專利名稱：直驅式感應風力發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及風力發(fā)電技術領域中的風力發(fā)電系統(tǒng)，具體地說是一種直驅式感應風力發(fā)電系統(tǒng)。
背景技術：
風能作為一種可再生能源，其資源極其豐富。據專家估計，全世界風能資源總量約為每年2萬億千瓦，僅的地面風能轉化為電能就能滿足現(xiàn)今全世界對能源電力的需求。 同時隨著風力發(fā)電技術的不斷發(fā)展進步，風力發(fā)電的成本呈現(xiàn)下降的趨勢，風力發(fā)電具有顯著的環(huán)保效益和經濟效益。近些年來風力發(fā)電的發(fā)展不斷超越其預期的發(fā)展速度，并越來越受到世界各國的重視。由于風力發(fā)電系統(tǒng)應用場合的特殊性，對發(fā)電、變電裝置的空間尺寸和重量等有著非常嚴格的限制和要求，同時，對系統(tǒng)的容量、供電品質、可靠性與可維修性等性能指標需求也在不斷提高。而感應發(fā)電機采用鼠籠式轉子結構，與普通同步發(fā)電機相比具有結構簡單、故障率低、機械強度好、維護成本低等優(yōu)點。然而傳統(tǒng)的感應發(fā)電機存在功率密度不高、功率因數低、控制上電壓調節(jié)不靈活等不足之處，僅適用于中小功率場合，同時，傳統(tǒng)電機受電磁設計、冷卻方式和加工工藝的限制，使其轉矩密度難以大幅提高。此外，傳統(tǒng)感應發(fā)電機轉子的端板和導條通常采用中頻焊接等焊接方式，這些焊接方式不僅需要使用電阻率遠大于端環(huán)和導條的焊料，且不可避免的增加了接觸電阻，不僅會增加損耗，更重要的是還存在局部發(fā)熱導致端板膨脹斷裂的安全隱患。

發(fā)明內容
本發(fā)明目的在于克服上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種可以大幅度提高發(fā)電機系統(tǒng)功率密度和效率的直驅式感應風力發(fā)電系統(tǒng)。實現(xiàn)本發(fā)明目的采用的技術方案是一種直驅式感應風力發(fā)電系統(tǒng)，至少包括葉片，還包括與葉片直連的直驅式感應發(fā)電機，和與電網連接的網側變流器，所述感應發(fā)電機輸出端連接機側變流器，所述機側變流器與網側變流器之間設有直流支撐電容，所述直驅式感應發(fā)電機的定子設有至少一套三相主繞組，主繞組直接與機側變流器連接，所述主繞組的每一相均接有交流勵磁電容。進一步地，在上述直驅式感應風力發(fā)電系統(tǒng)中，所述直驅式感應發(fā)電機的定子還設有一套三相輔助繞組，所述三相輔助繞組的每一相均設有交流勵磁電容。進一步地，上述機側變流器和網側變流器為四象限全功率變流器，且由η個完全相同的功率器件并聯(lián)組成，其中η < 3。其中所述功率器件包括二極管和三極管，所述二極管的陽極與所述三極管的發(fā)射極連接，陰極與所述三極管的集電極連接。進一步地，在上述直驅式感應風力發(fā)電系統(tǒng)中，直驅式感應發(fā)電機包以下兩種結構第一，上述直驅式感應發(fā)電機至少包括定子、轉子、機座、轉軸和軸承，所述機座的
3頂部設有散熱筋板，機座的四周設有風機。第二，上述直驅式感應發(fā)電機至少包括定子、轉子、機座、轉軸和軸承，所述機座的頂部設有散熱筋板，機座內設有冷卻介質噴淋系統(tǒng)，所述冷卻介質噴淋系統(tǒng)包括安裝在機座內壁的噴淋環(huán)和安裝于機座底部的儲液盒，所述機座內設有將儲液盒中的冷卻介質通抽取到噴淋環(huán)的磁力泵。為了防止冷卻介質泄漏到感應發(fā)電機本體以外，機座與轉軸之間設有旋轉密封裝置，所述旋轉密封裝置包括基座，所述基座和轉軸之間設有若干用導磁鋼材料做成的密封擋板，所述密封擋板呈“H”狀，密封擋板與轉軸的連接端內充滿磁性流體，密封擋板另一端的開口連通成散熱通道；基座和轉軸之間還有永磁體。更進一步地，上述感應發(fā)電機的鼠籠轉子的導條和端環(huán)通過攪拌摩擦焊焊接而成一體。本發(fā)明的感應發(fā)電機輸出采用專用背靠背全功率變流器形式，考慮電網故障等極端條件，通過四象限全控電力電子變流器與發(fā)電機的匹配設計，結合無速度傳感器矢量控制、軟件鎖相環(huán)技術、過調制SVPWM方法、信號延時補償算法、前饋+反饋控制技術等措施， 實現(xiàn)風力發(fā)電機組系統(tǒng)的高效控制，保證發(fā)電機組良好的電能品質與運行穩(wěn)定性。此外，本發(fā)明還具有以下優(yōu)點(1)在有限的發(fā)電、變電裝置的空間內，本發(fā)明采用兩種散熱結構的感應發(fā)電機， 一是通過機座四周的風機加速電機內空氣的循環(huán)，再通過機座頂端的散熱筋板傳導散熱。 二是通過機座內的冷卻介質噴淋系統(tǒng)將冷卻介質在噴灑在機座，吸熱后的冷卻介質蒸發(fā)后通過散熱筋板傳導散熱。(2)感應發(fā)電機的鼠籠轉子的導條和端環(huán)通過攪拌摩擦焊焊接而成一體，避免使用焊條，且不會增加焊接電阻。


圖1為直驅式感應風力發(fā)電系統(tǒng)的結構示意圖。圖2為圖1中增加三相輔助繞組的結構示意圖。圖3為圖1中直驅式感應發(fā)電機的結構示意圖。圖4為圖1中直驅式感應發(fā)電機的另一種結構示意圖。圖5為圖4中冷卻介質噴淋系統(tǒng)的結構框圖。圖6為圖5中旋轉密封裝置的結構示意圖。圖7為感應發(fā)電機鼠籠轉子的導條和端環(huán)摩擦焊結構示意圖。圖fe和圖汕為機側變流器主-從統(tǒng)一控制原理圖。圖9為背靠背全功率變流器拓撲結構組成示意圖。圖10為背靠背全功率變流器控制框圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的說明。如圖1所示，直驅式感應風力發(fā)電系統(tǒng)包括依次連接的葉片、直驅式感應發(fā)電機、 機側變流器、網側變流器，其中機側變流器與網側變流器之間設有直流支撐電容C2，網側變流器與電網之間設有線路濾波器。直驅式感應發(fā)電機的定子設有至少一套三相主繞組，三相主繞組直接與機側變流器連接，三相主繞組的每一相均接有交流勵磁電容Cl。如圖2所示，直驅式感應發(fā)電機的定子還設有一套三相輔助繞組，三相輔助繞組的每一相均設有交流勵磁電容。主繞組和輔助繞組在電路上相互隔離，僅存在磁耦合。增加輔助繞組利于避免高頻諧振，改善發(fā)電機供電品質和系統(tǒng)電磁兼容性。本實施例所用直驅式感應發(fā)電機的結構如圖3所示，包括定子1、轉子2、機座3、轉軸4和軸承5，機座3的頂部設有散熱筋板6，機座3的四周設有風機7。直驅式感應發(fā)電機采用臥式結構，其中定子1鐵芯采用整段結構；當電機功率等級較大或散熱要求較高時，通過風機7加強電機內空氣的循環(huán)和散熱，再通過機座3外圓的散熱筋板6及端部蓋板帶走熱量；此外，為了提高散熱的效率，本實施例還提供一種直驅式感應發(fā)電機，其結構如圖 4所示，包括定子1、轉子2、機座3、轉軸4和軸承5，所述機座3的頂部設有散熱筋板6，機座3內設有冷卻介質噴淋系統(tǒng)，冷卻介質噴淋系統(tǒng)的結構如圖5所示。冷卻介質噴淋系統(tǒng)包括安裝在機座3內壁的噴淋環(huán)8和安裝于機座底部的儲液盒9，所述機座3內設有將儲液盒中的冷卻介質通抽取到噴淋環(huán)的磁力泵10。磁力泵10將儲液盒9中的冷卻介質抽取到噴淋環(huán)8中噴灑出來用于散熱，噴灑出的冷卻介質回流到儲液盒9中可以循環(huán)使用。為了防止冷卻介質泄漏到感應發(fā)電機本體以外，機座與轉軸之間設有旋轉密封裝置，如圖6所示，所述旋轉密封裝置包括基座，所述基座和轉軸之間設有若干用導磁鋼材料做成的密封擋板，所述密封擋板呈“H”狀，密封擋板與轉軸的連接端內充滿磁性流體，密封擋板另一端的開口連通成散熱通道；基座和轉軸之間還有永磁體。為減小因鼠籠轉子導條和端環(huán)普通焊接方式導致較大的接觸電阻，以及由此引起的損耗增加、局部過熱和可靠性問題，通過攪拌摩擦焊進行轉子導條和端環(huán)的焊接，焊接軌跡為轉子端環(huán)一周整圓，如圖7所示。將端環(huán)18套上轉子導條17后，將摩擦頭16緊壓在端環(huán)18與轉子導條17的接觸面，利用摩擦頭16高速旋轉產生的熱量將端環(huán)18和轉子導條 17的接觸部分熔化在一起，從而形成一體，由于焊接過程不需要焊料，焊接部位的電阻率與端環(huán)18或導條17的電阻率基本一致，最終連接成焊接軌跡19。當風場自然風吹轉葉片，帶動感應發(fā)電機的轉子轉動，通過勵磁電容提供起勵所需的無功電流建立電壓，再經過對機、網側四象限全功率變流器的控制，提供發(fā)電機系統(tǒng)所需的勵磁電流與最大轉矩電流，實現(xiàn)向電網輸送有功及無功功率。發(fā)電機側變流器(INU)提供電機所需勵磁電流，自動調節(jié)勵磁電流幅值與相位， 穩(wěn)定電機交流電壓；同時，通過電機轉矩電流的調節(jié)，實現(xiàn)電機功率整流輸出。機側變流器采用基于磁場定向的無速度傳感器矢量控制，負責在一定帶寬內實現(xiàn)對電機電磁轉矩參考值的跟蹤控制，能夠實現(xiàn)電機轉矩電流和勵磁電流的解耦控制，保證發(fā)電機勵磁及功率因數的精確控制，從而最終實現(xiàn)對電磁轉矩的跟蹤；網側變流器(ISU)連接機側變流器與電網，負責將電能傳送至電網并維持直流電壓的恒定，如圖8所示。采用雙dq變換軟件鎖相環(huán)實現(xiàn)對電網電壓的相位跟蹤，保證發(fā)電機組在電網故障條件下的可控穩(wěn)定運行。本發(fā)明中機側及網側變流器均為四象限全功率變流器，采用全控型功率器件，機側變流器和網側變流器為四象限全功率變流器，由η個完全相同的功率器件并聯(lián)組成，其中η < 3。功率器件包括二極管和三極管，所述二極管的陽極與所述三極管的發(fā)射極連接，陰極與所述三極管的集電極連接，其組合方式及范圍如圖9所示。該全功率變流器控制框圖如圖10所示。
本發(fā)明已通過最佳實施例的詳細附圖加以描述。熟于此領域技術人員可從最佳實施例衍生許多變化而毋須背離本發(fā)明的范疇。因此，最佳實施例不致限制本發(fā)明的范疇。本發(fā)明的范疇定義于申請專利范圍。
權利要求
1.一種直驅式感應風力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于包括與葉片直連的直驅式感應發(fā)電機，和與電網連接的網側變流器，所述感應發(fā)電機輸出端連接機側變流器，所述機側變流器與網側變流器之間設有直流支撐電容，所述直驅式感應發(fā)電機的定子設有至少一套三相主繞組，主繞組直接與機側變流器連接，所述主繞組的每一相均接有交流勵磁電容。
2.根據權利要求1所述直驅式感應風力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述直驅式感應發(fā)電機的定子還設有一套三相輔助繞組，所述三相輔助繞組的每一相均設有交流勵磁電容。
3.根據權利要求1或2所述直驅式感應風力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述直驅式感應發(fā)電機至少包括定子(1)、轉子O)、機座(3)、轉軸(4)和軸承(5)，所述機座(3)的頂部設有散熱筋板(6)，機座(3)的四周設有風機(7)。
4.根據權利要求1或2所述直驅式感應風力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述直驅式感應發(fā)電機至少包括定子(1)、轉子O)、機座(3)、轉軸(4)和軸承(5)，所述機座(3)的頂部設有散熱筋板(6)，機座(3)內設有冷卻介質噴淋系統(tǒng)，且機座C3)與轉軸之間設有旋轉密封直ο
5.根據權利要求4所述直驅式感應風力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述冷卻介質噴淋系統(tǒng)包括安裝在機座(3)內壁的噴淋環(huán)(8)和安裝于機座C3)底部的儲液盒(9)，所述機座 (3)內設有將儲液盒(9)中的冷卻介質通抽取到噴淋環(huán)(8)的磁力泵(10)。
6.根據權利要求4所述直驅式感應風力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述旋轉密封裝置包括基座(12)，所述基座和轉軸(4)之間設有若干用導磁鋼材料做成的密封擋板(14)，所述密封擋板(14)呈“H”狀，密封擋板(14)與轉軸(4)的連接端充滿磁性流體，密封擋板(14) 另一端的開口連通成散熱通道(14)；基座(12)和轉軸(4)之間還設有永磁體(13)。
7.根據權利要求1所述直驅式感應風力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述機側變流器和網側變流器為四象限全功率變流器，且由η個完全相同的功率器件并聯(lián)組成，其中η < 3。
8.根據權利要求7所述直驅式感應風力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述功率器件包括二極管和三極管，所述二極管的陽極與所述三極管的發(fā)射極連接，陰極與所述三極管的集電極連接。
9.根據權利要求1所述直驅式感應風力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述感應發(fā)電機的鼠籠轉子的導條和端環(huán)通過攪拌摩擦焊焊接而成一體。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種直驅式感應風力發(fā)電系統(tǒng)，至少包括葉片，與葉片直連的直驅式感應發(fā)電機，和與電網連接的網側變流器，所述感應發(fā)電機輸出端連接機側變流器，所述機側變流器與網側變流器之間設有直流支撐電容，所述直驅式感應發(fā)電機的定子設有至少一套三相主繞組，三相主繞組直接與機側變流器連接，所述三相主繞組的每一相均接有交流勵磁電容。本發(fā)明通過將交流勵磁電容與四象限變流器無功電流的匹配設計等實現(xiàn)感應發(fā)電機功率密度的大幅提高，實現(xiàn)風力發(fā)電系統(tǒng)的無功電流優(yōu)化控制和高效的機電能量轉換與電能變換，最終提高整個風力發(fā)電機組的效率。
文檔編號H02K17/16GK102510171SQ20111034586
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月4日 優(yōu)先權日2011年11月4日
發(fā)明者王東, 肖飛, 郭云珺, 馬偉明 申請人:中國人民解放軍海軍工程大學