专利名称：变速恒频双馈永磁风力发电机系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种变速恒频双馈永磁风力发电机系统，特别涉 及一种转子带励磁补偿绕组的永磁发电机。
背景技术：
随着石油煤炭等不可再生资源的日益减少和环境的恶化，风力发 电技术得到了越来越多的应用，而风力发电机是整个发电系统的关键 部件。目前常用的风力发电机主要有两种结构 一种是变速恒频双馈 感应发电机， 一种是普通永磁同步发电机。
图1是采用感应发电机的风力发电系统原理框图。发电机定子和 电网直接相连，发电机转子和风机同轴联结，转子结构采用绕线方式， 转子绕组通过一个双向变频器和电网相连，通过调节转子励磁电流的 幅值、频率、相位等参数，可以实现在风速变化时，保持电机定子侧 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频器 输入或输出能量，实现双馈。采用这种结构的优点是可以在风速变化 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 变频器的容量可以比发电机的容量小很多；但缺点是，感应电机效率 和功率因数都相对较低。
图2是采用普通永磁同步发电机的风力发电系统原理框图。发电 机转子采用永磁结构，转子和风机同轴联结，定子绕组通过一个单向 变频器和电网相连。采用这种结构的优点是由于采用永磁励磁，可获 得比感应电机更高的效率和功率因数。但缺点是，由于永磁励磁调节 困难，随着风速的变化，发电机输出的电压幅值和频率都在变化，因 此必须经过一个具有交-直-交变换功能的单向变频器，电机的输出才能实现并网。这样变频器的容量必须不能小于发电机的容量。
实用新型内容
本实用新型的技术问题是要提供一种效率和功率因数高、可以直 接并网的变速恒频双馈永磁风力发电机系统。
为了解决以上的技术问题，本实用新型提供了一种变速恒频双馈 永磁风力发电机系统，包括主永磁同步风力发电机(以下简称主发电 机)、辅助电励磁同步电机(简称辅电机)、双向变频器、控制系统， 主发电机转子、辅电机转子和风机同轴联结，主发电机绕组和电网连 接，双向变频器一端和辅电机绕组相连，另一端和电网相连。
所述主发电机包括混合励磁转子、轴承、前端盖、机壳、定子、 后端盖、前轴伸和后轴伸；其中
所述混合励磁转子的前轴伸和风机同轴联结，所述后轴伸和辅电 机转子同轴联结。
所述辅电机转子结构为绕线转子；通过改变绕线励磁电流的大小 和方向可以调节辅助同步电机输入/输出功率。
所述辅电机在风机转速低于同步速、等于同步速和高于同步速时 分别以电动机状态、空载和发电机状态运行。
当风机以低于同步速(同步速指的是对应频率为50Hz时的转速) 运行时，双向变频器向辅电机输入电能，辅电机作为电动机运行，使 系统转速加速至同步转速。
当风机以同步速运行时，双向变频器既不向辅电机输入能量也不 输出能量，辅电机为空载状态，使系统转速保持同步速。
当风机以高于同步速运行时，辅电机以发电机状态运行，通过双 向变频器向电网反馈电能，通过调节辅电机绕线转子励磁电流大小， 可以调节反馈电能的功率。
所述主发电机转子包括磁钢、补偿绕组、转子铁芯；在主发电机转子磁钢存在性能偏差时，通过调节补偿绕组直流励磁电流的大小和 方向来增磁或去磁，使电机输出电压恒定。
本实用新型的优越功效在于无论风机运行于低同步速状态、或 是同步速状态、或是超同步速状态，通过辅电机的不同工作状态转换， 可以使得主发电机能够维持恒压、恒频的输出特性，该输出可以直接 和电网相连。这样，达到了采用效率、功率因数和功率密度都相对较 高的永磁电机实现变速恒频、恒压的效果。同时，辅电机可以通过双 向变频器向电网馈电，变频器的容量可以低于主发电机容量。
图1是采用感应发电机的风力发电系统原理框图2是采用普通永磁同步发电机的风力发电系统原理框图3是本实用新型的采用变速恒频双馈永磁同步发电机的发电
系统原理框图4是本实用新型的双馈永磁发电机结构示意图5是本实用新型的双馈永磁发电机带补偿绕组转子的一个实
施例三维示意图6是本实用新型的双馈永磁发电机带补偿绕组转子的另一个
实施例横截面示意图中标号说明
l一混合励磁转子；2—-轴承；
3—前端盖；4—-定子；
5—机壳；6—-后端盖；
7—前轴伸；8—-后轴伸；
20—主发电机；21-一辅电机;
22—双向变频器；23-一风机；
24—控制系统；25-一电网；31—转子铁芯； 32—磁钢； 33—补偿励磁绕组；
具体实施方式
请参阅附图所示，对本实用新型作进一步的描述。
如图3所示，本实用新型提供了一种变速恒频双馈永磁风力发电 机系统，包括主发电机20、辅电机21、双向变频器22、控制系统24， 主发电机20的转子、辅电机21的转子和风机23同轴联结，主发电 机20绕组与电网25相连，双向变频器22 —端和辅电机21绕组相连， 另一端和电网25相连。
如图4所示，所述主发电机20包括混合励磁转子1、轴承2、前 端盖3、定子4、机壳5、后端盖6、前轴伸7和后轴伸8;其中
混合励磁转子1前轴伸7和风机23同轴联结，后轴伸8和辅电 机21转子同轴联结。
当风机23以低于同步速运转时，通过前轴伸7驱动混合励磁转 子1旋转，同时在控制系统24的控制下，使得辅电机21通过后轴伸 8驱动混合励磁转子1同方向加速旋转，保持混合励磁转子1为同步 速，此时电网25通过双向变频器22向辅电机21输入电能，辅电机 21运行于电动机状态；
当风机23以同步速运转时，使辅电机21处于空载状态，这样混 合励磁转子1保持同步速，此时辅电机21和双向变频器22之间没有 能量交换；
当风机23以高于同步速运转时，辅电机21运行于发电机状态， 产生制动力矩，通过调节辅电机21的转子励磁电流，保持混合励磁 转子1转速为同步速，此时，辅电机21通过双向变频器22向电网 25反馈电能。
如图5所示，在本实用新型的一个实施例中，转子铁芯31分为两段， 一段为永磁体励磁段，磁钢32为表贴式或内嵌式，另一段为 采用补偿励磁绕组33的电励磁段。当永磁体性能存在差异或者磁性 能降低时，通过调节补偿励磁绕组33直流励磁电流的大小和方向来 增磁或者弱磁，确保电机输出电压恒定。
如图6所示，在本实用新型的另一个实施例中，磁钢32为内嵌 式，转子31不分段，补偿励磁绕组33位于磁钢32之间的隔磁桥开 槽中。同样的，当永磁体性能存在差异或者磁性能降低时，通过调节 补偿励磁绕组33电流的大小和方向来增磁或者弱磁，确保电机输出 电压恒定。
权利要求1、一种变速恒频双馈永磁风力发电机系统，包括主永磁同步风力发电机、辅助电励磁同步电机、双向变频器、控制系统，其特征在于主永磁同步发电机转子、辅助电励磁同步电机转子和风机同轴联结，主永磁同步发电机绕组与电网相连，双向变频器一端和辅助同步电机绕组相连，另一端和电网相连。
2、 按权利要求1所述的变速恒频双馈永磁风力发电机系统，其特征在于所述主永磁同步风力发电机包括混合励磁转子、定子、轴承、前 端盖、后端盖、前轴伸和后轴伸；其中所述前轴伸和风机同轴联结，所述后轴伸和辅助电励磁同步电机 转子同轴联结。
专利摘要一种变速恒频双馈永磁风力发电机系统，包括主永磁同步风力发电机、辅助同步电机、双向变频器、控制系统，主永磁同步风力发电机主要由定子、混合励磁转子及其附属零部件组成，所述混合励磁转子由永磁体、转子铁芯和励磁补偿绕组构成，所述辅助同步电机采用绕线转子结构。本实用新型的优点是通过辅助同步电机的电动机、空载、发电机等不同运行状态，可以维持系统转速为同步速，通过调节转子补偿绕组励磁电流的大小和方向，产生增磁或者去磁的效果，可以补偿因永磁体性能不一致或性能下降带来的影响。这样，在风机转速变化时，能够维持主永磁同步风力发电机具有恒频恒压的输出性能，可以直接与电网并网。
文档编号H02K21/00GK201374630SQ20092006871
公开日2009年12月30日 申请日期2009年3月12日 优先权日2009年3月12日
发明者施进浩, 力 王, 郑文鹏, 龚春雨 申请人:中国电子科技集团公司第二十一研究所