[發明專利]一種變速恒頻風力發電系統

有效

• 申請號: 201910253433.0
• 申請日: 2019-03-29
• 公開（公告）號: CN110017250B
• 公開（公告）日: 2020-12-08
• 發明（設計）人: 謝康福;李大偉;曲榮海;任翔
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: F03D9/25
• 分類號: F03D9/25;F03D7/04;H02K16/02
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青;李智

本發明公開了一種變速恒頻風力發電系統，其特征在于，包括風能捕獲模塊、發電模塊和變流器；所述風能捕獲模塊與發電模塊的第二機械端口連接；所述發電模塊的第一電端口連接變流器的一端，第二電端口自短路；第一機械端口不帶負載；所述變流器的另一端連接電網；所述發電模塊用于在無電刷磨損的情況下將風能轉化為恒頻輸出的電能；所述變流器用于將發電模塊產生的電能轉換為電網所需的電能。發電模塊可等效為兩電機，第一電機對風速變化自適應；第二電機完成轉矩變化的自平衡；因此，本發明發電模塊為無刷雙機電端口電機不僅實現了變速恒頻的發電，同時有效地避免了增速齒輪箱和電刷帶來的機械磨損。

技術領域

本發明屬于風力發電技術領域，更具體地，涉及一種變速恒頻風力發電系統。

背景技術

風能是一種清潔能源，風力發電的可再生能源發電技術是解決全球能源的最佳選擇。由于風是一種不可人為控制的能源，變速運行的風力發電機組可捕獲最大風能并減少傳動軸承受的載荷，而并網風力發電機的頻率又需和電網一致保持恒定，即風力發電機組的變速恒頻發電。目前實現變速恒頻發電主要有以下兩種發電系統：雙饋感應發電系統和永磁直驅發電系統。雙饋感應發電系統采用雙饋感應發電機，風力機通過增速齒輪和發電機轉子聯接，其轉子繞組通過滑環連接功率變換器，通過功率變換器調節轉子勵磁電流，從而可調節發電機的輸出電功率恒頻恒壓。但是，雙饋感應發電機工作在一個有限的變速范圍內，雙饋感應發電機轉子側功率變換器的容量只是所調節功率的一部分，大約為發電機額定功率的20％-30％。同時在風力機和發電機之間設置有增速齒輪箱，不僅增加了成本，而且降低了系統可靠性和能量轉換效率。永磁直驅發電系統采用低速直驅型永磁同步發電機，發電機的輸出經交直交功率變換器轉換成恒頻恒壓的電能接入電網，由于采用了全功率的功率變換器，發電系統具有較好的可控性和靈活性，傳動系統簡單、可靠性高，系統效率高，缺點是直接驅動永磁同步發電機本身體積和重量龐大，需要使用全功率的功率變換器，成本高。

專利CN101487453提出一種變速恒頻風力發電系統及雙轉子永磁發電機，該系統雖然取消了增速齒輪箱，但依然存在滑環、電刷帶來的機械磨損、維護等問題，對整個系統的實用性、可靠性造成較大影響。

發明內容

針對現有技術的缺陷，本發明的目的在于提供一種變速恒頻風力發電系統，采用無刷雙機電端口電機來完成風能到電能的轉換，旨在解決現有風力發電系統因存在電刷和滑環而導致機械磨損的問題。

為實現上述目的，本發明提供了一種變速恒頻風力發電系統，包括風能捕獲模塊、發電模塊和變流器；

所述風能捕獲模塊與發電模塊的第二機械端口連接；所述發電模塊的第一電端口連接變流器的一端，第二電端口自短路；第一機械端口不帶負載；所述變流器的另一端連接電網；

所述風能捕獲模塊用于捕獲風能；所述發電模塊用于在無電刷的磨損下將風能轉化為恒定頻率電能；所述變流器用于將發電模塊產生的電能轉換為電網所需的電能。

優選地，所述風能捕獲模塊為風機葉片。

優選地，所述發電模塊為無刷雙機電端口電機，電機的中間轉子不帶負載，內轉子與風機的葉片連接；電機定子的第一繞組通過變流器接入電網，第二繞組自短路；

具體地，所述無刷雙機電端口電機包括第一電機和第二電機，其中第一電機與電網連接；第二電機與風機的葉片連接。

優選地，所述無刷雙機電端口電機包括定子、中間轉子和內轉子，三者同軸套設；其中，定子包括第一導磁鐵心和定子繞組，所述定子導磁鐵心為齒槽結構，槽內設置有定子繞組；所述中間轉子包括第二導磁鐵心和第二磁鋼，所述中間轉子的第二導磁鐵心與第二磁鋼周向交替分布；所述內轉子表面設置有周向分布的第一磁鋼。所述定子繞組為無刷雙機電端口電機的兩個電端口；內轉子和中間轉子為無刷雙機電端口電機的兩個機械端口。