一种混合励磁双馈风力发电机及发电系统技术方案

本发明专利技术公开了一种混合励磁双馈风力发电机及发电系统，所述混合励磁双馈风力发电机包括定子、外绕线转子、内爪极永磁转子和转轴，所述定子和内爪极永磁转子分别设置在所述外绕线转子的外周和内周;所述内爪极永磁转子与外绕线转子同轴心并可自由旋转;所述定子和外绕线转子上分别设置定子绕组和转子绕组，所述内爪极永磁转子安装在转轴上可以自由旋转，爪极转子的爪间间隔安装有永磁体和焊接的隔磁材料；励磁支架固定在机壳两侧的端盖内侧上，励磁绕组安装在励磁支架上，采用无刷结构。环形永磁体安装在爪极内部，该永磁体所产生的永磁磁链、励磁绕组产生的磁链分别通过内空气隙和外空气隙匝链定子绕组和外绕线转子绕组产生的磁链。

A hybrid excitation doubly fed wind turbine and its power generation system

【技术实现步骤摘要】
一种混合励磁双馈风力发电机及发电系统
本专利技术涉及风力发电的
，具体的是一种混合励磁双馈风力发电机及发电系统。
技术介绍
风能是一种具有广泛发展前景的清洁可再生能源，风力发电技术越来越受到世界各国的重视。风力发电机是整个发电系统的核心。目前使用较多的风力发电机主要有两种类型，一种是普通永磁同步发电机，另一种是变速恒频双馈感应发电机。变速恒频双馈风力发电机定子和电网直接相连，发电机转子和风轮同轴联结，转子绕组采用绕线结构，转子绕组通过一个能量可以双向流动的变流器和电网相连，通过调节转子励磁电流的幅值、频率、相位等参数，实现在风速变化时，保持发电机定子侧具有恒频恒压的输出，转子侧则根据不同的运行状态通过双向变流器输入或输出能量，实现变速恒频双馈并网运行。采用这种双馈发电机可以在风速变化时，保持定子侧输出电压和频率不变，从而可以直接并网，另外双向变流器的容量可以比发电机的容量小很多。由于双馈发电机具有上述变速恒频运行的优点，因此近些年双馈风力发电机组成的风电系统是国内外研究的热点。但是双馈风力发电机本质上是一种感应发电机，转子绕组励磁电流来源于电网，发电机的效率和功率因数都相对较低。另外随着风力发电装机容量的不断增大，其对电网的影响已经不能忽略，很多国家制订了新的规则，对并网风力发电提出了新的要求，这些要求包括有功、无功功率控制，频率控制，电能质量控制等，特别是低电压穿越能力是并网规则要求比较严格的指标之一。在电网故障如电压跌落时保持并网，快速向电网提供有功和无功功率支持，帮助电网电压及频率的恢复及稳定是双馈风力发电技术研究的热点。目前国内外对双馈变速恒频风电系统在电网故障时低电压穿越能力的应对措施，已经有较多研究，包括通过改进变流器控制策略来提高系统的动态特性使其具备一定的低电压穿越能力，但许多控制方法相对复杂，特别是在电压跌落深度较大时，仅依靠控制策略的作用有限，因此需要从改变发电机本体结构上或增加硬件保护电路，来实现风电机组低电压穿越并对变流器进行有效保护。这是现有技术的不足之处。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种混合励磁双馈风力发电机及发电系统，采用交流、直流和永磁磁场三者混合励磁，可以灵活的调节气隙磁场，进一步降低了励磁容量，提高了发电机的效率和低电压穿越能力。本方案是通过如下技术措施来实现的：一种混合励磁双馈风力发电机，包括机壳，所述机壳可转动连接有转轴，所述转轴上可转动连接有内永磁爪极转子，所述内永磁爪极转子外侧设置有外绕线转子，所述外绕线转子的外侧设置有定子，所述外绕线转子与转轴固定连接，所述定子与机壳固定连接，所述外绕线转子与定子之间设置有外空气隙，所述外绕线转子与内永磁爪极转子之间设置有内空气隙，所述内永磁爪极转子的内部设有永磁体，所述机壳上固定设置有直流励磁绕组支架，所述直流励磁绕组支架上设置有直流励磁绕组，所述外绕线转子连接有风轮。采用本技术方案，所述内永磁爪极转子可绕转轴自由旋转，其旋转速度同时受定子、外绕线转子和直流励磁绕组产生的磁场共同作用，所述内永磁爪极转子还可以和直流励磁绕组三者共同对发电机主磁场进行调节；采用永磁体磁场、直流励磁绕组和外绕线转子交流共同励磁，可以更加灵活地调节气隙磁场，降低了转子侧变换器励磁容量和控制策略的复杂性，提高了发电机的功率因数和效率；在电网侧故障期间，由于内永磁爪极转子和直流励磁绕组的存在，可以进行增磁控制提高了发电机在各种故障状态下的运行能力，对故障状态下的电网稳定提供有力支持。优选的，所述定子包括定子铁芯以及安装在定子铁芯上的定子绕组，所述定子绕组为三相对称交流绕组，所述定子和机壳之间有外隔磁材料。优选的，所述内永磁爪极转子外侧包裹有导磁套筒，所述导磁套筒通过转子轴承与转轴连接。优选的，所述内永磁爪极转子包括有两个或两个以上的爪极，相邻爪极通过隔磁材料焊接。优选的，所述外绕线转子包括外绕线转子铁芯以及安装在外绕线转子铁芯上的外绕线转子绕组，所述外绕线转子绕组为三相对称交流绕组。优选的，所述外绕线转子绕组通过电刷滑环连接转子侧PWM变换器。优选的，所述定子的中心线、内永磁爪极转子的中心线以及外绕线转子绕组的中心线在同一条直线上。优选的，所述永磁体为轴向充磁。优选的，所述内永磁爪极转子与转轴之间设置有内隔磁材料。优选的，所述内永磁爪极转子的极数与定子的极数、外绕线转子的极数相同。一种混合励磁双馈风力发电机的发电系统，包括混合励磁双馈风力发电机，电网侧变换器，转子侧变换器以及稳压电容；所述混合励磁双馈风力发电机的定子绕组与电网相连；所述混合励磁双馈风力发电机的外绕线转子绕组与转子侧变换器连接，转子侧变换器通过电网侧变换器连接电网；所述转子侧变换器与电网侧变换器之间并联稳压电容。本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：（1）本专利技术的混合励磁双馈风力发电机转子结构，有三个磁势源，分别为永磁体、直流励磁绕组和绕线转子交流励磁绕组，其中永磁体和绕线转子交流励磁绕组共同起到主磁场的作用；根据发电机并网运行的需要，改变直流励磁绕组中电流的大小和方向，可以很方便地对发电机主磁场起到增磁或弱磁的作用。（2）本专利技术由于采用双转子结构，将双馈发电机与同步发电机优点很好的结合起来。在变速恒频系统中，可以利用双馈发电机更优越的结构性能，当风速变化时，通过控制转子励磁频率来改变发电机转速，控制转子电流励磁相位，改变发电机的功率角，进而分别调节发电机的有功、无功功率，减小发电机对电网的扰动。当电网发生故障引起电网电压降低时，所述发电机可以利用直流励磁绕组对发电机主磁场进行增磁，明显地提高发电机的低电压穿越能力。综上所述，本专利技术结合了永磁同步和双馈发电系统的优点，一方面可以克服常规永磁同步发电机磁通不可调的缺点，另一方面，通过调节直流励磁磁场，进而控制发电机输出功率，最终达到调节转速的目的，可以实现风能的最大追踪，特别是在电网故障期间，可以显著改善双馈风力发电机的低电压穿越能力，提高了发电系统稳定运行性能并降低了风电控制系统的复杂性。由此可见，本专利技术与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，其实施的有益效果也是显而易见的。附图说明图1为混合励磁双馈风力发电机轴向截面结构示意图；图2为永磁爪极转子之间永磁体和隔磁材料安装示意图；图3为混合励磁双馈风力发电机径向截面结构示意图；图4为一种应用混合励磁双馈风力发电机的发电系统的结构示意图。图中：1-机壳，2-外隔磁材料，3-定子，4-定子绕组，5-外空气隙，6-外绕线转子，7-外绕线转子绕组，8-内空气隙，9-内永磁爪极转子，10-环形通道，11-永磁体，12-直流励磁绕组，13-直流励磁绕组支架，15-内隔磁材料，16-转轴，17-导磁套筒，18-内永磁爪极转子轴承，19-机壳轴承，20-电刷滑环，22-隔磁材料，23-爪极，24-风轮，25-混合励磁双馈风力发电机，26-电网侧变换器，27本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种混合励磁双馈风力发电机，包括机壳（1），所述机壳（1）可转动连接有转轴（16），其特征是：所述转轴（16）上可转动连接有内永磁爪极转子（9），所述内永磁爪极转子（9）外侧设置有外绕线转子（6），所述外绕线转子（6）的外侧设置有定子（3），所述外绕线转子（6）与转轴（16）固定连接，所述定子（3）与机壳（1）固定连接，所述外绕线转子（6）与定子（3）之间设置有外空气隙（5），所述外绕线转子（6）与内永磁爪极转子（9）之间设置有内空气隙（8），/n所述内永磁爪极转子（9）的内部设有永磁体（11），所述机壳（1）上固定设置有直流励磁绕组支架（13），所述直流励磁绕组支架（13）上设置有直流励磁绕组（12），所述外绕线转子（6）连接有风轮（24）。/n

【技术特征摘要】
1.一种混合励磁双馈风力发电机，包括机壳（1），所述机壳（1）可转动连接有转轴（16），其特征是：所述转轴（16）上可转动连接有内永磁爪极转子（9），所述内永磁爪极转子（9）外侧设置有外绕线转子（6），所述外绕线转子（6）的外侧设置有定子（3），所述外绕线转子（6）与转轴（16）固定连接，所述定子（3）与机壳（1）固定连接，所述外绕线转子（6）与定子（3）之间设置有外空气隙（5），所述外绕线转子（6）与内永磁爪极转子（9）之间设置有内空气隙（8），
所述内永磁爪极转子（9）的内部设有永磁体（11），所述机壳（1）上固定设置有直流励磁绕组支架（13），所述直流励磁绕组支架（13）上设置有直流励磁绕组（12），所述外绕线转子（6）连接有风轮（24）。


2.根据权利要求1所述的混合励磁双馈风力发电机，其特征是：所述定子（3）包括定子铁芯以及安装在定子铁芯上的定子绕组（4），所述定子绕组（4）为三相对称交流绕组，所述定子（3）和机壳（1）之间有外隔磁材料（2）。


3.根据权利要求1或2所述的混合励磁双馈风力发电机，其特征是：所述内永磁爪极转子（9）外侧包裹有导磁套筒（17），所述导磁套筒（17）通过转子轴承（18）与转轴（16）连接；
优选的，所述内永磁爪极转子（9）包括有两个或两个以上的爪极（23），相邻爪极（23）通过隔磁材料（22）焊接。


4.根据权利要求1或2所述的混合励磁双馈风力发电机，其特征是：所述外...

【专利技术属性】
技术研发人员：刁统山，王艳，
申请(专利权)人：齐鲁工业大学，
类型：发明
国别省市：山东;37