專利名稱：直驅(qū)式感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)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)領(lǐng)域中的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，具體地說(shuō)是一種直驅(qū)式感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
風(fēng)能作為一種可再生能源，其資源極其豐富。據(jù)專家估計(jì)，全世界風(fēng)能資源總量約為每年2萬(wàn)億千瓦，僅的地面風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能就能滿足現(xiàn)今全世界對(duì)能源電力的需求。 同時(shí)隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，風(fēng)力發(fā)電的成本呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，風(fēng)力發(fā)電具有顯著的環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)效益。近些年來(lái)風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展不斷超越其預(yù)期的發(fā)展速度，并越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視。由于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合的特殊性，對(duì)發(fā)電、變電裝置的空間尺寸和重量等有著非常嚴(yán)格的限制和要求，同時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的容量、供電品質(zhì)、可靠性與可維修性等性能指標(biāo)需求也在不斷提高。而感應(yīng)發(fā)電機(jī)采用鼠籠式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，與普通同步發(fā)電機(jī)相比具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、故障率低、機(jī)械強(qiáng)度好、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。然而傳統(tǒng)的感應(yīng)發(fā)電機(jī)存在功率密度不高、功率因數(shù)低、控制上電壓調(diào)節(jié)不靈活等不足之處，僅適用于中小功率場(chǎng)合，同時(shí)，傳統(tǒng)電機(jī)受電磁設(shè)計(jì)、冷卻方式和加工工藝的限制，使其轉(zhuǎn)矩密度難以大幅提高。此外，傳統(tǒng)感應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的端板和導(dǎo)條通常采用中頻焊接等焊接方式，這些焊接方式不僅需要使用電阻率遠(yuǎn)大于端環(huán)和導(dǎo)條的焊料，且不可避免的增加了接觸電阻，不僅會(huì)增加損耗，更重要的是還存在局部發(fā)熱導(dǎo)致端板膨脹斷裂的安全隱患。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可以大幅度提高發(fā)電機(jī)系統(tǒng)功率密度和效率的直驅(qū)式感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的采用的技術(shù)方案是一種直驅(qū)式感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，至少包括葉片，還包括與葉片直連的直驅(qū)式感應(yīng)發(fā)電機(jī)，和與電網(wǎng)連接的網(wǎng)側(cè)變流器，所述感應(yīng)發(fā)電機(jī)輸出端連接機(jī)側(cè)變流器，所述機(jī)側(cè)變流器與網(wǎng)側(cè)變流器之間設(shè)有直流支撐電容，所述直驅(qū)式感應(yīng)發(fā)電機(jī)的定子設(shè)有至少一套三相主繞組，主繞組直接與機(jī)側(cè)變流器連接，所述主繞組的每一相均接有交流勵(lì)磁電容。進(jìn)一步地，在上述直驅(qū)式感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，所述直驅(qū)式感應(yīng)發(fā)電機(jī)的定子還設(shè)有一套三相輔助繞組，所述三相輔助繞組的每一相均設(shè)有交流勵(lì)磁電容。進(jìn)一步地，上述機(jī)側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器為四象限全功率變流器，且由η個(gè)完全相同的功率器件并聯(lián)組成，其中η < 3。其中所述功率器件包括二極管和三極管，所述二極管的陽(yáng)極與所述三極管的發(fā)射極連接，陰極與所述三極管的集電極連接。進(jìn)一步地，在上述直驅(qū)式感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，直驅(qū)式感應(yīng)發(fā)電機(jī)包以下兩種結(jié)構(gòu)第一，上述直驅(qū)式感應(yīng)發(fā)電機(jī)至少包括定子、轉(zhuǎn)子、機(jī)座、轉(zhuǎn)軸和軸承，所述機(jī)座的
3頂部設(shè)有散熱筋板，機(jī)座的四周設(shè)有風(fēng)機(jī)。第二，上述直驅(qū)式感應(yīng)發(fā)電機(jī)至少包括定子、轉(zhuǎn)子、機(jī)座、轉(zhuǎn)軸和軸承，所述機(jī)座的頂部設(shè)有散熱筋板，機(jī)座內(nèi)設(shè)有冷卻介質(zhì)噴淋系統(tǒng)，所述冷卻介質(zhì)噴淋系統(tǒng)包括安裝在機(jī)座內(nèi)壁的噴淋環(huán)和安裝于機(jī)座底部的儲(chǔ)液盒，所述機(jī)座內(nèi)設(shè)有將儲(chǔ)液盒中的冷卻介質(zhì)通抽取到噴淋環(huán)的磁力泵。為了防止冷卻介質(zhì)泄漏到感應(yīng)發(fā)電機(jī)本體以外，機(jī)座與轉(zhuǎn)軸之間設(shè)有旋轉(zhuǎn)密封裝置，所述旋轉(zhuǎn)密封裝置包括基座，所述基座和轉(zhuǎn)軸之間設(shè)有若干用導(dǎo)磁鋼材料做成的密封擋板，所述密封擋板呈“H”狀，密封擋板與轉(zhuǎn)軸的連接端內(nèi)充滿磁性流體，密封擋板另一端的開(kāi)口連通成散熱通道；基座和轉(zhuǎn)軸之間還有永磁體。更進(jìn)一步地，上述感應(yīng)發(fā)電機(jī)的鼠籠轉(zhuǎn)子的導(dǎo)條和端環(huán)通過(guò)攪拌摩擦焊焊接而成一體。本發(fā)明的感應(yīng)發(fā)電機(jī)輸出采用專用背靠背全功率變流器形式，考慮電網(wǎng)故障等極端條件，通過(guò)四象限全控電力電子變流器與發(fā)電機(jī)的匹配設(shè)計(jì)，結(jié)合無(wú)速度傳感器矢量控制、軟件鎖相環(huán)技術(shù)、過(guò)調(diào)制SVPWM方法、信號(hào)延時(shí)補(bǔ)償算法、前饋+反饋控制技術(shù)等措施， 實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)的高效控制，保證發(fā)電機(jī)組良好的電能品質(zhì)與運(yùn)行穩(wěn)定性。此外，本發(fā)明還具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)在有限的發(fā)電、變電裝置的空間內(nèi)，本發(fā)明采用兩種散熱結(jié)構(gòu)的感應(yīng)發(fā)電機(jī)， 一是通過(guò)機(jī)座四周的風(fēng)機(jī)加速電機(jī)內(nèi)空氣的循環(huán)，再通過(guò)機(jī)座頂端的散熱筋板傳導(dǎo)散熱。 二是通過(guò)機(jī)座內(nèi)的冷卻介質(zhì)噴淋系統(tǒng)將冷卻介質(zhì)在噴灑在機(jī)座，吸熱后的冷卻介質(zhì)蒸發(fā)后通過(guò)散熱筋板傳導(dǎo)散熱。(2)感應(yīng)發(fā)電機(jī)的鼠籠轉(zhuǎn)子的導(dǎo)條和端環(huán)通過(guò)攪拌摩擦焊焊接而成一體，避免使用焊條，且不會(huì)增加焊接電阻。
圖1為直驅(qū)式感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖1中增加三相輔助繞組的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為圖1中直驅(qū)式感應(yīng)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為圖1中直驅(qū)式感應(yīng)發(fā)電機(jī)的另一種結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為圖4中冷卻介質(zhì)噴淋系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。圖6為圖5中旋轉(zhuǎn)密封裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖7為感應(yīng)發(fā)電機(jī)鼠籠轉(zhuǎn)子的導(dǎo)條和端環(huán)摩擦焊結(jié)構(gòu)示意圖。圖fe和圖汕為機(jī)側(cè)變流器主-從統(tǒng)一控制原理圖。圖9為背靠背全功率變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成示意圖。圖10為背靠背全功率變流器控制框圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。如圖1所示，直驅(qū)式感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)包括依次連接的葉片、直驅(qū)式感應(yīng)發(fā)電機(jī)、 機(jī)側(cè)變流器、網(wǎng)側(cè)變流器，其中機(jī)側(cè)變流器與網(wǎng)側(cè)變流器之間設(shè)有直流支撐電容C2，網(wǎng)側(cè)變流器與電網(wǎng)之間設(shè)有線路濾波器。直驅(qū)式感應(yīng)發(fā)電機(jī)的定子設(shè)有至少一套三相主繞組，三相主繞組直接與機(jī)側(cè)變流器連接，三相主繞組的每一相均接有交流勵(lì)磁電容Cl。如圖2所示，直驅(qū)式感應(yīng)發(fā)電機(jī)的定子還設(shè)有一套三相輔助繞組，三相輔助繞組的每一相均設(shè)有交流勵(lì)磁電容。主繞組和輔助繞組在電路上相互隔離，僅存在磁耦合。增加輔助繞組利于避免高頻諧振，改善發(fā)電機(jī)供電品質(zhì)和系統(tǒng)電磁兼容性。本實(shí)施例所用直驅(qū)式感應(yīng)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括定子1、轉(zhuǎn)子2、機(jī)座3、轉(zhuǎn)軸4和軸承5，機(jī)座3的頂部設(shè)有散熱筋板6，機(jī)座3的四周設(shè)有風(fēng)機(jī)7。直驅(qū)式感應(yīng)發(fā)電機(jī)采用臥式結(jié)構(gòu)，其中定子1鐵芯采用整段結(jié)構(gòu)；當(dāng)電機(jī)功率等級(jí)較大或散熱要求較高時(shí)，通過(guò)風(fēng)機(jī)7加強(qiáng)電機(jī)內(nèi)空氣的循環(huán)和散熱，再通過(guò)機(jī)座3外圓的散熱筋板6及端部蓋板帶走熱量；此外，為了提高散熱的效率，本實(shí)施例還提供一種直驅(qū)式感應(yīng)發(fā)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖 4所示，包括定子1、轉(zhuǎn)子2、機(jī)座3、轉(zhuǎn)軸4和軸承5，所述機(jī)座3的頂部設(shè)有散熱筋板6，機(jī)座3內(nèi)設(shè)有冷卻介質(zhì)噴淋系統(tǒng)，冷卻介質(zhì)噴淋系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。冷卻介質(zhì)噴淋系統(tǒng)包括安裝在機(jī)座3內(nèi)壁的噴淋環(huán)8和安裝于機(jī)座底部的儲(chǔ)液盒9，所述機(jī)座3內(nèi)設(shè)有將儲(chǔ)液盒中的冷卻介質(zhì)通抽取到噴淋環(huán)的磁力泵10。磁力泵10將儲(chǔ)液盒9中的冷卻介質(zhì)抽取到噴淋環(huán)8中噴灑出來(lái)用于散熱，噴灑出的冷卻介質(zhì)回流到儲(chǔ)液盒9中可以循環(huán)使用。為了防止冷卻介質(zhì)泄漏到感應(yīng)發(fā)電機(jī)本體以外，機(jī)座與轉(zhuǎn)軸之間設(shè)有旋轉(zhuǎn)密封裝置，如圖6所示，所述旋轉(zhuǎn)密封裝置包括基座，所述基座和轉(zhuǎn)軸之間設(shè)有若干用導(dǎo)磁鋼材料做成的密封擋板，所述密封擋板呈“H”狀，密封擋板與轉(zhuǎn)軸的連接端內(nèi)充滿磁性流體，密封擋板另一端的開(kāi)口連通成散熱通道；基座和轉(zhuǎn)軸之間還有永磁體。為減小因鼠籠轉(zhuǎn)子導(dǎo)條和端環(huán)普通焊接方式導(dǎo)致較大的接觸電阻，以及由此引起的損耗增加、局部過(guò)熱和可靠性問(wèn)題，通過(guò)攪拌摩擦焊進(jìn)行轉(zhuǎn)子導(dǎo)條和端環(huán)的焊接，焊接軌跡為轉(zhuǎn)子端環(huán)一周整圓，如圖7所示。將端環(huán)18套上轉(zhuǎn)子導(dǎo)條17后，將摩擦頭16緊壓在端環(huán)18與轉(zhuǎn)子導(dǎo)條17的接觸面，利用摩擦頭16高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量將端環(huán)18和轉(zhuǎn)子導(dǎo)條 17的接觸部分熔化在一起，從而形成一體，由于焊接過(guò)程不需要焊料，焊接部位的電阻率與端環(huán)18或?qū)l17的電阻率基本一致，最終連接成焊接軌跡19。當(dāng)風(fēng)場(chǎng)自然風(fēng)吹轉(zhuǎn)葉片，帶動(dòng)感應(yīng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)勵(lì)磁電容提供起勵(lì)所需的無(wú)功電流建立電壓，再經(jīng)過(guò)對(duì)機(jī)、網(wǎng)側(cè)四象限全功率變流器的控制，提供發(fā)電機(jī)系統(tǒng)所需的勵(lì)磁電流與最大轉(zhuǎn)矩電流，實(shí)現(xiàn)向電網(wǎng)輸送有功及無(wú)功功率。發(fā)電機(jī)側(cè)變流器(INU)提供電機(jī)所需勵(lì)磁電流，自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流幅值與相位， 穩(wěn)定電機(jī)交流電壓；同時(shí)，通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)矩電流的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)功率整流輸出。機(jī)側(cè)變流器采用基于磁場(chǎng)定向的無(wú)速度傳感器矢量控制，負(fù)責(zé)在一定帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩參考值的跟蹤控制，能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩電流和勵(lì)磁電流的解耦控制，保證發(fā)電機(jī)勵(lì)磁及功率因數(shù)的精確控制，從而最終實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的跟蹤；網(wǎng)側(cè)變流器(ISU)連接機(jī)側(cè)變流器與電網(wǎng)，負(fù)責(zé)將電能傳送至電網(wǎng)并維持直流電壓的恒定，如圖8所示。采用雙dq變換軟件鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電壓的相位跟蹤，保證發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)故障條件下的可控穩(wěn)定運(yùn)行。本發(fā)明中機(jī)側(cè)及網(wǎng)側(cè)變流器均為四象限全功率變流器，采用全控型功率器件，機(jī)側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器為四象限全功率變流器，由η個(gè)完全相同的功率器件并聯(lián)組成，其中η < 3。功率器件包括二極管和三極管，所述二極管的陽(yáng)極與所述三極管的發(fā)射極連接，陰極與所述三極管的集電極連接，其組合方式及范圍如圖9所示。該全功率變流器控制框圖如圖10所示。
本發(fā)明已通過(guò)最佳實(shí)施例的詳細(xì)附圖加以描述。熟于此領(lǐng)域技術(shù)人員可從最佳實(shí)施例衍生許多變化而毋須背離本發(fā)明的范疇。因此，最佳實(shí)施例不致限制本發(fā)明的范疇。本發(fā)明的范疇定義于申請(qǐng)專利范圍。
權(quán)利要求
1.一種直驅(qū)式感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于包括與葉片直連的直驅(qū)式感應(yīng)發(fā)電機(jī)，和與電網(wǎng)連接的網(wǎng)側(cè)變流器，所述感應(yīng)發(fā)電機(jī)輸出端連接機(jī)側(cè)變流器，所述機(jī)側(cè)變流器與網(wǎng)側(cè)變流器之間設(shè)有直流支撐電容，所述直驅(qū)式感應(yīng)發(fā)電機(jī)的定子設(shè)有至少一套三相主繞組，主繞組直接與機(jī)側(cè)變流器連接，所述主繞組的每一相均接有交流勵(lì)磁電容。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述直驅(qū)式感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述直驅(qū)式感應(yīng)發(fā)電機(jī)的定子還設(shè)有一套三相輔助繞組，所述三相輔助繞組的每一相均設(shè)有交流勵(lì)磁電容。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述直驅(qū)式感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述直驅(qū)式感應(yīng)發(fā)電機(jī)至少包括定子(1)、轉(zhuǎn)子O)、機(jī)座(3)、轉(zhuǎn)軸(4)和軸承(5)，所述機(jī)座(3)的頂部設(shè)有散熱筋板(6)，機(jī)座(3)的四周設(shè)有風(fēng)機(jī)(7)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述直驅(qū)式感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述直驅(qū)式感應(yīng)發(fā)電機(jī)至少包括定子(1)、轉(zhuǎn)子O)、機(jī)座(3)、轉(zhuǎn)軸(4)和軸承(5)，所述機(jī)座(3)的頂部設(shè)有散熱筋板(6)，機(jī)座(3)內(nèi)設(shè)有冷卻介質(zhì)噴淋系統(tǒng)，且機(jī)座C3)與轉(zhuǎn)軸之間設(shè)有旋轉(zhuǎn)密封直ο
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述直驅(qū)式感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述冷卻介質(zhì)噴淋系統(tǒng)包括安裝在機(jī)座(3)內(nèi)壁的噴淋環(huán)(8)和安裝于機(jī)座C3)底部的儲(chǔ)液盒(9)，所述機(jī)座 (3)內(nèi)設(shè)有將儲(chǔ)液盒(9)中的冷卻介質(zhì)通抽取到噴淋環(huán)(8)的磁力泵(10)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述直驅(qū)式感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述旋轉(zhuǎn)密封裝置包括基座(12)，所述基座和轉(zhuǎn)軸(4)之間設(shè)有若干用導(dǎo)磁鋼材料做成的密封擋板(14)，所述密封擋板(14)呈“H”狀，密封擋板(14)與轉(zhuǎn)軸(4)的連接端充滿磁性流體，密封擋板(14) 另一端的開(kāi)口連通成散熱通道(14)；基座(12)和轉(zhuǎn)軸(4)之間還設(shè)有永磁體(13)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述直驅(qū)式感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述機(jī)側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器為四象限全功率變流器，且由η個(gè)完全相同的功率器件并聯(lián)組成，其中η < 3。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述直驅(qū)式感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述功率器件包括二極管和三極管，所述二極管的陽(yáng)極與所述三極管的發(fā)射極連接，陰極與所述三極管的集電極連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述直驅(qū)式感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述感應(yīng)發(fā)電機(jī)的鼠籠轉(zhuǎn)子的導(dǎo)條和端環(huán)通過(guò)攪拌摩擦焊焊接而成一體。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種直驅(qū)式感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，至少包括葉片，與葉片直連的直驅(qū)式感應(yīng)發(fā)電機(jī)，和與電網(wǎng)連接的網(wǎng)側(cè)變流器，所述感應(yīng)發(fā)電機(jī)輸出端連接機(jī)側(cè)變流器，所述機(jī)側(cè)變流器與網(wǎng)側(cè)變流器之間設(shè)有直流支撐電容，所述直驅(qū)式感應(yīng)發(fā)電機(jī)的定子設(shè)有至少一套三相主繞組，三相主繞組直接與機(jī)側(cè)變流器連接，所述三相主繞組的每一相均接有交流勵(lì)磁電容。本發(fā)明通過(guò)將交流勵(lì)磁電容與四象限變流器無(wú)功電流的匹配設(shè)計(jì)等實(shí)現(xiàn)感應(yīng)發(fā)電機(jī)功率密度的大幅提高，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的無(wú)功電流優(yōu)化控制和高效的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換與電能變換，最終提高整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的效率。
文檔編號(hào)H02K17/16GK102510171SQ20111034586
公開(kāi)日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月4日
發(fā)明者王東, 肖飛, 郭云珺, 馬偉明 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍海軍工程大學(xué)