[发明专利]机电混合式无级变速风力发电装置

说明书

技术领域

本发明是一种用于风力发电的装置，属于风力发电机制造的技术领域。

背景技术

随着全社会对能源和环境问题的持续关注，可再生能源的开发利用正呈现出加速发展的趋势，风能在地球上广泛存在并是目前为人们所掌握的最为成熟的可再生能源之一。风力发电机组是风力发电系统中将机械能转化为电能的装置，是将原动力与输出电能相连接的工具，它不仅直接影响到输出电能的质量和效率，也影响到整个风电转换系统的性能和系统的结构。由于风能是能量密度较低的一种能源，由风能驱动的风力机工作在较低的转速(几十转/分)。纵观目前国内外已投入运行和正在研发的风力发电系统，基本可归为两大类。第一类风力发电系统是在风力机和发电机之间采用机械增速齿轮，但多级增速齿轮不仅体积大而笨重，可靠性差，需要经常维护，是风力发电系统中最薄弱的环节；第二类是直接驱动风力发电机，取消了增速齿轮，因此具有效率高、动态响应快、维护费用低等优点。然而，由于直接驱动发电机在每分钟几十转的低速下工作，为保证其输出电压在正常频率的范围内(30-80Hz)，发电机需要采纳较大的定转子直径和较多的极对数，给发电机的设计和制造增加了难度。另一方面，风能具有随机性，忽大忽小，目前的风力发电系统，当风速小于额定风速时，风轮可最大限度地吸收风能，而当风速高于某一限值时，为了保持发电机输出频率基本恒定，采用调节风叶桨距使风轮失速，至使风能不能被充分利用。为了解决上述问题，2007年提出了一种以电气无级变速器作为中间环节的新型风力发电系统一电气无级变速双功率流风力发电系统，并申请了发明和实用新型专利。该系统既取消了多级增速齿轮，又可采用常规电励磁发电机，并使发电机恒速工作，实现真正的变速恒频运行。但当风速较低，变速比较大的时候，电气变速器的效率明显降低，导致整个风力发电系统的利用效率降低。因此，研制开发适合于风能高效转换、运行可靠、效率高、控制方便且供电性能良好的新型发电系统，一直是该领域技术人员长期的追求。

发明内容

技术问题：本发明的目的是在电气无级变速双功率流风力发电系统的基础上提出一种基于机电混合式无级变速的风力发电装置，实现真正的变速恒频运行，可显著提高系统的可靠性、运行效率和风能的利用效率，可显著提高电气变速器的工作点、运行效率及整个系统的效率。

技术方案：本发明的机电混合式无级变速风力发电装置包括风力机、机械增速器，电气变速器，发电机，第一功率变换器、第二功率变换器；其中：机械增速器和电气变速器构成了机电混合式无级变速风力发电系统的调速部分；电气变速器包含定子、外转子、内转子、以及滑环，内转子上设置多相绕组，经滑环和电刷连接到第一功率变换器；定子上也设置多相绕组，并与第二功率变换器相连；电气变速器有二个轴，一侧轴为输入轴，联接机械增速器和电气变速器外转子；另一侧轴为输出轴，联接变速器内转子和发电机；第一功率变换器、第二功率变换器接到同一个直流电源。外转子结构根据所采用电机类型的不同，是笼型转子，或是永磁转子或其他型式。直流电源是蓄电池、或电容构成。

工作时，风力机驱动机械增速器低速端以角速度ω_w旋转，经过一级机械增速器升速后驱动电气变速器外转子以角速度ω_o旋转。当内转子绕组和定子绕组中通入电流时，通过电磁耦合作用，内转子上将产生电磁转矩，驱动内转子以角速度ω_g旋转，从而带动发电机转子旋转发电。由风力机转换而来的机械功率，将被分为二部分，一部分以机械功率的形式，以电磁场为媒介由外转子直接传递到内转子，称为机械功率流；另一部分以电功率的形式，由定子绕组、功率变换器6、功率变换器5，滑环和电刷、传递到内转子绕组，称为电功率流。两种功率流的比例，由内外转子的速度比决定。如忽略各种损耗不计，则变速器的输入功率(风力机功率)应与输出功率(即发电机输入功率)相等。

如果直流电源由储能单元(蓄电池、电容器等)组成，则可以将部分输入功率以电能的形式储存起来，也可以将储能单元中的能量释放到输出轴。当风力机功率大于发电机的功率时，可将多余的能量转换为电能储存起来；反之，当风力机功率小于发电机功率时，则可将储能单元中的能量释放出来补充输入功率的不足。

通过控制加到电气变速器定子绕组和内转子绕组上的电流大小、频率，可以无级调节发电机的转速，使发电机的转速不随风速的变化而改变，实现变风速恒频输出。