【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及风电，具体地为一种风机前端调速恒定转速输出系统及其设计方法。
技术介绍
1、目前的前端调速技术主要有液力变距调速、电磁耦合调速、差动齿轮调速、双功率流机电混合调速等技术。现有的电磁耦合器调速范围不高，前面需安装单级或多级齿轮箱，增加了结构复杂性与维护成本，电磁耦合调速技术在高风速下容易出现电磁损耗增加、效率降低的问题，并且电磁耦合调速系统的电子控制模块过于复杂，导致整个调速系统的运行成本较高。液力变距调速的机械机构复杂，造价高，在低速运行时发生大量能量损耗，传动效率低，且有漏液的风险。差动齿轮调速技术的制造成本较高，特别是行星齿轮箱的精密制造和长期维护成本较高。此外，在极端风况下，齿轮的磨损问题依然是需要解决的挑战。双功率流机电混合调速技术的系统复杂，涉及多个部件协同工作，控制目标众多且相互关联，协调控制难度大，对实时性和准确性要求高；电机性能方面，需优化效率并确保可靠性，以应对复杂的工作环境。同时，风能利用效率的提升存在空间，包括最大功率跟踪精度和能量转换效率的优化问题，系统在电网故障穿越和应对部件故障方面也面临挑战。
2、现有的电磁耦合器调速范围不高，前面需安装单级或多级齿轮箱，增加了结构复杂性与维护成本，电磁耦合调速在技术性能上存在一些问题，其磁场耦合复杂，受多种因素影响，调速精度和范围受限，在实际运行中难以实现高精度调速且调速范围可能无法满足要求，能量转换和传递过程存在损耗，低转速工况下效率可能降低，同时包含多个关键部件，其可靠性和系统稳定性受磁场耦合特性影响，对外部干扰较敏感。
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4、差动齿轮调速技术的制造成本较高，特别是行星齿轮箱的精密制造和长期维护成本较高。差动齿轮调速结构设计复杂，内部零部件众多，相互配合关系紧密，这增加了设计和制造的难度。在调速精度和范围方面，受到多种因素的限制，难以实现精确且广泛的调速，同时在可靠性和维护性上也面临挑战，部件磨损会影响调速准确性和系统性能，故障诊断困难又增加了维护成本。此外，能量损失较大，传动过程中的摩擦等因素导致效率较低，优化效率面临诸多挑战。
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种能够根据风轮的转速变化进行自动调节确保发电机的转速保持恒定，从而使得发电机输出频率恒定的电能的风机前端调速定速输出系统及其设计方法。
2、本专利技术所要解决其技术问题一方面所采用的技术方案是：
3、一种风机前端调速恒定转速输出系统，包括风轮、与所述风轮连接的前端调速装置、与所述前端调速装置连接的发电机、与所述发电机连接的变压器、与所述变压器连接的电网。
4、在一个实施方式中，所述前端调速装置包括低速转子、高速转子、定子绕组和变频器。
5、在一个实施方式中，所述前端调速装置的高速转子与所述发电机的转轴相连。
6、在一个实施方式中，所述前端调速装置的低速转子与风轮的转轴相连。
7、在一个实施方式中，所述高速转子和低速转子之间形成内层气隙，所述低速转子与所述定子绕组之间形成外层气隙。
8、在一个实施方式中，所述低速转子由永磁体和铁轭构成，所述低速转子上均匀分布有复数块导磁铁心块。
9、在一个实施方式中，所述发电机包括永磁同步发电机，双馈式发电机以及高压电机。
10、本专利技术所要解决其技术问题又一方面所采用的技术方案是：
11、一种风机前端调速恒定转速输出设计方法，包括以下步骤；步骤一，所述导磁铁心块的数目等于所述高速转子的磁极对数与所述定子绕组的磁极对数之和；
12、phr+ps＝plr (1)
13、phr为前端调速装置中高速转子的磁极对数，plr为前端调速装置中低速转子上的导磁铁心块个数，ps分别为前端调速装置中定子绕组的磁极对数；
14、步骤二，所述前端调速装置的高速转子在内层气隙中产生的磁场经过低速转子调制到外层气隙，而定子绕组在外层气隙产生的磁场同样经过低速转子的作用被调制到内层气隙；
15、定子绕组的磁场经过调制后会产生与高速转子磁场基波的转速和极对数均相同的谐波，并与高速转子磁场基波构成一对谐波对；高速转子的磁场经过调制后会产生与定子绕组磁场基波的转速和极对数均相同的谐波，并与定子绕组磁场基波构成一对谐波对；
16、从而前端调速装置的变比满足以下关系式：
17、
18、其中，nhr为前端调速装置中高速转子的转速，nlr为前端调速装置中低速转子的转速，rg为前端调速装置的变比；
19、前端调速装置中高速转子的转速nhr为
20、
21、其中，nhr前端调速装置中高速转子的转速，nlr为前端调速装置中低速转子的转速，rg为前端调速装置的变比；
22、步骤三，前端调速装置中低速转子的转速nlr减小，需要等比例降低前端调速装置的变比rg值；前端调速装置中低速转子的转速nlr增大，需要等比例提高前端调速装置的变比rg值，从而保持输出前端调速装置中高速转子的转速nhr的恒定；
23、使得前端调速装置的高速转子和前端调速装置的低速转子在旋转时满足以下关系式：
24、phrnhr+psns＝plrnlr (4)
25、其中，phr为前端调速装置中高速转子的磁极对数，plr前端调速装置的低速转子块个数，ps为前端调速装置中定子绕组的磁极对数，nhr为前端调速装置中高速转子的转速，nlr为前端调速装置中低速转子的转速，ns前端调速装置中定子绕组在外层气隙产生的旋转磁场的转速；
26、步骤四，在向前端调速装置的定子绕组通入三相交流电时，前端调速装置的定子绕组将产生一个旋转磁场，即定子绕组在外层气隙产生的旋转磁场的转速ns为；
27、ns＝60f/ps (5)
28、其中，f为三相电流的频率，ps为前端调速装置中定子绕组的磁极对数；
29、联立上式(1)(2)(3)(4)(5)可得前端调速装置的变比rg为
30、
31、其中，rg前端调速装置的变比，phr为前端调速装置中高速转子的磁极对数，plr前端调速装置中低速转子块个数，nhr为前端调速装置中高速本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种风机前端调速恒定转速输出系统，其特征在于：包括风轮(10)、与所述风轮(10)连接的前端调速装置(20)、与所述前端调速装置(20)连接的发电机(30)、与所述发电机(30)连接的变压器(40)、与所述变压器(40)连接的电网(50)。
2.根据权利要求1所述的风机前端调速恒定转速输出系统，其特征在于：所述前端调速装置(20)包括低速转子(22)、高速转子(23)、定子绕组(21)和变频器(24)。
3.根据权利要求2所述的风机前端调速恒定转速输出系统，其特征在于：所述前端调速装置(20)的高速转子(23)与所述发电机(30)的转轴相连。
4.根据权利要求3所述的风机前端调速恒定转速输出系统，其特征在于：所述前端调速装置(20)的低速转子(22)与风轮(10)的转轴相连。
5.根据权利要求4所述的风机前端调速恒定转速输出系统，其特征在于：所述高速转子(23)和低速转子(22)之间形成内层气隙，所述低速转子(22)与所述定子绕组(21)之间形成外层气隙。
6.根据权利要求5所述的风机前端调速恒定转速输出系统，其特征
7.根据权利要求6所述的风机前端调速恒定转速输出系统，其特征在于：所述发电机(30)包括永磁同步发电机，双馈式发电机以及高压电机。
8.一种风机前端调速恒定转速输出设计方法，其特征在于：包括以下步骤；
9.根据权利要求8所述的一种风机前端调速恒定转速输出设计方法，其特征在于：前端调速装置(20)中高速转子(23)的转速如下：
10.根据权利要求8所述的一种风机前端调速恒定转速输出设计方法，其特征在于：当不考虑系统损耗时，前端调速装置(20)的输出功率满足
...【技术特征摘要】
1.一种风机前端调速恒定转速输出系统，其特征在于：包括风轮(10)、与所述风轮(10)连接的前端调速装置(20)、与所述前端调速装置(20)连接的发电机(30)、与所述发电机(30)连接的变压器(40)、与所述变压器(40)连接的电网(50)。
2.根据权利要求1所述的风机前端调速恒定转速输出系统，其特征在于：所述前端调速装置(20)包括低速转子(22)、高速转子(23)、定子绕组(21)和变频器(24)。
3.根据权利要求2所述的风机前端调速恒定转速输出系统，其特征在于：所述前端调速装置(20)的高速转子(23)与所述发电机(30)的转轴相连。
4.根据权利要求3所述的风机前端调速恒定转速输出系统，其特征在于：所述前端调速装置(20)的低速转子(22)与风轮(10)的转轴相连。
5.根据权利要求4所述的风机前端调速恒定转速输出系统，其特征在...
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