本發(fā)明涉及風力發(fā)電設備領域，尤其涉及一種能夠實現(xiàn)變速恒頻運行的場調制雙定子無刷雙饋風力發(fā)電機。

背景技術：

風力發(fā)電作為解決能源危機和環(huán)境污染問題的有效途徑，在世界范圍內得到快速發(fā)展，我國的風力發(fā)電也正在進入一個快速發(fā)展時期。風力發(fā)電機組一般采用同步或感應發(fā)電機，并網型的風力發(fā)電機組要求發(fā)電機的輸出頻率與電網頻率一致，由于傳統(tǒng)的同步或感應發(fā)電機不能實現(xiàn)變速恒頻運行，風能的利用率比較低。因而能克服上述缺點的變速恒頻風力發(fā)電機近年來發(fā)展迅速，目前主要有雙饋異步風力發(fā)電機和直驅型永磁同步風力發(fā)電機。其中雙饋異步發(fā)電機工作在一個有限的轉速范圍內，轉子側功率變換器只需提供轉差功率，約為發(fā)電機額定功率的20％～30％，極大的降低了成本，是目前應用最廣的風力發(fā)電機。但這種發(fā)電機的缺點也相當明顯：由于存在主繞組和勵磁繞組，同容量電機的體積較大，效率也較低；發(fā)電機的極對數(shù)受體積限制不能過多，風機與發(fā)電機之間必須要用增速齒輪箱，增加了機組的機械損耗，噪音污染以及維護工作量；轉子上存在勵磁繞組，需要滑環(huán)和電刷，降低了可靠性，增加了維護工作量。直驅型永磁同步發(fā)電機取消了增速齒輪箱，轉子無繞組，無需滑環(huán)和電刷，提高了可靠性，減少了維修工作量，效率高，但是直驅型永磁同步發(fā)電機本身體積和重量龐大，需要全功率的功率變換器，成本高。

為了取消雙饋感應電機的電刷和滑環(huán)，無刷雙饋風力發(fā)電機成為了國內外學者研究的重點。由于無刷雙饋電機取消了電刷和滑環(huán)，因此有效地提高了風力發(fā)電系統(tǒng)的可靠性，并且保留了傳統(tǒng)有刷雙饋發(fā)電系統(tǒng)的采用部分功率變換器、成本較低的優(yōu)點。但無刷雙饋電機的轉子結構復雜，制造困難。

近年來，磁齒輪技術發(fā)展迅速，出現(xiàn)了一種磁齒輪外轉子永磁無刷風力發(fā)電機，可以大大降低永磁同步電機的極對數(shù)，減小發(fā)電機的體積，但也增加了發(fā)電機的結構復雜度，且同樣需要全功率變換器，成本很高。磁齒輪的永磁體利用率低，永磁材料的用量大，進一步增加了成本。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術存在的上述缺陷，提出一種變速恒頻的場調制雙定子無刷雙饋電機。

本發(fā)明解決其技術問題是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

一種場調制雙定子無刷雙饋風力發(fā)電機，包括機座(1)、外定子(2)、轉子(3)、內定子(4)、轉軸(5)、磁障(33)和內定子支座(41)，所述內定子支座(41)安裝在機座(1)的端蓋(11)上，所述內定子(4)、轉子(3)和外定子(2)依次由內向外設置，所述內定子(4)固定在內定子支座(41)上，所述轉子(3)與轉軸(5)轉動連接，所述外定子(2)安裝在所述機座(1)上；

所述外定子(2)上安裝有功率繞組(21)，所述內定子(4)上安裝有控制繞組(42)，所述功率繞組(21)的極對數(shù)為p極，所述控制繞組(42)的極對數(shù)為q極；其中，p對極的功率繞組(21)直接與電網相連，q對極的控制繞組(42)經交直交功率變換器(8)與電網相連，所述p和q分別為正整數(shù)，且p和q不相等；

所述轉子(3)由環(huán)形硅鋼片疊壓形成，且所述轉子(3)為內置磁障環(huán)形轉子，所述磁障(33)為環(huán)形硅鋼片上開設的扇環(huán)形孔，磁障(33)在環(huán)形硅鋼片上沿圓周向均勻設置。

進一步的，所述轉子(3)一端設有轉子端蓋一(31)，且所述轉子(3)另一端設有轉子端蓋二(32)，所述轉子端蓋一(31)與所述轉軸(5)固定連接，所述轉子端蓋二(32)通過軸承一(61)與內定子支座(41)轉動連接。

進一步的，所述轉軸(5)一端與轉子端蓋一(31)固定連接，轉軸(5)另一端伸出所述機座(1)外，且所述轉軸(5)通過軸承二(6)與機座(1)轉動連接。

進一步的，所述內定子支座(41)為中空管狀結構，所述內定子支座(41)上開設有走線孔(43)。

進一步的，所述磁障(33)的數(shù)量為p+q，且磁障(33)扇環(huán)的圓弧寬度為π/(p+q)弧度。

進一步的，所述轉子(3)的轉速由控制繞組(42)的供電頻率決定，通過改變控制繞組(42)的供電頻率，可實現(xiàn)風力機(7)的最大功率點跟蹤控制和變速橫頻運行。

進一步的，所述交直交功率變換器(8)的容量為發(fā)電機容量的一部分并與發(fā)電機變速運行范圍有關，該功率為下列兩個功率中的較大值：交直交功率變換器功率＝發(fā)電機容量×(額定速度－最低運行速度)÷額定速度；交直交功率變換器功率＝發(fā)電機容量×(最高運行速度－額定速度)÷額定速度。

本發(fā)明的有益效果為：

1.在環(huán)形轉子上開孔，使其形成磁障并具有磁場調制作用，使得不同極對數(shù)的功率繞組(p對極)和控制繞組(q對極)僅能夠通過轉子耦合作用，實現(xiàn)無刷雙饋，且去除了電刷和滑環(huán)，提高了可靠性，減小了維護工作量。

2.場調制雙定子無刷雙饋風力發(fā)電機功率繞組與電網直接連接，交直交功率變換器連接至控制繞組以提供控制電流，根據轉子轉速的改變，調整控制繞組的頻率，為功率繞組提供恒定轉速的勵磁磁場，實現(xiàn)變速恒頻運行。交直交功率變換器的容量根據發(fā)電機的調速范圍而定，一般只有發(fā)電機額定容量的20％～30％，本發(fā)電機無需使用等同于發(fā)電系統(tǒng)額定容量的功率變換器，有利于降低成本。

3.本發(fā)明無需電刷和滑環(huán)，提高了可靠性和減少了維護工作量。且轉子結構簡單，便于加工制造，同時使用部分功率的功率變化器，降低了成本，使發(fā)電機在較大范圍內變速恒頻運行。

附圖說明

圖1是本發(fā)明場調制雙定子無刷雙饋風力發(fā)電機的橫向截面圖；

圖2是本發(fā)明場調制雙定子無刷雙饋風力發(fā)電機的縱向剖視圖；

圖3是本發(fā)明場調制雙定子無刷雙饋風力發(fā)電機的并網示意圖；

圖4是本發(fā)明場調制雙定子無刷雙饋風力發(fā)電機的功率傳遞示意圖。

附圖標記說明

1-機座、2-外定子、3-轉子、4-內定子、5-轉軸、6-軸承二、7-風力機、8-交直交功率變換器、11-端蓋、21-功率繞組、31-轉子端蓋一、32-轉子端蓋二、33-磁障、41-內定子支座、42-控制繞組、43-走線孔、61-軸承一。

具體實施方式

下面通過具體實施例對本發(fā)明作進一步詳述，以下實施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍。

如圖1和圖2所示，一種場調制雙定子無刷雙饋風力發(fā)電機，包括機座1、外定子2、轉子3、內定子4、轉軸5、磁障33和內定子支座41，內定子支座41安裝在機座1的端蓋11上，為內定子4的固定提供支撐。內定子支座41為中空管狀結構，并在內定子支座41上開有導線孔43，以便控制繞組42能夠連接到機座1外。內定子4、轉子3和外定子2依次由內向外設置，內定子4固定在內定子支座41上，轉子3與轉軸5轉動連接，外定子2安裝在機座1上。

外定子2上安裝有功率繞組21，用于發(fā)電。內定子4上安裝有控制繞組42，用于最大功率點跟蹤控制。功率繞組21的極對數(shù)為p極，控制繞組42的極對數(shù)為q極。其中，p對極的功率繞組21直接與電網相連，q對極的控制繞組42經交直交功率變換器8與電網相連。p和q分別為正整數(shù)，且p和q不相等，功率繞組(21)和控制繞組(42)的磁場不存在直接耦合；控制繞組42產生的磁場不能直接用于功率繞組21勵磁，通過轉子3的極數(shù)轉換作用，調制出功率繞組21需要的勵磁磁場，實現(xiàn)間接耦合。

轉子3由環(huán)形硅鋼片疊壓形成，轉子3為開有扇環(huán)形孔的內置磁障環(huán)形轉子，起“極對數(shù)轉換器”的場調制作用，實現(xiàn)功率繞組21與控制繞組42的間接耦合，并與風力機通過轉軸相連。扇環(huán)形孔為磁障33，且磁障33在環(huán)形硅鋼片上沿圓周向均勻設置，用以改變磁路的磁障，實現(xiàn)極對數(shù)的轉換，以產生功率繞組21與控制繞組42需要的勵磁磁場。扇環(huán)形孔的圓弧寬度為π/(p+q)弧度，為提高轉子3的機械強度，也可在扇環(huán)孔中填充不導電不導磁的材料。扇環(huán)形孔數(shù)量等于功率繞組21與控制繞組42極對數(shù)之和，為p+q。轉子3與風力機7相連，通過控制轉子3的轉速，實現(xiàn)風力機7的最大功率點跟蹤。

轉子3一端設有轉子端蓋一31，另一端設有轉子端蓋二32。轉子端蓋一31與轉軸5固定連接，可與轉軸5一起旋轉。轉子端蓋二32通過軸承一61與內定子支座41轉動連接，為轉子3提供支撐，以提高可靠性。轉軸5一端與轉子端蓋一31固定連接，轉軸5另一端伸出機座1外，且轉軸5通過軸承二6與機座1轉動連接。

轉子3的轉速，即風力機7的轉速由控制繞組42的供電頻率決定，且與功率繞組21和控制繞組42的極對數(shù)有關。通過改變控制繞組42的供電頻率，可實現(xiàn)風力機7的最大功率點跟蹤控制和變速橫頻運行。

控制繞組42通過交直交功率變換器與電網相連，交直交功率變換器8的容量為發(fā)電機容量的一部分并與發(fā)電機變速運行范圍有關，該功率為下列兩個功率中的較大值：交直交功率變換器功率＝發(fā)電機容量×(額定速度－最低運行速度)÷額定速度；交直交功率變換器功率＝發(fā)電機容量×(最高運行速度－額定速度)÷額定速度。

如圖3所示，轉軸5與風力機7連接，轉子3固定在轉軸5上，用于傳遞來自風力機7的功率和能量。通過轉子3上磁障33數(shù)量與尺寸的合理設計，改變磁路，實現(xiàn)功率繞組21與控制繞組42磁場的間接耦合，為轉子3提供穩(wěn)定的電磁轉矩。

本發(fā)明場調制雙定子無刷雙饋風力發(fā)電機轉子3的轉速n_L與功率繞組21和控制繞組42中電流的頻率f_p和f_c滿足關系：n_L＝60(f_p±f_c)/(p+q)。由于電網頻率f_p固定，調節(jié)控制繞組42中電流的頻率，就可實現(xiàn)該發(fā)電機的變速恒壓恒頻發(fā)電。而且通過控制交直交功率變換器改變控制繞組42中電流的頻率、大小和相位，還可以實現(xiàn)有功和無功功率的靈活調節(jié)。

如圖4所示，圖中的T_L為風力機7傳遞到轉子3的輸入轉矩；T_p為功率繞組21磁場對轉子3的制動轉矩；T_c為控制繞組磁場對轉子3的制動轉矩；ω_L為轉子3的旋轉角速度，即風力機7的旋轉角速度；ω_p為功率繞組21產生磁場的旋轉角速度；ω_c為控制繞組42產生磁場的旋轉角速度；ω_pc為功率繞組21經轉子3調制作用后產生的q對極磁場的旋轉角速度；ω_cp為控制繞組42經轉子3調制作用后產生的p對極磁場的的旋轉角速度。風力機8經由轉軸5傳遞給轉子3的機械功率為P_L＝T_Lω_L，功率繞組21輸送到電網的功率為P_P＝T_pω_p，控制繞組42輸送到電網的功率為P_c＝T_cω_c。

本發(fā)明的場調制雙定子無刷雙饋風力發(fā)電機借鑒了同軸磁齒輪的場調制原理，以簡化傳統(tǒng)無刷雙饋風力發(fā)電機的轉子結構，降低制造難度。結合同軸磁齒輪的工作原理，該發(fā)電機的工作原理如下：風力機7把風能轉換成機械能，通過轉軸5傳遞給轉子3，使得轉子3旋轉角速度為ω_L，只需通過交直交功率變換器8調整控制繞組電流頻率，使得控制磁場旋轉角速度ω_c滿足：(ω_p-ω_L)/(ω_c-ω_L)＝-q/p，則控制繞組42經轉子3調制后產生的p對極磁場在功率繞組21上感應出與電網頻率相等的反電勢，即ω_cp＝ω_p，則并入電網后發(fā)電機即可實現(xiàn)變速恒頻發(fā)電，此時ω_pc＝ω_c。

本發(fā)明的場調制雙定子無刷雙饋風力發(fā)電機定義控制繞組42通直流電(f_c＝0)時的轉子3的轉速為同步轉速ω_L0，當風速較快，ω_L>ω_L0時，控制繞組42的相序與功率繞組相同，此時控制繞組42輸出功率，做發(fā)電運行；當風速較慢，ω_L<ω_L0時，控制繞組42的相序與功率繞組21相反，此時控制繞組42輸入功率，做電動運行；當ω_L＝ω_L0時，f_c＝0，此時控制繞組42通入直流電，控制繞組42提供的能量僅用于銅耗和鐵耗。

本發(fā)明的場調制雙定子無刷雙饋風力發(fā)電機定義轉差率為：s＝(ω_L-ω_L0)/ω_L0＝f_c/f_p，控制繞組42輸送到電網的功率與功率繞組21輸送到電網的功率的關系為：P_c＝sP_P。則超同步運行時，s為正，風力機7的機械功率大部分通過功率繞組21輸送到電網，小部分通過控制繞組42經功率變換器送往電網；亞同步運行時，s為負，控制繞組42通過功率變換器從電網吸收電能，吸收的電功率與風力機7的機械功率一起傳遞到功率繞組21，輸送給電網。場調制雙定子無刷雙饋風力發(fā)電機的效率為η，風力機7輸入的機械能與電網之間的能量傳遞關系為P_L＝(P_P+P_c)/η＝(1+s)P_P/η。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。