一种双馈风力发电机及其发电系统

1.本发明涉及新能源发电技术领域，尤其涉及一种双馈风力发电机及其发电系统。


背景技术：

2.双馈风力发电机定子和电网相连可以实现柔性并网发电，并且转子励磁容量仅为发电机容量的三分之一，和同容量的永磁同步发电机相比，励磁容量显著减小。双馈风力发电机转子采用绕线结构，转子绕组与能量可以双向流动的转子侧变流器连接，通过调整绕线转子中通入电流的幅值、频率、相位等参数，可以方便调节发电机的运行工况，在风速变化时和电网故障期间，维持发电机定子侧与电网的稳定连接，即实现变速恒频双馈并网运行。正是由于以上优点双馈风力发电机目前已成为风力发电系统的主流发电机型。
3.当前风力发电量不断增大的需求促使风力发电机的单机容量也不断扩大，风力发电系统并网的容量增长迅速，这无疑给电网的稳定运行带来一定的挑战。风力发电必须符合相关部门规定的并网条件，才允许并网运行。双馈风力发电机低电压穿越问题是并网技术研究中的热点，相关学者提出了许多低电压穿越技术，但是，这些低电压穿越技术中大多数控制系统复杂，算法在工程实际中难于实现。
4.综上所述，在现代化的智能电网应用背景下，双馈风力发电机低电压穿越问题的解决，仅仅从控制策略这个维度进行提高，收到的效果有限。


技术实现要素：

5.针对提高双馈风力发电机低电压穿越技术效果有限的问题，本发明提出了一种从本体结构设计上进行改进可以提升发电量和发电效率，提高并网运行的稳定性，同时提高发电机低电压穿越能力、可灵活调节发电量的双馈风力发电机。
6.本发明提出了一种双馈风力发电机，包括机壳，所述机壳内设有转轴，所述机壳内还设有内双馈组件及外双馈组件，所述内双馈组件包括内定子和内绕线转子，内定子设于所述转轴的外侧，内绕线转子设于所述内定子的外侧，内定子与内绕线转子之间设有第一气隙；所述外双馈组件包括外定子和外绕线转子，外绕线转子设于所述内绕线转子的外侧，外定子设于所述外绕线转子的外侧，外定子与外绕线转子之间设有第二气隙；所述内绕线转子和所述外绕线转子之间设有隔磁环；所述内绕线转子包括内绕线转子铁芯和内绕线转子绕组，所述外绕线转子包括外绕线转子铁芯和外绕线转子绕组，所述内定子包括内定子铁芯和内定子绕组，所述外定子包括外定子铁芯和外定子绕组；所述外绕线转子绕组和内绕线转子绕组并联连接后依次连接有电刷和滑环。
7.进一步地，所述外定子绕组、外绕线转子绕组、内绕线转子绕组和内定子绕组均为三相交流绕组。
8.进一步地，所述外定子绕组极数、所述外绕线转子绕组极数、所述内绕线转子绕组极数和所述内定子绕组极数均相同。
9.进一步地，所述外定子绕组和内定子绕组分别连接有电网。
10.进一步地，所述内绕线转子绕组和外绕线转子绕组通过电刷和滑环连接有发电机侧变流器。
11.进一步地，所述第一气隙和所述第二气隙均为气隙磁密正弦型分布。
12.进一步地，所述内定子铁芯、外定子铁芯、内绕线转子铁芯、外绕线转子铁芯均采用导磁材料，所述隔磁环、转轴采用非导磁材料。
13.进一步地，所述机壳设有第一端盖和第二端盖，所述内绕线转子和外绕线转子通过绕线转子支架与转轴固定连接，所述内定子通过内定子支架与第二端盖固定连接，所述外定子固设于所述机壳的内壁。
14.进一步地，所述转轴与所述机壳通过轴承连接，所述转轴靠近第二端盖的一端延伸出机壳并在其端部设有风轮，风轮与所述第二端盖之间设有所述电刷和滑环。
15.一种发电系统，包括上述所述的双馈风力发电机及发电机侧变流器和网侧变流器；所述双馈风力发电机的外定子绕组和内定子绕组分别连接电网；双馈风力发电机的外绕线转子绕组和内绕线转子绕组依次通过发电机侧变流器和网侧变流器与电网连接。
16.本发明具有的有益效果为：首先，由于单个双馈风力发电机的变流器容量为发电机容量的三分之一左右，本技术的双定子双馈风力发电机，由于采用内绕线转子和外绕线转子并联，满足内外两个电机极对数相同的条件下，所需变流器容量为内外定子发电容量总和的三分之一左右，最大化利用了一套滑环和电刷结构，提升总的发电量。在电网故障期间，发电量的提升对于发电机故障期间并网运行能力和电网电压的快速恢复都有极大的提高。
17.其次，由于采用外绕线转子、内绕线转子结构，转子励磁容量可调节范围增大，外绕线转子绕组和内绕线转子绕组并联后分别与发电机侧变流器相连接，对发电机侧变流器电流的频率、幅值和相位进行调节，调节后的电流分别通入外绕线转子绕组和内绕线转子绕组，使得通入绕线转子中的电流发生变化，这样可以适应随机变化的风速，很容易实现风能的最大功率跟踪。特别是在电网出现各种故障情况下，发电机的低电压穿越运行能力进一步增强，表现在电网故障状态下转子输出励磁能力的增大缩短了电网电压恢复时间。
18.正因为双馈风力发电机通过发电机侧变流器和网侧变流器与电网相连，根据发电系统的工况，发电机侧变流器和网侧变流器电流可以双向流动，本发明外绕线转子绕组、内绕线转子绕组与发电机侧变流器相连，所以能量的双向流动、电流的变化控制起来就更加方便和灵活。
19.而且，正常运行时捕获的风能更多，发电机单机发电容量得到较大提高，当电网发生故障情况下，由于存在相对独立的内绕线转子和外绕线转子由同一台变流器供电，电机故障下的控制策略进一步简化，便于工程实际运用。
附图说明
20.图1为双馈风力发电机整体结构示意图；图2为双馈风力发电机剖面结构示意图；图3为双馈风力发电机转子绕组并联连接示意图；图4为应用双馈风力发电机的发电系统整体示意图。
21.图中标号：1、机壳；2、外定子；3、外定子绕组；4、外绕线转子；5、外绕线转子绕组；6、第一气隙；7、绕线转子支架；8、内绕线转子绕组；9、第二气隙；10、内定子支架；11、内定子；12、内定子绕组；13、第一端盖；14、第二端盖；15、转轴；16、轴承；17、电刷；18、滑环；19、风轮；20、隔磁环；21、发电机侧变流器；22、网侧变流器；23、电网；24、双馈风力发电机；25、内绕线转子。
具体实施方式
22.为了使本发明更为清楚、明白，以下结合附图说明和实施例，对本发明作进一步的详细说明，应当了解，所给出的实施例仅仅为实现方式的一种，并不代表所有实施例。
23.实施例一结合图1-3，本实施例提供了一种双馈风力发电机，包括机壳1，机壳1内设有转轴15、内双馈组件及外双馈组件，内双馈组件包括内定子11和内绕线转子25，内定子11设于转轴15的外侧，内绕线转子25设于内定子11的外侧，内定子11与内绕线转子25之间设有第一气隙6；外双馈组件包括外定子2和外绕线转子4，外绕线转子4设于内绕线转子25的外侧，外定子2设于外绕线转子4的外侧，外定子2与外绕线转子4之间设有第二气隙9；内绕线转子25和外绕线转子4之间设有隔磁环20。内绕线转子25包括内绕线转子铁芯和内绕线转子绕组8，外绕线转子4包括外绕线转子铁芯和外绕线转子绕组5，内定子11包括内定子铁芯和内定子绕组12，外定子2包括外定子铁芯和外定子绕组3。
24.具体地，外定子绕组3、外绕线转子绕组5、内绕线转子绕组8和内定子绕组12均为三相交流绕组。外定子绕组3极数、外绕线转子绕组5极数、内绕线转子绕组8极数和内定子绕组12极数均相同。
25.外定子绕组3和内定子绕组12输出的合成电能直接输送到电网23。
26.外绕线转子绕组5和内绕线转子绕组8并联连接后依次连接有电刷17和滑环18，内绕线转子绕组8和外绕线转子绕组5通过电刷17和滑环18连接有发电机侧变流器21，可以通过控制发电机侧变流器21输出电流的幅值、相位和频率，来方便灵活地同时调整绕外绕线转子绕组5和内绕线转子绕组8中电流。特别是在电网出现各种故障情况下，发电机的低电压穿越运行能力进一步增强，表现在电网故障状态下转子输出励磁能力的增大缩短了电网电压恢复时间。
27.具体地，本实施例的双定子双馈风力发电机24，由于采用双绕线转子并联，满足内外两个电机极对数相同的条件下，所需变流器容量为内外定子发电容量总和的三分之一左右，最大化利用了一套滑环18和电刷17结构，提升总的发电量。在电网故障期间，发电量的提升对于发电机故障期间并网运行能力和电网电压的快速恢复都有极大的提高。
28.具体地，内绕线转子25和外绕线转子4之间设有的隔磁环20使得转子铁芯轭部的厚度可以加工的很薄，从而提高发电机的运行效率和转矩密度，再者使外绕线转子绕组5和内绕线转子绕组8之间的磁路互相不受影响。第一气隙6、第二气隙9采用磁密正弦型分布，能够保证外定子绕组3和内定子绕组12电势呈正弦分布。
29.具体地，外定子铁芯、绕线转子铁芯和内定子铁芯由硅钢叠片或其他导磁材料构成，与普通电机制造工艺相同。隔磁环20采用非导磁材料制作。
30.本实施例机壳1设有第一端盖13和第二端盖14，内绕线转子25和外绕线转子4通过
绕线转子支架7与转轴15固定连接。具体地，绕线转子支架7两端的圆周面位置分别靠近第一端盖13内表面和第二端盖14内表面设置，靠近第二端盖14内表面的绕线转子支架7的圆周面开口，靠近第一端盖13内表面的绕线转子支架7的圆周面被转轴15穿过并与其固定连接。内定子11通过内定子支架10与第二端盖14固定连接，内定子支架10为管状体支架，内定子11固设于内定子支架10的内侧壁上，内定子支架10的一端部靠近绕线转子支架7的圆周面内壁设置，管状体支架的另一端部延伸至第二端盖14内壁上并与之固定连接。外定子2固设于机壳1的内壁。转轴15与机壳1通过轴承16连接，转轴15靠近第二端盖14的一端延伸出机壳1并在其端部设有风轮19，风轮19与第二端盖14之间设有电刷17和滑环18。
31.实施例二本实施例提供了一种发电系统，包括上述实施例1中的双馈风力发电机24及发电机侧变流器21、网侧变流器22；双馈风力发电机24的外定子绕组3和内定子绕组12分别连接电网23；双馈风力发电机25的外绕线转子绕组5和内绕线转子绕组8依次通过发电机侧变流器21和网侧变流器22与电网23连接。
32.双馈风力发电机24的并网运行如图4所示，在风能的驱动下，外绕线转子绕组5和内绕线转子绕组8通过发电机侧变流器21和网侧变流器22与电网23连接获得励磁电流。风轮19拖动绕线转子旋转，由于在外绕线转子绕组5和内绕线转子绕组8中通入了交流励磁电流，所以会在外定子绕组3和内定子绕组12中分别感应出交流电动势，双馈风力发电机24外定子绕组3和内定子绕组12单独与电网23相连，当风速发生变化或者电网出现故障时，可以通过调节网侧变流器22中的电流达到调节外绕线转子绕组5和内绕线转子绕组8中电流的大小、相位或幅值，来实现电机稳定并网运行的目的。
33.具体地，本发明中风力发电系统工作的三种状态分别是：当风速低于额定发电风速时，绕线转子电流产生的磁场的转速与绕线转子的转速相同，发电机侧变流器21为绕线转子提供正相序的励磁电流；当风速高于额定发电风速时，绕线转子电流产生的磁场的转速与转子的转速相反，发电机侧变流器21为绕线转子提供反相序的励磁电流；当风速等于额定发电风速时，绕线转子电流由交流电变为直流电进行励磁。
34.具体地，正因为双馈风力发电机24通过发电机侧变流器21和网侧变流器22与电网23相连，根据发电系统的工况，发电机侧变流器21和网侧变流器22电流可以双向流动，本发明外绕线转子绕组5、内绕线转子绕组8与发电机侧变流器21相连，所以能量的双向流动、电流的变化控制起来就更加方便和灵活。两个定子同时发电，在较小范围的电压波动下，不需要采取保护措施，只有在较大电压波动情况下，才需要采取相应的的控制措施，因此降低了低电压穿越控制策略的复杂程度。
35.本发明双馈风力发电机24并网原理：发电机的外定子绕组3和内定子绕组12分别接三相对称并且频率固定的电网23。外绕线转子绕组5和内绕线转子绕组8并联后分别与发电机侧变流器21相连接，风电系统控制器可以对发电机侧变流器21电流的频率、幅值和相位进行调节，调节后的电流分别通入外绕线转子绕组5和内绕线转子绕组8。
36.当电机正常工作时，定、转子旋转磁场在空间上相对静止，均为同步转速n1，此时需要满足下述公式：n1=n2+nr和f1=f2+nrp/60 从上述公式可知，双馈风力发电机24风轮19转动带动转子旋转，当风速发生改变时，转子转速nr也会发生变化，此时，通过调节转子电流频率f2，才能保持发电机的外定子2
和内定子11输出电压频率f1维持不变。这就是本实施例双馈风力发电机24在变风速条件下的能够维持高效并网发电的基本原理。由于电网发生故障时通常导致并网处的电压下降，本发明双馈风力发电机24由于采用了外绕线转子绕组5和内绕线转子绕组8两个转子，外定子2和内定子11两个定子，发电量的提升，电网故障期间对电网电压的恢复比较有利。
37.以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种双馈风力发电机，包括机壳（1），所述机壳（1）内设有转轴（15），其特征在于：所述机壳（1）还设有内双馈组件及外双馈组件，所述内双馈组件包括内定子（11）和内绕线转子（25），内定子（11）设于所述转轴（15）的外侧，内绕线转子（25）设于所述内定子（11）的外侧，内定子（11）与内绕线转子（25）之间设有第一气隙（6）；所述外双馈组件包括外定子（2）和外绕线转子（4），外绕线转子（4）设于所述内绕线转子（25）的外侧，外定子（2）设于所述外绕线转子（4）的外侧，外定子（2）与外绕线转子（4）之间设有第二气隙（9）；所述内绕线转子（25）和所述外绕线转子（4）之间设有隔磁环（20）；所述内绕线转子（25）包括内绕线转子铁芯和内绕线转子绕组（8），所述外绕线转子（4）包括外绕线转子铁芯和外绕线转子绕组（5），所述内定子（11）包括内定子铁芯和内定子绕组（12），所述外定子（2）包括外定子铁芯和外定子绕组（3）；所述外绕线转子绕组（5）和内绕线转子绕组（8）并联连接后依次连接有电刷（17）和滑环（18）。2.根据权利要求1所述的一种双馈风力发电机，其特征在于：所述外定子绕组（3）、外绕线转子绕组（5）、内绕线转子绕组（8）和内定子绕组（12）均为三相交流绕组。3.根据权利要求2所述的一种双馈风力发电机，其特征在于：所述外定子绕组（3）极数、所述外绕线转子绕组（5）极数、所述内绕线转子绕组（8）极数和所述内定子绕组（12）极数均相同。4.根据权利要求3所述的一种双馈风力发电机，其特征在于：所述外定子绕组（3）和内定子绕组（12）分别连接有电网（23）。5.根据权利要求4所述的一种双馈风力发电机，其特征在于：所述内绕线转子绕组（8）和外绕线转子绕组（5）通过电刷（17）和滑环（18）连接有发电机侧变流器（21）。6.根据权利要求1所述的一种双馈风力发电机，其特征在于：所述第一气隙（6）和所述第二气隙（9）均为气隙磁密正弦型分布。7.根据权利要求1所述的一种双馈风力发电机，其特征在于：所述内定子铁芯、外定子铁芯、内绕线转子铁芯和外绕线转子铁芯均采用导磁材料，所述隔磁环（20）、转轴（15）采用非导磁材料。8.根据权利要求1所述的一种双馈风力发电机，其特征在于：所述机壳（1）设有第一端盖（13）和第二端盖（14），所述内绕线转子（25）和外绕线转子（4）通过绕线转子支架（7）与转轴（15）固定连接，所述内定子（11）通过内定子支架（10）与第二端盖（14）固定连接，所述外定子（2）固设于所述机壳（1）的内壁。9.根据权利要求8所述的一种双馈风力发电机，其特征在于：所述转轴（15）与所述机壳（1）通过轴承（16）连接，所述转轴（15）靠近第二端盖（14）的一端延伸出机壳（1）并在其端部设有风轮（19），风轮（19）与所述第二端盖（14）之间设有所述电刷（17）和滑环（18）。10.一种发电系统，其特征在于，包括上述权利要求1-9任一所述的双馈风力发电机（24）及发电机侧变流器（21）和网侧变流器（22）；所述双馈风力发电机（24）的外定子绕组（3）和内定子绕组（12）分别连接电网（23）；双馈风力发电机（24）的外绕线转子绕组（5）和内绕线转子绕组（8）依次通过发电机侧变流器（21）和网侧变流器（22）与电网（23）连接。

技术总结
本发明涉及新能源发电技术领域，提供了一种双馈风力发电机及其发电系统，双馈风力发电机包括机壳，机壳内设有转轴、内双馈组件及外双馈组件，内双馈组件包括内定子和内绕线转子，内定子设于所述转轴的外侧，内绕线转子设于内定子的外侧，内定子与内绕线转子之间设有第一气隙；外双馈组件包括外定子和外绕线转子，外绕线转子设于内绕线转子的外侧，外定子设于外绕线转子的外侧，外定子与外绕线转子之间设有第二气隙。一种发电系统包括上述的双馈风力发电机及发电机侧变流器和网侧变流器。采用这种双馈风力发电机及发电系统可以提升发电量和发电效率，提高并网运行的稳定性，同时提高发电机低电压穿越能力、可灵活调节发电量。量。量。


技术研发人员：刁统山 岳彩江 伊庆轩 王艳 杨敏
受保护的技术使用者：齐鲁工业大学（山东省科学院）
技术研发日：2023.08.29
技术公布日：2023/10/8