專利名稱：一種風(fēng)力發(fā)電的變速恒頻方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)電系統(tǒng)的變速恒頻方法，特別涉及一種風(fēng)力發(fā)電的變速恒頻方法，背景技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電過程中，為了要最大限度地捕獲風(fēng)能，要求輸入發(fā)電機轉(zhuǎn)軸的速度隨風(fēng)速進行變化，即變速；當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機與電網(wǎng)并聯(lián)運行時，又要求發(fā)電機發(fā)出的電能頻率與電網(wǎng)的頻率一致，即恒頻。但是，目前在風(fēng)力發(fā)電等大型分布式發(fā)電系統(tǒng)中，廣泛采用的變速恒頻方法主要有籠型異步發(fā)電機變速恒頻系統(tǒng)、交流勵磁雙饋發(fā)電機變速恒頻系統(tǒng)、無刷雙饋發(fā)電機變速恒頻系統(tǒng)和永磁發(fā)電機變速恒頻系統(tǒng)等。對于大型風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)而言，這些變速恒頻方案中的流變機構(gòu)由于采用傳統(tǒng)的整流和逆變方法所造成的功率損耗大多在15％-20％，并且需要造價昂貴的變流設(shè)備，特別是兆瓦級永磁發(fā)電機組及其變流設(shè)備，所以整個發(fā)電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大且復(fù)雜，如采用降低功率損耗變流方法，目前國內(nèi)的技術(shù)也不是很成熟。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于差速傳動機構(gòu)的風(fēng)力發(fā)電的變速恒頻方法，特別是一種帶有兩自由度混合驅(qū)動差速機構(gòu)的差動永磁電機及其對應(yīng)的分布式風(fēng)力發(fā)電的變速恒頻方法，其特點是，通過變速恒頻與混合驅(qū)動，可以顯著提高風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)電效率，降低系統(tǒng)造價，且所需變速恒頻系統(tǒng)裝置成本低、結(jié)構(gòu)簡單。
為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的一種風(fēng)力發(fā)電的變速恒頻方法，首先將風(fēng)力機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速通過增速齒輪箱增速，然后將變速產(chǎn)生的輸入功率輸入差動永磁電機的輸入軸，由差動永磁電機的差速機構(gòu)進行功率分流或合流產(chǎn)生功率流進入差動永磁電機的定子繞組經(jīng)饋線對電網(wǎng)發(fā)電。
在上述技術(shù)方案中，當(dāng)風(fēng)力機轉(zhuǎn)子的輸入功率大于差動永磁電機的額定功率時，輸入功率沿差動永磁電機的輸入軸進入差速機構(gòu)進行功率分流，一路功率流通過行星齒輪對內(nèi)齒圈的嚙合，進入差動永磁電機的定子繞組經(jīng)饋線對電網(wǎng)直接發(fā)電，另一路功率流通過與差速機構(gòu)行星齒輪與中心齒輪的嚙合，流出差動永磁電機進入控制電機，并使控制電機發(fā)電，然后通過逆變器的輸入端進行電流變換，將電能轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)同頻率的交流電。
當(dāng)風(fēng)力機轉(zhuǎn)子的輸入功率小于差動永磁電機的額定功率時，控制器控制逆變器使控制電機電動，讓控制電機的功率流流入差動永磁電機，通過差速機構(gòu)的中心齒輪嚙合行星齒輪，并與進入差動永磁電機輸入軸上的輸入功率合流，由內(nèi)齒圈帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)使差動永磁電機恒速恒頻發(fā)電，經(jīng)由饋線到電網(wǎng)。
將差動永磁電機中輸入軸到差速機構(gòu)內(nèi)齒圈的傳動比設(shè)計為20∶1～50∶1，可使與差動永磁電機的輸出軸固聯(lián)的控制電機的輸出與輸入功率流占差動永磁電機發(fā)電總功率的10％至20％，并使差動永磁電機上的定子線圈直接輸出到電網(wǎng)的輸出功率流占差動永磁電機3發(fā)電總功率的90％到80％。
本發(fā)明的優(yōu)點在于通過兩自由度的混合驅(qū)動實現(xiàn)風(fēng)電系統(tǒng)的變速恒頻，該方法采用差動永磁電機的一個輸入軸和一個輸出軸分別連接行星增速齒輪箱的輸出轉(zhuǎn)軸和控制電機的轉(zhuǎn)軸，通過差動永磁電機的差速機構(gòu)，實現(xiàn)絕大多份額的電能的直接恒頻輸出；與此同時，通過控制器與逆變器對控制電機轉(zhuǎn)速的補償調(diào)整，實現(xiàn)風(fēng)力機的變速輸入和發(fā)電機的恒速恒頻(50HZ)輸出。由此可將80％至90％的電能通過發(fā)電機直接并入電網(wǎng)，而只有10％至20％的電能通過制控電機發(fā)出交流電后經(jīng)過AC-DC-AC變流后(50Hz)并入電網(wǎng)。
本發(fā)明與傳統(tǒng)的兆瓦級風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變速恒頻方法相比，由于只有10％至20％的電能通過流變系統(tǒng)，因此在很大程度上降低了流變系統(tǒng)昂貴的造價，從而降低了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的整體造價。顯然，該方法相對傳統(tǒng)的變速恒頻控制方法，在降低發(fā)電設(shè)備成本的同時，還可顯著提高發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率。


圖1為本發(fā)明的變速恒頻方法原理圖。
圖2為圖1中的差動永磁電機結(jié)構(gòu)圖。
圖3為圖2中A-A向的剖視圖。
圖4為是本發(fā)明的控制器部分的連接框圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述如圖1所示，一種風(fēng)力發(fā)電的變速恒頻方法，1)采用一臺差動永磁電機3，將其輸入軸10和輸出軸23分別用聯(lián)軸器與增速齒輪箱2的輸出轉(zhuǎn)軸和控制電機4的轉(zhuǎn)軸連接，同時將風(fēng)力機轉(zhuǎn)子1與增速齒輪箱2的輸入轉(zhuǎn)軸連接。
2)將差動永磁電機3的定子線圈11經(jīng)由電力饋線7與電網(wǎng)9電連接將控制電機4用電力線與逆變器5的輸入端33電連接逆變器5的輸出端8與電力饋線7并聯(lián)電連接，控制器6與逆變器5信號連接。
3)將風(fēng)力機轉(zhuǎn)子1的轉(zhuǎn)速通過增速齒輪箱2增速，然后將變速產(chǎn)生的輸入功率Pw輸入差動永磁電機3的輸入軸10。當(dāng)風(fēng)力機轉(zhuǎn)子1的輸入功率Pw大于差動永磁電機3的額定功率時，輸入功率Pw進入差動永磁電機3的輸入軸10，并通過的差速機構(gòu)30進行功率分流，一路功率流Pg通過行星齒輪17對內(nèi)齒圈16的嚙合，進入差動永磁電機3的定子繞組11直接發(fā)電，并經(jīng)過饋線7到電網(wǎng)9；另一路功率流Ps(圖1中的①)通過差速機構(gòu)30行星齒輪17與中心齒輪25嚙合，流出差動永磁電機輸出軸23進入控制電機4，并使控制電機4發(fā)電，然后通過逆變器5的輸入端33進行電流變換，將電能轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)同頻率的交流電。
4)將風(fēng)力機轉(zhuǎn)子1的轉(zhuǎn)速通過增速齒輪箱2增速，然后將變速產(chǎn)生的輸入功率Pw輸入差動永磁電機3的輸入軸10。當(dāng)風(fēng)力機轉(zhuǎn)子1的輸入功率Pw小于差動永磁電機3的額定功率時，用控制器6控制逆變器5使控制電機4電動，讓控制電機4的功率流Ps(圖1中的②)流入差動永磁電機3，通過差速機構(gòu)30的中心齒輪25嚙合行星齒輪17，并與差動永磁電機3輸入軸10上的功率Pw合流形成功率流Pg，由內(nèi)齒圈16帶動轉(zhuǎn)子15旋轉(zhuǎn)使差動永磁電機3恒速恒頻發(fā)電，經(jīng)由饋線7到電網(wǎng)9。
如圖2、圖3所示，本發(fā)明所采用的差動永磁電機3包括機箱29、設(shè)置在機箱29內(nèi)軸向兩側(cè)且分別與輸入軸10、輸出軸23相連的滾動軸承24、設(shè)置在機箱29內(nèi)環(huán)壁27上的定子鐵芯12及其定子線圈11、相對于定子鐵芯12位置設(shè)有轉(zhuǎn)子鐵芯環(huán)13并鑲嵌有永磁體14的轉(zhuǎn)子15，轉(zhuǎn)子15沿徑向設(shè)置有差速機構(gòu)30。
差速機構(gòu)30包括側(cè)板21、與轉(zhuǎn)子的永磁體14固定在一起的內(nèi)齒圈16、帶有軸承18并與內(nèi)齒圈16、設(shè)置在輸出軸23上的中心齒輪25齒合的行星齒輪17，內(nèi)齒圈16由螺釘26與側(cè)板21固聯(lián)；行星齒輪17由齒輪軸20設(shè)置在行星架19上；行星架19與輸入軸10固聯(lián)；側(cè)板21與行星架19由軸承22滾動連接。從圖2的結(jié)構(gòu)可知，差動永磁電機3的輸入軸10的功率輸入是恒定的，由內(nèi)齒圈16及永磁體14、定子繞組11等組成的差動永磁電機3的功率輸出也是恒定的?？刂齐姍C4上的功率流Ps可以是流入或流出的，其雙向變化是依據(jù)風(fēng)力機轉(zhuǎn)子1轉(zhuǎn)速的大小由控制器6和逆變器5進行調(diào)整。將差動永磁電機3中輸入軸(10)到差速機構(gòu)(30)內(nèi)齒圈(16)的傳動比設(shè)計為30∶1，可使與差動永磁電機3的輸出軸23固聯(lián)的控制電機4的輸出與輸入功率流Ps占差動永磁電機3發(fā)電總功率的12％左右，并使差動永磁電機3上的定子線圈11直接輸出到電網(wǎng)9的輸出功率流Pg占差動永磁電機3發(fā)電總功率的88％左右。
如圖4所示，控制電機4的電力饋線與電機側(cè)逆變器34直接相聯(lián)，電網(wǎng)側(cè)逆變器35與電機側(cè)逆變器34背靠背安裝，逆變器5可以四象限運行。
控制器6包括對稱設(shè)置的信號采集電路44和41、分別與信號采集電路44、41采集輸出信號連接的前級處理電路48和45、由信號線53、51分別與前級處理電路48和45輸出連接的DSP數(shù)字處理芯片47和46、分別與DSP數(shù)字處理芯片47和46輸出信號連接的外圍擴展控制電路43和42、為各電路模塊供電的電源模塊49，DSP數(shù)字處理芯片47和46之間由串行信號線51和并網(wǎng)通訊接口電路50信號連接；信號采集電路44、41的分別與電機側(cè)采樣傳感器組32、電網(wǎng)側(cè)采樣傳感器組40信號連接；外圍擴展控制電路43和42的控制輸出信號分別連接至電機側(cè)逆變器34和電網(wǎng)側(cè)逆變器35。電機側(cè)采樣傳感器32可以采集控制電機4的轉(zhuǎn)速、電流及電壓等；電網(wǎng)側(cè)采樣傳感器40可以采集電網(wǎng)側(cè)逆變器35交流側(cè)電網(wǎng)電壓與電流、直流側(cè)電壓與電流等。
通過控制器6對逆變器5的控制實現(xiàn)對與差動永磁電機3的輸出軸23固聯(lián)的控制電機4的功率流向(發(fā)電和電動雙向流動)與轉(zhuǎn)速大小的控制，而實現(xiàn)對差動永磁電機的恒速控制，進而實現(xiàn)大功率的永磁同步發(fā)電機的恒頻率輸出。
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)力發(fā)電的變速恒頻方法，其特征是，首先將風(fēng)力機轉(zhuǎn)子(1)的轉(zhuǎn)速通過增速齒輪箱(2)增速，然后將變速產(chǎn)生的輸入功率(Pw)輸入差動永磁電機(3)的輸入軸(10)，由差動永磁電機(3)的差速機構(gòu)(30)進行功率分流或合流產(chǎn)生功率流(Pg)進入差動永磁電機(3)的定子繞組(11)經(jīng)饋線(7)對電網(wǎng)(9)發(fā)電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電的變速恒頻方法，其特征是，當(dāng)風(fēng)力機轉(zhuǎn)子(1)的輸入功率(Pw)大于差動永磁電機(3)的額定功率時，輸入功率(Pw)沿差動永磁電機(3)的輸入軸(10)進入差速機構(gòu)(30)進行功率分流，一路功率流(Pg)通過行星齒輪(17)對內(nèi)齒圈(16)的齒合，進入差動永磁電機(3)的定子繞組(11)經(jīng)饋線(7)對電網(wǎng)(9)直接發(fā)電，另一路功率流(Ps)通過與差速機構(gòu)(30)行星齒輪(17)與中心齒輪(25)的嚙合，流出差動永磁電機(3)進入控制電機(4)，并使控制電機(4)發(fā)電，然后通過逆變器(5)的輸入端(33)進行電流變換，將電能轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)同頻率的交流電；
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電的變速恒頻方法，其特征是，當(dāng)風(fēng)力機轉(zhuǎn)子(1)的輸入功率(Pw)小于差動永磁電機(3)的額定功率時，用控制器(6)控制逆變器(5)使控制電機(4)電動，讓控制電機(4)的功率流(Ps)流入差動永磁電機(3)，通過差速機構(gòu)(30)的中心齒輪(25)齒合行星齒輪(17)，并與進入差動永磁電機(3)輸入軸(10)上的輸入功率(Pw)合流為功率流(pg)，由內(nèi)齒圈(16)帶動轉(zhuǎn)子(15)旋轉(zhuǎn)使差動永磁電機(3)恒速恒頻發(fā)電，經(jīng)由饋線(7)到電網(wǎng)(9)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的風(fēng)力發(fā)電的變速恒頻方法，其特征是，差動永磁電機(3)中的輸入軸(10)到差速機構(gòu)(30)內(nèi)齒圈(16)的傳動比為20∶1～50∶1。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種風(fēng)力發(fā)電的變速恒頻方法，其特點是，首先將風(fēng)力機轉(zhuǎn)子(1)的轉(zhuǎn)速通過增速齒輪箱(2)增速，然后將變速產(chǎn)生的輸入功率(Pw)輸入差動永磁電機(3)的輸入軸(10)，由差動永磁電機(3)的差速機構(gòu)(30)進行功率分流或合流產(chǎn)生功率流(Pg)進入差動永磁電機(3)的定子繞組(11)經(jīng)饋線(7)對電網(wǎng)(9)實現(xiàn)恒速恒頻發(fā)電。與傳統(tǒng)的變速恒頻方法相比，本發(fā)明在降低發(fā)電設(shè)備成本的同時，還可顯著提高發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率。
文檔編號H02P9/00GK1794562SQ20051002277
公開日2006年6月28日 申請日期2005年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月30日
發(fā)明者穆安樂, 劉宏昭 申請人:西安理工大學(xué)