[发明专利]多级变速风力发电装置

说明书

本发明涉及风力发电中电能的频率控制和风机转速选择及相应机构，特别 是多台发电机的组合与布置、发电机的转子转速和输入转子绕组的电流对发电 机所发出的电能频率的影响等。

背景技术：

在风力发电中，一般采用“恒速恒频”和“变速恒频”2种典型 的方法来实现输出频率恒定的电能。“恒速恒频”指在风力发电过程中，保持风 机叶轮转速和发电机主轴转速始终不变，从而使风力发电机发出频率恒定的电 能；“变速恒频”指在风力发电过程中，风机叶轮转速和发电机的转速可随风速 的变化而变化，并通过其他控制方法直接或间接地来保持电能频率的恒定。

“恒速恒频”风力发电装置成本低，所采用的技术相对简单、成熟，但只 有当风速为某一特定值时，风能利用率才能最大，风速越偏离该特定值风能利 用率就越低，由于风速是变化不定的，因此“恒速恒频”方式总的风能利用率 是很低的；“变速恒频”风力发电装置的特点是当风速发生变化时，风轮及发电 机的转速可在很大范围内变化而输出的电能频率始终保持不变，因此，理论上 不管在哪个风速值，都可以通过适当的控制，使风轮转速调整到与该风速相对 应的最佳特定值，从而最大限度地利用风能，但技术复杂，成本较高。

发明内容：

本发明的目的在于通过电机组合、机械变速、改变电机极对数等方法，实 现风速变化时风力机在多级风轮转速下能输出恒定频率电能，达到提高风能利 用率和电机效率、降低变速箱机械增速比等目的。

附图1是本发明的原理示意图之一。

本发明“多级变速”风力发电装置的核心机构主要由3部分组成(如图1 所示)：发电机1和发电机2；控制系统；变速机。其中，大功率发电机2(简 称发电机2)的定子绕组和电网连接，向电网输送频率为f_t的工频电流，而转子 绕组经控制系统和小功率发电机1(简称发电机1)的定子绕组相连。

本发明的目的通过以下技术方案实现：大功率发电机2只有在风速较大(风 机输入功率较大)时才和变速机联上，由变速机输入转速和功率并运行。根据 电机特性发电机2输出的电流频率不仅和转子的机械转速有关，还和输入转子 绕组的电流频率有关，具有将转子的机械旋转频率和转子绕组电路的电流频率 “相加”的功能，其定子绕组输出“频率相加”后的电流，这一特点简称为“合 频”特性。

小功率发电机1其额定功率约为发电机2额定功率的1/4，其电机极对数一 般可以变化。当风速较小时，变速机只带动发电机1工作，发电机2脱开与变 速机的连接且停止工作，发电机1发出的电流经控制系统切换，直接输到电网 或其他电路，提高了发电机发电效率，延长了大功率发电机2的寿命；当风速 较大(风机输入功率较大)时，2台发电机经变速机带动都发电工作，且发电机 1发出的电流经控制系统输入到发电机2的转子绕组电路进行“合频”，结合变 速机机械变速、改变电机极对数等方法，使风力发电装置输出的电流频率仍保 持电网频率。

控制系统主要起到电流切换、改变电机极对数、控制发电机1输向发电机2 的电流频率等参数、控制发电机2转子电路电阻值等作用。改变电阻值可控制 电机的滑差率，使得风速及风轮转速在小范围变化时发电机发出的电流频率仍 保持恒定。

变速机有别于传统风力发电机中使用的齿轮增速箱，它是低速比变速箱， 既能增速又能变速，可根据风速大小选择输出转速，且齿轮转速较低，降低了 润滑要求，减少了维护费用。

根据“合频”特性，在图1两台电机组合发电中，发电机2定子绕组输出 的电流频率f_t、发电机1定子绕组输出的电流频率f₁(f₁＝P₁×f_n1)及电机转 子的机械旋转频率应符合如下关系：

f_t＝P₂×f_n2+P₁×f_n1(式-1)

其中，f_t为发电机2定子绕组输出的电流频率，与电网频率相同；

P₂为发电机2的极对数；

f_n2为发电机2的转子机械旋转频率；

P₁为发电机1的极对数；

f_n1为发电机1的转子机械旋转频率。