一種風力發電的變速恆頻方法

2023-07-14 13:45:16

專利名稱：一種風力發電的變速恆頻方法
技術領域：
本發明涉及一種發電系統的變速恆頻方法，特別涉及一種風力發電的變速恆頻方法，背景技術在風力發電過程中，為了要最大限度地捕獲風能，要求輸入發電機轉軸的速度隨風速進行變化，即變速；當風力發電機與電網並聯運行時，又要求發電機發出的電能頻率與電網的頻率一致，即恆頻。但是，目前在風力發電等大型分布式發電系統中，廣泛採用的變速恆頻方法主要有籠型異步發電機變速恆頻系統、交流勵磁雙饋發電機變速恆頻系統、無刷雙饋發電機變速恆頻系統和永磁發電機變速恆頻系統等。對於大型風力發電機系統而言，這些變速恆頻方案中的流變機構由於採用傳統的整流和逆變方法所造成的功率損耗大多在15％-20％，並且需要造價昂貴的變流設備，特別是兆瓦級永磁發電機組及其變流設備，所以整個發電機系統結構龐大且複雜，如採用降低功率損耗變流方法，目前國內的技術也不是很成熟。

發明內容
本發明的目的是提供一種基於差速傳動機構的風力發電的變速恆頻方法，特別是一種帶有兩自由度混合驅動差速機構的差動永磁電機及其對應的分布式風力發電的變速恆頻方法，其特點是，通過變速恆頻與混合驅動，可以顯著提高風力發電機的發電效率，降低系統造價，且所需變速恆頻系統裝置成本低、結構簡單。
為實現以上目的，本發明是採用如下技術方案予以實現的一種風力發電的變速恆頻方法，首先將風力機轉子的轉速通過增速齒輪箱增速，然後將變速產生的輸入功率輸入差動永磁電機的輸入軸，由差動永磁電機的差速機構進行功率分流或合流產生功率流進入差動永磁電機的定子繞組經饋線對電網發電。
在上述技術方案中，當風力機轉子的輸入功率大於差動永磁電機的額定功率時，輸入功率沿差動永磁電機的輸入軸進入差速機構進行功率分流，一路功率流通過行星齒輪對內齒圈的嚙合，進入差動永磁電機的定子繞組經饋線對電網直接發電，另一路功率流通過與差速機構行星齒輪與中心齒輪的嚙合，流出差動永磁電機進入控制電機，並使控制電機發電，然後通過逆變器的輸入端進行電流變換，將電能轉換為與電網同頻率的交流電。
當風力機轉子的輸入功率小於差動永磁電機的額定功率時，控制器控制逆變器使控制電機電動，讓控制電機的功率流流入差動永磁電機，通過差速機構的中心齒輪嚙合行星齒輪，並與進入差動永磁電機輸入軸上的輸入功率合流，由內齒圈帶動轉子旋轉使差動永磁電機恆速恆頻發電，經由饋線到電網。
將差動永磁電機中輸入軸到差速機構內齒圈的傳動比設計為20∶1～50∶1，可使與差動永磁電機的輸出軸固聯的控制電機的輸出與輸入功率流佔差動永磁電機發電總功率的10％至20％，並使差動永磁電機上的定子線圈直接輸出到電網的輸出功率流佔差動永磁電機3發電總功率的90％到80％。
本發明的優點在於通過兩自由度的混合驅動實現風電系統的變速恆頻，該方法採用差動永磁電機的一個輸入軸和一個輸出軸分別連接行星增速齒輪箱的輸出轉軸和控制電機的轉軸，通過差動永磁電機的差速機構，實現絕大多份額的電能的直接恆頻輸出；與此同時，通過控制器與逆變器對控制電機轉速的補償調整，實現風力機的變速輸入和發電機的恆速恆頻(50HZ)輸出。由此可將80％至90％的電能通過發電機直接併入電網，而只有10％至20％的電能通過制控電機發出交流電後經過AC-DC-AC變流後(50Hz)併入電網。
本發明與傳統的兆瓦級風力發電系統變速恆頻方法相比，由於只有10％至20％的電能通過流變系統，因此在很大程度上降低了流變系統昂貴的造價，從而降低了風力發電系統的整體造價。顯然，該方法相對傳統的變速恆頻控制方法，在降低發電設備成本的同時，還可顯著提高發電系統的發電效率。


圖1為本發明的變速恆頻方法原理圖。
圖2為圖1中的差動永磁電機結構圖。
圖3為圖2中A-A向的剖視圖。
圖4為是本發明的控制器部分的連接框圖。
具體實施例方式
以下結合附圖及實施例對本發明作進一步的詳細描述如圖1所示，一種風力發電的變速恆頻方法，1)採用一臺差動永磁電機3，將其輸入軸10和輸出軸23分別用聯軸器與增速齒輪箱2的輸出轉軸和控制電機4的轉軸連接，同時將風力機轉子1與增速齒輪箱2的輸入轉軸連接。
2)將差動永磁電機3的定子線圈11經由電力饋線7與電網9電連接將控制電機4用電力線與逆變器5的輸入端33電連接逆變器5的輸出端8與電力饋線7並聯電連接，控制器6與逆變器5信號連接。
3)將風力機轉子1的轉速通過增速齒輪箱2增速，然後將變速產生的輸入功率Pw輸入差動永磁電機3的輸入軸10。當風力機轉子1的輸入功率Pw大於差動永磁電機3的額定功率時，輸入功率Pw進入差動永磁電機3的輸入軸10，並通過的差速機構30進行功率分流，一路功率流Pg通過行星齒輪17對內齒圈16的嚙合，進入差動永磁電機3的定子繞組11直接發電，並經過饋線7到電網9；另一路功率流Ps(圖1中的①)通過差速機構30行星齒輪17與中心齒輪25嚙合，流出差動永磁電機輸出軸23進入控制電機4，並使控制電機4發電，然後通過逆變器5的輸入端33進行電流變換，將電能轉換為與電網同頻率的交流電。
4)將風力機轉子1的轉速通過增速齒輪箱2增速，然後將變速產生的輸入功率Pw輸入差動永磁電機3的輸入軸10。當風力機轉子1的輸入功率Pw小於差動永磁電機3的額定功率時，用控制器6控制逆變器5使控制電機4電動，讓控制電機4的功率流Ps(圖1中的②)流入差動永磁電機3，通過差速機構30的中心齒輪25嚙合行星齒輪17，並與差動永磁電機3輸入軸10上的功率Pw合流形成功率流Pg，由內齒圈16帶動轉子15旋轉使差動永磁電機3恆速恆頻發電，經由饋線7到電網9。
如圖2、圖3所示，本發明所採用的差動永磁電機3包括機箱29、設置在機箱29內軸向兩側且分別與輸入軸10、輸出軸23相連的滾動軸承24、設置在機箱29內環壁27上的定子鐵芯12及其定子線圈11、相對於定子鐵芯12位置設有轉子鐵芯環13並鑲嵌有永磁體14的轉子15，轉子15沿徑向設置有差速機構30。
差速機構30包括側板21、與轉子的永磁體14固定在一起的內齒圈16、帶有軸承18並與內齒圈16、設置在輸出軸23上的中心齒輪25齒合的行星齒輪17，內齒圈16由螺釘26與側板21固聯；行星齒輪17由齒輪軸20設置在行星架19上；行星架19與輸入軸10固聯；側板21與行星架19由軸承22滾動連接。從圖2的結構可知，差動永磁電機3的輸入軸10的功率輸入是恆定的，由內齒圈16及永磁體14、定子繞組11等組成的差動永磁電機3的功率輸出也是恆定的。控制電機4上的功率流Ps可以是流入或流出的，其雙向變化是依據風力機轉子1轉速的大小由控制器6和逆變器5進行調整。將差動永磁電機3中輸入軸(10)到差速機構(30)內齒圈(16)的傳動比設計為30∶1，可使與差動永磁電機3的輸出軸23固聯的控制電機4的輸出與輸入功率流Ps佔差動永磁電機3發電總功率的12％左右，並使差動永磁電機3上的定子線圈11直接輸出到電網9的輸出功率流Pg佔差動永磁電機3發電總功率的88％左右。
如圖4所示，控制電機4的電力饋線與電機側逆變器34直接相聯，電網側逆變器35與電機側逆變器34背靠背安裝，逆變器5可以四象限運行。
控制器6包括對稱設置的信號採集電路44和41、分別與信號採集電路44、41採集輸出信號連接的前級處理電路48和45、由信號線53、51分別與前級處理電路48和45輸出連接的DSP數字處理晶片47和46、分別與DSP數字處理晶片47和46輸出信號連接的外圍擴展控制電路43和42、為各電路模塊供電的電源模塊49，DSP數字處理晶片47和46之間由串行信號線51和併網通訊接口電路50信號連接；信號採集電路44、41的分別與電機側採樣傳感器組32、電網側採樣傳感器組40信號連接；外圍擴展控制電路43和42的控制輸出信號分別連接至電機側逆變器34和電網側逆變器35。電機側採樣傳感器32可以採集控制電機4的轉速、電流及電壓等；電網側採樣傳感器40可以採集電網側逆變器35交流側電網電壓與電流、直流側電壓與電流等。
通過控制器6對逆變器5的控制實現對與差動永磁電機3的輸出軸23固聯的控制電機4的功率流向(發電和電動雙向流動)與轉速大小的控制，而實現對差動永磁電機的恆速控制，進而實現大功率的永磁同步發電機的恆頻率輸出。
權利要求
1.一種風力發電的變速恆頻方法，其特徵是，首先將風力機轉子(1)的轉速通過增速齒輪箱(2)增速，然後將變速產生的輸入功率(Pw)輸入差動永磁電機(3)的輸入軸(10)，由差動永磁電機(3)的差速機構(30)進行功率分流或合流產生功率流(Pg)進入差動永磁電機(3)的定子繞組(11)經饋線(7)對電網(9)發電。
2.根據權利要求1所述的風力發電的變速恆頻方法，其特徵是，當風力機轉子(1)的輸入功率(Pw)大於差動永磁電機(3)的額定功率時，輸入功率(Pw)沿差動永磁電機(3)的輸入軸(10)進入差速機構(30)進行功率分流，一路功率流(Pg)通過行星齒輪(17)對內齒圈(16)的齒合，進入差動永磁電機(3)的定子繞組(11)經饋線(7)對電網(9)直接發電，另一路功率流(Ps)通過與差速機構(30)行星齒輪(17)與中心齒輪(25)的嚙合，流出差動永磁電機(3)進入控制電機(4)，並使控制電機(4)發電，然後通過逆變器(5)的輸入端(33)進行電流變換，將電能轉換為與電網同頻率的交流電；
3.根據權利要求1所述的風力發電的變速恆頻方法，其特徵是，當風力機轉子(1)的輸入功率(Pw)小於差動永磁電機(3)的額定功率時，用控制器(6)控制逆變器(5)使控制電機(4)電動，讓控制電機(4)的功率流(Ps)流入差動永磁電機(3)，通過差速機構(30)的中心齒輪(25)齒合行星齒輪(17)，並與進入差動永磁電機(3)輸入軸(10)上的輸入功率(Pw)合流為功率流(pg)，由內齒圈(16)帶動轉子(15)旋轉使差動永磁電機(3)恆速恆頻發電，經由饋線(7)到電網(9)。
4.根據權利要求2或3所述的風力發電的變速恆頻方法，其特徵是，差動永磁電機(3)中的輸入軸(10)到差速機構(30)內齒圈(16)的傳動比為20∶1～50∶1。
全文摘要
本發明公開了一種風力發電的變速恆頻方法，其特點是，首先將風力機轉子(1)的轉速通過增速齒輪箱(2)增速，然後將變速產生的輸入功率(Pw)輸入差動永磁電機(3)的輸入軸(10)，由差動永磁電機(3)的差速機構(30)進行功率分流或合流產生功率流(Pg)進入差動永磁電機(3)的定子繞組(11)經饋線(7)對電網(9)實現恆速恆頻發電。與傳統的變速恆頻方法相比，本發明在降低發電設備成本的同時，還可顯著提高發電系統的發電效率。
文檔編號H02P9/00GK1794562SQ20051002277
公開日2006年6月28日 申請日期2005年12月30日 優先權日2005年12月30日
發明者穆安樂, 劉宏昭 申請人:西安理工大學