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
【专利摘要】本发明公开了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，双转子电机包括外转子、内转子和定子，内转子内嵌于外转子中，定子放置于外转子外侧；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，内转子与第二变流器连接；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，直流母线的两端分别连接DC/DC变换器和DC/AC变换器；本发明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。
【专利说明】一种双转子电机耦合的压缩空气储能风力发电系统
【技术领域】
[0001] 本发明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。
【发明内容】
[0004] 本发明为了解决上述问题，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，本发明采用如下技术方案：
[0006] -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 = ln(f^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，Pd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] 本发明的工作原理是：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] 本发明的有益效果为：
[0019] (1)本发明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)本发明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)本发明采用的涡旋复合机，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。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 图1为本发明系统结构示意图；
[0024] 图2为本发明的系统控制框图。
[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发明作进一步说明。
[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。
[0029] 涡旋复合机8与储气装置11之间通过气路9连接。
[0030] 气路9上设置有比例控制阀10。
[0031] 气路9上还安装有温度传感器、流量传感器和压力传感器。
[0032] DC/DC变换器16 -端连接直流母线17,另一端连接直流负载14。
[0033] DC/AC变换器18 -端连接直流母线17,另一端连接交流负载19。
[0034] 内转子4和定子5上有三相绕组，外转子3两侧附有永磁体；外转子3和定子5组 成"外电机"，外转子3和内转子4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。
[0035] 第一变流器12、第二交流器13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。
[0036] 实施例一：
[0037] -种双转子电机稱合式风力发电系统，包括风力机1、双转子电机6、润旋复合机 8、储气罐11、第一变流器12。
[0038] 其中双转子电机6由外转子3、内转子4、定子5组成。风力机1通过第一联轴器 2与外转子3相连。内转子4通过第二联轴器7与涡旋复合机8相连。涡旋复合机8通过 气路9与储气罐相连。气路9上装有比例控制阀10
[0039] 所述双转子电机6的外转子3的内侧和外侧都绕有三相绕组或者布有永磁体，定 子5和内转子3分别第一变流器12、第二变流器13相连。第一变流器12和第二变流器13 通过直流母线17相连，组成背靠背式变流器15。直流母线17上接有DC/DC变换器16和 DC/AC变换器17, DC/DC变换器16接有直流负载14, DC/AC变换器17接有交流负载19与 交直流负载。
[0040] 系统的工作过程是：风吹动风力机1转动时，风力机1带动外转子3转动，上位机 21接收传感器采集的数据，计算得到当前风速下的外转子3的目标转速，发出控制信号，通 过控制第一变流器12,使外电机工作在发电状态。发出的电能通过直流母线17,经过DC/ DC变换器16和DC/AC变换器17变换后，供给直流负载14和交流负载19。通过控制第一 变流器12调节外转子3的转速与目标转速相同，可以使风机始终工作在最大功率点。
[0041] 当风机功率大于负载功率，且剩余的风能超过了涡旋机复合机8的工作阈值，可 以通过压缩空气将多余风能储存起来。此时双转子电机6的外电机仍然发电提供负载所需 要的电功率。上位机21通过计算，给定内转子4的目标转速，通过控制第二变流器13,使内 电机工作在电动状态，内转子4跟踪目标转速，带动涡旋复合机8压缩空气，多余的风能变 成高压空气的内能，经过气路9储存到储气罐11中。
[0042] 当负载功率高于风机功率时，风能不能够满足负载需求，上位机21可以通过控制 比例流量阀10的开度，将储存在储气罐11中一定量的高压气体释放，经过气路9推动涡旋 复合机8反向旋转，带动内转子4反转，可使双转子电机6的内电机工作在发电状态，将储 存的压缩空气内能释放，补足负载的需求。
[0043] 上述部件自动控制的功能是由上位机21根据图2的所示程序流程计算后，改变驱 动器20的控制信号，从而控制变流器和变换器来实现。
[0044] 上述虽然结合附图对本发明的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本发明保护范 围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不 需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
【权利要求】
1. 一种双转子电机耦合的压缩空气储能风力发电系统，其特征是：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。
2. 如权利要求1所述的一种双转子电机耦合的压缩空气储能风力发电系统，其特征 是：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。
3. 如权利要求1所述的一种双转子电机耦合的压缩空气储能风力发电系统，其特征 是：所述涡旋复合机与储气装置之间通过气路连接。
4. 如权利要求3所述的一种双转子电机耦合的压缩空气储能风力发电系统，其特征 是：所述气路上设置有比例控制阀。
5. 如权利要求4所述的一种双转子电机耦合的压缩空气储能风力发电系统，其特征 是：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； 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，Pd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。
6. 如权利要求1所述的一种双转子电机耦合的压缩空气储能风力发电系统，其特征 是：所述DC/DC变换器一端连接直流母线，另一端连接直流负载。
7. 如权利要求1所述的一种双转子电机耦合的压缩空气储能风力发电系统，其特征 是：所述DC/AC变换器一端连接直流母线，另一端连接交流负载。
8. 如权利要求1所述的一种双转子电机耦合的压缩空气储能风力发电系统，其特征 是：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。
9. 如权利要求1所述的一种双转子电机耦合的压缩空气储能风力发电系统，其特征 是：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。
10. 如权利要求5所述的一种双转子电机耦合的压缩空气储能风力发电系统，其特征 是：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。
【文档编号】F03D9/02GK104454375SQ201410778346
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月15日 优先权日:2014年12月15日
【发明者】张承慧, 李珂, 吕伟龙, 田崇翼, 马昕 申请人:山东大学