[实用新型]无机械增速齿轮箱的风力发电装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种无机械增速齿轮箱的风力发电装置，属于风力发电技术领域。

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呈现出加速发展的趋势。风能在地球上广泛存在并且是目前为人们所掌握的技术最为成熟的可再生能源之一。在风力发电装置中，风力发电机组将风能转化为电能。风力发电可分为恒速恒频和变速恒频两种方式。由于恒速风电机组不能实现最大风能抽取，而变速恒频类风电机组具有能够实现最大风能追踪且并网方便、技术成熟等优点，成为风力发电的主流。为了实现发电机与电网的安全运行以及改善电能质量，风力发电机发出的交流电能常常先整流转换为直流电再逆变成交流电，然后并入电网。在整流和逆变装置中，常常采用脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)技术改变功率开关管的导通和关断时间，这种技术可以提高电能的功率因数和降低谐波含量，改善电能质量；常常使用绝缘栅双极晶体管(Insulated-GateBipolar Transistor，IGBT)作为功率开关管，其驱动功率大且开关速度较快。目前国内外己投入运行和正在研发的风力发电装置，基本可归为两大类：

第一类是以机械式增速齿轮箱为中间环节的高速发电装置。通常风力机工作转速较低，只有几十转每分钟，而传统的同步或异步发电机由于极数限制，转速通常都较高，因此采用机械齿轮箱增速。但增速齿轮箱不仅体积大而笨重，伴随有能量传递损耗，而且故障率高，需要经常维护，是风力发电装置中最薄弱的环节之一。

第二类是直驱式风力发电装置，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，为保证其输出电压和频率在正常的范围内，发电机需要采用较大的定转子直径和较多的极对数，给发电机的设计、制造、运输和安装等增加了很大难度。

因此，有必要研究适合于风能高效转换利用、运行可靠、控制方便且供电质量优良的新型风力发电装置。

发明内容

技术问题：本实用新型通过提出一种无机械增速齿轮箱的风力发电装置，解决现有风力发电装置中的机械增速齿轮箱功率密度低、机械磨损和噪音等问题，并减小发电机的体积、重量和制造成本，提高发电效率和功率因数，改善电能质量。

技术方案：本实用新型公开了一种无机械增速齿轮箱的风力发电装置，该发电装置包括风力机、双转子永磁无刷发电机、双PWM功率变换器、滤波器和变压器；其中在双转子永磁无刷发电机中，自外圈向内分别顺序设有永磁低速外转子、静止硅钢环、永磁高速内转子、定子；双PWM功率变换器中，电容并联在PWM整流器、PWM逆变器的两连接线之间；风力机与永磁低速外转子直接相连，定子绕组输出端连接PWM整流器输入端，PWM整流器输出端接PWM逆变器输入端，PWM逆变器的输出端并联滤波器后通过变压器并入电网供电。

永磁低速外转子与静止硅钢环之间有气隙，静止硅钢环与永磁高速内转子之间有气隙，永磁高速内转子通过转轴和轴承与固定部件连接，永磁低速外转子与永磁高速内转子同心不同轴。

PWM整流器由第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT、第四IGBT、第五IGBT、第六IGBT组成三相整流桥，其输入端分别接第一电感、第二电感、第三电感；PWM逆变器由第七IGBT、第八IGBT、第九IGBT、第十IGBT、第十一IGBT、第十二IGBT组成三相逆变桥；电容为直流环节滤波电容。

滤波器由第一电阻、第一电容串联后接第四电感，第二电阻、第二电容串联后接第五电感，第三电阻、第三电容串联后接第六电感，三相并联。

当永磁低速外转子以角速度ω₁旋转时，经过磁场耦合作用，永磁高速内转子以角速度-ω₂反向高速旋转，与电机定子产生相对运动切发出电能。ω₁∶ω₂为速度变比，等于外、内转子的磁场极对数之比。

双PWM功率变换器由PWM整流器、电容和PWM逆变器组成。PWM整流器负责将电机发出的交流电能转换为直流电能。电容为直流环节滤波电容，是电压型PWM变换器的标志性组成部分，其作用是滤除直流电压脉动成分，保证网侧PWM变换器正常工作。PWM逆变器再将直流电能转换为交流电能，PWM逆变器输出端并联滤波器后并入电网供电。

在风的作用下，风力机旋转带动双转子永磁无刷发电机产生交流电能，电能通过电机定子绕组连接至双PWM功率变换器，随后电能由滤波器滤波后经过变压器并入电网供电。

有益效果：