入的交流电压转化为直流电压，非调节型电源模块16的输出的直流电流经过电机电抗器17的处理后输送给直流母线18。接到控制单元25指示的电机模块20依照模拟信号从直流母线18接收相应的电功率，同时电机模块20作为逆变器将直流电压重新转化为交流电压，电机模块20输出的电功率经过正弦滤波器19的处理后输送到模拟电机1，使模拟电机1根据风力模拟系统的信号以相应的转速进行转动，达到真实模拟自然风的目的。由于非调节型电源模块16将交流电转化为直流电的功能，同时，电机模块20能实现直流交流的相互转化，模拟电机1与发电机10都通过电机模块20并联在直流母线18上，这样使得了作为电动机的模拟电机1与模拟电机1拖动的发电机10之间可以通过直流母线18进行能量的循环，从而实现节能环保的目的，同时，各部分之间的能量经过转化后是以直流电流的形式进行循环利用，这样高效地轻松地实现了变频调速的目的。

模拟电机1转动后，同时其通过轴一2带动内转子5相对于外转子4进行旋转，在旋转过程中产生的电磁力矩将带动外转子4做同向的转动，外转子4则通过轴二7带动发电机10的转子9做相同方向的运动，但是内转子5与外转子4的速度可能不等。由于模拟电机1模拟自然风，所以其转速不稳定，若直接将其转速传递给发电机10，则有三相绕组的发电机10的定子8产生电功率将不恒定，无法满足电网的接入要求。

当内转子5的绕组得到一个小电流时，因电磁感应现象便会产生一个低速的旋转磁场，假设这个磁场的旋转转速为ω’、内转子5的机械转速为ω₁，内转子因旋转产生一个转速为ω₁的磁场。这两个转速叠加后便形成一个转速为ω’±ω₁的旋转磁场。在这个复合磁场的作用下，外转子4随着内转子5转动，假设其转速为ω₂。依据同步电机的工作原理，可得ω₂=ω’±ω₁。为了使发电机能够稳定持续地给电网提供恒频的电功率，由于ω₁的不稳定性，必须通过调节变频器14 来相应改变ω’的大小，来间接地调整外转子4的转速ω₂，使ω₂=ω_n恒成立，其中ω_n为指定的发电机同步转速。假设模拟电机1驱动内转子5产生的电磁力矩为T’,当系统稳定工作即内转子与外转子的相对转速为0时，可得T₁=T’=T₂。假设模拟电机1的输出功率为P₁=T₁ω₁，不考虑轴一2以及双转子电机6的损耗，发电机10得到的有效功率为P₃=T₂ω_n=T₁ω_n；假设发电机的发电效率为η₁₀，则发电机10回馈给电机模块20的功率P₄=T₁ω_nη₁₀，模拟电机分流到变频器14的P₂=T₁(ω₁-ω_n）。假设变频器的工作效率为η₁₄，则经变频器14传递到的电机模块20的功率为P₅=T₁(ω₁-ω_n）η₁₄，则反馈回到电机模块20的总电功率为P₆=P₅+P₄=T₁(ω₁-ω_n）η₁₄+T₁ω_nη₁₀。在整个系统运行过程中，由于存在能量的损失，交流变频调速驱动柜13需要不断地从电网中吸收能量以保障整个系统能顺利运转。

如果模拟电机1的转速ω₁大于发电机的指定同步转速ω_n时，此时，模拟电机1将主要的功率输送至发电机10，同时将多余的电功率经变频器14反馈回电机模块20，通过电机模块20转换为直流电后输送到直流母线18中；当如果模拟电机1的转速ω₁小于发电机的指定同步转速ω_n时，变频器14从直流母线18经电机模块20中吸收不足的功率，使外转子4的转速ω₂=ω_n，达到发电机10输出的电功率为恒频的目的。假设双转子电机转速率为s=（ω₁-ω_n）/ω_n，则本测试系统要检测s是否在±25%的范围内，若不在，则该风力发电系统需要进一步改进。

Claims

1.基于双转子电机变速恒频风力发电的测试系统，其特征在于,该系统包括模拟电机（1）、双转子电机（6）、发电机（10）、控制系统（12）、交流变频调速驱动柜（13）和变频器（14），其中双转子电机（6）包括滑环（3）、内转子（5）和外转子；发电机（10）包括定子（8）和转子（9）；模拟电机（1）通过轴一（2）与双转子电机（6）的内转子（5）联接；内转子（5）上设置三相绕组，并通过滑环（3）与变频器（14）连接，变频器（14）通过电路连接与交流变频调速驱动柜（13）相连；双转子电机（6）通过轴二（7）与发电机的转子（9）联接，发电机定子（8）设置三相绕组通过电路与交流变频调速驱动柜（13）连接；交流变频调速驱动柜（13）通过电路连接与模拟电机（1）连接；交流变频调速驱动柜（13）通过数据电缆与控制系统（12）相连；交流变频调速驱动柜（13）外接电网（11）。

2.根据权利要求1所述基于双转子电机变速恒频风力发电的测试系统，其特征在于，模拟电机（1）作为原动机，所述的原动机为电动机、内燃机、汽轮机或者水轮机，其动力来源于交流变频调速驱动柜（13）。

3.根据权利要求1所述基于双转子电机变速恒频风力发电的测试系统，其特征在于，模拟电机（1）为绕线式三相异步电机或者鼠笼式三相异步电机，双转子电机（6）和发电机（10）为同步电机、鼠笼式三相异步电机、绕线式三相异步电机或者单相交流电机。

4.根据权利要求1所述基于双转子电机变速恒频风力发电的测试系统，其特征在于，双转子电机的外转子（4）与发电机的转子（9）复合成一个转子，整个系统构成了两个转子、一个定子的嵌套结构。

5.根据权利要求1所述基于双转子电机变速恒频风力发电的测试系统，其特征在于，发电机（10）和变频器（14）与交流变频调速驱动柜（13）连接且其为同一接口。

6.根据权利要求1所述基于双转子电机变速恒频风力发电的测试系统，其特征在于变频器（14）与双转子电机的内转子（5）通过滑环进行电气连接，其连接方式为接触式电刷-滑环方式，变频器（14）上有电源接口且需要接入直流电源，所述的直流电源为蓄电池、电池组或者直流发电机。

7.根据权利要求1所述基于双转子电机变速恒频风力发电的测试系统，其特征在于，模拟电机（1）与内转子（5）相联接的轴一（3）以及外转子（4）与发电机转子（9）相联接的轴二（7）的传动类型为齿轮传动、无级机械传动、液压传动、液力传动或者电气传动。

8.根据权利要求1-7任意一权利要求所述基于双转子电机变速恒频风力发电的测试系统，其特征在于，交流变频调速驱动柜（13）外接电网（11），电网（11）经电源电抗器（15）与可将电网电压转换为直流电压的非调节型电源模块（16）连接。

9.根据权利要求8所述基于双转子电机变速恒频风力发电的测试系统，其特征在于，交流变频调速驱动柜（13）的非调节型电源模块（16）通过直流母线（18）与电机模块（20）连接，电机模块（20）作为可逆变器将直流电压转回交流电压或者将交流电压转成直流电压；各个电机模块（20）并联到直流母线（18）上；在电机模块（20）的输出端连接正弦滤波器（19），在非调节型电源模块（16）输出端连接电机电抗器（17）。

10.根据权利要求9所述基于双转子电机变速恒频风力发电的测试系统，其特征在于，交流变频调速驱动柜（13）中的各个电机模块（20）通过电路连接分别与模拟电机（1）和发电机（10）连接。