专利名称：多级变速风力发电装置的制作方法
多级变速风力发电装置
本发明涉及风力发电中电能的频率控制和风机转速选择及相应机构，特别 是多台发电机的组合与布置、发电机的转子转速和输入转子绕组的电流对发电 机所发出的电能频率的影响等。
背景技术：
在风力发电中， 一般采用"恒速恒频"和"变速恒频"2种典型 的方法来实现输出频率恒定的电能。"恒速恒频"指在风力发电过程中，保持风 机叶轮转速和发电机主轴转速始终不变，从而使风力发电机发出频率恒定的电 能；"变速恒频"指在风力发电过程中，风机叶轮转速和发电机的转速可随风速 的变化而变化，并通过其他控制方法直接或间接地来保持电能频率的恒定。
"恒速恒频"风力发电装置成本低，所采用的技术相对简单、成熟，但只 有当风速为某一特定值时，风能利用率才能最大，风速越偏离该特定值风能利 用率就越低，由于风速是变化不定的，因此"恒速恒频"方式总的风能利用率 是很低的；"变速恒频"风力发电装置的特点是当风速发生变化时，风轮及发电 机的转速可在很大范围内变化而输出的电能频率始终保持不变，因此，理论上 不管在哪个风速值，都可以通过适当的控制，使风轮转速调整到与该风速相对 应的最佳特定值，从而最大限度地利用风能，但技术复杂，成本较高。
发明内容
本发明的目的在于通过电机组合、机械变速、改变电机极对数等方法，实 现风速变化时风力机在多级风轮转速下能输出恒定频率电能，达到提高风能利 用率和电机效率、降低变速箱机械增速比等目的。
附
图1是本发明的原理示意图之一。
本发明"多级变速"风力发电装置的核心机构主要由3部分组成(如图1 所示)发电机1和发电机2;控制系统；变速机。其中，大功率发电机2 (简称发电机2)的定子绕组和电网连接，向电网输送频率为ft的工频电流，而转子 绕组经控制系统和小功率发电机1 (简称发电机l)的定子绕组相连。
本发明的目的通过以下技术方案实现大功率发电机2只有在风速较大(风 机输入功率较大)时才和变速机联上，由变速机输入转速和功率并运行。根据 电机特性发电机2输出的电流频率不仅和转子的机械转速有关，还和输入转子 绕组的电流频率有关，具有将转子的机械旋转频率和转子绕组电路的电流频率 "相加"的功能，其定子绕组输出"频率相加"后的电流，这一特点简称为"合 频"特性。
小功率发电机1其额定功率约为发电机2额定功率的1/4，其电机极对数一 般可以变化。当风速较小时，变速机只带动发电机1工作，发电机2脱开与变 速机的连接且停止工作，发电机1发出的电流经控制系统切换，直接输到电网 或其他电路，提高了发电机发电效率，延长了大功率发电机2的寿命；当风速 较大(风机输入功率较大)时，2台发电机经变速机带动都发电工作，且发电机 1发出的电流经控制系统输入到发电机2的转子绕组电路迸行"合频"，结合变 速机机械变速、改变电机极对数等方法，使风力发电装置输出的电流频率仍保 持电网频率。
控制系统主要起到电流切换、改变电机极对数、控制发电机1输向发电机2 的电流频率等参数、控制发电机2转子电路电阻值等作用。改变电阻值可控制 电机的滑差率，使得风速及风轮转速在小范围变化时发电机发出的电流频率仍 保持恒定。
变速机有别于传统风力发电机中使用的齿轮增速箱，它是低速比变速箱， 既能增速又能变速，可根据风速大小选择输出转速，且齿轮转速较低，降低了 润滑要求，减少了维护费用。
根据"合频"特性，在图1两台电机组合发电中，发电机2定子绕组输出 的电流频率ft、发电机1定子绕组输出的电流频率f, (f产RXfJ及电机转 子的机械旋转频率应符合如下关系-
ft= P2Xfn2 + hXf^ (式一1)
其中，ft为发电机2定子绕组输出的电流频率，与电网频率相同；
P2为发电机2的极对数；
fw为发电机2的转子机械旋转频率；
h为发电机l的极对数；
fm为发电机1的转子机械旋转频率。 只要设计、控制好h、 fnl、 P2、 ft,2这四个参数，完全可以使发电机2输出的 电流频率保持为电网频率或其他所需频率，这四个参数主要由变速机机械变速 和改变发电机极对数来实现。因此，利用发电机2"合频"特性，通过变速机机 械变速和改变发电机极对数，可实现风速变化时风力机在多级风轮转速下能输 出恒定频率的电能，以提高风能的利用率。
由式1知，增加电机极对数，可降低机械频率，相应降低转子及齿轮转速， 改善润滑条件，减少维护费用。
图1说明的是2台发电机进行组合发电和"合频"的工作原理，根据实际 需要和安装条件可增加组合的发电机数量。图2是多台发电机迸行组合发电的 原理示意图，由"合频"特性可知，在其他条件相同情况下"合频"电机级数 越多最终发出的电能频率可越大，或理解为要获得同样频率的电能，"合频"电 机级数越多则变速机的增速比可以相应减小，这样就降低了变速机的成本，甚 至可省去增速器实现风机直接驱动发电机。
"合频"特性还能用于单独发电的风力机群，图3是多台风力机所发出的
电能进行"合频"的示意图。由图3可知，尽管单台风力机所发出的电能频率 可能没有达到要求的频率值，但经过恰当的"合频"最终可输出符合频率要求 的电能。
通过以上说明可知，"多级变速"风力发电装置具有以下突出的特点
1、 与"恒速恒频"风力发电装置相比，"多级变速"风力发电装置的风能 利用率显著提高。
2、 与"变速恒频"风力发电装置相比，"多级变速"风力发电装置更加经 济实用，技术适用更加简单可靠。
3、 由于采用了 "合频"技术和"多台发电机"发电，降低了风力机的机械 增速比，提高了机械传动系统的可靠性和经济性；在不同风速下，可以进行不 同发电机的发电组合，不存在"大功率电机发小功率电能"现象，提高了发电 机的效率和利用率。
权利要求
1、本发明以前的风力发电机一般是动力经增速机增速后只带动一台发电机发电，或增速机带有多台发电机，但各发电机是互不影响的。本发明“多级变速”风力发电装置的核心机构主要由变速机、多台发电机、控制系统等3部分组成，风力由风轮转换成旋转动力，经变速机增速和变速，变速机和多台发电机相连接，根据需要带动相应的发电机发电。其特征1在于各发电机既可以直接向电网(或其他电路)输电又能经控制系统控制向下一级发电机的转子绕组电路输电，输入下级发电机转子绕组的电流频率和发电机轴的机械旋转频率进行“合频”，从而影响发电机输出的频率，进行“合频”组合的电机越多则发电机最终输出的电能频率可越大。其特征2在于其变速机除能机械增速外还有变速功能，根据需要变速机可改变增速比并带动相应的发电机工作，结合发电机的极对数变化和“合频”特性，达到输出符合频率要求的电能。
2、 本发明以前的风力发电机一般都单独输入电网(或其他电路)，互不影响。本发明"多级变速"风力发电装置可以使若干个单独发电的风力机利用电 机的"合频"特性组合起来，达到减小机械增速比或提高电能频率的目的。其特征在于进行组合发电的风力机群中各风力机既可以直接向电网(或其 他电路)输电又能经控制系统控制向下一级风力机的电机转子绕组电路输电进 行"合频"，进行"合频"组合的风力机越多则风力机最终输出的电能频率可越大。
全文摘要
一种能在多级风轮转速下实现输出恒定频率电能的风力发电装置。其中风能动力经变速机增速和变速，变速机的多个输出轴则分别和多台发电机连接，并根据风速大小选择不同的发电机组合，带动相应的发电机发电，组合中的各发电机相互联系，发电机既可以直接向电网(或其他电路)输电又能经控制系统控制向下一级发电机的转子绕组电路输电，使得最终输入电网的风力电能频率不仅和发电机主轴的机械转速有关，也和输入电机转子绕组的电能频率有关，结合变速机机械变速和发电机的极对数变化，通过合理的控制，实现在多级风轮转速下输出恒定频率电能，达到提高风能利用率和电机效率的目的。
文档编号H02P9/00GK101109363SQ20061005262
公开日2008年1月23日 申请日期2006年7月22日 优先权日2006年7月22日
发明者陈忠维 申请人:陈忠维