[发明专利]复合转子结构变速恒频风力发电机系统及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合转子结构变速恒频风力发电机系统及其控制方法，属于风力发电机技术领域。

背景技术

发电机是风电系统实现风能转换的核心部件之一，它将风电系统的原动力与输出电能相连接，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结构。

风力发电系统的发展经历了恒速恒频、变速恒频、直接驱动等阶段。其中恒速恒频风电系统的特点是：在风速变化时，风力机的转速不变，这种系统结构简单，但风能利用系数低；变速恒频风电系统的特点是：在风速变化时，通过改变风力机叶片桨距和转速，调整最佳叶尖速比，使得风能利用系数始终保持在最大值附近，可最大限度的利用风能，但由于在系统中使用了增速齿轮箱，使系统结构复杂、可靠性低；直接驱动风电系统的特点是：没有增速齿轮箱，系统的可靠性高，系统噪声大大减小，但由于转速变化时输出频率将随之变化，因此需要在发电机与电网之间增加全功率的交-直-交的变频环节，这就造成了电机系统体积大、成本高的缺点。

发明内容

本发明的目的是解决直接驱动风电系统由于在发电机与电网之间需要增加交-直-交变频环节，造成电机系统体积大、成本高的问题，提供一种复合转子结构变速恒频风力发电机系统及其控制方法。

本发明所述复合转子结构变速恒频风力发电机系统，它包括风力机，它还包括齿轮传动机构、主发电机、辅助发电机和变频器，

风力机通过齿轮传动机构分别与主发电机和辅助发电机的输入轴连接，辅助发电机的电信号输出端连接变频器的电信号输入端，变频器的电信号输出端作为电网的输入端；

主发电机的电信号输出端作为电网的输入端，

主发电机和辅助发电机同轴设置，主发电机的定子和辅助发电机的定子均固定在壳体上，

所述齿轮传动机构的传速比范围为2.8-13。

所述齿轮传动机构的第一种结构为由太阳轮、行星架、多个行星齿轮和内齿圈组成，

多个行星齿轮位于内齿圈内，并且行星齿轮沿太阳轮的外圆周方向分布，

风力机的输出轴连接行星架的输入轴，行星架用于支撑所有的行星齿轮，行星齿轮同时与太阳轮和内齿圈相啮合，太阳轮、行星架和内齿圈的中轴线相重合，

太阳轮的旋转轴连接主发电机的转子的转轴，主发电机的转子与主发电机的定子之间为气隙；

内齿圈与辅助发电机的转子的内圆表面固定连接，辅助发电机的转子与辅助发电机的定子之间为气隙。

所述齿轮传动机构的第二种结构由太阳轮、行星架、多个行星齿轮和内齿圈组成，

多个行星齿轮位于内齿圈内，并且行星齿轮沿太阳轮的外圆周方向分布，

风力机的输出轴驱动内齿圈同步旋转，行星齿轮同时与太阳轮和内齿圈相啮合，行星架用于支撑所有的行星齿轮，

行星架位于辅助发电机的转子内，并与辅助发电机的转子同轴固定连接，辅助发电机的转子与辅助发电机的定子之间为气隙；

太阳轮的旋转轴连接主发电机的转子的转轴，主发电机的转子与主发电机的定子之间为气隙；

太阳轮、内齿圈及行星架的中轴线相重合。

本发明所述基于上述复合转子结构变速恒频风力发电机系统的控制方法，它包括以下步骤：

首先，检测风力机所处环境的风速，当所述风速达到切入风速时风力机开始旋转，并带动齿轮传动机构开始工作；

然后，使辅助发电机处于转速控制状态下；当风力发电机系统工作在低于额定风速和额定风速状态时，控制辅助发电机使内齿圈与行星架的旋转方向相反；当风力发电机系统工作在高于额定风速状态时，控制辅助发电机使内齿圈与行星架的旋转方向相同；

当主发电机的转速达到额定转速时，将该主发电机的输出端合闸并网；然后，使辅助发电机由转速控制变为转矩控制，使辅助发电机的输出转矩与给定的电磁转矩相等，进行发电机系统的功率调节：

当瞬时风速低于额定风速时，风力机的输入转速低于额定转速，此时使辅助发电机工作于电动状态，主发电机工作于发电状态；

当瞬时风速高于额定风速时，风力机的输入转速高于额定转速，此时使辅助发电机和主发电机均工作于发电状态。

本发明的优点是：本发明能够将风能高效转换为电能。它将齿轮传动机构嵌入到发电机内部，省去了传统技术中的齿轮箱传动机构，且省去了传统直驱结构中主发电机中的变频器，增加了系统的可靠性。本发明使系统中的主发电机与电网直接相连，而只在辅助发电机与电网之间通过一个小容量的变频器相连，由此，减小了风力发电机系统的成本，又不会造成系统的体积过大。