微風增能型風力發電機/整流器系統的製作方法

2024-02-09 19:23:15

專利名稱：微風增能型風力發電機/整流器系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於電學技術中的發電機和整流器技術領域，具體地說，是提出一種能增加微風發電效果的風力發電中的發電機/整流器電力系統裝置。
背景技術：
在風力發電機組特別是大型風電技術領域，現有廣泛使用中的發電系統是二大發電機型式——同步發電機和異步發電機。但不管哪種同步發電機，其微風發電能力都次於異步發電機。其原因是，同步風力發電機在低風速下的發電電壓可能低於電子變頻器的最低工作電壓，以致變頻器無法輸出符合電網要求的純正弦波形電壓，而如果將同步發電機在低速時的電壓設計得高些，又會使高風速時的發電機電壓過高而影響變頻器的功率輸出，所以大型同步發電機的微風發電能力低於小型機和大型異步發電機。同步發電機為了從風中得到更多的能量，希望整流器能在儘可能寬的風速範圍內，得到更長的風力發電時間和更多的微風能量，雖然微風中的能量很低，但是微風持續的時間在許多風場中往往比較長，能得到大量微風能量，可有效降低風力發電的度電成本。現今使用在風電領域中的同步發電機，按磁場的不同可分為勵磁發電機和永磁發電機；按轉速的不同可分為高速有齒輪箱發電機和低速無齒輪箱直驅發電機，而直驅風力發電機是當前大型風機技術發展的重要方向，但這些不同類型的同步發電機，都存在微風發電效果差的共同缺陷，因此必須以最小的經濟成本來提高微風時的系統的電壓幅值，解決這個技術問題的技術經濟價值非常高。

發明內容
本發明的目的是通過採用一定結構的發電機，結合能把整流電壓升高一定倍率的特殊線路整流器，在保持高風速時電壓不變的前提下，提高低風速時的直流電壓，以便使系統降低已有切入風速，在原來的切入風速之前開始發電，從微風中獲得更多能量。本發明的系統是這樣實現的，一個由電子整流器(1)、濾波電容(2)和同步發電機 (4)組成的微風增能型發電機/整流器系統，電子整流器(1)的每條並聯支路均由同向串聯的二個整流管組成，電子整流器(1)的並聯支路數等於同步發電機的輸出相線數；每根發電機的輸出相線連接在電子整流器(1)每條支路二個整流管的中點；電子整流器(1)的二個輸出端的一端為負極，另一端為正極，正負二端並聯連接到濾波電容(2) 二端後再連接到風機電子變頻器直流電壓輸入端，其特徵為，同步發電機(4)為帶零線的多相同步發電機；整流器中還有一個控制開關⑶；濾波電容O)由電容器Cl和C2相串聯；Cl和C2的中點通過控制開關(3)接到風力發電機的零線。本發明的電子整流器通過控制開關(3)，在濾波電容O)的中點接通同步發電機 (4)的零線，實際上將常規橋式整流器改變為雙電壓串聯疊加的半波整流器，這一簡單的變換既能提高微風發電的直流輸出電壓，增加微風發電時間，能從微風中獲得更多能量，又能在高風速時脫離連接回復橋式整流器，防止高風速時過高的電壓超越變頻器的最高工作電壓，不致影響到變頻器的工作，保證風電系統安全、高效工作。


圖1為本發明的發電/整流系統的原理線路圖。圖2為本發明的三相不可控發電/整流系統的原理線路圖。圖3為本發明所配置的三相發電機電壓矢量圖。圖4為同步風力發電機經不可控整流後的直流電壓與風速(發電機轉速)的關係曲線圖。圖5為本發明發電/整流系統與現有傳統整流器對風電系統切入風速的影響比較圖。圖6為本發明發電/整流系統在勵磁型同步發電機中降低切入風速的原理圖。圖7為本發明採用半控型電力電子開關的發電/整流系統線路圖。圖8為本發明採用全控型電力電子開關的發電/整流系統線路圖。圖9為本發明省略控制開關的發電/整流系統線路圖。
具體實施例方式圖1為本發明的發電/整流系統的原理線路圖。從圖中可以看出，多相整流橋⑴ 由η個正輸出整流二極體Dl Dn和η個負輸出整流二極體Dn+Ι D2n同向串聯的η條支路組成，正輸出整流管的負端相併聯，成為直流電源正極，負輸出整流管的正端相併聯，成為直流電源負極；而每支路中一個正輸出整流二極體和一個負輸出整流二極體相串聯後， 其串聯中點與η相同步發電機相線端的η根交流輸出端相連接。發電機為一 η相星形繞組並帶零線的η相同步發電機、共有η+1根輸出線的永磁或勵磁交流同步發電機。濾波電容O)由相同容量和足夠耐壓的二個或二組電容器Cl和C2串聯而成，如用電解電容器，則電容器的正端接直流電源正極，負端接直流電源負極。Cl和C2的中點通過控制開關(3)接同步發電機的零線。當系統檢測到低風速下的低電壓時，系統使控制器開關(3)閉合，將電子整流器(1)由η相橋式整流改變為雙電壓串聯疊加的η相半波整流器，旨在提高直流輸出電壓；當發電機電壓高於一定值後，控制開關(3)可以受控打開，恢復原有電壓。圖2為本發明的三相不可控發電/整流系統的原理線路圖。圖2中的同步發電機 (4)為當今應用得最多的三相同步發電機，用以分析本發明的發電/整流系統在微風時的升壓原理。電子整流器(1)由6隻不可控的矽二極體組成，當控制器開關(3)打開時，整流器為三相全波整流橋，其輸出最高直流電壓為Ul = (3)1/2 · υφ，Emax. ^ (2)1/2 · Ul = 2. 449U (式 _1)而當控制器開關(3)閉合時，整流橋改變成二個三相半波整流器相串聯疊加的運行模式，其輸出最高直流電壓為Emax. = 2 · (2)1/2 · U0 ^ 2. 828U (式 _2)圖3為本發明所配置的三相發電機電壓矢量圖。從圖3可以看出，當控制開關 (3)處於不同位置時，所影射的交流電壓也是不同的，結合圖3和計算式——(式-1)和 (式-2)，可以得出結論如下
當控制器開關(3)打開時，最大直流電壓是發電機線電壓UL的1.414倍，相當於相電壓Utc的2. 449倍；當控制器開關(3)閉合時，最大直流電壓是2υφ的1. 414倍，亦即相電壓Utc的2. 828倍。很明顯，後者的電壓是前者的1. 155倍，即後者比前者電壓幅值升高15.5%。證明了本系統在低風速時有比常規電路更高的直流電壓Vdc輸出。同步發電機(4)也可以為五相或七相等奇數相的同步發電機，當發電機相數增大後，整流後的直流電壓中的諧波隨著相數的增加而減少，電壓穩定性提高，但所增加的電壓比例略低於三相同步發電機。本發明的同步發電機G)，主要用於風電機組中，既可以是永磁發電機，也可以是勵磁發電機，既可以是有齒輪箱高速發電機，也可以是無齒輪箱低速直驅發電機，特別是無刷勵磁發電機、PCT極組合式同步發電機、不對稱多相同步發電機或混合磁場同步發電機。圖4所示為典型的大型變速變槳恆頻同步發電機在不同的風速S或者說下的發電 /整流後輸出的直流電壓Vdc示意圖(風輪機轉速N與風速S正相關)。圖中，Sl為切入風速，S2為額定風速，S3為切出風速。風輪機應該在Sl之前就起動運轉發電，但是那時直流電壓Vdc還比擬逆變產生的正弦交流電壓的峰值電壓Vl低，顯然無法通過變頻器中的電子開關生成一個純正的正弦波形(如圖中右下角所示)，只有當超過Sl切入風速後，此時的直流電壓Vdc才能超過VI，顯然Vl應該略高於額定交流輸出電壓值的1. 414倍。圖5為本發明發電/整流系統與現有傳統整流器對風電系統切入風速的影響比較圖。根據上述分析，如果採用本發明的發電機/整流器系統，當採用永磁型同步發電機(4) 時，曲線b為現有傳統整流器的直流輸出特性線，a為本發明的新輸出特性線。當控制開關 (3)閉合時，直流電壓Vdc升高到未採用本系統原有電壓的1. 155倍，從圖5中可以看出，新的發電/整流電壓曲線上抬，該曲線預示的Vl值左移，其交點為Sl'，顯然Sl'小於Si，說明了本發明風電系統的切入風速降低了，Sl' -Sl間就是本發明將原來不能發電的區間改變為可以發電的新增微風發電區的原理所在。圖6為本發明發電/整流系統在勵磁型同步發電機中降低切入風速的原理圖。勵磁型同步發電機可以通過勵磁器調節發電機電壓，除了與永磁發電機一樣，需要滿足Vl電壓條件外，由於勵磁需要額外增加能量，不管勵磁能量由電能提供還是由機械能提供，都必須使勵磁能量小於同步發電機⑷所輸出的電能量才能定出真正的切入風速Si。由於本發明的Vdc曲線a在原有曲線b的上方，與勵磁能量曲線e的交點決定著二種系統有不同的切入風速Si，顯然本發明對於勵磁型同步發電機的切入風速Sl'仍小於Si，所以對於勵磁型同步發電機而言，同樣有在微風中增加發電能量的效果。隨著人類每年不斷新增風機需求數量的擴大，I級、II級或III級風電場將越來越少，許多風電場的風速不是最大，所以必須增加風輪機葉片長度，以擴大掃風面積，截獲更多風能。而與增加葉片長度同樣的目的，採用本發明的系統所增加的線路和器件成本非常低，卻可以大量增加從微風中獲得的電能，其潛在的經濟利益是顯而易見的，特別是在夏季少風季節，微風時間很長，所多積累的電能更是相當可觀的。本發明系統中的控制開關(3)起著改變整流器性質的關鍵作用，開關中流過的電流是交變電流，因此必須用雙向開關。由於微風能量較低，開關經受的電壓電流都不是很大，所以開關的成本也是低廉的。控制開關(3)可以採用交流電子開關，如雙向可控矽等器件，也可採用繼電器或接觸器。
為提高同步發電機交流輸出電流的功率因數，大型風機的整流器經常採用可控整流器，圖7為本發明採用半控型電力電子開關整流管的整流器線路圖。半控型電力電子開關主要為晶閘管等半控型器件，晶閘管整流器在正偏壓時被觸發導通，在交流電過零反偏時自動關斷。圖8為本發明採用全控型電力電子開關整流管的整流器線路圖。全控型電力電子開關整流管的整流效率更高，比採用晶間管整流器有更小的諧波電流流過發電機繞組，有利於降低發電機的發熱，提高發電機效率。全控型電力電子開關整流管的種類非常多，常用的有IGBT (絕緣柵雙極型電晶體)開關管、MOSFET或VMOS (金屬氧化物)場效應管、GTO (門極可關斷晶閘管)、大功率開關電晶體、達林頓管等。為提高改進系統的性價比，可以省略控制開關(3)，而將發電機的中性線直接與電容Cl和C2的中點連接，圖9為本發明省略控制開關O)的系統原理線路圖。由於本發明的系統原理清晰，構成簡單，成本低廉，所以不管是用於改造原有舊風機系統，還是用於新風機系統的設計製造，都可以採用本發明的新發電機/整流器系統，以提高風機的發電量和性價比，創造更高的經濟效益。
權利要求
1.微風增能型風力發電機/整流器系統，系統由電子整流器(1)、濾波電容( 和同步發電機(4)組成，電子整流器(1)的每條並聯支路均由同向串聯的二個整流管組成，電子整流器(1)的並聯支路數等於同步發電機的輸出相線數；每根發電機的輸出相線連接在電子整流器(1)每條支路二個整流管的中點；電子整流器(1)的二個輸出端的一端為負極，另一端為正極，正負二端並聯連接到濾波電容( 二端後再連接到風機電子變頻器直流電壓輸入端，其特徵為，同步發電機(4)為帶零線的多相同步發電機；整流器中還有一個控制開關 ⑶；濾波電容O)由電容器Cl和C2相串聯；Cl和C2的中點通過控制開關(3)接到風力發電機⑷的零線。
2.權利要求1所述的微風增能型風力發電機為不可控的矽二極體。
3.權利要求1所述的微風增能型風力發電機為帶零線的三相同步發電機。
4.權利要求1所述的微風增能型風力發電機為帶零線的五相或七相等奇數相的同步發電機。
5.權利要求1、權利要求3或權利要求4所述的微風增能型風力發電機/整流器系統， 其特徵為，風力發電機(4)可以是永磁發電機、勵磁發電機、有齒輪箱高速發電機、無齒輪箱低速直驅發電機、無刷勵磁發電機、PCT極組合式同步發電機、不對稱多相同步發電機或混合磁場同步發電機中的一種。
6.權利要求1或權利要求3所述的微風增能型風力發電機/整流器系統，其特徵為，控制開關(3)可以是繼電器或接觸器，也可以是交流電子開關，如雙向可控矽等器件。1
7.權利要求1或權利要求3所述的微風增能型風力發電機/整流器系統，其特徵為，電子整流器(1)採用晶閘管等半控型電力電子開關。
8.權利要求1或權利要求3所述的微風增能型風力發電機/整流器系統，其特徵為，整流器採用IGBT (絕緣柵雙極型電晶體)開關管、MOSFET或VMOS (金屬氧化物)場效應管、 GTO(門極可關斷晶閘管)、大功率開關電晶體、達林頓管等全控型器件。
9.權利要求1或權利要求3所述的微風增能型風力發電機/整流器系統，其特徵為，發電機的零線直接與電容Cl和C2的中點連接，系統中不含有控制開關(2)。/整流器系統，其特徵為，電子整流器(1) /整流器系統，其特徵為，風力發電機(4) /整流器系統，其特徵為，風力發電機
全文摘要
微風增能型風力發電機/整流器系統，原理清晰，構成簡單，成本低廉，僅增加非常少的附加成本，就可降低三相同步風力發電機系統的切入風速，使系統能夠更多地吸收微風中的風能，提高系統的發電量和性價比，並創造更高的投資效益。本發明可以用於改造原有舊風機，提高舊風機的發電量，也可用於新風機的設計製造，使新風機具有更高的技術性能，特別是微風發電性能。幾乎適用於目前所有的中外風機和大小風機中的同步發電機系統，特別是變速恆頻直驅機，經濟效益非常大。
文檔編號H02K11/00GK102487231SQ201010571789
公開日2012年6月6日 申請日期2010年12月3日 優先權日2010年12月3日
發明者於嶽亮, 於菲 申請人:上海穩得新能源科技有限公司