[发明专利]变速恒频风力发电装置

说明书

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种新型变速恒频风力发电系统 和应用于该发电系统的双转子永磁发电机。

背景技术

风能是一种洁净的可再生能源，大力发展包括风力发电在内的可再生能源 发电技术是解决全球能源和资源紧张的最佳选择。由于风是一种不可人为控制的 能源，忽大忽小，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的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。双馈感应发 电机工作在一个有限的变速范围内，因此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％。但是由于在 风力机和发电机之间具有增速齿轮箱，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。

因此，研制一种高效率、低成本、运行可靠且供电性能良好的变速恒频风力 发电系统，一直是风力发电领域为之不懈的追求目标。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出一种变速 恒频风力发电系统及其双转子永磁发电机，该系统既取消了增速齿轮箱，提高了 效率和可靠性，又可采用部分功率的功率变换器，使发电机在较大范围内变速恒 频运行。

技术方案：本发明的变速恒频风力发电装置包括风力机、双转子永磁发电 机、交直交功率变换器、级联功率变换器四个部分；其中双转子永磁发电机包含 定子、外转子、内转子、以及滑环；风力机通过输入轴联接内转子，在输入轴上 设有滑环；在内转子的外周设有外转子，在外转子的外周设有定子；内转子上放 置多相绕组，经滑环和电刷连接到交直交功率变换器；定子上放置了多相绕组， 绕组的一端与电网连接，另一端和级联功率变换器(4)连接；外转子为永磁转子 结构，无绕组、无导条、无滑环和电刷。

双转子永磁发电机的内转子固定于输入轴上，输入轴与风力机直接相连来 传递来自风力机的功率和能量；外转子安装在一个铁心骨架上，铁心骨架经轴承 安装在输入轴上，在外转子铁心骨架上内嵌或者内、外表面贴装径向式磁路结构 的永磁磁钢，置于外转子上的永磁体所产生的磁场分别通过内外气隙匝链内转子 的绕组和定子的绕组。

双转子永磁发电机的内转子连接有双向功率流的交直交功率变换器，高风速 时一部分风力机输入的机械功率通过内转子绕组、滑环和电刷、交直交功率变换 器，传递到电网，中低风速时内转子通过交直交功率变换器从电网吸收电功率。

与定子的多相绕组连接有在电网电源和双转子永磁发电机定子电势之间提 供阻尼作用的级联功率变换器。级联功率变换器容量约为发电机容量的10-20％。

双转子永磁发电机采用定子在内，外转子在中间，内转子在外的形式。