CN2146579Y

CN2146579Y - 数控全速风力发电装置

Info

Publication number: CN2146579Y
Application number: CN93201285U
Authority: CN
Inventors: 石行
Original assignee: Xicheng Xinkai General Testing Factory Beijing City
Current assignee: Xicheng Xinkai General Testing Factory Beijing City
Priority date: 1993-02-01
Filing date: 1993-02-01
Publication date: 1993-11-17
Anticipated expiration: 2003-02-01

Abstract

一种数控全速风力发电装置，是由风翼的转轴经传动机构驱动稀土全速同步电机中的稀土转子旋转发电，其馈电经由两对或四个功率开关器件与十四个二极管组成的功率电子调压器、逆变电源和不间断电源供给负载，并由微型计算机通过其接口对发电机、电子调压器、逆变电源和不间断电源进行数字控制。根据风力资源大小而实时改变稀土电机三相电枢的串并联结构，保证输出电压比较稳定和处在优化工况下运行操作，为风力发电机的普遍应用拓宽了道路。

Description

本实用新型涉及一种再生能源的利用装置，确切地说，涉及一种利用风能发电的数控发电设备。

随着社会的进展，人类消耗的能源日趋枯竭，还带来日益恶化的环境污染问题。为此，人们早就开始孜孜不倦地努力寻找可以替代煤碳、石油、天然气等一次能源的新的能源。太阳能、风能、地热、水力、潮汐等可以在地球环境中周而复始的、从自然现象中不断获得的可再生能源日益引起人们的重视和开发利用。这种能源“洁净”、无污染，又不会象一次能源那样会逐渐消耗殆尽，尽管其品位低，功率小，但随着当代科技水平的发展和能源危机的紧迫感，科技人员开发利用这种再生能源，把它作为一种可靠的补充能源而应用于人类生活的迫切性和成功率都有了飞跃提高。

申请人曾在92年7月提出“数控小型风力发电装置”的专利申请（申请号：CN9227131.3已审查合格）是利用稀土全速同步电机（专利号：CN91203427.0）作为发电机的开发利用风能的新装备。该申请利用稀土全速电机的优良性能，可以在低速到超高速范围的任何一个状态下平稳转动，达到全速动平衡。这一点尤其适应风力资源不稳定、时大时小的随机情况，比较好地克服了国外现有风力发电装置都有风力适应范围的缺陷。一般来说，这个风速适应范围为时速10～40英里，在此范围之外时，都要用机械制动系统将发电装置锁住。这是为了保证风力发电的电能够均衡输出。申请人的“数控小型风力发电装置”可以不受上述风速范围的限制，既在高风速时能发挥最佳电能转换效率；在低风速时也能产生较好的功率因素，保证正常用电。这是在装置中除了稀土全速电机以外，还采取了自偶调压器、微机控制的脉宽调制（PWM）型逆变电源和不间断电源等设备，把发电机的馈电经自偶调压升至220伏或380伏后，再经脉宽调制逆变电源馈入电网的，使它在任何工况运行时都能取得良好的功率因素，实际发电效率也比现有的各种风力发电装置要高，因此，美国的两大风力发电公司之一的史威斯特（SEAWEST）公司已与申请人达成了采用上述专利技术对该公司现有产品进行技术改造的意向协议。但是，在进一步研究开发后，发现上述专利申请中的自偶调压器部分结构仍较复杂，制造成本较高，有继续改进的必要和可能。

本实用新型的目的是提供一种数控全速风力发电装置，它的改进之处是用功率电子电路构成的调压器取代原来常规的自偶调压器，使装置结构更简化、效能更高。

本实用新型的主要结构与原来相同，也是由风翼的转轴经传动机构驱动稀土全速同步电机中的用稀土永磁材料制作的转子旋转发电的，其特点是：发电机的馈电输出经功率电子电路构成的调压器、逆变电源和不间断电源供给负载，并由微型计算机通过其接口对发电机，电子调压器、逆变电源和不间断电源进行数字控制。

本实用新型是充分利用功率电子器件的功率大、开关速度快、无触点、易于实现数字控制等特点而实现的，它可以根据风力资源的大小、实时改变稀土电机的三相电枢串并联结构，以保证输出电压比较稳定，处在优化工况下运行操作。而原有数控风力发电装置的特性和优点仍然保留。

下面结合附图，具体介绍本实用新型。

图1是本实用新型的机械结构示意图。

图2是原先专利申请中发电机输出端的三相全波整流桥接线图。

图3是本实用新型采用功率电子器件构成的整流调压器接线图。

图4是本实用新型中电子调压器在正常风速发电时的并联等效电路图。

图5是本实用新型中电子调压器在低风速发电时的串联等效电路图。

参见图1，本实用新型由风翼1的转动，经传动机构2使稀土同步电机3的转子3A随风速旋转，而转子3A的外缘固装有稀土永磁体做的多个磁极，这些磁极的旋转就在电机3的定子3C里产生多个旋转的磁场，这些旋转磁场与定子线圈3B发生切割磁力线作用，在定子线圈3B中产生电动势，这些电势被引出成为电流而馈入电子调压器4，再经逆变电源5和不间断电源6后才供给负载。这样，可以把风力资源强盛时的富余电能储存一部分，在无风时，也能保持一段时间的正常稳定供电。发电机3、电子调压4、逆变电源5和不间断电源6都受微型计算机7的数字控制。

图2是在CN9227131.3中采用的三相全波整流桥原理图。它是把稀土同步电机3定子绕组3B中产生的电流经6个二极管D组成的全波整流桥整流后，由传统的自偶调压升至220伏后才输出的，这种结构比较死板，调整的灵活性差，不利于风能发电装置在各种风速范围内的高效发电。

图3是本实用新型采用两对功率开关器件和十四个二极管组成的复合整流模块调压器的接线示意图。图中A、B、C是稀土全速同步电机3的三相定子绕组，10～13是大功率开关组件，由两个GTR对管组成，也可以使用该器件的四个单管，还可以采用其他大功率开关组件，如硅可控整流器SCR、GTO、MBT等，这两组开关组件运行时可以接收计算机的控制，根据运行工况进行RWM的变脉宽调节控制，也可以接收微机指令，让两组开关组件都关断截止，使发电装置的整流模块分隔成三个串联回路，以提升输出电压，保持馈电的均衡。这是因为本实用新型装置中的三相全速同步电机虽然可以在各种风速的状况下都可以高效发电，但随该电机的转速变化，其交流输出电压也会发生相应改变：当风速很高时，发电装置的输出电压也很高，此时计算机的指令使大功率开关器件GTR处于完全导通状态，使电机的每个单相绕组感应生成的电流整流后并联向外馈电，以避免输出电压过高。〈参见图4所示〉，如在一般风速下，电机转速也相应降低，为了补偿发电机输出交流电压的降低，可通过计算机的数控指令，控制功率电子开关器件的导通脉宽幅度，再利用电容C1、C2、C3的充放电将输出电压补偿到逆变电源直流输入所必须要求的电压值，与此同时，微型计算机也同时控制逆变器的输出负载，使之与风力的输入功率相匹配。这些都是由计算机进行统一调整和协调处理的。而当调节功率电子开关器件的脉宽不能补偿到最低限度的直流电压输入时，计算机就会发出新的指令，使GTR开关器件10～13全部截止关断，此时电机每一相的整流模块成为一个彼此独立的整流桥，且三相的整流桥又成为串联的三个电路（参见图5所示），这样又使输出的直流电压得到大幅度的提升，从而达到逆变器所要求的输入电压值。因此，该功率电子整流调压装置可以保证本实用新型能在很低的风速下仍然维持正常发电，并替代了原来数控风力发电装置中的自偶调压器。

当前风力发电还不能普遍推广应用的原因之一是发电成本太高。据了解美国加州某风力电站由于自动化程度的大幅度提高而使装机台数大量增加，平均每个值班人员可管理数十台至数百台机器，而使人工开销与运行成本的比值大大降低，统计数字表明，它比欧共体的统计平均数44％约下降了一个数量级，从而首先突破财务经营平衡的“难关”，但它的年平均发电负荷率也仅达到装机容量的16％。而每提高1％的年平均负荷率，就可以增加盈利10％以上。采用本实用新型方案，以及申请人其他有关风力发电的一些专利技术，可以使年平均负荷率超过20％，充分发挥风力发电机的效率，从而使目前影响风力发电普遍应用的主要难点得到解决。

Claims

1、一种数控全速风力发电装置，是由风翼的转轴经传动机构驱动稀土全速同步电机中的用稀土永磁材料制作的转子旋转发电的，其特征在于：发电机的馈电输出经功率电子电路构成的调压器、逆变电源和不间断电源供给负载，并由微型计算机通过其接口对发电机、电子调压器、逆变电源和不间断电源进行数字控制。

2、如权利要求1所述的数控全速风力发电装置，其特征在于：所述的功率电子调压器可以是由两对（或四个）功率开关器件与十四个二极管组成的复合整流模块。