一种变速恒频风力发电系统

摘要

本发明公开了一种变速恒频风力发电系统，其特征在于，包括风能捕获模块、发电模块和变流器；所述风能捕获模块与发电模块的第二机械端口连接；所述发电模块的第一电端口连接变流器的一端，第二电端口自短路；第一机械端口不带负载；所述变流器的另一端连接电网；所述发电模块用于在无电刷磨损的情况下将风能转化为恒频输出的电能；所述变流器用于将发电模块产生的电能转换为电网所需的电能。发电模块可等效为两电机，第一电机对风速变化自适应；第二电机完成转矩变化的自平衡；因此，本发明发电模块为无刷双机电端口电机不仅实现了变速恒频的发电，同时有效地避免了增速齿轮箱和电刷带来的机械磨损。

权利要求

1.一种变速恒频风力发电系统，其特征在于，包括风能捕获模块、发电模块和变流器；

所述风能捕获模块与发电模块的第二机械端口连接；所述发电模块的第一电端口连接变流器的一端，第二电端口自短路；第一机械端口不带负载；所述变流器的另一端连接电网；

所述风能捕获模块用于捕获风能；所述发电模块用于在无电刷磨损下将风能转化为恒定频率的电能；所述变流器用于将发电模块产生的电能转换为电网所需的电能；

所述发电模块为无刷双机电端口电机，电机的中间转子不带负载，内转子与风机叶片连接；电机定子的第一绕组通过变流器接入电网，第二绕组自短路；

所述无刷双机电端口电机包括定子、中间转子和内转子，三者同轴套设；其中，定子包括定子导磁铁心、磁钢和定子绕组；所述定子导磁铁心为齿槽结构，槽口放置海尔贝克磁钢阵列，槽内设置有定子绕组；内转子表面设置有周向分布的磁钢；中间转子导磁铁心周向分布；

或所述无刷双机电端口电机包括定子、中间转子和内转子，三者同轴套设；其中，定子包括定子导磁铁心、磁钢和定子绕组；所述定子导磁铁心为齿槽结构，槽口放置海尔贝克磁钢阵列，槽内设置有定子绕组；内转子表面设置有周向分布的磁钢；中间转子为不均匀分布的导磁铁心；

或所述无刷双机电端口电机包括定子、中间转子和内转子，三者同轴套设；其中，定子包括定子导磁铁心和定子绕组；所述定子导磁铁心为齿槽结构，槽内设置有定子绕组；内转子表面布置有周向分布宽度不等的磁钢；中间转子为均匀分布的导磁铁心；

或所述无刷双机电端口电机包括定子、中间转子和内转子，三者同轴套设；其中，定子包括定子导磁铁心和定子绕组；所述定子导磁铁心为齿槽结构，槽内设置有定子绕组；内转子表面设置有周向分布的磁钢；中间转子为不均匀分布的导磁铁心。

2.如权利要求1所述的变速恒频风力发电系统，其特征在于，所述风能捕获模块为风机叶片。

3.如权利要求1或2所述的变速恒频风力发电系统，其特征在于，所述变流器包括两个三相逆变电路。

说明书

一种变速恒频风力发电系统

技术领域

[0001] 本发明属于风力发电技术领域，更具体地，涉及一种变速恒频风力发电系统。

背景技术

[0002] 风能是一种清洁能源，风力发电的可再生能源发电技术是解决全球能源的最佳选择。由于风是一种不可人为控制的能源，变速运行的风力发电机组可捕获最大风能并减少传动轴承受的载荷，而并网风力发电机的频率又需和电网一致保持恒定，即风力发电机组的变速恒频发电。目前实现变速恒频发电主要有以下两种发电系统：双馈感应发电系统和永磁直驱发电系统。双馈感应发电系统采用双馈感应发电机，风力机通过增速齿轮和发电机转子联接，其转子绕组通过滑环连接功率变换器，通过功率变换器调节转子励磁电流，从而可调节发电机的输出电功率恒频恒压。但是，双馈感应发电机工作在一个有限的变速范围内，双馈感应发电机转子侧功率变换器的容量只是所调节功率的一部分，大约为发电机额定功率的20％-30％。同时在风力机和发电机之间设置有增速齿轮箱，不仅增加了成本，而且降低了系统可靠性和能量转换效率。永磁直驱发电系统采用低速直驱型永磁同步发电机，发电机的输出经交直交功率变换器转换成恒频恒压的电能接入电网，由于采用了全功率的功率变换器，发电系统具有较好的可控性和灵活性，传动系统简单、可靠性高，系统效率高，缺点是直接驱动永磁同步发电机本身体积和重量庞大，需要使用全功率的功率变换器，成本高。

[0003] 专利CN101487453提出一种变速恒频风力发电系统及双转子永磁发电机，该系统虽然取消了增速齿轮箱，但依然存在滑环、电刷带来的机械磨损、维护等问题，对整个系统的实用性、可靠性造成较大影响。

发明内容

[0004] 针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种变速恒频风力发电系统，采用无刷双机电端口电机来完成风能到电能的转换，旨在解决现有风力发电系统因存在电刷和滑环而导致机械磨损的问题。

[0005] 为实现上述目的，本发明提供了一种变速恒频风力发电系统，包括风能捕获模块、发电模块和变流器；

[0006] 所述风能捕获模块与发电模块的第二机械端口连接；所述发电模块的第一电端口连接变流器的一端，第二电端口自短路；第一机械端口不带负载；所述变流器的另一端连接电网；

[0007] 所述风能捕获模块用于捕获风能；所述发电模块用于在无电刷的磨损下将风能转化为恒定频率电能；所述变流器用于将发电模块产生的电能转换为电网所需的电能。

[0008] 优选地，所述风能捕获模块为风机叶片。

[0009] 优选地，所述发电模块为无刷双机电端口电机，电机的中间转子不带负载，内转子与风机的叶片连接；电机定子的第一绕组通过变流器接入电网，第二绕组自短路；

[0010] 具体地，所述无刷双机电端口电机包括第一电机和第二电机，其中第一电机与电网连接；第二电机与风机的叶片连接。

[0011] 优选地，所述无刷双机电端口电机包括定子、中间转子和内转子，三者同轴套设；其中，定子包括第一导磁铁心和定子绕组，所述定子导磁铁心为齿槽结构，槽内设置有定子绕组；所述中间转子包括第二导磁铁心和第二磁钢，所述中间转子的第二导磁铁心与第二磁钢周向交替分布；所述内转子表面设置有周向分布的第一磁钢。所述定子绕组为无刷双机电端口电机的两个电端口；内转子和中间转子为无刷双机电端口电机的两个机械端口。

[0012] 优选地，所述无刷双机电端口电机包括定子、中间转子和内转子，三者同轴套设；其中，定子包括定子导磁铁心、磁钢和定子绕组；所述定子导磁铁心为齿槽结构，槽口放置海尔贝克磁钢阵列，槽内设置有定子绕组；内转子表面设置有周向分布的磁钢；中间转子导磁铁心周向分布；定子两套绕组为无刷双机电端口电机的两个电端口；内转子和中间转子为无刷双机电端口电机的两个机械端口。

[0013] 优选地，所述无刷双机电端口电机包括定子、中间转子和内转子，三者同轴套设；其中，定子包括定子导磁铁心、磁钢和定子绕组；所述定子导磁铁心为齿槽结构，槽口放置海尔贝克磁钢阵列，槽内设置有定子绕组；内转子表面设置有周向分布的磁钢；中间转子为不均匀分布的导磁铁心；定子两套绕组为无刷双机电端口电机的两个电端口；内转子和中间转子为无刷双机电端口电机的两个机械端口。

[0014] 优选地，所述无刷双机电端口电机包括定子、中间转子和内转子，三者同轴套设；其中，定子包括定子导磁铁心和定子绕组；所述定子导磁铁心为齿槽结构，槽内设置有定子绕组；内转子表面布置有周向分布宽度不等的磁钢；中间转子为均匀分布的导磁铁心；定子两套绕组为无刷双机电端口电机的两个电端口；内转子和中间转子为无刷双机电端口电机的两个机械端口。

[0015] 优选地，所述无刷双机电端口电机的定子导磁铁心为齿槽结构，所述无刷双机电端口电机包括定子、中间转子和内转子，三者同轴套设；其中，定子包括定子导磁铁心和定子绕组；所述定子导磁铁心为齿槽结构，槽内设置有定子绕组；内转子表面设置有周向分布的磁钢；中间转子为不均匀分布的导磁铁心；定子两套绕组为无刷双机电端口电机的两个电端口；内转子和中间转子为无刷双机电端口电机的两个机械端口。

[0016] 优选地，所述变流器包括两个三相逆变电路。

[0017] 具体地，在风速变化的情况下，第二电机中由于内转子与风机的叶片连接，内转子的转速会发生变化，第二绕组自短路，基于电磁感应原理，其感应电流频率会随内转子转速的变化，完成对风速变化的自适应；第一电机中由于第一绕组通过变流器连接电网，电网的频率一定，因此第一电机的转速一定，风速变化对应的转矩变化通过第一电机传递到第二电机，由第二电机平衡；

[0018] 通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

[0019] (1)本发明采用无刷双机电端口电机代替传统的双馈感应发电机和永磁直驱同步发电机，不仅取消了双馈感应发电系统中增速齿轮箱，同时避免了滑环、电刷带来的机械磨损。

[0020] (2)本发明采用无刷双机电端口电机，当风速发生变化，一方面，根据第一电机转矩的大小，调节内转子的转速，同时第二绕组自短路，可实现对风速变换的自适应过程；另一方面，中间转子无负载空转，同时第一绕组通过变流器接入电网，由于电网频率一定，因此，第一电机的转速保持不变，实现了变速恒频的发电。

[0021] (3)本发明采用无刷双机电端口电机，对变速恒频风力发电系统进行电学控制，相比于传统的机械齿轮控制，实现变速恒频发电的可靠性更高。

附图说明

[0022] 图1是现有变速恒频风力发电系统的示意图；

[0023] 图2是本发明提供的一种变速恒频风力发电系统；

[0024] 图3是实施例1提供的无刷双机电端口电机结构示意图；

[0025] 图4是实施例1中无刷双机电端口电机的第一电机示意图；

[0026] 图5是实施例1中无刷双机电端口电机的第二电机示意图；

[0027] 图6是实施例2提供的无刷双机电端口电机结构示意图；

[0028] 图7是实施例3提供的无刷双机电端口电机结构示意图；

[0029] 图8是实施例4提供的无刷双机电端口电机结构示意图；

[0030] 图9是实施例5提供的无刷双机电端口电机结构示意图；

[0031] 附图说明：

[0032] 1、叶片，2、内转子，3、中间转子，4、第一电端口，5、第二电端口，6、短接线，7、定子铁心，8、磁钢、9、变流器。

具体实施方式

[0033] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0034] 如图1所示，为现有技术的变速恒频风力发电装置，采用一台双转子永磁同步电机来实现风力发电，该电机本质是两台同心布置的永磁电机，且永磁体布置在中间转子，所以内转子为内电机的电枢绕组，电刷和滑环不可避免。

[0035] 为了避免电刷和滑环的机械损害，本发明提出了一种变速恒频风力发电系统，包括风能捕获模块、发电模块和变流器；

[0036] 所述风能捕获模块与发电模块的第二机械端口连接；所述发电模块的第一电端口连接变流器的一端，第二电端口自短路；第一机械端口不带负载；所述变流器的另一端连接电网；

[0037] 所述风能捕获模块用于捕获风能；所述发电模块用于在无电刷的磨损下将风能转化为恒定频率电能；所述变流器用于将发电模块产生的电能转换为电网所需的电能。

[0038] 优选地，所述风能捕获模块为风机叶片；

[0039] 优选地，如图2所示，所述发电模块为无刷双机电端口电机，电机的中间转子3空转，不带负载；内转子2与风机的叶片1直接连接；定子的第一绕组5通过变流器9接入电网；定子的第二绕组4通过短接线6自短路。

[0040] 实施例1

[0041] 如图3所示的无刷双机电端口电机包括定子、中间转子3和内转子2，三者同轴套设；其中，定子包括第一导磁铁心和定子绕组，定子导磁铁心7为齿槽结构，槽内设置有定子绕组，分别为绕组4和绕组5，两套绕组构成无刷双机电端口电机的两个电端口；内转子2表面设置有周向分布的磁钢8；中间转子3由导磁铁心与磁钢8周向交替分布；内转子2和中间转子3为无刷双机电端口电机的两个机械端口。

[0042] 上述无刷双机电端口电机可分解第一电机和第二电机，其中，如图4所示，第一电机包括中间转子3，定子导磁铁心7及绕组5；如图5所示，第二电机包括内转子2、去掉磁钢的中间转子3及绕组4；图4的第一电机直接接入电网，由于电网电网频率一定，则中间转子转速一定；图5所示的第二电机中间转子3的转速恒定，内转子2与风机叶片相连，当风速发生变化时，定子绕组4内感应电压频率发生变化，由于绕组4是自短路，类似感应电机原理，该电机部分可持续工作；总而言之，风能通过第二电机的内转子转换为绕组4的电能以及中间转子3的机械能；中间转子3的机械能再通过第一电机转换为绕组5的电能，完成变速恒频发电。

[0043] 类似图3所示的电机，以下电机也可实现发电模块的功能，即：将风能转换为电能输出；

[0044] 实施例2

[0045] 如图6所示，所述无刷双机电端口电机包括定子、中间转子3和内转子2，三者同轴套设；其中，定子包括定子导磁铁心7、磁钢和定子绕组；所述定子导磁铁心7为齿槽结构，槽口放置海尔贝克磁钢阵列，槽内设置有定子绕组；内转子2表面设置有周向分布的磁钢；中间转子3导磁铁心周向分布；定子两套绕组为无刷双机电端口电机的两个电端口；内转子2和中间转子3为无刷双机电端口电机的两个机械端口。

[0046] 实施例3

[0047] 如图7所示，所述无刷双机电端口电机包括定子、中间转子3和内转子2，三者同轴套设；其中，定子包括定子导磁铁心7、磁钢和定子绕组；所述定子导磁铁心7为齿槽结构，槽口放置海尔贝克磁钢阵列，槽内设置有定子绕组；内转子2表面设置有周向分布的磁钢8；中间转子3为不均匀分布的导磁铁心；定子两套绕组为无刷双机电端口电机的两个电端口；内转子2和中间转子3为无刷双机电端口电机的两个机械端口。

[0048] 实施例4

[0049] 如图8所示，所述无刷双机电端口电机包括定子、中间转子3和内转子2，三者同轴套设；其中，定子包括定子导磁铁心7和定子绕组；所述定子导磁铁心为齿槽结构，槽内设置有定子绕组；内转子2表面布置有周向分布宽度不等的磁钢8；中间转子3为均匀分布的导磁铁心；定子两套绕组为无刷双机电端口电机的两个电端口；内转子2和中间转子3为无刷双机电端口电机的两个机械端口。

[0050] 实施例5

[0051] 如图9所示，所述无刷双机电端口电机的定子导磁铁心7为齿槽结构，所述无刷双机电端口电机包括定子、中间转子3和内转子2，三者同轴套设；其中，定子包括定子导磁铁心和定子绕组；所述定子导磁铁心为齿槽结构，槽内设置有定子绕组4和定子绕组5；内转子2表面设置有周向分布的磁钢8；中间转子3为不均匀分布的导磁铁心；定子两套绕组为无刷双机电端口电机的两个电端口；内转子2和中间转子3为无刷双机电端口电机的两个机械端口。

[0052] 优选地，所述变流器包括两个三相逆变电路。

[0053] 具体地，在风速变化的情况下，第二电机中由于内转子与风机的叶片连接，内转子的转速会发生变化，第二绕组自短路，基于电磁感应原理，其感应电流频率会随内转子转速的变化，完成对风速变化的自适应；第一电机中由于第一绕组通过变流器连接电网，电网的频率一定，因此第一电机的转速一定，风速变化对应的转矩变化通过第一电机传递到第二电机，由第二电机平衡；

[0054] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。