CN202732232U - 微功耗风力发电机 - Google Patents

Abstract

微功耗风力发电机由叶片和同步电机组成，同步电机的定子采用调频调幅方波励磁，输出功率恒频恒压，可直接并入电网。该同步发电机组中的风叶转轴直接驱动同步电机，免除了双馈感应发电机中的增速齿轮箱；采用同步发电机转子励磁，免除了双馈感应发电机中的励磁双向逆变器或全功率变换器；由于免除了增速齿轮箱，微功耗风力发电机组安装好就能发电，颠覆了切入风速和切出风速概念；风再小，只要叶片可以动，就能发电，风再大，只要风机括不倒，就能发电，整机机械能损耗和电能损耗都接近零。

Description

微功耗风力发电机

技术领域

本发明涉及一种微功耗风力发电机。

背景技术

图1是双馈感应发电机工作原理框图，通过叶轮将风能转变为机械转距(风轮转动惯量)，通过主轴传动链，经过齿轮箱增速到异步发电机的转速后，通过励磁变流器励磁而将发电机的定子电能并入电网。如果超过发电机同步转速，转子也处于发电状态，通过变流器向电网馈电。

最简单的风力发电机可由叶轮和发电机两部分构成，立在一定高度的塔干上，这是小型离网风机。最初的风力发电机发出的电能随风变化时有时无，电压和频率不稳定，没有实际应用价值。为了解决这些问题，现代风机增加了齿轮箱、偏航系统、液压系统、刹车系统和控制系统等。

齿轮箱可以将很低的风轮转速(1500千瓦的风机通常为12-22转/分)变为很高的发电机转速(发电机同步转速通常为1500转/分)。同时也使得发电机易于控制，实现稳定的频率和电压输出。偏航系统可以使风轮扫掠面积总是垂直于主风向。

根据变速恒频变桨矩风机的特点，国内目前装机的电机一般分为二类：

1、异步型：

1)笼型异步发电机；功率为600/125kW、750kW、800kW、1250kW，定子向电网输送不同功率的50Hz交流电。

2)绕线式双馈异步发电机；功率为1500kW定子向电网输送50Hz交流电，转子由变频器控制，向电网间接输送有功或无功功率。

2、同步型：

1)永磁同步发电机；功率为750kW 1200kW 1500kW由永磁体产生磁场，定子输出经全功率整流逆变后向电网输送50Hz交流电。

2)电励磁同步发电机；由外接到转子上的直流电流产生磁场，定子输出经全功率整流逆变后向电网输送50Hz交流电。

同步发电机的电压变化率约为20～40％，一般工业和家用负载都要求电压保持基本不变，为此，随着负载电流的增大，必须相应地调整励磁电流。高速同步发电机因大多数发电机与原动机同轴联动，火电厂都用高速汽轮机作原动机，所以汽轮发电机通常用高转速的2极电机，其转速达3000转/分(在电网频率为60赫时，为3600转/分)。核电站多用4极电机，转速为1500转/分(当电网频率为60赫时，为1800转/分)。为适应高速、高功率要求，高速同步发电机在结构上，一是采用隐极式转子，二是设置专门的冷却系统。

上述同步、异步风力发电机有以下缺点：

1)必须增速齿轮箱，方能达到电机的同步转速，机械能损耗大；

2)必须双向逆变器或全功率变换器，电能损耗大；

3)切入风速时开始发电、切出风速时锁定电机，即风小不能发电，风大不能发电，很难伺候不说，浪费太多风能；

4)直接采用市电励磁，低电压穿越性能极差。

发明内容

图2是微功耗风力发电机原理框图，叶片转轴直接驱动同步发电机，无齿轮箱的机械传动损耗；转子励磁电流采用微功耗功率变换获得，其功率损耗接近零。微功耗风力发电机由叶片、叶片转轴、同步电机、励磁方波发生器组成，叶片转轴与同步电机转轴刚性联接，励磁方波发生器产生调频调幅对称方波电流，对同步电机的转子励磁；叶片受风转动，叶片转轴与叶片联动，驱动同步电机发电。

同步发电机输出电压的频率由下式决定：

f＝n×p/60    (Hz)；                        (1)

f：输出电压频率；

n：发电机转轴转速；

p：发电机转子极对数。

设电机转子极对数为2，输出电压频率为50Hz，则由(1)式可计算得风叶转轴转速为：

N＝50×60/2＝1500(转)；                    (2)

即当同步发电机的极对数为2时，风叶转轴转速应为1500转。

设电机转子极对数为20，输出电压频率为50Hz，则由(1)式可计算得风叶转轴转速为：

N＝50×60/20＝150(转)；                    (3)

即当同步发电机转子的极对数为20时，风叶转轴转速应为150-300转。

设电机转子的极对数为200，输出电压频率为50Hz，则由(1)式可计算得风叶转轴转速为：

N＝50×60/200＝15(转)；                    (4)

即当同步发电机转子的极对数为200时，风叶转轴转速应为15转，正好落入风叶典型转速之内。比较式(2)、(3)、(4)可知，要获得相同的输出频率，增加同步发电机的极对数，可减少风叶转轴的转速，即风叶转轴的转速n和电机的极对数p成反比。风叶转轴的转速一般为12-22之间，在免除增速齿轮箱的前提下，为了获得50Hz的输出频率，必须增加发电机转子上的极对数，但工艺上不可能无限增加发电机的极对数，在一个发电机的转子制作200个极对，显然不切实际。

微功耗风力发电机组，由叶片和同步电机组成，同步电机的定子采用调频调幅方波励磁，输出功率恒频恒压，可直接并入电网。该同步发电机组中的风叶转轴直接驱动同步电机，免除了双馈感应发电机中的增速齿轮箱；采用同步发电机转子励磁，免除了双馈感应发电机中的励磁双向逆变器或全功率变换器；由于免除了增速齿轮箱，微功耗风力发电机组安装好就能发电，颠覆了切入风速和切出风速概念；风再小，只要叶片可以动，就能发电，风再大，只要风机括不倒，就能发电，整机机械能损耗和电能损耗都接近零。

附图说明

图1是传统风力发电机原理图；

图2是微功耗风力发电机原理图；

图3机械角度和电角度对比图；

图4是极对数等于1时定子旋转一周时定子所产生的360电角度；

图5是极对数等于2时定子旋转一周时定子所产生的720电角度；

图6是极对数等于3时定子旋转一周时定子所产生的1080电角度；

图7是励磁电流极性变换1次时时定子所产生的360电角度；

图8是励磁电流极性变换2次时时定子所产生的720电角度；

图9是励磁电流极性变换3次时时定子所产生的1080电角度；

图10是定子励磁电流的仿真波形；

图11是定子励磁方波发生器。

具体实施方式

1、输出电压与电网同频

图3表示机械角度和电角度的关系，从几何上说，沿电机定子内园或转子外园旋转一周就是转了360°，这样划分的角度称为机械角度，用符号θ_m表示。但从磁场角度来看，一对磁极对应着一个交变的周期，也是360°，如果是P对磁极，则对应的交变周期就是P×360°，这样划分的角度称为电角度，用符号θ表示。如果将电机沿气隙展开，一个园周长可以用360°机械角度表示，而不论电机极对的多少，一个磁极对应180°电角度，一对磁极对应360°电角度，一个园周长应该对应P×360°的电角度，可见电角度和机械角度的关系是θ＝P×θ_m。

如发电机的转子由直流电流励磁，发电机的转子在叶片转轴的驱动下旋转，当极对数为1时(2个磁极)，转子旋转1周，定子上的感生电动势产生1个正弦波周期，同步旋转磁场旋转1周(请参考图4)；当极对数为2时(4个磁极)，转子旋转1周，定子上的感生电动势产生2个正弦波周期，同步旋转磁场旋转2周(请参考图5)；当极对数为3时(6个磁极)，转子旋转1周，定子上的感生电动势产生3个正弦波周期，同步旋转磁场旋转3周(请参考图6)。由此可见，同步旋转磁场的转速Nf和叶片转轴转速Np相等。

如发电机的转子由方波电流励磁，而电机的极对数均为1，发电机的转子在叶片转轴的驱动下旋转。当转子旋转1周、励磁电流的极性改变1次时，定子上的感生电动势产生1个正弦波周期，即同步旋转磁场旋转1周(请参考图7)；当转子旋转1周、励磁电流的极性改变2次时，定子上的感生电动势产生2个正弦波周期，即同步旋转磁场旋转2周(请参考图8)；当转子旋转1周、励磁电流的极性改变3次时，定子上的感生电动势产生3个正弦波周期，即同步旋转磁场旋转3周(请参考图9)。由此可见，同步旋转磁场的转速Nf和励磁方波电流在1周内极性改变的次数Nt相等。

比较图4、5、6和图7、8、9及其说明，可以得出结论：同步发电机转子励磁方波电流的极性，在叶片转轴或发电机转子旋转1周内改变的次数，对于旋转磁场所产生的作用和效果，等同于发电机转子上的极对数。换言之，在免除了增速齿轮箱的前提下，为了使输出电压的频率仍然保持50Hz，不必增加发电机转子上的极对数，而只须改变转子励磁方波电流的频率。要使励磁方波的频率达到3000Hz，是非常容易的事情，而要使发电机转子上的极对数增加到3000个，却是完全不可能的。

当免除增速齿轮箱，叶片转轴或发电机转子旋转转速为12-22时，而要保持输出频率为50Hz，根据(1)式可求得转子上极对数P为：

f＝n×p/60＝50(Hz)

则：p＝50×60/n＝50×60/(12-22)＝(250-135.36对)        (5)

当免除增速齿轮箱，叶片转轴或发电机转子旋转转速为1时(微风)，根据(1)式可求得转子极对数P为：

p＝50×60/1＝3000(对)                                  (6)

根据以上分析可知，引入方波对同步发电机转子励磁后，发电机旋转磁场的同步转速不再等于同步发电机转子转速，以极短的时间进行观察，转子仍以直流电流励磁，保持着同步发电机的一切特点。在叶片转轴或发电机转子旋转一周内，只要使转子励磁方波电流极性改变的次数Nt，等于发电机转子应该具备的极对数Np，就可以保持输出电压的频率为50Hz，此乃同步发电机转子采用调频方波励磁，可免除增速齿轮箱的真谛。

2、同步电动机的调速

电动机和发电机之间存在可逆关系，当采用调频对称方波对同步发电机的转子励磁，可免除发电机的增速齿轮箱，则当采用调频对称方波对同步电动机的转子励磁，同样可以并免除电动机的减速齿轮箱，达到电动机调速的目的。按照上述发电机的理解的逆过程，可以先讨论极对数的情况：

如果同步电动机的定子接入正弦波电压，在气隙产生旋转磁场，发电机的转子在旋转磁场的驱动下旋转，当极对数为1时(2个磁极)，定子上的感生电动势产生旋转1周电角度，转子旋转1周机械角度；当极对数为2时(4个磁极)，定子上的感生电动势产生旋转1周电角度，转子旋转1/2周机械角度；当极对数为3时(6个磁极)，定子上的感生电动势产生旋转1周电角度，转子旋转1/3周机械角度。由此可见，同步发电机转子上的极对数可以用来调节其旋转速度，但可惜的是，极对数在电动机生产后就固定而不能改变。

如果同步电动机的定子接入正弦波电压，在气隙产生旋转磁场，发电机的转子在旋转磁场的驱动下旋转，电动机的转子由对称调频方波电流励磁，极对数为1(2个磁极)不变。

当对称调频方波厉磁电流的极性改变1次时，定子上的感生电动势产生旋转1周电角度，转子旋转1周机械角度；当对称调频方波厉磁电流的极性改变2次时，定子上的感生电动势产生旋转1周电角度，转子旋转1/2周机械角度；当对称调频方波厉磁电流的极性改变3次时，定子上的感生电动势产生旋转1周电角度，转子旋转1/3周机械角度。实际上是对称调频方波厉磁电流极性改变的次数，代替了转子上的极对数，从而达到和极对数完全相同的效果，转子的极对数不能改变，但改变对称调频方波厉磁电流的频率则是轻而容易举的事情，因此同步电动机的调速也可免除减速齿轮箱。

3、全风速发电

按照蒲福风级表，从最低零级到最高17级，风速从0，2m/s到61.2m/s，微功耗风力发电机都能发电。由于免除了增速齿轮箱，风叶转轴直接驱动同步发电机的转子，只要风叶在动，发电机的转子就动，发电机转子一动，定子就有电流输出。另外，当叶片转速为12转/s，根据公式(1)可计算出齿轮箱的变比为250，当叶片转速为1转/s，根据公式(1)可计算出齿轮箱的变比为3000，此式说明只要存在增速齿轮箱，就不可能低转速(12转以下)发电。

当风力大到足以使叶片转速达到22转/s以上时，增速齿轮箱必须停机保护，风力太大，无法承受如此大的机械应力。当免除了增速齿轮箱后，叶片转轴直接驱动同步发电机，而同步发电机的正常转速为3000转/s，风再大，叶片转轴的转速也不可能达到3000转/s，所以微功耗风力发电机可以从最小风力到最大风力，全风速发电。

4、输出电压与电网同幅

图11是极性反转电源，功能是把电压的极性取反，从一个正电压Vi获得一个等幅的负电压Vb。MOS管Q1、Q12的共同源极分别接电阻R2和C1、D4的串联支路，D4的阴极接地，输入电压Vi是正电压，其幅值与与励磁所需要的幅值相等，驱动信号V1、V2的频率，和转子励磁方波所需要的方波频率相等。前10ms期间，Q1导通，Vi在电阻R2上形成10ms正方波电压Va，同时通过D4向电容C1充电，极性上正下负；第二个10ms到来的时候，Q1截止，Q2导通，把C1的正电压端接地，二极管D3输出负电压，于是在电阻R1上得到10ms的负方波电压Vb，图10的仿真波形是正负脉冲电压Va、Vb，正负两电压的中心点接地。采用闭环控制方法，只要使输入电压Vi的幅值等于转子励磁所需要的幅值即可，而驱动信号V1、V2的频率，采用闭环控制方法，使得驱动信号V1、V2的频率与转子励磁方波所需要的频率相等即可，此乃现在技术，此处不再重复。

5、微功耗风力发电机组成的实际风电场

微功耗风力发电机组成的实际风电场，通过30公里馈线，和120KV电网联结，其间经过两个变压器，从120KV高压到25KV中压，再从25KV中压到575V低压，风电场包括6台机组，每台机组容量1.5MW，自带负载500KW。双馈感应发电机DFIG以微功耗风力发电机MLSG取代，同步发电机转子的直流厉磁电流以对称方波电流取代。

在实际风电场应该增加电网调峰、调谷和强化低电压穿越功能，风力发电白天晚上都一样，但白天是用电高峰，晚上是用电低谷，晚上电网并不要电，电发得越多，浪费越多，得想办法把晚上发的电能存贮起来，等到白天用电高峰时并网，因此须增加电能蓄电池存贮。风电场有电能存贮，机组厉磁用自己的电，与电网无关，可大大改善低电压穿越功能。

6、特点

传统双馈感应发电机一般采用异步发电机，而异步电机更适合于电动机运行；同步电机作为发电机运行，相对于异步电机具有明显优势，但如果把同步电机用作风力发电，由于所发电能必须通过全功率变换才能并入电网，其优越性大打折扣。

微功耗风力发电机MLSG正是采用同步电机作为风力发电机，免除了增速齿轮箱，免除了全功率变换器，使得同步电机作为发电机的优势获得充分发挥，大大降低风力发电机的机械能损耗和电能损耗，具有以下优点：

1)免除机械传动齿轮箱，减少机械能损耗，同时提高发电系统可靠性；

2)免除双馈感应发电机中转子励磁双向逆变器，或全功率变换器，减少功率变换过程中的电能损耗；

3)全风速发电，1级软风启动，12级飓风发电，只要叶片动就能发电，只要风机不倒就能发电，极大提高了风能利用率；

4)由于微功耗风力发电机整机效率高，对电网索取的功率极少，对电网依赖的程度极小，因而低电压穿越功能极佳。

Claims (1)

1.一种微功耗风力发电机，其特征是：整机由叶片、叶片转轴、同步电机、励磁方波发生器组成，叶片转轴与同步电机转轴刚性联接，励磁方波发生器产生调频调幅对称方波电流，对同步电机的转子励磁；叶片受风转动，叶片转轴与叶片联动，驱动同步电机发电。

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