專利名稱：基于多相發(fā)電機(jī)和級(jí)聯(lián)式變流器的風(fēng)力發(fā)電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，特別涉及多相發(fā)電機(jī)與變流器級(jí)聯(lián)輸出技術(shù)。
背景技術(shù)：
目前基于風(fēng)力發(fā)電的發(fā)電機(jī)多數(shù)采用了變速恒頻技術(shù)和變漿矩技術(shù)。發(fā)電機(jī)與變 流器的匹配主要有以下三種 1、三相異步雙饋發(fā)電機(jī)與一臺(tái)背靠背整流/逆變器(即變流器)進(jìn)行組合，直接 輸出690V三相交流電，三相異步雙饋發(fā)電機(jī)需要IOO倍左右的三級(jí)升速齒輪箱與風(fēng)力機(jī)的 轉(zhuǎn)速匹配。 2、多相同步永磁發(fā)電機(jī)與一臺(tái)變流器進(jìn)行組合，直接輸出690V或者1400V交流
電，由于使用了多個(gè)繞組結(jié)構(gòu)，不需要使用齒輪箱就可以與風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速匹配。該技術(shù)可以
參見2007年2月28日公開的，公開號(hào)為CN2874907Y的中國(guó)專利。 3、介于1、2之間的方案，一級(jí)齒輪箱升速，直接輸出690V交流電。 上述三種主流技術(shù)都需要一臺(tái)三相發(fā)電機(jī)，輸出電壓在690 1400V，然后通過(guò)本
地變壓器進(jìn)行升壓至10 22kV后并網(wǎng)?，F(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的缺點(diǎn)是 —般需要齒輪箱如1、3方案，使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的可靠性和維護(hù)性均較差；輸出電
壓較低，每一套風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)都需要一臺(tái)本地升壓變壓器；低壓側(cè)電流大，發(fā)熱大，線損高，
造成能量損耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題，就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)風(fēng)力發(fā)電裝置傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù) 雜，需要安裝升壓變壓器的缺點(diǎn)，提供一種利用多相發(fā)電機(jī)與級(jí)聯(lián)式變流器組合構(gòu)成的風(fēng) 力發(fā)電裝置。 本發(fā)明解決所述技術(shù)問(wèn)題，采用的技術(shù)方案是，基于多相發(fā)電機(jī)和級(jí)聯(lián)式變流器 的風(fēng)力發(fā)電裝置，包括風(fēng)力機(jī)、發(fā)電機(jī)、控制系統(tǒng)和變流器，所述風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)連接，驅(qū)動(dòng) 發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能；所述變流器與發(fā)電機(jī)連接，在所述控制系統(tǒng)控制下對(duì)發(fā)電 機(jī)輸出的電流進(jìn)行變換； 所述發(fā)電機(jī)具有N個(gè)定子繞組，能夠輸出N路交流電；N = 3k，k為> 2的自然數(shù)；
所述變流器共有N個(gè)，每個(gè)變流器輸出電壓為單向交流電；N個(gè)變流器分為3組， 構(gòu)成3條支路；每個(gè)變流器輸入端分別與發(fā)電機(jī)的l個(gè)繞組連接，每條支路中k個(gè)變流器輸 出端串聯(lián)，3條支路輸出三相正弦波交流電。
具體的，所述發(fā)電機(jī)為永磁同步發(fā)電機(jī)。
具體的，所述發(fā)電機(jī)為異步感應(yīng)發(fā)電機(jī)。
進(jìn)一步的，所述N個(gè)定子繞組均為三相繞組，輸出交流電為三相交流電；所述N個(gè) 定子繞組在空間均勻分布，其同相繞組之間的相位差為2 Ji /N。
具體的，所述三相繞組采用Y型連接輸出。
具體的，所述三相繞組采用A型連接輸出。
進(jìn)一步的，所述N個(gè)變流器具有相同結(jié)構(gòu)。
進(jìn)一步的，3條支路采用A型連接輸出。
進(jìn)一步的，3條支路采用Y型連接輸出。 本發(fā)明的有益效果是，采用多相發(fā)電機(jī)與變流器級(jí)聯(lián)技術(shù)，不需要升壓變壓器就 可以直接輸出10kV 22kV的正弦波交流電，節(jié)約了制作升壓變壓器的鋼材、銅材，簡(jiǎn)化了 風(fēng)力發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)，降低了成本，提高了可靠性，可以進(jìn)一步提高輸出交流電的質(zhì)量。


圖1本發(fā)明風(fēng)力發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2實(shí)施例的發(fā)電機(jī)定子繞組Y型連接示意圖； 圖3實(shí)施例的發(fā)電機(jī)定子繞組A型連接示意圖； 圖4實(shí)施例的發(fā)電機(jī)A相繞組的輸出電壓波形； 圖5實(shí)施例的級(jí)聯(lián)式中壓變流器連接關(guān)系示意圖； 圖6變流器結(jié)構(gòu)示意圖； 圖7整流器電路結(jié)構(gòu)示意圖； 圖8單相全橋逆變器電路結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
多相發(fā)電機(jī)是一種具有多個(gè)輸出繞組的發(fā)電機(jī)。相對(duì)于傳統(tǒng)的單相、三相發(fā)電機(jī)，
具有更高的能量轉(zhuǎn)換效率，并有利于抑制輸出電壓的諧波失真，提高電磁兼容性能。特別是
對(duì)于需要進(jìn)行逆變處理的系統(tǒng)，多相發(fā)電機(jī)輸出電流經(jīng)過(guò)整流電路后，其輸出直流電壓的
脈動(dòng)系數(shù)可以更低。有關(guān)多相發(fā)電機(jī)的技術(shù)，請(qǐng)參閱有關(guān)資料這里不作詳細(xì)描述。 變流器， 一般包括整流電路和逆變電路，是一種對(duì)交流電進(jìn)行處理和控制的裝置，
可以對(duì)輸入交流電進(jìn)行電壓、頻率調(diào)整。變流器的多級(jí)串聯(lián)組合，可以輸出更高的交流電
壓。關(guān)于變流器的級(jí)聯(lián)技術(shù)請(qǐng)參閱公開號(hào)為CN101291129的中國(guó)專利。 本發(fā)明利用多相發(fā)電機(jī)輸出的多路交流電(可以是單相或三相交流電)，作為變
流器的輸入電壓，采用多級(jí)變流器進(jìn)行串聯(lián)組合，通過(guò)控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，直接輸出標(biāo)準(zhǔn)
的三相正弦波電壓，輸出電壓可以達(dá)到22kV以上，能夠直接并入電網(wǎng)。 實(shí)施例 本例風(fēng)力發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)見圖1。它由風(fēng)力機(jī)1，將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，通過(guò)軸2帶動(dòng) 發(fā)電機(jī)3的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)3將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能由定子連接電纜4傳送給級(jí)聯(lián)式變流 器5，級(jí)聯(lián)式變流器5的輸出端6，輸出U、V、W三相50Hz正弦波中壓，該電壓可以達(dá)到10 22kV。 U、 V、 W三相交流電通過(guò)電網(wǎng)連接系統(tǒng)與電網(wǎng)并網(wǎng)，向電網(wǎng)輸送能量?？刂葡到y(tǒng)7控 制發(fā)電機(jī)3和級(jí)聯(lián)式變流器5，協(xié)調(diào)風(fēng)力發(fā)電裝置工作。 圖1中，發(fā)電機(jī)3既可以設(shè)計(jì)成永磁同步方式，也可以設(shè)計(jì)成異步感應(yīng)方式，其定 子繞組具有3k個(gè)三相繞組，這里k是大于2的自然數(shù)。圖2是k = 3共9個(gè)三相繞組的連 接示意圖9個(gè)三相繞組(Al A9 ;B1 B9 ;C1 C9)采用Y型連接輸出三相交流電，這些 繞組中同相繞組在空間互相差360。
/9 = 40° ，均勻分布在360。內(nèi)。圖3是采用A型連接的示意圖。 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，上述9個(gè)三相繞組各發(fā)電一個(gè)周期。圖4是圖2中9個(gè)A 相繞組(Al A9)輸出的A相電壓波形。B相繞組和C相繞組輸出的B相電壓、C相電壓與 A相電壓分別相差120。和240° 。 圖5是圖1中級(jí)聯(lián)式變流器5的結(jié)構(gòu)示意圖，由3k個(gè)變流器501組成。3k個(gè)變流 器分成3組，構(gòu)成3條支路，每條支路由k個(gè)變流器串聯(lián)構(gòu)成，這里也表示了一個(gè)k = 3的 例子。每一個(gè)變流器501都有一組交流輸入端子502，通過(guò)連接電纜4與9個(gè)三相繞組連 接，兩個(gè)交流輸出端子503，其輸出為單向交流電，可以實(shí)現(xiàn)串聯(lián)輸出。本例中所有的變流 器501都是結(jié)構(gòu)完全相同的變流器，可以互換使用。交流輸入端子502連接的是三相交流 電(當(dāng)然也可以是單相交流電)，這完全取決于發(fā)電機(jī)3定子繞組的結(jié)構(gòu)，本例發(fā)電機(jī)3的 9個(gè)定子繞組均為三相繞組。 在圖5中每一個(gè)變流器501的一個(gè)輸出端子503與另一個(gè)變流器501的一個(gè)輸出 端子503串聯(lián)，三個(gè)變流器501組成一條支路；三條支路組成三相結(jié)構(gòu)。三條支路的一端連 接成中性點(diǎn)504，外三個(gè)端子就是整個(gè)發(fā)電裝置的輸出端6，輸出U、V、W三相50Hz正弦波交 流電。這就是三條支路采用Y型連接的例子，根據(jù)需要也可以連接成A型。
圖6是變流器501的結(jié)構(gòu)示意圖。它包括整流器50101，逆變器50102，濾波電容 器50103和控制接口 50104。 圖6中的整流器50101可以是三相整流器，也可以是單相整流器，取決于多相發(fā) 電機(jī)定子繞組的結(jié)構(gòu)。整流器50101可以是由二極管、可控硅、IGBT或者IGCT組成的不控 整流電路、半控整流電路或者全控整流電路，具體的電路拓?fù)淅右妶D7之中的(a)、 (b)、 (c) 、 (d)和(e)，可以選用其中的任何一種。整流器50101通過(guò)交流輸入端子502與發(fā)電機(jī) 3的一個(gè)定子繞組連接。 圖6中的逆變器50102可以是由IGBT或者IGCT組成的簡(jiǎn)單單相全橋，多電平單 相全橋，電路拓?fù)淅右妶D8之中的(f)、 (g)和(h)，可以選用其中的任何一種。逆變器 50102的輸出端子就是變流器501的兩個(gè)交流輸出端子503。 圖6中的濾波電容器50103可以使用電解電容器，也可以使用無(wú)極性薄膜電容器。
圖6中的控制接口 50104是由嵌入式系統(tǒng)組成，并且設(shè)有光纖通信功能，用于與控 制系統(tǒng)7的通訊?？刂平涌?50104在控制系統(tǒng)7的指揮之下控制變流器501的各項(xiàng)工作， 同時(shí)將變流器501的狀態(tài)返回控制系統(tǒng)7。 控制系統(tǒng)7由高級(jí)嵌入式系統(tǒng)組成，通過(guò)來(lái)自風(fēng)力機(jī)1、發(fā)電機(jī)3以及變流器等部 位上傳感器的信息以及內(nèi)部光纖通信，來(lái)控制發(fā)電機(jī)3和級(jí)聯(lián)式變流器5?？刂葡到y(tǒng)7進(jìn)行 變流器輸出波形計(jì)算、并網(wǎng)、監(jiān)測(cè)、功率因數(shù)調(diào)整以及保護(hù)策略實(shí)施等工作，完成風(fēng)力發(fā)電 裝置的變速恒頻運(yùn)行。 上述實(shí)施例以變流器級(jí)聯(lián)級(jí)數(shù)為3(即k = 3)進(jìn)行了描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員完全 能夠根據(jù)上述描述，采用2級(jí)級(jí)聯(lián)或多級(jí)級(jí)聯(lián)組成級(jí)聯(lián)式變流器。級(jí)數(shù)的增加可以在器件 相同耐壓等級(jí)的條件下，輸出更高的交流電壓，但多相發(fā)電機(jī)、控制系統(tǒng)等將會(huì)變得更復(fù) 雜。
權(quán)利要求
基于多相發(fā)電機(jī)和級(jí)聯(lián)式變流器的風(fēng)力發(fā)電裝置，包括風(fēng)力機(jī)、發(fā)電機(jī)、控制系統(tǒng)和變流器，所述風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)連接，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能；所述變流器與發(fā)電機(jī)連接，在所述控制系統(tǒng)控制下對(duì)發(fā)電機(jī)輸出的電流進(jìn)行變換；其特征在于所述發(fā)電機(jī)具有N個(gè)定子繞組，能夠輸出N路交流電；N＝3k，k為≥2的自然數(shù)；所述變流器共有N個(gè)，每個(gè)變流器輸出電壓為單向交流電；N個(gè)變流器分為3組，構(gòu)成3條支路；每個(gè)變流器輸入端分別與發(fā)電機(jī)的1個(gè)繞組連接，每條支路中k個(gè)變流器輸出端串聯(lián)，3條支路輸出三相正弦波交流電。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多相發(fā)電機(jī)和級(jí)聯(lián)式變流器的風(fēng)力發(fā)電裝置，其特征在 于，所述發(fā)電機(jī)為永磁同步發(fā)電機(jī)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多相發(fā)電機(jī)和級(jí)聯(lián)式變流器的風(fēng)力發(fā)電裝置，其特征在 于，所述發(fā)電機(jī)為異步感應(yīng)發(fā)電機(jī)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的基于多相發(fā)電機(jī)和級(jí)聯(lián)式變流器的風(fēng)力發(fā)電裝置，其 特征在于，所述N個(gè)定子繞組均為三相繞組，輸出交流電為三相交流電；所述N個(gè)定子繞組 在空間均勻分布，其同相繞組之間的相位差為2 Ji /N。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于多相發(fā)電機(jī)和級(jí)聯(lián)式變流器的風(fēng)力發(fā)電裝置，其特征在 于，所述三相繞組采用Y型連接輸出。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于多相發(fā)電機(jī)和級(jí)聯(lián)式變流器的風(fēng)力發(fā)電裝置，其特征在 于，所述三相繞組采用A型連接輸出。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于多相發(fā)電機(jī)和級(jí)聯(lián)式變流器的風(fēng)力發(fā)電裝置，其特征在 于，所述N個(gè)變流器具有相同結(jié)構(gòu)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于多相發(fā)電機(jī)和級(jí)聯(lián)式變流器的風(fēng)力發(fā)電裝置，其特征在 于，3條支路采用A型連接輸出。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于多相發(fā)電機(jī)和級(jí)聯(lián)式變流器的風(fēng)力發(fā)電裝置，其特征在 于，3條支路采用Y型連接輸出。
全文摘要
本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，特別涉及多相發(fā)電機(jī)與變流器級(jí)聯(lián)輸出技術(shù)。本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)風(fēng)力發(fā)電裝置傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要安裝升壓變壓器的缺點(diǎn)，公開了一種由多相發(fā)電機(jī)與級(jí)聯(lián)式變流器組合構(gòu)成的風(fēng)力發(fā)電裝置。本發(fā)明的基于多相發(fā)電機(jī)和級(jí)聯(lián)式變流器的風(fēng)力發(fā)電裝置，利用多相發(fā)電機(jī)輸出的多路交流電(可以是單相或三相交流電)，作為變流器的輸入電壓，采用多級(jí)變流器進(jìn)行串聯(lián)組合，通過(guò)控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，直接輸出標(biāo)準(zhǔn)的三相正弦波電壓，輸出電壓可以達(dá)到22kV以上，能夠直接并入電網(wǎng)。本發(fā)明可用于風(fēng)力發(fā)電設(shè)備。
文檔編號(hào)H02M5/44GK101702582SQ20091031010
公開日2010年5月5日 申請(qǐng)日期2009年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月20日
發(fā)明者崔楊, 梁之龍 申請(qǐng)人:梁之龍;崔楊