一种双转子电机耦合的压缩空气储能风力发电系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种含有压缩空气储能的风力发电系统，尤其涉及一种双转子电 机耦合的压缩空气储能风力发电系统。
【背景技术】
[0002] 风力发电技术是重要的可再生能源发电方式之一。现有风力发电系统多采用蓄电 池作为储能设备，解决风能波动和间歇带来的功率不稳定和能量供需不平衡问题，但是蓄 电池成本高，寿命短，监控困难，且生产和废弃对环境有极大的污染。压缩空气储能成本低， 寿命长优点，适合风力发电系统长时间储能。已有直接利用风力压缩和风力发电带动空压 机压缩两种方法，但储存的空气能缺少有效应用手段。
[0003] 发明专利201110411111. 8机械耦合式压缩空气储能微型混合风力发电系统，提 出采用行星齿轮作为能量传递环节，风力机、永磁同步发电机及复合式涡旋机分别耦合在 行星齿轮的行星架、齿圈和太阳轮上，但是行星齿轮机构作为纯机械装置，不可避免的存在 传动损耗，齿轮振动，噪声，润滑问题，其传动机构本身效率和可靠性低。加之带有离合器， 制动器等，增加了系统的复杂性，还伴有机械冲击，影响系统平滑工作和使用寿命。系统的 传动比也因此固定，在压缩或膨胀过程中无法保证风机运行在最大功率点。 【实用新型内容】
[0004] 本实用新型为了解决上述问题，提出了一种双转子电机耦合的压缩空气储能风力 发电系统，该系统采用涡旋式复合机作为气动部件，通过控制气路阀门和调节双转子电机 转速，实现跟踪风机最大功率，能够将风能以任意比例分配到发电环节或者储存环节，而且 整个储存和释放能量的过程完全无污染。
[0005] 为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
[0006] 一种双转子电机耦合的压缩空气储能风力发电系统，包括风力机、双转子电机、涡 旋复合机、储气装置、四象限变流器和相对应的控制和执行装置，双转子电机包括外转子、 内转子和定子，所述内转子内嵌于外转子中，所述定子放置于外转子外侧；所述风力机与双 转子电机的外转子同轴连接，双转子电机的内转子与涡旋复合机同轴连接，涡旋复合机的 另一端连接储气装置，所述内转子与第二变流器连接；所述定子与第一变流器连接，第一变 流器与第二变流器均连接直流母线，所述直流母线的两端分别连接DC/DC变换器和DC/AC 变换器。
[0007] 所述双转子电机的外转子和风力机输出轴通过第一联轴器相连，内转子和涡旋复 合机输入轴通过第二联轴器连接。
[0008] 所述涡旋复合机与储气装置之间通过气路连接。
[0009] 所述气路上设置有比例控制阀。
[0010] 所述气路上还安装有温度传感器、流量传感器和压力传感器；
[0011] 所述温度传感器、流量传感器和压力传感器可以测量气路气体的温度、流量和压 力特性参数，通过信号调理装置被系统控制器接收，根据膨胀或压缩气体的特性参数状态， 由公式Ps = 估算涡旋复合机的工作功率，为调整涡旋复合机工作状态提供依 据。其中Ps为涡旋复合机工作功率，P d为涡旋复合机进口压力，Q为涡旋复合机排气流量， Ps为涡旋复合机排气压力。
[0012] 所述DC/DC变换器一端连接直流母线，另一端连接直流负载。
[0013] 所述DC/AC变换器一端连接直流母线，另一端连接交流负载。
[0014] 所述内转子和定子上有三相绕组，外转子两侧附有永磁体；外转子和定子组成"外 电机"，外转子和内转子组成"内电机"，内外两个电机都既能工作在发电状态又能工作在电 动状态。
[0015] 所述第一变流器、第二交流器包括左右两个背靠背的三相逆变器和配套的驱动控 制设备，逆变器中间连有直流母线，直流母线上挂接直流负载和其他电储能设备，或通过逆 变器接交流负载，或者挂接在电网上。所述控制器为dSpace和工控PC组成上位机，执行装 置是变流器的驱动器，用来控制双转子电机。
[0016] 所述涡旋复合机与已公开的中国专利申请201110002249,名称为《用于压缩空气 储能技术的涡旋式压缩一膨胀复合机》中的复合机完全相同，该专利申请对涡旋式复合机 的工作原理和工作过程有较为详细的介绍和说明。
[0017] 本实用新型的工作原理是：只需要风力发电供能的情况下，风力机在风能驱动下 带动双机械端口电机的外转子转动，外电机发电，内电机不工作，发出的电能通过四象限变 流器右侧逆变器整流后输送到直流母线上，通过调节外转子的转速，可以实现风力机的最 大功率跟踪。当电能量过剩需要储能时，外电机仍然如上动作发电，同时内转子在自身励磁 和转动的外转子永磁体磁场的共同作用子下转动，内电机工作在电动状态，带动涡旋复合 机旋转压缩空气，将多余能量储存到储气罐中。通过调节内电机的转速，使涡旋复合机工作 在压缩状态的优化工作区间内，保证储能效率。当风力不足或者用电高峰时，外电机仍然 在风力机带动下发电，同时释放储存的压缩空气，推动涡旋复合机膨胀做功，带动内转子转 动，内电机发电补充负载对电能的需求。
[0018] 本实用新型的有益效果为：
[0019] (1)本实用新型利用压缩空气储能成本低、容量大的特点，可以替代蓄电池，在有 效改善风力波动对负载的影响的同时，系统运行寿命更长、维护简单、费用低；
[0020] (2)本实用新型利用双转子电机的双机械双电器端口优势，将风力发电和压缩空 气储能结合，通过灵活调节电机的工作状态，自由分配储能和发电的比例，使系统满足运行 中的各种工作状况，尤其是可以始终保证风力机的最大功率跟踪和压缩空气的优化运行， 相比其他风力压缩空气设备，双转子电机采用磁场耦合，能量转换环节少，而且不存在机械 冲击和损耗，运行平滑，系统的效率有显著提高；
[0021] (3)本实用新型采用的涡旋复合机，其具有体积小、效率高、寿命长的特点，能够完 成压缩和膨胀两种工作状态，尤其是释放能量时无需燃烧，绿色环保；
[0022] (4)实用性高，本系统采用的双转子电机有机结合风力发电和压缩空气储能，结构 紧凑、重量轻、占地面积小，可以直接安装在风塔上。
【附图说明】
[0023] 图1为本实用新型系统结构示意图；
[0024] 图2为本实用新型的系统控制框图。
[0025] 其中：1.风力机；2.第一联轴器；3.外转子；4.内转子；5.定子；6.双转子电 机；7.第二联轴器；8.涡旋复合机；9.气路；10.比例控制阀；11.储气装置；12.第一变流 器；13.第二变流器；14.直流负载；15.背靠背式变流器；16. DC/DC变换器；17.直流母线； 18. DC/AC变换器；19.交流负载；20.驱动器；21.上位机。
【具体实施方式】：
[0026] 下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。
[0027] 如图1所示，一种双转子电机耦合的压缩空气储能风力发电系统，包括风力机1、 双转子电机6、涡旋复合机8、储气装置、四象限变流器和相对应的控制、执行装置，双转子 电机6包括外转子3、内转子4和定子5,所述内转子4内嵌于外转子3中，所述定子5放置 于外转子3外侧；所述风力机1与双转子电机6的外转子3同轴连接，双转子电机6的内转 子4与涡旋复合机8同轴连接，涡旋复合机8的另一端连接储气装置11，所述内转子4与第 二变流器连接；所述定子5与第一变流器连接，第一变流器与第二变流器均连接直流母线， 所述直流母线的两端分别连接DC/DC变换器16和DC/AC变换器18。
[0028] 双转子电机6的外转子3和风力机1输出轴通过第一联轴器2相连，内转子4和 涡旋复合机8输入轴通过第二联轴器7连接。
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