專利名稱：無源控制型最大風(fēng)能自動跟蹤風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無源控制型最大風(fēng)能自動跟蹤風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，屬于電機 領(lǐng)域。.
背景技術(shù)：
在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，由于風(fēng)速的變化范圍很大，使得風(fēng)力發(fā)電機(特別 是永磁發(fā)電機)的輸出電壓在很大范圍內(nèi)波動。因此，離網(wǎng)型發(fā)電機往往不 能直接與負(fù)載相連，而是通過整流器給蓄電池充電，將電能儲存起來，通過
蓄電池給負(fù)載供電；還可以通過一個可控的整流調(diào)節(jié)器，使發(fā)電機同時給負(fù) 載和蓄電池供電。這兩種系統(tǒng)的基本框圖如圖3-l和圖3-2所示。但是這種系 統(tǒng)由于發(fā)電機采用單繞組，發(fā)電機的輸出功率與風(fēng)力機的輸出功率相比要小 不少，能量損失很多，不能實現(xiàn)風(fēng)能的最大捕捉。
永磁電機作為發(fā)電機具有很多優(yōu)點，由于省去勵磁繞組和容易出現(xiàn)故障 的集電環(huán)和電刷，結(jié)構(gòu)較為簡單，加工和裝配費用減小，運行更為可靠。稀 土永磁發(fā)電機具有體積小、質(zhì)量輕、效率高、電機的形狀和尺寸可以靈活多 樣等顯著優(yōu)點；同時，由于處于直軸磁路中的永磁體的磁導(dǎo)率很小，直軸電 樞反應(yīng)電抗較電勵磁同步發(fā)電機小得多，因而固有電壓調(diào)整率比電勵磁同步 發(fā)電機小。因此，離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)鬼機基本上都采用永磁同步發(fā)電機。
但是，目前離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)存在的主要問題是不能同時兼顧最大風(fēng) 能捕獲，實現(xiàn)最大功率控制和控制簡單、技術(shù)難度小、成本低、可靠性高的 優(yōu)點。目前離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)大多不能實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，無法實現(xiàn)最大 功率控制；即使能夠?qū)崿F(xiàn)最大功率控制，也存在控制復(fù)雜、技術(shù)難度大、成 本高、可靠性低等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決目前離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)存在的主要問題是不能同 時兼顧最大風(fēng)能捕獲，實現(xiàn)最大功率控制和控制簡單、技術(shù)難度小、成本低、 可靠性高的優(yōu)點的問題，提供一種無源控制型最大風(fēng)能自動跟蹤風(fēng)力發(fā)電系
統(tǒng)。
本發(fā)明包括永磁發(fā)電機、n-l個電抗器、n個整流器和直流電源，永磁發(fā) 電機具有n套繞組，
第一繞組與第一電抗器的交流繞組的一端相連，第一電抗器的交流繞組
的另一端與第一整流器的輸入端相連，第一整流器的正極輸出端與第一電抗 器的直流繞組的一端相連，第一電抗器的直流繞組的另一端與直流電源的正 極相連，第一整流器的負(fù)極輸出端與直流電源的負(fù)極相連，
第二繞組與第二電抗器的交流繞組的一端相連，第二電抗器的交流繞組 的另一端與第二整流器的輸入端相連，第二整流器的正極輸出端與第二電抗
器的直流繞組的一端相連，第二電抗器的直流繞組的另一端與直流電源的正 極相連，第二整流器的負(fù)極輸出端與直流電源的負(fù)極相連，
第n-l繞組與第n-l電抗器的交流繞組的一端相連，第n-l電抗器的交流 繞組的另一端與第n-l整流器的輸入端相連，第n-l整流器的正極輸出端與第 n-l電抗器的直流繞組的一端相連，第n-l電抗器的直流繞組的另一端與直流 電源的正極相連，第n-l整流器的負(fù)極輸出端與直流電源的負(fù)極相連，
第n繞組與第n整流器的輸入端相連，第n整流器的正極輸出端與第n 電抗器的直流繞組的一端相連，第n電抗器的直流繞組的另一端與直流電源 的正極相連，第n整流器的負(fù)極輸出端與直流電源的負(fù)極相連，
n為自然數(shù)，且n》2。
本發(fā)明的優(yōu)點是本發(fā)明在繼承普通永磁同步風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)簡單、 成本低、效率高、過載能力強、可靠性高等優(yōu)點的基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)力發(fā) 電系統(tǒng)的最大風(fēng)能自動跟蹤控制，可大大提高風(fēng)速變化條件下風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電 能的能力。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是實施方式三的結(jié)構(gòu)示意圖，圖3-1 和圖3-2是背景技術(shù)的示意圖，圖4是電抗器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖5電抗器的阻 抗調(diào)節(jié)特性示意圖，圖6發(fā)電機系統(tǒng)的輸出特性示意圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一下面結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式包括永磁發(fā)電機l、n-l個電抗器(2 — 1、2—2……2—n-l)、n個整流器(3 — 1、3—2…… 3—n-l和3—n)和直流電源4，永磁發(fā)電機1具有n套繞組(l一l、 l一2
l一n-l和l-n)，
第一繞組1 — 1與第一電抗器2—1的交流繞組的一端相連，第一電抗器 2—1的交流繞組的另一端與第一整流器3 — 1的輸入端相連，第一整流器3-1 的正極輸出端與第一電抗器2 — 1的直流繞組的一端相連，第一電抗器2_1 的直流繞組的另一端與直流電源4的正極相連，第一整流器3 — 1的負(fù)極輸出 端與直流電源4的負(fù)極相連，
第二繞組l一2與第二電抗器2—2的交流繞組的一端相連，第二電抗器 2—2的交流繞組的另一端與第二整流器3—2的輸入端相連，第二整流器3-2 的正極輸出端與第二電抗器2—2的直流繞組的一端相連，第二電抗器2—2 的直流繞組的另一端與直流電源4的正極相連，第二整流器3—2的負(fù)極輸出 端與直流電源4的負(fù)極相連，
第n-l繞組l一n-l與第n-l電抗器2—n-l的交流繞組的一端相連，第n-l 電抗器2—n-l的交流繞組的另一端與第n-l整流器3—n-l的輸入端相連，第 n-l整流器3—n-l的正極輸出端與第n-l電抗器2—n-l的直流繞組的一端相 連，第n-l電抗器2—n-l的直流繞組的另一端與直流電源4的正極相連，第 n-l整流器3—n-l的負(fù)極輸出端與直流電源4的負(fù)極相連，
第n繞組l一n與第n整流器3—n的輸入端相連，第n整流器3—n的正 極輸出端與第n電抗器2—n的直流繞組的一端相連，第n電抗器2—n的直 流繞組的另一端與直流電源4的正極相連，第n整流器3—n的負(fù)極輸出端與 直流電源4的負(fù)極相連，
n為自然數(shù)，且n》2。
本實施方式中有n-l個電抗器，第n繞組l一n不經(jīng)過電抗器直接與第n 整流器3—n串聯(lián)，n個整流器并聯(lián)后給共同的直流電源4和負(fù)載6供電。
具體實施方式
二下面結(jié)合圖4和圖5說明本實施方式，本實施方式與 實施方式一的不同之處在于第一電抗器2—1到第n-l電抗器2—n-l的阻抗值 依次遞減20% 80%，其它組成及連接方式與實施方式一相同。
n個電抗器(2 — 1、 2—2……2—n)為可調(diào)電抗器，如圖4所示，電抗器
的鐵心為"田"字形，每個電抗器兩側(cè)的心柱上繞有直流繞組Ncl、 Nc2、 Nc3 和Nc4， 一側(cè)心柱上繞有的Ncl與Nc2的線圈繞向相反，另一側(cè)心柱上繞有 的Nc3與Nc4的線圈繞向相反，Ncl、 Nc2、 Nc3和Nc4串聯(lián)之后的兩個輸出 端分別接與之相應(yīng)的一個整流器(3 — 1、 3—2……或3—n)的正極輸出端和負(fù) 載6的正極輸入端；中間心柱上繞有交流繞組N1和N2， N1和N2的線圈繞 向相反，相互串聯(lián)后的兩個輸出端分別接與之相應(yīng)的一個整流器(3 — 1、 3 — 2……或3—n)的輸入端和發(fā)電機1中與之相應(yīng)的繞組(1一1、 l一2……或l一 n)。
通過調(diào)整直流繞組中直流電流的大小，來控制磁路的飽和程度，從而達 到調(diào)整可調(diào)電抗器交流繞組阻抗大小的目的。由于采用了可調(diào)電抗器，電抗 器上的電壓降可以隨負(fù)載6的電流大小以及發(fā)電機1的轉(zhuǎn)速大小進行自動調(diào) 節(jié)，能很好的控制輸出給負(fù)載6的輸出電壓值，使輸出的直流電壓值穩(wěn)定在 正常范圍內(nèi)。當(dāng)負(fù)載6增大或輸出電壓增大時，直流電流就會增大，這時流 經(jīng)串接在整流器正極輸出端(也就是整流器的直流母線)上的電抗器的直流 繞組(Ncl、 Nc2、 Nc3和Nc4)的電流也隨之增大，這時電抗器的磁導(dǎo)率就 會下降，既而電抗器的交流繞組(Nl和N2)的電抗也就相應(yīng)的下降，達到 了調(diào)節(jié)電抗器交流繞組阻抗大小的目的。
普通用法的可調(diào)電抗器的直流繞組接直流電源，在本專利中利用整流器 的直流輸出作為控制直流繞組的直流電源。
圖5為n個電抗器(2 — 1、 2—2……2—n)的阻抗調(diào)節(jié)特性，n個電抗器 (2—1、 2—2……2—n)的阻抗隨著直流控制電流的增大而減小。
具體實施方式
三下面結(jié)合圖2、圖6說明本實施方式，本實施方式與實 施方式一的不同之處在于它還包括第n電抗器2i，
第n繞組1 一n與第n電抗器2—n的交流繞組的一端相連，第n電抗器2 一n的交流繞組的另一端與第n整流器3—n的輸入端相連，第n整流器3—n 的正極輸出端與第n電抗器2—n的直流繞組的一端相連，第n電抗器2—n 的直流繞組的另一端與直流電源4的正極相連，第n整流器3—n的負(fù)極輸出 端與直流電源4的負(fù)極相連。其它組成及連接方式與實施方式一相同。
如圖6所示為發(fā)電系統(tǒng)的輸出特性，曲線L-out為風(fēng)力機5最大輸出功率
=永磁發(fā)電機1輸出功率的理想狀態(tài)，如達到這種狀態(tài)，那么，風(fēng)能的利用率
是100%,實際的狀況是不可能達到的；曲線l-out和2-out分別為第一繞組1 一l和第二繞組1—2的輸出功率曲線，單獨任何一個繞組的輸出功率曲線都 離理想狀態(tài)曲線較遠，如果兩個繞組共同工作，那么，永磁發(fā)電機1的輸出 功率為第一繞組l一l和第二繞組l一2的輸出功率曲線的疊加，這樣，永磁 發(fā)電機1的輸出功率曲線就會與理想狀態(tài)的曲線接近一些，風(fēng)能的利用率就 會大一些，同理可得，n套繞組共同工作，當(dāng)n越大，則永磁發(fā)電機l的輸出 功率曲線就會越接近理想狀態(tài)的曲線，越接近，風(fēng)能的利用率越高。本發(fā)明 的結(jié)構(gòu)很簡單，只是增加一些簡單部件就能實現(xiàn)最大風(fēng)能捕捉。
具體實施方式
四本實施方式與實施方式三的不同之處在于第一電抗器2 一l到第n電抗器2—n的阻抗值依次遞減10% 90%，其它組成及連接方式 與實施方式三相同。
具體實施方式
五本實施方式與實施方式一或?qū)嵤┓绞饺牟煌幵?于第一繞組l一l到第n繞組l一n的匝數(shù)依次遞減20% 80%，其它組成及 連接方式與實施方式一或?qū)嵤┓绞饺嗤?br> 由于第n繞組l一n的匝數(shù)比第n-l繞組l一n-l的匝數(shù)少，因此第n繞組 l一n的反電勢低于第n-l繞組1—n-l的反電勢。發(fā)電機的轉(zhuǎn)速較低時，第n-l 繞組l一n-l就會有功率輸出，隨著發(fā)電機轉(zhuǎn)速的升高，第n-l繞組l—n-l輸 出功率和電流也會增大，但是由于第n-l電抗器2—n-l與第n-l繞組l一n-l 串聯(lián)，因此，第n-l電抗器2—n-l會抑制第n-l繞組l一n-l的高速時的輸出， 不會使風(fēng)力機失速。第n繞組l一n只有發(fā)電機高速時才會有輸出，n個電抗 器(2—1、 2—2……2—n)與n個繞組(l一1、 1—2……或l一n)相應(yīng)的依次 遞減，第n電抗器2—n的阻抗值較小，因此第n繞組l一n可以輸出大電流。
權(quán)利要求
1、無源控制型最大風(fēng)能自動跟蹤風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于它包括永磁發(fā)電機(1)、n-1個電抗器(2—1、2—2……2—n-1)、n個整流器(3—1、3—2……3—n-1和3—n)和直流電源(4)，永磁發(fā)電機(1)具有n套繞組(1—1、1—2……1—n-1和1—n)，第一繞組(1—1)與第一電抗器(2—1)的交流繞組的一端相連，第一電抗器(2—1)的交流繞組的另一端與第一整流器(3—1)的輸入端相連，第一整流器(3—1)的正極輸出端與第一電抗器(2—1)的直流繞組的一端相連，第一電抗器(2—1)的直流繞組的另一端與直流電源(4)的正極相連，第一整流器(3—1)的負(fù)極輸出端與直流電源(4)的負(fù)極相連，第二繞組(1—2)與第二電抗器(2—2)的交流繞組的一端相連，第二電抗器(2—2)的交流繞組的另一端與第二整流器(3—2)的輸入端相連，第二整流器(3—2)的正極輸出端與第二電抗器(2—2)的直流繞組的一端相連，第二電抗器(2—2)的直流繞組的另一端與直流電源(4)的正極相連，第二整流器(3—2)的負(fù)極輸出端與直流電源(4)的負(fù)極相連，第n-1繞組(1—n-1)與第n-1電抗器(2—n-1)的交流繞組的一端相連，第n-1電抗器(2—n-1)的交流繞組的另一端與第n-1整流器(3—n-1)的輸入端相連，第n-1整流器(3—n-1)的正極輸出端與第n-1電抗器(2—n-1)的直流繞組的一端相連，第n-1電抗器(2—n-1)的直流繞組的另一端與直流電源(4)的正極相連，第n-1整流器(3—n-1)的負(fù)極輸出端與直流電源(4)的負(fù)極相連，第n繞組(1—n)與第n整流器(3—n)的輸入端相連，第n整流器(3—n)的正極輸出端與第n電抗器(2—n)的直流繞組的一端相連，第n電抗器(2—n)的直流繞組的另一端與直流電源(4)的正極相連，第n整流器(3—n)的負(fù)極輸出端與直流電源(4)的負(fù)極相連，n為自然數(shù)，且n≥2。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無源控制型最大風(fēng)能自動跟蹤風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)， 其特征在于第一電抗器(2—1)到第n-l電抗器(2 — n-l)的阻抗值依次遞減 10% 90%。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無源控制型最大風(fēng)能自動跟蹤風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)， 其特征在于它還包括第n電抗器(21)，第n繞組(l —n)與第n電抗器(2—n)的交流繞組的一端相連，第n電抗器 (2—n)的交流繞組的另一端與第n整流器(3—n)的輸入端相連，第n整流器(3 一n)的正極輸出端與第n電抗器(2—n)的直流繞組的一端相連，第n電抗器(2 一n)的直流繞組的另一端與直流電源(4)的正極相連，第n整流器(3—n)的負(fù)極 輸出端與直流電源(4)的負(fù)極相連。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的無源控制型最大風(fēng)能自動跟蹤風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)， 其特征在于第一電抗器(2—1)到第n電抗器(2—n)的阻抗值依次遞減10% 90%。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的無源控制型最大風(fēng)能自動跟蹤風(fēng)力發(fā)電系 統(tǒng)，其特征在于第一繞組(l 一 l)到第n繞組(l 一n)的匝數(shù)依次遞減20% 80%。
全文摘要
無源控制型最大風(fēng)能自動跟蹤風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，屬于電機領(lǐng)域。目的是為了解決目前離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)存在的主要問題是不能同時兼顧最大風(fēng)能捕獲，實現(xiàn)最大功率控制和控制簡單、技術(shù)難度小、成本低、可靠性高的優(yōu)點的問題。本發(fā)明包括永磁發(fā)電機、n-1個電抗器、n個整流器和直流電源，永磁發(fā)電機具有n套繞組，前n-1套繞組分別與n-1個電抗器的交流繞組串聯(lián)，然后與n-1個整流器分別對應(yīng)相連，第n套繞組直接與第n整流器相連，n-1個電抗器的直流繞組分別串接在前n-1個整流器的正極輸出端，n個整流器并聯(lián)后接在直流電源的兩端，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、成本低、效率高、過載能力強、可靠性高，能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大風(fēng)能自動跟蹤控制。
文檔編號H02K21/48GK101378201SQ20081013728
公開日2009年3月4日 申請日期2008年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月10日
發(fā)明者吳紅星, 寇寶泉, 李立毅 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)