专利名称：基于励磁同步发电机的并网型风力发电实验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于风力发电研究与应用领域，特别涉及基于励磁同步发电机的并网型风力发电实验装置。
背景技术：
风力发电技术在当前能源紧张和低碳要求的背景环境下，得到了极大的重视和越来越普遍的研究、应用。经历数百年的发展，变速恒频风力系统的地位在实践的考验和市场的选择中得到了证明，而异步双馈发电机和永磁直驱发电机则是变速恒频系统的主选机型。 永磁发电机以在转子上安装永久磁铁代替电励磁。当发电机的转子旋转时，其旋转磁场切割定子绕组就会在发电机定子上产生电压。永磁发电机固然有着中低速发电性能好、效率高等优点，但它也有着以下缺陷1)其铁磁材料部分容易饱和，磁导又是非线性的，大幅增加了永磁发电机电磁计算的复杂性；2)永磁发电机制成后不需外界能量即可维持其磁场，但也使得无法从外部调节、控制其磁场；3)不可逆的退磁问题；4)作为永磁材料的稀土具有深远的战略意义，其高昂的价格亦使得永磁电机的生产成本不为市场接受。这些都限制了永磁发电机的应用异步双馈发电机则是现有风电场中的主力军，但由于近年来一再发生的大面积机组脱网事故，使得双馈机组的低电压穿越能力受到了强烈质疑。在这种情况下，励磁同步发电机及其相关技术稳定、高效的优势就不容忽视，使其成为当前风力发电研究与应用中为人瞩目的新方向。但由于风的随机性，风力机转速会在大范围内变化运行，最高转速可达最低转速的三倍，这是在传统发电领域中绝不会出现的。而通过实验手段进一步地深入分析和模拟励磁同步发电机在风力系统中的特性，对于众多风电企业和开设风电相关专业的高校来说十分重要。
发明内容为了克服上述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供基于励磁同步发电机的并网型风力发电实验装置，灵活配置仪表、发电机和变频器，模拟各种并网风力机的实际工况，分析计算运行特性，结构明确，操作简单，数据准确且成本可控。为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是基于励磁同步发电机的并网型风力发电实验装置，包括异步电动机1，所述异步电动机I分别连接有刷励磁同步发电机6和无刷励磁同步发电机24，异步电动机I经由调速变频器2、第一熔断器3和第二空气开关4接入电网，所述第一多功能仪表5接入调速变频器2的输出端，所述刷励磁同步发电机6和无刷励磁同步发电机24均连接有监测装置和励磁装置；所述监测装置包括依次设置的整流装置(8，26)、逆变装置(9，27)、T型滤波网络(10，28)、第二空气开关(11，29)与自偶调压器(12，30)相连接，再通过第二熔断器(13，31)和第三空气开关(14，32)接入电网；所述励磁装置包括励磁机(7，25)，励磁机(7，25)的输入端设置有第二分流器(17，35)、第二电流表(18，36)和第二电压表(19，37)。所述整流装置(8，26)的输入端还连接有频率计(15，33)和第三多功能仪表(16，34)；所述整流装置(8，26)和逆变装置(9，27)之间设置可选第一分流器(20，40)、第一电流表(21，41)、第一电压表(22，39)，自偶调压器(12，30)后接有第二多功能仪表(23，42)；所述的异步电动机I与有刷励磁同步发电机6、无刷励磁同步发电机24分别通过齿盘(43、44)双端同轴传动。所述的励磁机(7，25)手动输入控制或者自动控制。所述的整流装置(8，26 )、逆变装置(9，27 )选用通用型变频器。依据励磁方式的不同，同步发电机有有电刷和无电刷之分，本实验装置为了全面对比分析同步风力发电机的性能，故可同时选择了两种不同励磁方式的同步发电机同轴连接，或者选择不同参数、相同励磁方式的同步发电机进行对比实验。由于本实验装置的电动机-发电机系统采用齿盘(43、44)同轴传动，故异步电动机I既能拖动有刷励磁同步发电机6和无刷励磁同步发电机24进同时行实验、同时记录数据，也可单独一端进行，十分便捷。由于本实验装置设计了完整的信号采集点，所以能够实现对整个装置输入输出电压、电流、频率、总功率以及功率因数、谐波的检测和记录，以及对装置内各组件间的信号比较和分析，数据丰富。由于本实验装置采用组件结构，即在变速恒频风力系统框架下可任意组合不同类型、不同参数、不同容量的发电机组及各部件，就使得本实验装置结构更加灵活，成本可控，应用更加广泛。
附图是本实验装置的结构设计图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的结构原理和工作原理作进一步详细说明。参照附图，并网型励磁同步风力发电机实验装置可以从结构上分为三个部分。其一为模拟风力机和变速箱的交流异步电动机恒压频比调速系统，由异步电动机I和调速变频器2组成。调速系统的输出为交流异步电动机I的转速和转矩，相当于风电机组的齿轮箱高速轴的输出转速和转矩，两者应当保持一致。其二为有刷励磁同步发电机变流并网系统。其三即为有无刷励磁同步发电机变流并网系统。模拟风力机叶轮捕获风能并将其转化为机械能的过程，调速变频器2驱动异步电动机I工作。而机械能转化为电能的过程是由刷励磁同步发电机6或无刷励磁同步发电机24在转速模拟风速变化的异步电动机I的同轴传动下开始运行，通过调节同步发电机的励磁机(7，25)，有刷励磁同步发电机6或无刷励磁同步发电机24输出三相交流电。励磁同步发电机的输出电压频率只取决于同步发电机(6，24)的转速，而电压幅值则是励磁电流和转速共同作用的结果，并不能直接并网，所以要通过变换过程。经过整流装置(8，26)的AC/DC变换，刷励磁同步发电机6或无刷励磁同步发电机24输出的三相“杂乱”交流电先被变换为直流，再通过逆变装置(9，27)的DC/AC输出为符合电网要求的三相交流电接入电网。 本实验装置不仅可以模拟随机风速下的同步发电机性能，还可以实现追踪风力系统的最大功率曲线运行。
权利要求1.基于励磁同步发电机的并网型风力发电实验装置，其特征在于，包括异步电动机(1)，所述异步电动机(I)分别连接有刷励磁同步发电机(6)和无刷励磁同步发电机(24)，异步电动机(I)经由调速变频器(2)、第一熔断器(3)和第二空气开关(4)接入电网，所述第一多功能仪表(5)接入调速变频器(2)的输出端，所述刷励磁同步发电机(6)和无刷励磁同步发电机(24)均连接有监测装置和励磁装置； 所述监测装置包括依次设置的整流装置(8，26)、逆变装置(9，27)、T型滤波网络(10，28)、第二空气开关(11，29)与自偶调压器(12，30)相连接，再通过第二熔断器(13，31)和第三空气开关(14，32)接入电网； 所述励磁装置包括励磁机(7，25)，励磁机(7，25)的输入端设置有第二分流器(17，35)、第二电流表(18, 36)和第二电压表(19, 37)。
2.根据权利要求I所述的基于励磁同步发电机的并网型风力发电实验装置，其特征在于，所述整流装置(8，26)的输入端还连接有频率计(15，33)和第三多功能仪表(16，34)。
3.根据权利要求I所述的基于励磁同步发电机的并网型风力发电实验装置，其特征在于，所述整流装置(8，26)和逆变装置(9，27)之间设置可选第一分流器(20，40)、第一电流表(21，41)、第一电压表(22，39)，自偶调压器(12，30)后接有第二多功能仪表(23，42)。
4.根据权利要求I所述的基于励磁同步发电机的并网型风力发电实验装置，其特征在于，所述的异步电动机(I)与有刷励磁同步发电机(6)、无刷励磁同步发电机(24)分别通过齿盘(43、44)双端同轴传动。
5.根据权利要求I所述的基于励磁同步发电机的并网型风力发电实验装置，其特征在于，所述的励磁机(7，25)手动输入控制或者自动控制。
6.根据权利要求I所述的基于励磁同步发电机的并网型风力发电实验装置，其特征在于，所述的整流装置(8，26 )、逆变装置(9，27 )选用通用型变频器。
专利摘要本实用新型公开了基于励磁同步发电机的并网型风力发电实验装置，包括异步电动机，所述异步电动机分别连接有刷励磁同步发电机和无刷励磁同步发电机，异步电动机经由调速变频器、第一熔断器和第二空气开关接入电网，所述第一多功能仪表接入调速变频器的输出端，所述刷励磁同步发电机和无刷励磁同步发电机均连接有监测装置和励磁装置；所述监测装置包括依次设置的整流装置、逆变装置、T型滤波网络、第二空气开关与自偶调压器相连接，再通过第二熔断器和第三空气开关接入电网；所述励磁装置包括励磁机，励磁机的输入端设置有第二分流器、第二电流表和第二电压表，结构明确，操作简单，数据准确，成本可控。
文档编号H02J3/38GK202444280SQ20122006146
公开日2012年9月19日 申请日期2012年2月24日 优先权日2012年2月24日
发明者周斌, 孟彦京, 宫文展, 尹海, 李凤婷, 路昀菲, 郭建强, 陈景文 申请人:陕西科技大学