专利名称：微功耗风力发电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微功耗风力发电机。
背景技术：
图I是双馈感应发电机工作原理框图，通过叶轮将风能转变为机械转距(风轮转动惯量)，通过主轴传动链，经过齿轮箱增速到异步发电机的转速后，通过励磁变流器励磁而将发电机的定子电能并入电网。如果超过发电机同步转速，转子也处于发电状态，通过变流器向电网馈电。最简单的风力发电机可由叶轮和发电机两部分构成，立在一定高度的塔干上，这是小型离网风机。最初的风力发电机发出的电能随风变化时有时无，电压和频率不稳定，没有实际应用价值。为了解决这些问题，现代风机增加了齿轮箱、偏航系统、液压系统、刹车系统和控制系统等。 齿轮箱可以将很低的风轮转速(1500千瓦的风机通常为12-22转/分)变为很高的发电机转速(发电机同步转速通常为1500转/分)。同时也使得发电机易于控制，实现稳定的频率和电压输出。偏航系统可以使风轮扫掠面积总是垂直于主风向。根据变速恒频变桨矩风机的特点，国内目前装机的电机一般分为二类I、异步型I)笼型异步发电机；功率为600/125kW、750kW、800kW、1250kW，定子向电网输送不同功率的50Hz交流电。2)绕线式双馈异步发电机；功率为1500kW定子向电网输送50Hz交流电，转子由变频器控制，向电网间接输送有功或无功功率。2、同步型I)永磁同步发电机；功率为750kW 1200kff 1500kW由永磁体产生磁场，定子输出经全功率整流逆变后向电网输送50Hz交流电。2)电励磁同步发电机；由外接到转子上的直流电流产生磁场，定子输出经全功率整流逆变后向电网输送50Hz交流电。同步发电机的电压变化率约为20 40%，一般工业和家用负载都要求电压保持基本不变，为此，随着负载电流的增大，必须相应地调整励磁电流。高速同步发电机因大多数发电机与原动机同轴联动，火电厂都用高速汽轮机作原动机，所以汽轮发电机通常用高转速的2极电机，其转速达3000转/分(在电网频率为60赫时，为3600转/分)。核电站多用4极电机，转速为1500转/分(当电网频率为60赫时，为1800转/分)。为适应高速、高功率要求，高速同步发电机在结构上，一是采用隐极式转子，二是设置专门的冷却系统。上述同步、异步风力发电机有以下缺点I)必须增速齿轮箱，方能达到电机的同步转速，机械能损耗大；2)必须双向逆变器或全功率变换器，电能损耗大；3)切入风速时开始发电、切出风速时锁定电机，即风小不能发电，风大不能发电，很难伺候不说，浪费太多风能；4)直接采用市电励磁，低电压穿越性能极差。
发明内容
图2是微功耗风力发电机原理框图，叶片转轴直接驱动同步发电机，无齿轮箱的机械传动损耗；转子励磁电流采用微功耗功率变换获得，其功率损耗接近零。微功耗风力发电机由叶片、叶片转轴、同步电机、励磁方波发生器组成，叶片转轴与同步电机转轴刚性联接，励磁方波发生器产生调频调幅对称方波电流，对同步电机的转子励磁；叶片受风转动，叶片转轴与叶片联动，驱动同步电机发电。同步发电机输出电压的频率由下式决定f = nXp/60 (Hz) ；(I) f:输出电压频率；η:发电机转轴转速；ρ:发电机转子极对数。设电机转子极对数为2，输出电压频率为50Hz，则由(I)式可计算得风叶转轴转速为N = 50X60/2 = 1500(转)；(2)即当同步发电机的极对数为2时，风叶转轴转速应为1500转。设电机转子极对数为20，输出电压频率为50Hz，则由(I)式可计算得风叶转轴转 速为N = 50X60/20 = 150(转)；(3)即当同步发电机转子的极对数为20时，风叶转轴转速应为150-300转。设电机转子的极对数为200，输出电压频率为50Hz，则由(I)式可计算得风叶转轴转速为N = 50X60/200 = 15(转)；(4)即当同步发电机转子的极对数为200时，风叶转轴转速应为15转，正好落入风叶典型转速之内。比较式(2)、(3)、(4)可知，要获得相同的输出频率，增加同步发电机的极对数，可减少风叶转轴的转速，即风叶转轴的转速η和电机的极对数P成反比。风叶转轴的转速一般为12-22之间，在免除增速齿轮箱的前提下，为了获得50Hz的输出频率，必须增加发电机转子上的极对数，但工艺上不可能无限增加发电机的极对数，在一个发电机的转子制作200个极对，显然不切实际。微功耗风力发电机组，由叶片和同步电机组成，同步电机的定子采用调频调幅方波励磁，输出功率恒频恒压，可直接并入电网。该同步发电机组中的风叶转轴直接驱动同步电机，免除了双馈感应发电机中的增速齿轮箱；采用同步发电机转子励磁，免除了双馈感应发电机中的励磁双向逆变器或全功率变换器；由于免除了增速齿轮箱，微功耗风力发电机组安装好就能发电，颠覆了切入风速和切出风速概念；风再小，只要叶片可以动，就能发电，风再大，只要风机括不倒，就能发电，整机机械能损耗和电能损耗都接近零。
图I是传统风力发电机原理图；图2是微功耗风力发电机原理图；图3机械角度和电角度对比图；图4是极对数等于I时定子旋转一周时定子所产生的360电角度；图5是极对数等于2时定子旋转一周时定子所产生的720电角度；图6是极对数等于3时定子旋转一周时定子所产生的1080电角度；图7是励磁电流极性变换I次时时定子所产生的360电角度；图8是励磁电流极性变换2次时时定子所产生的720电角度； 图9是励磁电流极性变换3次时时定子所产生的1080电角度；图10是定子励磁电流的仿真波形；图11是定子励磁方波发生器。
具体实施例方式I、输出电压与电网同频图3表示机械角度和电角度的关系，从几何上说，沿电机定子内园或转子外园旋转一周就是转了 360°，这样划分的角度称为机械角度，用符号θπ表示。但从磁场角度来看，一对磁极对应着一个交变的周期，也是360°，如果是P对磁极，则对应的交变周期就是ΡΧ360。，这样划分的角度称为电角度，用符号Θ表示。如果将电机沿气隙展开，一个园周长可以用360°机械角度表示，而不论电机极对的多少，一个磁极对应180°电角度，一对磁极对应360°电角度，一个园周长应该对应P X 360°的电角度，可见电角度和机械角度的关系是Θ =PX θ,,,ο如发电机的转子由直流电流励磁，发电机的转子在叶片转轴的驱动下旋转，当极对数为I时(2个磁极)，转子旋转I周，定子上的感生电动势产生I个正弦波周期，同步旋转磁场旋转I周(请参考图4);当极对数为2时(4个磁极)，转子旋转I周，定子上的感生电动势产生2个正弦波周期，同步旋转磁场旋转2周(请参考图5);当极对数为3时(6个磁极)，转子旋转I周，定子上的感生电动势产生3个正弦波周期，同步旋转磁场旋转3周(请参考图6)。由此可见，同步旋转磁场的转速Nf和叶片转轴转速Np相等。如发电机的转子由方波电流励磁，而电机的极对数均为1，发电机的转子在叶片转轴的驱动下旋转。当转子旋转I周、励磁电流的极性改变I次时，定子上的感生电动势产生I个正弦波周期，即同步旋转磁场旋转I周(请参考图7);当转子旋转I周、励磁电流的极性改变2次时，定子上的感生电动势产生2个正弦波周期，即同步旋转磁场旋转2周(请参考图8);当转子旋转I周、励磁电流的极性改变3次时，定子上的感生电动势产生3个正弦波周期，即同步旋转磁场旋转3周(请参考图9)。由此可见，同步旋转磁场的转速Nf和励磁方波电流在I周内极性改变的次数Nt相等。比较图4、5、6和图7、8、9及其说明，可以得出结论同步发电机转子励磁方波电流的极性，在叶片转轴或发电机转子旋转I周内改变的次数，对于旋转磁场所产生的作用和效果，等同于发电机转子上的极对数。换言之，在免除了增速齿轮箱的前提下，为了使输出电压的频率仍然保持50Hz，不必增加发电机转子上的极对数，而只须改变转子励磁方波电流的频率。要使励磁方波的频率达到3000Hz，是非常容易的事情，而要使发电机转子上的极对数增加到3000个，却是完全不可能的。当免除增速齿轮箱，叶片转轴或发电机转子旋转转速为12-22时，而要保持输出频率为50Hz，根据(I)式可求得转子上极对数P为f = nXp/60 = 50 (Hz)则p= 50 X 60/n = 50 X 60/ (12-22) = (250-135. 36 对)(5)当免除增速齿轮箱，叶片转轴或发电机转子旋转转速为I时(微风)，根据(I)式可求得转子极对数P为P = 50X60/1 = 3000 (对)(6)根据以上分析可知，引入方波对同步发电机转子励磁后，发电机旋转磁场的同步 转速不再等于同步发电机转子转速，以极短的时间进行观察，转子仍以直流电流励磁，保持着同步发电机的一切特点。在叶片转轴或发电机转子旋转一周内，只要使转子励磁方波电流极性改变的次数Nt，等于发电机转子应该具备的极对数Np，就可以保持输出电压的频率为50Hz，此乃同步发电机转子采用调频方波励磁，可免除增速齿轮箱的真谪。2、同步电动机的调速电动机和发电机之间存在可逆关系，当采用调频对称方波对同步发电机的转子励磁，可免除发电机的增速齿轮箱，则当采用调频对称方波对同步电动机的转子励磁，同样可以并免除电动机的减速齿轮箱，达到电动机调速的目的。按照上述发电机的理解的逆过程，可以先讨论极对数的情况如果同步电动机的定子接入正弦波电压，在气隙产生旋转磁场，发电机的转子在旋转磁场的驱动下旋转，当极对数为I时(2个磁极),定子上的感生电动势产生旋转I周电角度，转子旋转I周机械角度；当极对数为2时(4个磁极)，定子上的感生电动势产生旋转I周电角度，转子旋转1/2周机械角度；当极对数为3时出个磁极)，定子上的感生电动势产生旋转I周电角度，转子旋转1/3周机械角度。由此可见，同步发电机转子上的极对数可以用来调节其旋转速度，但可惜的是，极对数在电动机生产后就固定而不能改变。如果同步电动机的定子接入正弦波电压，在气隙产生旋转磁场，发电机的转子在旋转磁场的驱动下旋转，电动机的转子由对称调频方波电流励磁，极对数为1(2个磁极)不变。当对称调频方波厉磁电流的极性改变I次时，定子上的感生电动势产生旋转I周电角度，转子旋转I周机械角度；当对称调频方波厉磁电流的极性改变2次时，定子上的感生电动势产生旋转I周电角度，转子旋转1/2周机械角度；当对称调频方波厉磁电流的极性改变3次时，定子上的感生电动势产生旋转I周电角度，转子旋转1/3周机械角度。实际上是对称调频方波厉磁电流极性改变的次数，代替了转子上的极对数，从而达到和极对数完全相同的效果，转子的极对数不能改变，但改变对称调频方波厉磁电流的频率则是轻而容易举的事情，因此同步电动机的调速也可免除减速齿轮箱。3、全风速发电按照蒲福风级表，从最低零级到最高17级，风速从0，2m/s到61. 2m/s，微功耗风力发电机都能发电。由于免除了增速齿轮箱，风叶转轴直接驱动同步发电机的转子，只要风叶在动，发电机的转子就动，发电机转子一动，定子就有电流输出。另外，当叶片转速为12转/s，根据公式(I)可计算出齿轮箱的变比为250，当叶片转速为I转/s，根据公式(I)可计算出齿轮箱的变比为3000，此式说明只要存在增速齿轮箱，就不可能低转速(12转以下)发电。当风力大到足以使叶片转速达到22转/s以上时，增速齿轮箱必须停机保护，风力太大，无法承受如此大的机械应力。当免除了增速齿轮箱后，叶片转轴直接驱动同步发电机，而同步发电机的正常转速为3000转/s，风再大，叶片转轴的转速也不可能达到3000转/s,所以微功耗风力发电机可以从最小风力到最大风力,全风速发电。
4、输出电压与电网同幅图11是极性反转电源，功能是把电压的极性取反，从一个正电压Vi获得一个等幅的负电压Vb。MOS管Q1、Q12的共同源极分别接电阻R2和C1、D4的串联支路，D4的阴极接地，输入电压Vi是正电压，其幅值与与励磁所需要的幅值相等，驱动信号VI、V2的频率，和转子励磁方波所需要的方波频率相等。前IOms期间，Ql导通，Vi在电阻R2上形成IOms正方波电压Va，同时通过D4向电容Cl充电，极性上正下负；第二个IOms到来的时候，Ql截止，Q2导通，把Cl的正电压端接地，二极管D3输出负电压，于是在电阻Rl上得到IOms的负方波电压Vb，图10的仿真波形是正负脉冲电压Va、Vb，正负两电压的中心点接地。采用闭环控制方法，只要使输入电压Vi的幅值等于转子励磁所需要的幅值即可，而驱动信号VI、V2的频率，采用闭环控制方法，使得驱动信号VI、V2的频率与转子励磁方波所需要的频率相等即可，此乃现在技术，此处不再重复。5、微功耗风力发电机组成的实际风电场微功耗风力发电机组成的实际风电场，通过30公里馈线，和120KV电网联结，其间经过两个变压器，从120KV高压到25KV中压，再从25KV中压到575V低压，风电场包括6台机组，每台机组容量I. 5MW,自带负载500KW。双馈感应发电机DFIG以微功耗风力发电机MLSG取代，同步发电机转子的直流厉磁电流以对称方波电流取代。在实际风电场应该增加电网调峰、调谷和强化低电压穿越功能，风力发电白天晚上都一样，但白天是用电高峰，晚上是用电低谷，晚上电网并不要电，电发得越多，浪费越多，得想办法把晚上发的电能存贮起来，等到白天用电高峰时并网，因此须增加电能蓄电池存贮。风电场有电能存贮，机组厉磁用自己的电，与电网无关，可大大改善低电压穿越功能。6、特点传统双馈感应发电机一般采用异步发电机，而异步电机更适合于电动机运行；同步电机作为发电机运行，相对于异步电机具有明显优势，但如果把同步电机用作风力发电，由于所发电能必须通过全功率变换才能并入电网，其优越性大打折扣。微功耗风力发电机MLSG正是采用同步电机作为风力发电机，免除了增速齿轮箱，免除了全功率变换器，使得同步电机作为发电机的优势获得充分发挥，大大降低风力发电机的机械能损耗和电能损耗，具有以下优点I)免除机械传动齿轮箱，减少机械能损耗，同时提高发电系统可靠性；2)免除双馈感应发电机中转子励磁双向逆变器，或全功率变换器，减少功率变换过程中的电能损耗；3)全风速发电，I级软风启动，12级飓风发电，只要叶片动就能发电，只要风机不倒就能发电，极大提高了风能利用率；4)由于微功耗风力发电机整机效率高，对电网索取的功率极少，对电网依赖的程度极小，因而低电压穿越功能极佳 。
权利要求
1.一种微功耗风力发电机，其特征是整机由叶片、叶片转轴、同步电机、励磁方波发生器组成，叶片转轴与同步电机转轴刚性联接，励磁方波发生器产生调频调幅对称方波电流，对同步电机的转子励磁；叶片受风转动，叶片转轴与叶片联动，驱动同步电机发电。
全文摘要
微功耗风力发电机由叶片和同步电机组成，同步电机的定子采用调频调幅方波励磁，输出功率恒频恒压，可直接并入电网。该同步发电机组中的风叶转轴直接驱动同步电机，免除了双馈感应发电机中的增速齿轮箱；采用同步发电机转子励磁，免除了双馈感应发电机中的励磁双向逆变器或全功率变换器；由于免除了增速齿轮箱，微功耗风力发电机组安装好就能发电，颠覆了切入风速和切出风速概念；风再小，只要叶片可以动，就能发电，风再大，只要风机括不倒，就能发电，整机机械能损耗和电能损耗都接近零。
文档编号H02P9/48GK102797637SQ201210322568
公开日2012年11月28日 申请日期2012年9月4日 优先权日2012年9月4日
发明者郁百超 申请人:郁百超