專利名稱：應(yīng)用雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的變功率輸入恒頻發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及新能源范疇的變功率輸入恒頻輸出發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種新型的雙轉(zhuǎn)子電機(jī)變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)。
技術(shù)背景 人類進(jìn)入21世紀(jì)，一場(chǎng)新的能源革命正在悄悄進(jìn)行。根據(jù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的需要，人們迫切呼喚建立以清潔、可再生能源為主的能源結(jié)構(gòu)逐漸取代以污染嚴(yán)重、資源有限的化石能源為主的能源結(jié)構(gòu)。新能源發(fā)電主要是指利用太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)?、潮汐能等能源進(jìn)行發(fā)電開發(fā)。但由于新能源通常是一種不穩(wěn)定的動(dòng)力源，如風(fēng)速經(jīng)常變化；潮汐能隨著地球和月球位置變化等，這種不穩(wěn)定性影響了發(fā)電效率。且在發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)，要求發(fā)電的頻率保持恒定。為了解決能量輸入的不穩(wěn)定與發(fā)電頻率之間的矛盾，人們提出了多種解決方案，其中效果最好的是變速恒頻發(fā)電方法。目前通用變速恒頻發(fā)電方法主要有以下兩種基于繞線異步機(jī)(雙饋電機(jī))的雙饋發(fā)電系統(tǒng)和基于低速永磁同步發(fā)電機(jī)的直驅(qū)式發(fā)電系統(tǒng)。雙饋發(fā)電機(jī)是在轉(zhuǎn)子中施加低頻交流電流實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁的一種特種異步發(fā)電機(jī)，通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的幅值、頻率、相序，確保發(fā)電機(jī)輸出電功率恒頻恒壓。雙饋發(fā)電系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是變頻器的容量取決于發(fā)電機(jī)變速運(yùn)行時(shí)的最大滑差功率，一般電機(jī)的最大滑差率為土(25 35) %，因此變頻器的最大容量?jī)H為發(fā)電機(jī)額定容量的1/4 1/3。但由于受到極數(shù)的限制，輸入泵輪與發(fā)電機(jī)之間采用了升速齒輪箱，不僅增加了系統(tǒng)成本，而且成為了目前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)。宜驅(qū)式發(fā)電系統(tǒng)，輸入泵輪直接驅(qū)動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)輸出頻率和電壓隨轉(zhuǎn)速變化的交流電，經(jīng)交一直一交變頻器，轉(zhuǎn)換成恒壓、恒頻(50Hz)的電功率接入電網(wǎng)。該系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)發(fā)出的全部電功率都要通過(guò)變頻器，變頻器容量需按100%功率選取，比雙饋系統(tǒng)容量大，投資大，諧波吸收困難。但由于采用了低速永磁同步發(fā)電機(jī)，因此在輸入泵輪與發(fā)電機(jī)之間不需要安裝升速齒輪箱，電機(jī)輕，效率高，工作可靠，故障率低。研制開發(fā)一種效率高，成本低，運(yùn)行可靠且供電性能良好的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是新能源發(fā)電領(lǐng)域一直追求而又未完全實(shí)現(xiàn)的理想。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種變速恒頻新能源發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)能綜合揚(yáng)棄現(xiàn)有發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，不僅具備在較大速比范圍內(nèi)高效地實(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電功能，而且既取消升速齒輪箱，提高系統(tǒng)可靠性，又可采用較小容量的變頻器，降低系統(tǒng)成本。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型在現(xiàn)有基于低速永磁發(fā)電機(jī)的直驅(qū)式方案與基于雙饋電機(jī)的雙饋式方案的基礎(chǔ)上，實(shí)施雙轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)改動(dòng)，形成可實(shí)現(xiàn)功率分流的雙轉(zhuǎn)子電機(jī)與低速發(fā)電機(jī)的組合體，構(gòu)成一種具備功率分匯流功能的變速恒頻新能源發(fā)電系統(tǒng)。一種應(yīng)用雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的變功率輸入恒頻發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括輸入泵輪、雙轉(zhuǎn)子電機(jī)、發(fā)電機(jī)和變頻器；其中雙轉(zhuǎn)子電機(jī)包含滑環(huán)、外轉(zhuǎn)子、內(nèi)轉(zhuǎn)子；發(fā)電機(jī)包括定子、轉(zhuǎn)子；輸入泵輪通過(guò)軸一與雙轉(zhuǎn)子電機(jī)中的內(nèi)轉(zhuǎn)子連接；內(nèi)轉(zhuǎn)子上設(shè)置三相繞組，并通過(guò)滑環(huán)與變頻器連接雙轉(zhuǎn)子電機(jī)外轉(zhuǎn)子通過(guò)軸ニ與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子連接，發(fā)電機(jī)定子內(nèi)設(shè)置三相繞組與電網(wǎng)相連，輸入泵輪通過(guò)軸一與雙轉(zhuǎn)子電機(jī)中外轉(zhuǎn)子連接；外轉(zhuǎn)子上設(shè)置三相繞組，并通過(guò)滑環(huán)與變頻器連接；雙轉(zhuǎn)子電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子通過(guò)軸ニ與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子連接，發(fā)電機(jī)定子內(nèi)設(shè)置三相繞組與電網(wǎng)相連。雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的外轉(zhuǎn)子與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子復(fù)合成ー個(gè)轉(zhuǎn)子，原有雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為兩個(gè)轉(zhuǎn)子、ー個(gè)定子構(gòu)成的嵌套結(jié)構(gòu)。雙轉(zhuǎn)子電機(jī)與發(fā)電機(jī)為繞線式異步電機(jī)、同步電機(jī)、多相交流電機(jī)、単相交流電機(jī)、鼠籠式異步電機(jī)、直流電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)或永磁電機(jī)。變頻器與雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的電氣連接方式為接觸式電刷.滑環(huán)方式或非接觸的旋轉(zhuǎn)變壓器形式。 在所述變頻器上電源接ロ接入ー個(gè)直流電源，所述直流電源為電池組或超級(jí)電容或飛輪電池。輸入泵輪與轉(zhuǎn)子相連接的軸一，以及雙轉(zhuǎn)子電機(jī)與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子相連接的軸ニ的傳動(dòng)類型為無(wú)級(jí)機(jī)械傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)、液力傳動(dòng)或電氣傳動(dòng)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下有益效果為第一，本方案中發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)連接簡(jiǎn)單，無(wú)需通過(guò)電カ電子裝置。如果采用了同步發(fā)電機(jī)，容易實(shí)現(xiàn)平滑的電功率輸出，相對(duì)于異步電機(jī)，有利于調(diào)節(jié)功率因素，優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)的電網(wǎng)質(zhì)量。第二，本方案中輸入泵輪功率的主要部分通過(guò)高效率的直接回路送到發(fā)電機(jī)。電傳動(dòng)分路的功率容量視調(diào)速范圍而定，一般只有發(fā)電機(jī)額定容量的幾分之一，電カ電子兀器件的額定功率容量可明顯降低。第三，去除了升速變速箱的傳動(dòng)環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化了風(fēng)カ發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)的故障率，提高了運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性。第四，新方案有能カ控制發(fā)電機(jī)工作在穩(wěn)定的同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)，因此可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化輸入泵輪葉片的槳距調(diào)節(jié)，也就是可以減少輸入泵輪槳距的調(diào)節(jié)次數(shù)，這對(duì)槳距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是有利的。第五，目前的雙轉(zhuǎn)子方案中雙轉(zhuǎn)子部分可以與發(fā)電機(jī)揉為一體，形成由內(nèi)外轉(zhuǎn)子與定子三部分組成的特殊電機(jī)結(jié)構(gòu)，有利于構(gòu)成布局緊湊、性能優(yōu)良、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠的新系統(tǒng)。

圖I為雙轉(zhuǎn)子變速恒頻風(fēng)カ發(fā)電系統(tǒng)方案示意圖。圖2為雙轉(zhuǎn)子變速恒頻風(fēng)カ發(fā)電系統(tǒng)基本工作原理示意圖。圖3為本實(shí)用新型實(shí)施方案之一的例圖。圖4為本實(shí)用新型實(shí)施方案之ニ的例圖。圖5為本實(shí)用新型實(shí)施方案之三的例圖。圖6為本實(shí)用新型實(shí)施方案之四的例圖。圖7為本實(shí)用新型實(shí)施方案之五的例圖。
具體實(shí)施方式
雙轉(zhuǎn)子變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)方案如圖I所示，主要由四個(gè)部分組成輸入泵輪I、雙轉(zhuǎn)子電機(jī)2、低速發(fā)電機(jī)3、變頻器4，其中雙轉(zhuǎn)子電機(jī)2是具有雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的同步永磁電機(jī)。包括滑環(huán)21、外轉(zhuǎn)子22、內(nèi)轉(zhuǎn)子23。與普通同步永磁電機(jī)的區(qū)別在于釋放了對(duì)定子的約束，使之轉(zhuǎn)變?yōu)橥廪D(zhuǎn)子22。內(nèi)轉(zhuǎn)子23內(nèi)設(shè)置三相繞組與通過(guò)滑環(huán)21與變頻器4相連，外轉(zhuǎn)子22內(nèi)設(shè)置永磁磁極。輸入泵輪I與內(nèi)轉(zhuǎn)予23通過(guò)軸一 6直接相聯(lián)；外轉(zhuǎn)子22與發(fā)電機(jī)3的轉(zhuǎn)子32通過(guò)軸二 7直接相聯(lián)。發(fā)電機(jī)3為永磁同步多級(jí)低速發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)定子31內(nèi)設(shè)置三相繞組與電網(wǎng)相連，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子32內(nèi)設(shè)置永磁磁極。當(dāng)輸入泵輪I驅(qū)動(dòng)內(nèi)轉(zhuǎn)子23相對(duì)于外轉(zhuǎn)予22旋轉(zhuǎn)而發(fā)電時(shí)，兩者間相互作用的電磁力矩將拖動(dòng)外轉(zhuǎn)子22及與之連接的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子32做同向、但速度可以不等的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。雙轉(zhuǎn)子電機(jī)2與發(fā)屯機(jī)3可為繞線式異步電機(jī)、鼠籠式異步電機(jī)、單相交流電機(jī)、多相交流電機(jī)、同步電機(jī)、直流電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)或永磁電機(jī)。以上闡述本實(shí)用新型基本型的工作原理。根據(jù)不同使用要求和特點(diǎn)，本實(shí)用新型的具體實(shí)施方案可繁可簡(jiǎn)，由基本型可派生出多種衍生方案。實(shí)施例方案之一，如圖3所不,基本結(jié)構(gòu)與基本實(shí)施例方案相同,有所不同的是輸入泵輪I與外轉(zhuǎn)予22通過(guò)軸一 6連接、內(nèi)轉(zhuǎn)子23與發(fā)電機(jī)3的轉(zhuǎn)子32通過(guò)軸二 7連接。這樣取得的效果與原方案類似。方案之二，如圖4所示，使基本型方案中的雙轉(zhuǎn)子電機(jī)2的外轉(zhuǎn)予23與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子32揉合在一起，在內(nèi)轉(zhuǎn)子22外周設(shè)置復(fù)合轉(zhuǎn)子5，在復(fù)合轉(zhuǎn)子5的外周設(shè)置定子31。復(fù)合轉(zhuǎn)子5的內(nèi)外側(cè)都是設(shè)置永磁磁極，復(fù)合轉(zhuǎn)子5的外側(cè)相當(dāng)于基本型中的發(fā)電機(jī)外轉(zhuǎn)子32，復(fù)合轉(zhuǎn)子5的內(nèi)側(cè)相當(dāng)于基本型中的雙轉(zhuǎn)子電機(jī)外轉(zhuǎn)子23。這樣使得系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更為緊湊，但軸向尺寸有所增加。方案之三，如圖5所示，通過(guò)交，直.交變頻器4上設(shè)置的電源接口，接入直流電池組9?？梢员匾獣r(shí)儲(chǔ)存富余風(fēng)能，再在合適的時(shí)機(jī)釋放出來(lái)，配以優(yōu)化的控制策略有利于提高整體能量轉(zhuǎn)換效率。衍生方案之四，如圖6所示，雙轉(zhuǎn)子電機(jī)與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通過(guò)增速齒輪箱10傳動(dòng)。當(dāng)風(fēng)速較低時(shí)，經(jīng)過(guò)齒輪增速，可以降低發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)，改變電功率的分流比例，有助于提高整體運(yùn)行效率。衍生方案之五，如圖7所示，采用非接觸式旋轉(zhuǎn)變壓器11，替代基本型方案的滑環(huán)21，這樣可以提高系統(tǒng)可靠性。
權(quán)利要求1.一種應(yīng)用雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的變功率輸入恒頻發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括輸入泵輪(I)、雙轉(zhuǎn)子電機(jī)(2)、發(fā)電機(jī)(3)和變頻器(4);其中雙轉(zhuǎn)子電機(jī)(2)包含滑環(huán)(21)、夕卜轉(zhuǎn)子(22)、內(nèi)轉(zhuǎn)子(23);發(fā)電機(jī)(3)包括定子(31)、轉(zhuǎn)子(32);輸入泵輪⑴通過(guò)軸一(6)與雙轉(zhuǎn)子電機(jī)中(2)的內(nèi)轉(zhuǎn)子(23)連接；內(nèi)轉(zhuǎn)子(23)上設(shè)置三相繞組，并通過(guò)滑環(huán)(21)與變頻器⑷連接雙轉(zhuǎn)子電機(jī)⑵外轉(zhuǎn)子(22)通過(guò)軸二(7)與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子(32)連接，發(fā)電機(jī)定子(31)內(nèi)設(shè)置三相繞組與電網(wǎng)(8)相連，輸入泵輪(I)通過(guò)軸一(6)與雙轉(zhuǎn)子電機(jī)中外轉(zhuǎn)子(22)連接；外轉(zhuǎn)子(22)上設(shè)置三相繞組，并通過(guò)滑環(huán)(21)與變頻器⑷連接；雙轉(zhuǎn)子電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子(23)通過(guò)軸二(7)與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子(32)連接，發(fā)電機(jī)定子(31)內(nèi)設(shè)置三相繞組與電網(wǎng)⑶相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的應(yīng)用雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的變功率輸入恒頻發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的外轉(zhuǎn)子與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子復(fù)合成一個(gè)轉(zhuǎn)子(5)，原有雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為兩個(gè)轉(zhuǎn)子、一個(gè)定子構(gòu)成的嵌套結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的應(yīng)用雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的變功率輸入恒頻發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，雙轉(zhuǎn)子電機(jī)(2)與發(fā)電機(jī)(3)為繞線式異步電機(jī)、同步電機(jī)、多相交流電機(jī)、單相交流電機(jī)、鼠籠式異步電機(jī)、直流電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)或永磁電機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的應(yīng)用雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的變功率輸入恒頻發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，變頻器(4)與雙轉(zhuǎn)子電機(jī)(2)的電氣連接方式為接觸式電刷滑環(huán)方式或非接觸的旋轉(zhuǎn)變壓器形式。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的應(yīng)用雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的變功率輸入恒頻發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，在所述變頻器(4)上電源接口接入一個(gè)直流電源，所述直流電源為電池組或超級(jí)電容或飛輪電池。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的應(yīng)用雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的變功率輸入恒頻發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，輸入泵輪(I)與轉(zhuǎn)子相連接的軸一(6)，以及雙轉(zhuǎn)子電機(jī)與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子相連接的軸二(7)的傳動(dòng)類型為無(wú)級(jí)機(jī)械傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)、液力傳動(dòng)或電氣傳動(dòng)。
專利摘要一種應(yīng)用雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的變功率輸入恒頻發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括輸入泵輪、雙轉(zhuǎn)子電機(jī)、發(fā)電機(jī)和變頻器；其中雙轉(zhuǎn)子電機(jī)包含滑環(huán)、外轉(zhuǎn)子、內(nèi)轉(zhuǎn)子；發(fā)電機(jī)包括定子、轉(zhuǎn)子；輸入泵輪通過(guò)軸一與雙轉(zhuǎn)子電機(jī)中的內(nèi)轉(zhuǎn)子連接；內(nèi)轉(zhuǎn)子上設(shè)置三相繞組，并通過(guò)滑環(huán)與變頻器連接雙轉(zhuǎn)子電機(jī)外轉(zhuǎn)子通過(guò)軸二與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子連接，發(fā)電機(jī)定子內(nèi)設(shè)置三相繞組與電網(wǎng)相連，輸入泵輪通過(guò)軸一與雙轉(zhuǎn)子電機(jī)中外轉(zhuǎn)子連接；外轉(zhuǎn)子上設(shè)置三相繞組，并通過(guò)滑環(huán)與變頻器連接；雙轉(zhuǎn)子電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子通過(guò)軸二與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子連接，發(fā)電機(jī)定子內(nèi)設(shè)置三相繞組與電網(wǎng)相連。本實(shí)用新型中發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)連接簡(jiǎn)單，無(wú)需通過(guò)電力電子裝置，有利于調(diào)節(jié)功率因素，優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)的電網(wǎng)質(zhì)量。
文檔編號(hào)H02P9/48GK202524258SQ20122011342
公開日2012年11月7日 申請(qǐng)日期2012年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月23日
發(fā)明者周斯加, 夏景演, 許平丹, 趙克剛, 龍江啟 申請(qǐng)人:溫州大學(xué)