專利名稱：一種風(fēng)力發(fā)電的變速恒頻方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)電系統(tǒng)的變速恒頻方法，特別涉及一種風(fēng)力發(fā)電的變速恒頻方法，背景技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電過程中，為了要最大限度地捕獲風(fēng)能，要求輸入發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的速度隨風(fēng)速進(jìn)行變化，即變速；當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，又要求發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能頻率與電網(wǎng)的頻率一致，即恒頻。但是，目前在風(fēng)力發(fā)電等大型分布式發(fā)電系統(tǒng)中，廣泛采用的變速恒頻方法主要有籠型異步發(fā)電機(jī)變速恒頻系統(tǒng)、交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)變速恒頻系統(tǒng)、無刷雙饋發(fā)電機(jī)變速恒頻系統(tǒng)和永磁發(fā)電機(jī)變速恒頻系統(tǒng)等。對(duì)于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)而言，這些變速恒頻方案中的流變機(jī)構(gòu)由于采用傳統(tǒng)的整流和逆變方法所造成的功率損耗大多在15％-20％，并且需要造價(jià)昂貴的變流設(shè)備，特別是兆瓦級(jí)永磁發(fā)電機(jī)組及其變流設(shè)備，所以整個(gè)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大且復(fù)雜，如采用降低功率損耗變流方法，目前國內(nèi)的技術(shù)也不是很成熟。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于差速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的風(fēng)力發(fā)電的變速恒頻方法，特別是一種帶有兩自由度混合驅(qū)動(dòng)差速機(jī)構(gòu)的差動(dòng)永磁電機(jī)及其對(duì)應(yīng)的分布式風(fēng)力發(fā)電的變速恒頻方法，其特點(diǎn)是，通過變速恒頻與混合驅(qū)動(dòng)，可以顯著提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率，降低系統(tǒng)造價(jià)，且所需變速恒頻系統(tǒng)裝置成本低、結(jié)構(gòu)簡單。
為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的一種風(fēng)力發(fā)電的變速恒頻方法，首先將風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速通過增速齒輪箱增速，然后將變速產(chǎn)生的輸入功率輸入差動(dòng)永磁電機(jī)的輸入軸，由差動(dòng)永磁電機(jī)的差速機(jī)構(gòu)進(jìn)行功率分流或合流產(chǎn)生功率流進(jìn)入差動(dòng)永磁電機(jī)的定子繞組經(jīng)饋線對(duì)電網(wǎng)發(fā)電。
在上述技術(shù)方案中，當(dāng)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子的輸入功率大于差動(dòng)永磁電機(jī)的額定功率時(shí)，輸入功率沿差動(dòng)永磁電機(jī)的輸入軸進(jìn)入差速機(jī)構(gòu)進(jìn)行功率分流，一路功率流通過行星齒輪對(duì)內(nèi)齒圈的嚙合，進(jìn)入差動(dòng)永磁電機(jī)的定子繞組經(jīng)饋線對(duì)電網(wǎng)直接發(fā)電，另一路功率流通過與差速機(jī)構(gòu)行星齒輪與中心齒輪的嚙合，流出差動(dòng)永磁電機(jī)進(jìn)入控制電機(jī)，并使控制電機(jī)發(fā)電，然后通過逆變器的輸入端進(jìn)行電流變換，將電能轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)同頻率的交流電。
當(dāng)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子的輸入功率小于差動(dòng)永磁電機(jī)的額定功率時(shí)，控制器控制逆變器使控制電機(jī)電動(dòng)，讓控制電機(jī)的功率流流入差動(dòng)永磁電機(jī)，通過差速機(jī)構(gòu)的中心齒輪嚙合行星齒輪，并與進(jìn)入差動(dòng)永磁電機(jī)輸入軸上的輸入功率合流，由內(nèi)齒圈帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)使差動(dòng)永磁電機(jī)恒速恒頻發(fā)電，經(jīng)由饋線到電網(wǎng)。
將差動(dòng)永磁電機(jī)中輸入軸到差速機(jī)構(gòu)內(nèi)齒圈的傳動(dòng)比設(shè)計(jì)為20∶1～50∶1，可使與差動(dòng)永磁電機(jī)的輸出軸固聯(lián)的控制電機(jī)的輸出與輸入功率流占差動(dòng)永磁電機(jī)發(fā)電總功率的10％至20％，并使差動(dòng)永磁電機(jī)上的定子線圈直接輸出到電網(wǎng)的輸出功率流占差動(dòng)永磁電機(jī)3發(fā)電總功率的90％到80％。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于通過兩自由度的混合驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)風(fēng)電系統(tǒng)的變速恒頻，該方法采用差動(dòng)永磁電機(jī)的一個(gè)輸入軸和一個(gè)輸出軸分別連接行星增速齒輪箱的輸出轉(zhuǎn)軸和控制電機(jī)的轉(zhuǎn)軸，通過差動(dòng)永磁電機(jī)的差速機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)絕大多份額的電能的直接恒頻輸出；與此同時(shí)，通過控制器與逆變器對(duì)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的補(bǔ)償調(diào)整，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)的變速輸入和發(fā)電機(jī)的恒速恒頻(50HZ)輸出。由此可將80％至90％的電能通過發(fā)電機(jī)直接并入電網(wǎng)，而只有10％至20％的電能通過制控電機(jī)發(fā)出交流電后經(jīng)過AC-DC-AC變流后(50Hz)并入電網(wǎng)。
本發(fā)明與傳統(tǒng)的兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變速恒頻方法相比，由于只有10％至20％的電能通過流變系統(tǒng)，因此在很大程度上降低了流變系統(tǒng)昂貴的造價(jià)，從而降低了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的整體造價(jià)。顯然，該方法相對(duì)傳統(tǒng)的變速恒頻控制方法，在降低發(fā)電設(shè)備成本的同時(shí)，還可顯著提高發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率。


圖1為本發(fā)明的變速恒頻方法原理圖。
圖2為圖1中的差動(dòng)永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)圖。
圖3為圖2中A-A向的剖視圖。
圖4為是本發(fā)明的控制器部分的連接框圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述如圖1所示，一種風(fēng)力發(fā)電的變速恒頻方法，1)采用一臺(tái)差動(dòng)永磁電機(jī)3，將其輸入軸10和輸出軸23分別用聯(lián)軸器與增速齒輪箱2的輸出轉(zhuǎn)軸和控制電機(jī)4的轉(zhuǎn)軸連接，同時(shí)將風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子1與增速齒輪箱2的輸入轉(zhuǎn)軸連接。
2)將差動(dòng)永磁電機(jī)3的定子線圈11經(jīng)由電力饋線7與電網(wǎng)9電連接將控制電機(jī)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并聯(lián)電連接，控制器6與逆變器5信號(hào)連接。
3)將風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子1的轉(zhuǎn)速通過增速齒輪箱2增速，然后將變速產(chǎn)生的輸入功率Pw輸入差動(dòng)永磁電機(jī)3的輸入軸10。當(dāng)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子1的輸入功率Pw大于差動(dòng)永磁電機(jī)3的額定功率時(shí)，輸入功率Pw進(jìn)入差動(dòng)永磁電機(jī)3的輸入軸10，并通過的差速機(jī)構(gòu)30進(jìn)行功率分流，一路功率流Pg通過行星齒輪17對(duì)內(nèi)齒圈16的嚙合，進(jìn)入差動(dòng)永磁電機(jī)3的定子繞組11直接發(fā)電，并經(jīng)過饋線7到電網(wǎng)9；另一路功率流Ps(圖1中的①)通過差速機(jī)構(gòu)30行星齒輪17與中心齒輪25嚙合，流出差動(dòng)永磁電機(jī)輸出軸23進(jìn)入控制電機(jī)4，并使控制電機(jī)4發(fā)電，然后通過逆變器5的輸入端33進(jìn)行電流變換，將電能轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)同頻率的交流電。
4)將風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子1的轉(zhuǎn)速通過增速齒輪箱2增速，然后將變速產(chǎn)生的輸入功率Pw輸入差動(dòng)永磁電機(jī)3的輸入軸10。當(dāng)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子1的輸入功率Pw小于差動(dòng)永磁電機(jī)3的額定功率時(shí)，用控制器6控制逆變器5使控制電機(jī)4電動(dòng)，讓控制電機(jī)4的功率流Ps(圖1中的②)流入差動(dòng)永磁電機(jī)3，通過差速機(jī)構(gòu)30的中心齒輪25嚙合行星齒輪17，并與差動(dòng)永磁電機(jī)3輸入軸10上的功率Pw合流形成功率流Pg，由內(nèi)齒圈16帶動(dòng)轉(zhuǎn)子15旋轉(zhuǎn)使差動(dòng)永磁電機(jī)3恒速恒頻發(fā)電，經(jīng)由饋線7到電網(wǎng)9。
如圖2、圖3所示，本發(fā)明所采用的差動(dòng)永磁電機(jī)3包括機(jī)箱29、設(shè)置在機(jī)箱29內(nèi)軸向兩側(cè)且分別與輸入軸10、輸出軸23相連的滾動(dòng)軸承24、設(shè)置在機(jī)箱29內(nèi)環(huán)壁27上的定子鐵芯12及其定子線圈11、相對(duì)于定子鐵芯12位置設(shè)有轉(zhuǎn)子鐵芯環(huán)13并鑲嵌有永磁體14的轉(zhuǎn)子15，轉(zhuǎn)子15沿徑向設(shè)置有差速機(jī)構(gòu)30。
差速機(jī)構(gòu)30包括側(cè)板21、與轉(zhuǎn)子的永磁體14固定在一起的內(nèi)齒圈16、帶有軸承18并與內(nèi)齒圈16、設(shè)置在輸出軸23上的中心齒輪25齒合的行星齒輪17，內(nèi)齒圈16由螺釘26與側(cè)板21固聯(lián)；行星齒輪17由齒輪軸20設(shè)置在行星架19上；行星架19與輸入軸10固聯(lián)；側(cè)板21與行星架19由軸承22滾動(dòng)連接。從圖2的結(jié)構(gòu)可知，差動(dòng)永磁電機(jī)3的輸入軸10的功率輸入是恒定的，由內(nèi)齒圈16及永磁體14、定子繞組11等組成的差動(dòng)永磁電機(jī)3的功率輸出也是恒定的。控制電機(jī)4上的功率流Ps可以是流入或流出的，其雙向變化是依據(jù)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子1轉(zhuǎn)速的大小由控制器6和逆變器5進(jìn)行調(diào)整。將差動(dòng)永磁電機(jī)3中輸入軸(10)到差速機(jī)構(gòu)(30)內(nèi)齒圈(16)的傳動(dòng)比設(shè)計(jì)為30∶1，可使與差動(dòng)永磁電機(jī)3的輸出軸23固聯(lián)的控制電機(jī)4的輸出與輸入功率流Ps占差動(dòng)永磁電機(jī)3發(fā)電總功率的12％左右，并使差動(dòng)永磁電機(jī)3上的定子線圈11直接輸出到電網(wǎng)9的輸出功率流Pg占差動(dòng)永磁電機(jī)3發(fā)電總功率的88％左右。
如圖4所示，控制電機(jī)4的電力饋線與電機(jī)側(cè)逆變器34直接相聯(lián)，電網(wǎng)側(cè)逆變器35與電機(jī)側(cè)逆變器34背靠背安裝，逆變器5可以四象限運(yùn)行。
控制器6包括對(duì)稱設(shè)置的信號(hào)采集電路44和41、分別與信號(hào)采集電路44、41采集輸出信號(hào)連接的前級(jí)處理電路48和45、由信號(hào)線53、51分別與前級(jí)處理電路48和45輸出連接的DSP數(shù)字處理芯片47和46、分別與DSP數(shù)字處理芯片47和46輸出信號(hào)連接的外圍擴(kuò)展控制電路43和42、為各電路模塊供電的電源模塊49，DSP數(shù)字處理芯片47和46之間由串行信號(hào)線51和并網(wǎng)通訊接口電路50信號(hào)連接；信號(hào)采集電路44、41的分別與電機(jī)側(cè)采樣傳感器組32、電網(wǎng)側(cè)采樣傳感器組40信號(hào)連接；外圍擴(kuò)展控制電路43和42的控制輸出信號(hào)分別連接至電機(jī)側(cè)逆變器34和電網(wǎng)側(cè)逆變器35。電機(jī)側(cè)采樣傳感器32可以采集控制電機(jī)4的轉(zhuǎn)速、電流及電壓等；電網(wǎng)側(cè)采樣傳感器40可以采集電網(wǎng)側(cè)逆變器35交流側(cè)電網(wǎng)電壓與電流、直流側(cè)電壓與電流等。
通過控制器6對(duì)逆變器5的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)與差動(dòng)永磁電機(jī)3的輸出軸23固聯(lián)的控制電機(jī)4的功率流向(發(fā)電和電動(dòng)雙向流動(dòng))與轉(zhuǎn)速大小的控制，而實(shí)現(xiàn)對(duì)差動(dòng)永磁電機(jī)的恒速控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大功率的永磁同步發(fā)電機(jī)的恒頻率輸出。
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)力發(fā)電的變速恒頻方法，其特征是，首先將風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子(1)的轉(zhuǎn)速通過增速齒輪箱(2)增速，然后將變速產(chǎn)生的輸入功率(Pw)輸入差動(dòng)永磁電機(jī)(3)的輸入軸(10)，由差動(dòng)永磁電機(jī)(3)的差速機(jī)構(gòu)(30)進(jìn)行功率分流或合流產(chǎn)生功率流(Pg)進(jìn)入差動(dòng)永磁電機(jī)(3)的定子繞組(11)經(jīng)饋線(7)對(duì)電網(wǎng)(9)發(fā)電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電的變速恒頻方法，其特征是，當(dāng)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子(1)的輸入功率(Pw)大于差動(dòng)永磁電機(jī)(3)的額定功率時(shí)，輸入功率(Pw)沿差動(dòng)永磁電機(jī)(3)的輸入軸(10)進(jìn)入差速機(jī)構(gòu)(30)進(jìn)行功率分流，一路功率流(Pg)通過行星齒輪(17)對(duì)內(nèi)齒圈(16)的齒合，進(jìn)入差動(dòng)永磁電機(jī)(3)的定子繞組(11)經(jīng)饋線(7)對(duì)電網(wǎng)(9)直接發(fā)電，另一路功率流(Ps)通過與差速機(jī)構(gòu)(30)行星齒輪(17)與中心齒輪(25)的嚙合，流出差動(dòng)永磁電機(jī)(3)進(jìn)入控制電機(jī)(4)，并使控制電機(jī)(4)發(fā)電，然后通過逆變器(5)的輸入端(33)進(jìn)行電流變換，將電能轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)同頻率的交流電；
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電的變速恒頻方法，其特征是，當(dāng)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子(1)的輸入功率(Pw)小于差動(dòng)永磁電機(jī)(3)的額定功率時(shí)，用控制器(6)控制逆變器(5)使控制電機(jī)(4)電動(dòng)，讓控制電機(jī)(4)的功率流(Ps)流入差動(dòng)永磁電機(jī)(3)，通過差速機(jī)構(gòu)(30)的中心齒輪(25)齒合行星齒輪(17)，并與進(jìn)入差動(dòng)永磁電機(jī)(3)輸入軸(10)上的輸入功率(Pw)合流為功率流(pg)，由內(nèi)齒圈(16)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子(15)旋轉(zhuǎn)使差動(dòng)永磁電機(jī)(3)恒速恒頻發(fā)電，經(jīng)由饋線(7)到電網(wǎng)(9)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的風(fēng)力發(fā)電的變速恒頻方法，其特征是，差動(dòng)永磁電機(jī)(3)中的輸入軸(10)到差速機(jī)構(gòu)(30)內(nèi)齒圈(16)的傳動(dòng)比為20∶1～50∶1。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種風(fēng)力發(fā)電的變速恒頻方法，其特點(diǎn)是，首先將風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子(1)的轉(zhuǎn)速通過增速齒輪箱(2)增速，然后將變速產(chǎn)生的輸入功率(Pw)輸入差動(dòng)永磁電機(jī)(3)的輸入軸(10)，由差動(dòng)永磁電機(jī)(3)的差速機(jī)構(gòu)(30)進(jìn)行功率分流或合流產(chǎn)生功率流(Pg)進(jìn)入差動(dòng)永磁電機(jī)(3)的定子繞組(11)經(jīng)饋線(7)對(duì)電網(wǎng)(9)實(shí)現(xiàn)恒速恒頻發(fā)電。與傳統(tǒng)的變速恒頻方法相比，本發(fā)明在降低發(fā)電設(shè)備成本的同時(shí)，還可顯著提高發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率。
文檔編號(hào)H02P9/00GK1794562SQ20051002277
公開日2006年6月28日 申請(qǐng)日期2005年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月30日
發(fā)明者穆安樂, 劉宏昭 申請(qǐng)人:西安理工大學(xué)