專利名稱：發電機的制作方法
發電機
背景技術：
一段時期以來，異步或感應發電機一直作為通過風力渦輪機進行發電的基礎技 術。它們具有吸引力的原因在于其結構相對簡單、造價相對低廉且設備堅固耐用。眾所周 知，目前存在多種不同類型的感應發電機，但它們的基本工作原理都是相同的原動機(如 渦輪機葉片)提供機械動力驅動轉子旋轉，轉子在定子一次激勵繞組附近進行旋轉。要想 成為發電機，驅動轉子旋轉的速度就必須高于(但僅僅是稍高于)轉子的同步轉速，也就是 說，轉子必須以稍高于激勵狀態下定子繞組產生的磁場的旋轉頻率的頻率進行轉動(即所 謂的“負轉差率”情況)。在感應發電機的一般類別中，可以采用不同的具體結構以及定子繞組激勵方式。 有一種特定結構采用了所謂的“鼠籠式”轉子，其中包括許多根圍繞一條縱向軸線平行排 列、通過環形帽實現電路連接并形成一個鼓形轉子的(一般為鋁制或銅制)棒。該鼠籠通 常采用一個鐵芯并在定子內部進行旋轉。定子繞組必須進行激勵，才能使該裝置產生電力。這可通過外電源激勵或自激勵 來實現。在(用于為電網發電的)風力渦輪機中，電網本身可以直接或間接地為定子繞組 提供電力。由電網對繞組進行直接激勵的優點是，能夠以電網強加的頻率和電壓進行發電。 然而，這還要求渦輪機轉速必須與電網頻率相關聯，這樣一來，除在某個很窄的風速范圍之 外，發電機的效率或多或少地比較低。有人提出用機械變速箱來減輕這一缺點，但是，機械 變速箱噪聲較大、結構復雜、成本較高且導致總體質量加大。此外，一旦原動機驅動發電機 超過其發電轉速，它就會停止發電并將停止阻遏原動機的運動；這反過來又會導致超速和 自毀。專利W0-A-94/03970探究了這一問題，但是，它要求采用成本高的定制繞線式轉子感 應電動機，而非上述更簡單、更便宜的鼠籠式感應電動機。除來自電網的直接三相連接之外，也可采用一套電子系統，以可變電壓和頻率為 定子繞組供應三相電力，從而使渦輪機/發電機組合裝置能在較大的風速范圍內以最大 效率提取電力例如，可參見Morgan and Claypool出版社出版的Blaabjerg所著“Power electronics for modern wind turbines ( iHftM力力) ” 一$。雖然與上述與電網直接相連的裝置相比，這種裝置的確能提供高得多的靈活性， 但是，它們成本非常高、結構非常復雜且在現場很難進行故障查找和修理。因此，它們不適 用于輸出功率為(例如)IOkW左右、針對民用用途的較小型風力渦輪機。作為定子繞組外部激勵的替代方案，通過提供本機無功電流進行自激勵也是可行 的。提供這種無功電流的最簡單方法是，使發電機在具有適當無功分量(如本機電容器組) 的無源負載下進行工作。自激勵狀態指的是，發電機的串聯總阻抗加上它的負載為零也就 是說，該總阻抗的有功分量和無功分量均為零。隨之，發電機阻抗的電導分量被負載阻抗的 電容所抵消，而發電機的表觀負電阻則等于負載的電阻。盡管自激勵可以不要求進行電網連接，但其不利方面在于，配置為輸出某一特定 電壓的、具有電容負載的感應發電機，卻只能在高于電路總阻抗為零的頻率的一個很窄的 頻帶內進行發電。為此，為持續進行發電，就必須仔細調控原動機頻率。解決這一問題的一種適當裝置如GB-A-405，234所示。不過，這種裝置也存在與上述電網直接連接感應發 電機相同的缺點，即，渦輪機基本上必須以某個固定速度旋轉，因此，要么必須采用機械變 速箱，要么必須采用順槳渦輪機葉片。這種裝置的另一缺點在于，這種自激感應發電機的 輸出電壓會隨著原動機(渦輪機葉片)提供的扭矩而變化，除非采取步驟對其進行調控。 US-A-2006/132, 103和US-A-4，417，194等專利提出了對這種自激感應發電機的電壓和頻 率進行調控的方法。然而，由于需要控制輸入扭矩，這種裝置并不適用于風力渦輪機。例如， 在US-B-6，788，031和US-A-2004/0263110等專利中也提出了其他定子繞組裝置，但是，這 些裝置同樣也存在制造成本和復雜性較高的缺點。原則上，可通過采用一個可變電容器作為發電機無功負載，來改變激勵一個自激 感應發電機所需的無功電流。然而，一臺切實可行的發電機所需的電容大小可達幾十乃至 幾百微法拉，而如此規模的可變電容器是不可行的。針對這一實際問題提出的一種解決方 案是，采用一個可進行有源功率因數校正(APFC)的電子網絡。這取決于如下經驗，即，供給 發電機的無功電流不必是完美正弦曲線，才能使發電機實現自激勵。可以采用三端雙向可 控硅開關元件，在相當于或小于電動力循環周期的時間尺度上對發電機電路內外的電感分 量和無功分量進行開關。這可產生對注入無功電流的有效振幅進行調制的效果，因此其效 果也就類似于改變一個簡單負載電容器的值。US-A-2006/132103和US-A-4，242，628等專 利給出了這種方法的實例。但是，成本和復雜性再次成為問題。US-A-2, 758，272提出了一種不同且更加原始的實現功率因數校正的方法。這里， 感應發電機是與其二次繞組上連接有固定無功負載的飽和變壓器的一次繞組并聯工作的。 通過改變流經變壓器繞組的直流電流，可對磁芯飽和度進行控制，這反過來又能控制和調 節互感，并進而控制和調節一次電路端子上所顯示的二次電抗值。雖然這種方法可以不使 用半導體電力電子元件(因此避免了在較為便宜但穩定性較差的半導體與較為昂貴但穩 定性更強的三端雙向可控硅開關元件之間作出選擇)，但是，適當定制的飽和變壓器的制造 成本和復雜性均較高，這也意味著這種方法不太可行。更早現有技術中的裝置，不是試圖控制多個變量(扭矩、無功電流、電壓和/或 頻率)-例如，可參見上述專利US-A-2006/132103-而是試圖使電壓頻率比保持恒定，如 US-A-2, 922, 895中所述。雖然這也許適合于向感應電動機供應電力，但是它完全不適合于 用風力渦輪機提供電力輸出的情況。
發明內容
根據這一背景，本發明提供了如權利要求1中所述的一種發電機。
背景技術：
中介紹的諸多現有技術，普遍存在成本、復雜性、效率和可靠性中的某個 或多個方面的局限性。大體看來，這些缺點都是我們認為需要控制發電機輸出電壓和/或 頻率的結果，而這需要對無功激勵電流和/或原動機扭矩進行精確調控。本發明的發電機 確認，雖然為了發電的目的(在此情況下，輸出電力或者供應給國家電網，或者用于一般民 用消費)，供電方面也的確需要穩定的電壓和頻率(英國為50Hz和240V ；美國為60Hz和 120V)，對于其他有用的民用應用，穩定的電壓和頻率則不是必須的。特別地，如果發電機 輸出電力只是用于以電阻方式加熱供應熱水，則可絕對地說，供應給電阻性負載的頻率和 電壓并不重要。只要確認電壓和頻率控制對于風力渦輪機的有用運轉而言不是必須的，那么就可以將重點轉向在針對某個特定最大允許渦輪機直徑范圍內，盡量獲得最大可用的風 能。因此，本發明提出的解決方案可以采用以較經濟的方式生產的設備，如廉價、可靠、耐 用、成熟、“現成”、大批量生產的感應發電機，例如標準鼠籠式感應發電機。換言之，與現有技術的裝置相比，本發明的實施方式并不試圖要控制發電機輸出 電壓、發電機電力輸出頻率或原動機扭矩，而是簡單地接受原動機所提供的最大(無論多 大)的扭矩/功率，然后允許電壓和頻率在與渦輪機/發電機組合裝置以最大(或至少是 最優)能量提取效率工作相符的任何值左右進行浮動。這可使基本上全部的可用功率都注 入到負載之中。實際上，風力本身的間歇性意味著，需要控制電壓和頻率的應用本身無論如何都 是不能令人滿意的，也就是說，要么必須配備昂貴低效的電能存儲器，要么必須采用昂貴低 效的電子元件將電力注入國家電網之中。從家庭財務的角度看，需要注意的是，典型家庭能源預算中約有40% (高達50%) 用于為沐浴等用途加熱熱水以及用于中央采暖。作為本發明實施方式中所述方法的副產 品，這一也許只能間歇獲得(視風況而定)的能量可以以熱水的形式存儲起來，而不必用 昂貴得多的電能存儲形式。在這點上，本發明實施方式的發電機更類似于太陽能熱水系統 (直接利用天然能量加熱水，然后供家庭使用)，而現有技術一般采用的方法則涉及對產生 的電壓和頻率進行控制，因此至少在概念層面上更類似于利用天然能量來產生(當然，只 能是直流電)電能的太陽能光伏電池，這種電能隨后必須存儲起來，然后(如果是加熱水的 話)再轉換成熱能。從最一般的角度說，本發明的實施方式無非是讓定子繞組具有固定電抗(電容) 以及固定負載電阻，而在選擇每個分量的數值時，則要確保發電機能在實踐中確定的典型 風速范圍內，以或接近其最大輸出功率而進行工作。在這種情況下，應該注意，我們故意允 許發電機輸出電壓和頻率找到它們自己的水平，而找到最優輸出功率則是首要目的。例如，可對某國某個特定地區的風速中位值進行監測，然后選定在該中位值風速 下可使發電機提供最優輸出功率的電容值和負載電阻器值。就此而言，渦輪機功率與速度 曲線的形狀是較為恰當的它呈現出一個寬廣而相對平坦的高峰，這就是說，發電機在該中 位值兩側相對較寬的風速范圍內以或接近最大輸出功率持續工作。雖然從最一般的角度說，本發明的各方面實現了固定電容和電阻，但在一個優選 實施例中，至少負載的電容，且最好連同電阻，也都是可變的。這可使發電機能在渦輪機承 受的更寬范圍的風速下提供最大或接近最大輸出功率。特別地，為了優化發電機在各種不同風速下所產生的電力，本發明實施方式最好 以各種不同風況下的設計葉尖速比(TSR)進行運轉。這反過來就意味著，渦輪機/發電機 轉速必須基本上隨風速呈線性變化。為此，本發明優選實施例采用了變速傳動。雖然可以 采用機械可變速比變速箱，但是這種設備成本較高且很難可靠地控制。相反，作為本發明優 選實施例裝置的進一步的后果，也可以不采用變速箱，而是通過電動方式并以最小成本實 現靜音變速。這同樣部分地是放棄控制電壓和頻率后的結果。在本發明一個優選實施例中，通過提供可變電容，采用粗調元件實現了這種電動 傳動(變速箱)。特別優選地，還通過提供可變電阻負載實現微調。發電機所承受的電抗的粗調最好通過多個電容器來進行，其中每個電容器均具有固定電容值，且對于這些電容器的不同組合而言，可以相互串聯或并聯方式進行開關，從而 提供多種不同(離散)的電容值。每個電容值提供一個適合在相對有限的風速范圍內獲得 最優發電機輸出功率的電抗值；一旦風速改變并導致給定的電容值不再是最優的，則控制 器將接通一組不同的電容器。在適合每個離散電容值的一定風速范圍內的微調，是通過利用自激感應發電機本 身內在的磁非線性來實現的。同樣，這也不同于現有技術的方式，在現有技術中，一般是采 用昂貴且復雜的方案來抑制發電機非線性。通過提供多個不同值的電阻器等可變電阻負 載，然后再選擇適當的負載電阻，即可對機械頻率的(微小風速變化所導致的)任何升高進 行修正，使之對應使渦輪機保持其正確TSR所需的水平。換言之，本發明優選實施例中所包括的傳動裝置(變速箱)，可視為包括兩個獨立 組件由一組分立電容器組成的可開關固定速比變速箱，例如在優選實施例中，可通過與無 級變速電動變速箱串聯的若干繼電器對其進行開關，該電動變速箱可配備(例如)一組獨 立電阻器，而這些電阻器同樣可以采用若干繼電器來開關，而且最好可以放置在熱水罐中 直接對水進行加熱。請注意，若允許發電機電壓輸出進行“浮動”，則接通負載時感應發電機 輸出中的壓降就不再是嚴重問題，這與任何現有技術的裝置一樣，即，都需要對發電機輸出 電壓和頻率進行控制。該可開關固定速比變速箱可實現粗調，而該無級變速電動變速箱則可實現微調， 并可在電氣上視為類似于與流體液力變矩器串聯的汽車行星齒輪多檔變速箱。作為替代配備開關的多個分立電容器以及構成可開關負載的多個電阻器的方案， 發電機也可采用固定電容加三端雙向可控硅開關元件裝置，以實現有源功率因數校正。然 后，由發電機控制器控制三端雙向可控硅開關元件裝置而非對分立電容器進行開關。這一 做法的效果是，可實現有效連續可變電容值，從而能更加精確地跟蹤渦輪機功率/速度曲 線上的高峰。這反過來也就消除了提供可變電阻負載的必要性，盡管為了最高的精確度，仍 然可通過開關固定電阻器組乃至通過配備具有固定電阻值的第二個三端雙向可控硅開關 元件裝置來提供這一負載。當然，以更高精確度跟蹤功率/速度曲線上高峰的(如三端雙 向可控硅開關元件所提供的)能力的代價，就在于成本和控制復雜性。另一方面，本發明還提供了一種發電機，其中包括渦輪機、由渦輪機驅動的轉子， 具有定子繞組的定子，以及連接到定子繞組并對其施加負載的電路；該電路包括對定子繞 組施加實質無功負載的第一部分以及對定子繞組施加實質電阻性負載的第二部分，其中， 電抗和電阻的取值可確保發電機可產生電壓和頻率在預定風速范圍內隨風速而變化的發 電機輸出，同時，輸出功率保持在或接近發電機在該預定風速范圍的峰值輸出功率。通過閱讀以下詳細描述和權利要求，即可清楚地了解本發明的其他特性。
本發明可通過多種不同方式得以實現，現在僅結合實例并參照以下附圖對一些優 選實施例進行介紹，其中圖1為自激感應發電機一個相位的等效電路示意圖；圖2為某種特定情況下圖1所示等效電路簡化版本示意圖；圖3為圖1中與負載相連的發電機等效電路示意圖4為理想發電機情況下發電機(轉子)速度與發電機輸出功率的函數關系示意 圖；圖5為發電機鐵芯M與H關系示意圖；圖6為實際發電機情況下發電機轉子速度與發電機輸出功率的函數關系示意圖；圖7為多種不同風速下發電機(轉子)速度與發電機輸出功率的函數關系示意 圖；圖8為實現本發明的一種渦輪機/發電機裝置的第一個實施例的簡單示意圖；圖9為發電機轉子速度與發電機輸出功率的函數關系以及渦輪機轉速與渦輪機 輸出功率的函數的示意圖，旨在顯示二者的相交；圖10為實現本發明的一種渦輪機/發電機裝置的第二個實施例的簡單示意圖；圖11為實現本發明的一種渦輪機/發電機裝置的第三個實施例的簡單示意圖；以 及圖12為實現本發明的一種渦輪機/發電機裝置的第一個實施例的簡單示意圖。
具體實施例方式在介紹本發明較佳實施方式之前，應首先簡單介紹感應發電機(特別是自激感應 發電機)的理論原理，因為這將有助于理解所采取的特定方式-特別地，可以理解在本發明 應用中，為什么不考慮控制電壓、頻率和/或原動機扭矩的要求反而更有利的原因。理想感應發電機圖1是感應發電機一個相位的等效電路示意圖。jXm是定子繞組的阻抗，G代表鐵 耗，Rl代表定子銅耗，jX1代表定子和轉子之間的不良耦合，而Rc/s則代表鼠籠阻抗，其中， 轉差率s對于發電取值為負，鼠籠阻抗的取值也是如此。當然，X1和Xm的取值都取決于頻率。在頻率和轉差率的特定取值下，等效電路可簡化為圖2所示的方案，其中，只要轉 差率足夠大且為負，則電導G*為負。圖3顯示了發電機在無功負載Cum下工作。自激勵條件為(T = -G且X*= 1/ ("eC)。根據簡單的感應發電機理論，圖1所示的任何分量值都與產生的功率無關。這就 是說，上面給出的自激勵條件也是與功率無關的，因此，發電機的速度/功率特征曲線是如 圖4所示的一條垂線。所以，無論對理想發電機的驅動力有多大，發電機的機械頻率
電動頻率ω ε都保持固定。如果Q發生變化，則要想保持自激勵，G*也必須變化以跟蹤前者。這反過來就意 味著，R。/S乃至轉差率S會取不同的值。改變轉差率后，也會改變X*的值，但是，這(以及 因此導致的發電頻率的改變)屬于次級效應，對于多數用途而言可以忽略不計。實際感應發電機在實際感應發電機中，等效電路各分量值其實并非與功率無關。特別地，在實際感 應發電機中，隨著功率的提高，發電機軟鐵磁路會逐漸飽和，如圖5所示。這反過來又意味 著，隨著功率的提高，軟鐵磁路的磁導率會下降，進而導致Xm和X1值減小。因此，X*減小，而 發電頻率0^則增大。這種情況的后果在于，在實際感應發電機中，發電機的速度/功率特征曲線不是如圖4中理想情況所示的垂直的，而是垂直并稍稍傾斜的，如圖6所示。決定鐵芯飽和度的參數是鐵芯中的磁通量密度B。根據麥克斯韋方程旋渦E =-dB/dT，磁通量密度B與Vp/ ω e成正比，其中，Vp是發電機相電壓。因此，對于實際感應發電機而非理想感應發電機可以考慮改變&所產生的效果。 結合以上對理想發電機的討論可知，頻率偏移仍可忽略不計。然而，如果負載電導減小至 G^ δ G，則為該負載提供特定功率P’所需的相電壓就必須從V’提高到V’ + δ V。相應地， 發電機功率/速度曲線下傾，與垂線之間形成更大的夾角，如圖6所示。這種情況的后果在于，如果能使Vp/ω e成為自變量并將其用作針對磁非線性的控 制參數，則可通過利用上述行為，對自激感應發電機的功率/速度特征曲線進行定制，使之 適合某種特定用途，例如，實現與驅動發電機的原動機渦輪機的特性的最優匹配。為了說明感應發電機工作的其中一些特性，附錄中列出了一臺典型感應發電機的 一些測量結果。接受測量的該感應發電機的數據表如附錄A所示，并包括以下近似等效電 路參數Xm/ ω e = 0. 37 亨利Xm/ ω e = 29 毫亨禾IjR1 = 3. 48 歐姆Rc-L 76 歐姆1/G = 1300 歐姆附錄Bl顯示了負載為80微法電容和一個100歐姆電阻器并聯的發電機的結果。 附錄B2顯示了負載為一個80微法電容器和一個130歐姆電阻器并聯的同一臺發電機的結 果。需要注意的方面如下首先，負載為100歐姆時(附錄Bi)轉差率數值為-0. 0183，而 實際上，這個值在整個頻率范圍內(49至29Hz)均保持恒定。因此，盡管理論上在固定電阻 性負載下，轉差率是頻率的函數，但這一效應可以忽略。其次，如果根據附錄B2所示將電阻 性負載改為150歐姆，則轉差率變為-0. 018 ；但是請注意，這個新值在整個頻率范圍內(50 至31Hz)均保持恒定。最后，根據附錄Bl和B2還要注意，在每種情況下對應電氣頻率(例 如)42Hz的電壓值幾乎完全相同，對應附錄Bl圖示100歐姆情況的電壓為423V，對應附錄 B2所示150歐姆情況則為428V。這是盡管每種情況下輸出功率相差很大時的結果(附錄 Bl情況下相差5359瓦，而附錄B2情況下則相差3656瓦)。這就加強了以上觀點，即，對于 固定電容性負載，電氣頻率只取決于Vp/ω e的數值，因此這是磁非線性的控制參數。附錄C顯示了一個40微法電容器分別與100、150和200歐姆電阻器并聯時發電 機功率(kw)與電氣頻率之間的關系圖。請注意，將負載電阻從100歐姆提高到200歐姆的 效果，就等于增大了該曲線的傾斜角。因此，這就說明了，可如何通過調制磁非線性效應來 操縱發電機特性。附錄Dl和D2分別顯示了一個39歐姆電阻器與一個85微法電容器串聯以及一個 77歐姆電阻器與一個42. 5微法電容器并聯時感應發電機各參數的值。附錄Dl中頻率范圍 是50至37Hz，而對于附錄D2中的值而言，頻率范圍則是50至44Hz。請注意，這些負載看 起來等同于電氣頻率為49Hz的發電機(即等于渦輪機頻率為2. 9Hz)。附錄D3分別顯示了 附錄Dl和附錄D2的兩種負載阻抗下功率(kW)與發電機頻率的關系圖。雖然根據附錄D3 可以看出，在49Hz電氣頻率下這些負載都是相同的，但是同樣可以看出，隨著頻率下降，曲線呈現出發散。附錄Dl中電容器與電阻器串聯情況的曲線，在滅勵前先下降到一個較低頻 率。串聯負載的這一特性，在某些情況下也許是有用的。以上有關理想和實際自激感應發電機的理論，界定了可以控制的各種不同物理參 數。如前所述，為風力渦輪機的現有感應發電機的方式，基本上是為了控制發電機輸出電 壓和頻率，通常也會控制轉子扭矩(方法是，在不同風速下對轉子扭矩進行_通常是機械 的-控制)。這就不可避免會在一定程度上導致效率損失，即，在較大風速范圍內，渦輪機/ 發電機組合裝置在遠低于其最大能量提取效率的條件下工作_也就是說，低于或極大低于 注入負載的可用功率。相反，本發明實施方式消除了使發電機輸出電壓和頻率保持在嚴格界定限度之內 的表觀必要性，而是允許它們進行“浮動”。因此，這里的重點在于，在一定風速范圍內最大 限度提高能量提取效率，而無論發電機輸出中產生多大的電壓和頻率。這反過來可使大部 分或基本上全部的可用功率都注入到負載之中。如果是直接利用該負載來加熱熱水，則能 源(風力)與產生的產物(熱水)之間系統的總無效率是有限的。要想在所有風速下獲得盡可能最大的風能，就需要采用這樣一種渦輪機，S卩，其翼 型都得到優化，從而使翼面的所有部分(無論半徑大小)都能在相同條件下產生最大升力。 這種渦輪機具有一系列功率/速度曲線-每條曲線適合于每種風速_這種曲線在特定轉子 頻率下升到最高點，然后再次下降散開。一條這種功率/速度曲線(即，針對某一特定風速 和風力發電機的功率/速度曲線)如圖7所示。這些曲線出現最高點時的轉子頻率，隨曲 線對應的風速呈現線性變化。表達這一點的另一種方式是，可以將葉片視為設計成以某個 特定葉尖速比(TSR)進行運轉，此速比為葉片尖端速度與風速之比。在對于任何特定風速 的功率/速度曲線的最高點工作，就相當于渦輪機以設計TSR進行運轉。此外，從圖7可以看出，曲線的高峰相對寬廣而平坦。從而，一套渦輪機/發電機 裝置可以配置為不考慮任何輸出電壓或頻率控制，而是通過為發電機提供合理選擇的電容 值和電阻值(即，通過選擇C和R的固定值，結合二者將發電機功率/速度線或曲線定位于 預定中位值或典型風速下渦輪機功率/速度曲線高峰處或附近)，對一定風速范圍的輸出 功率進行優化。然后，由于從該峰值下降的速度相對較慢(圖7)，所以對于該中位值或典型 風速兩側一定距離內的風速而言，可持續獲得近似最優的輸出功率。然而，要實現在每個風速值下都能獲得最大可用風能的目的，就需要設法實現通 過渦輪機和發電機將盡可能最大的功率從迎面氣流轉移給負責加熱熱水的電阻性負載。這 就是說，發電機/渦輪機系統必須在多種不同風速條件下在設計TSR值或其左右進行運轉。 這反過來就意味著，渦輪機/發電機轉速必須隨風速而基本上線性地變化。為此，發電機性 能就必須與渦輪機性能相匹配，這也正是為什么需要配備“變速箱”的原因。圖8、10、11和12分別以簡圖方式顯示了實現本發明的一種自激感應發電機的一 些裝置。將其中每種不同實施方式聯系起來的紐帶是，放棄了機械變速箱，轉而采用了具有 若干優點的電動變速箱(在不同程度上的優點包括結構簡單、成本低廉、牢固耐用和靜音 運轉)。在每種情況下，圖中都只顯示了一個相(而實際上我們也設想了渦輪機/發電機裝 置的單相工作)，當然我們可以理解，如果采用圍繞轉子輻射狀排列的多組獨立定子繞組， 那么3相工作的實現同樣也是直截了當的。首先，請參見圖8，其中顯示了根據本發明的一種自激感應渦輪機/發電機裝置100的第一個實施例。該渦輪機/發電機裝置100包括安裝在軸2上的渦輪機1。軸2通 過固定速度鏈條驅動變速箱3間接驅動發電機軸4。該發電機軸4安裝在構成該渦輪機/ 發電機裝置100 —部分的發電機50的轉子5之上。在圖8所示的優選實施例中，該轉子屬 于“鼠籠式”類型，其中包括許多根圓柱棒，其中每根圓柱棒的延伸軸線均圍繞轉子5的圓 周進行排列。關于鼠籠式轉子本身的詳細知識，本領域技術人員都很熟悉(本發明各方面 的一個重要特點在于，它可以采用“現成”組件)，因此無需作進一步介紹。在軸4上裝有一個或多個磁性“反饋線圈”。這些反饋線圈有助于實現發電機的可 靠激勵當存在磁性反饋線圈時，該發電機軸將磁通量導入發電機，以足夠接近電氣頻率從 而可產生激勵的轉子頻率(及其諧頻)使磁通線彌漫在定子中。轉子5在具有繞組6的定子附近旋轉，該定子繞組6連接至向其提供負載阻抗的 電路，因此發電機50形成了自激感應發電機。一些電氣組件一起構成了電動變速箱，其用途將在本文下面作進一步解釋。構成 電動變速箱的組件如圖8中虛線方框150所示。在電動變速箱150中，第一變速箱部分200 可實現有源功率因數校正(在圖8的具體實施例中)，從而對發電機無功激勵電流進行控 制，其控制方式同樣也將在本文下面作進一步介紹。變速箱的第一部分200包括與電感7A 和三端雙向可控硅開關元件開關組件7B并聯的固定值電容器15A。電動變速箱150的第 二部分300由多個電阻器16組成，這些電阻器可作為(例如)熱水罐的加熱元件。電阻器 H1、H2、H3等相互并聯，可通過(例如)繼電器8進行開關。對電動變速箱150的控制，是通過開關控制邏輯單元9實現的。這個單元通過線 路10從發電機定子繞組6接收一個信號(最好是電壓信號，原因將在下面解釋)，作為第一 個輸入。或者，也可測定定子繞組6中的電流值，然后從中推導出電壓值。該控制邏輯單元 9的第二個輸入是從安裝在渦輪機軸2旁邊的渦輪機轉子速度傳感器12通過線路11提供 的。可以使用任何適用的速度傳感器，如(但不限于)光學傳感器、射頻傳感器或直流發電 機輸出等。根據這些輸入，并利用以前獲得的有關作為發電機鐵芯B中磁通量密度之函數 的發電機鐵芯磁化強度M的具體特性的信息(例如，該信息可以預載入控制邏輯單元9的 內存中，用作查閱表)，控制邏輯單元9在線路13A上提供第一個輸出，用以控制三端雙向可 控硅開關元件開關組件7B，并在第二個線路14上提供第一個輸出，用以控制繼電器8。如果需要調控負載電阻值，則必須獲得M-H曲線。幸運的是，某種給定類型的發電 機各自都會具有類似的M-H曲線，因此，對于該類型的一臺特定發電機而言，只需測定作為 H之函數的M，然后可將這些結果填入針對該類型所有后續發電機的查閱表中，而無需分別 測定每臺發電機的特性。測定M-H的一種方法如下在發電機上安裝一個并聯電容C，但不 安裝任何電阻R。然后將發電機放在車床床身(連續無級變速車床)上，由該車床驅動發 電機。由于負載中沒有電阻R，它不作功，所以轉差率S = 0。因此，Rc/s為無窮。因此，圖 1電路的右側部分成為開路，而Rc、Rl和jXl都變為零。所以，發電頻率現在由連接到發電 機定子繞組的C的數值來決定，JXm的值也是如此(當然，該值是需要確定的參數)。通過 測定電氣頻率(在此情況下，也就等于車床頻率)與發電機輸出電壓的關系，可獲得一份查 閱表，該表今后可隨時提供jXm的值。然后，通過測定定子繞組電壓(也就是經線路10輸 出至控制器9的電壓)并查閱控制器中存儲的查閱表，即可確定jXm的值。在一種最簡單 的方案中(特別是當負載電阻是多個由繼電器開關的電阻器時，如下面圖10所示)，該查閱
11表的分布也許是相對稀疏的控制器可能會強制繼電器在相對較少的不同轉子速度值下進 行開關。然而，對于圖8所示的更加完善的三端雙向可控硅開關元件控制器而言，控制器查 閱表中也許會存儲更全面的電壓/頻率數據集，用于實時處理。請注意，電壓在Xm中為單值。根據法拉第定律，ν = ΝΑΒω (B是發電機鐵芯中的 磁通量，A是鐵芯橫截面，N是定子繞組匝數，而ω是電氣頻率)。所以，V在B中為單值，B 在M中為單值，M在Xm中為單值。在解釋了圖8所示渦輪機/發電機裝置100的物理和邏輯布局后，現在同樣根據 上述實際感應發電機理論，對其工作方式進行介紹。渦輪機/發電機裝置100的工作點，由渦輪機1和發電機50各自功率/速度曲線 的交點來決定。為了持續獲得最大效率，就要求在渦輪機/發電機裝置100將工作的風速 范圍內，功率/速度曲線的這個交點必須靠近針對相關風速的渦輪機曲線的最高點。簡單 的渦輪機功率/速度曲線如圖9所示，圖中還顯示了發電機速度/功率“曲線”，如圖6所 示，后者實際上是一條可變斜率線。能夠改變發電機功率/速度曲線的斜率，可有助于使它 對準渦輪機功率/速度曲線的最高點，該最高點本身則可通過改變定子繞組6承受的電抗 來移位。請注意，在圖9中，渦輪機速度/功率曲線具有寬廣且一般平坦的高峰，而不是尖 銳高峰。渦輪機功率/速度曲線的這一恰到好處的性質，有助于在較寬的風速范圍內保持 最大輸出功率。鑒于本發明實施例的原則是忽略調控電壓和頻率的要求，因此有可能靈活 地設定這兩條功率/速度曲線間交點的位置。(定子繞組6中的)無功激勵電流不需要控 制，因此，通過由三端雙向可控硅開關元件開關組件7Β、電感7Α以及與之并聯的固定電容 15Α等構成的有源功率因數校正單元的適當控制，可安排以適當水平供應該電流。控制邏輯 單元9可調節定子繞組6中無功激勵電流的值，從而將定義功率/轉子速度關系(亦如圖 6所示)的陡斜率曲線定位于亦如圖9所示的渦輪機功率/速度曲線的高峰處或附近。通過控制有源功率因數校正單元(即，電動變速箱150的第一部分200)，并進而確 保發電機功率/速度曲線穿過或接近渦輪機功率/速度曲線的高峰，渦輪機就能在設計TSR 條件下工作，因此也就以上述的最大能量提取效率進行工作。它還進一步使渦輪機/發電 機裝置100能作為恒定功率源進行工作；也就是說，對于給定的風況，提供給渦輪機的幾乎 全部功率都注入到負載16中，無論該負載大小如何，因此也無論負載上的電壓有多大。這 是因為，渦輪機功率/速度曲線的最高點寬廣而平坦(亦如圖9所示)，而發電機功率/速 度曲線則近乎垂直，因此，隨著電阻性模式的改變，發電機曲線相對于垂線方向只會產生很 小的傾斜，所以，在恒定功率下，交點會保持在渦輪機功率/速度曲線的高峰附近。恒定功 率工作還具有另一重要效果，即，負載16的電阻值可視為自變量，它可用于重新確定磁非 線性的比例，從而使發電機曲線產生傾斜(如圖6所示)，并對功率匹配跟蹤風速的方式進 行微調，而不犧牲傳遞給發電機乃至負載的功率。正因為如此，才會認為電動變速箱150在邏輯上是由200和300兩個部分組成的。 包括電動變速箱第一部分的有源功率因數校正單元，負責確定發電機功率/速度曲線相對 于渦輪機功率/速度曲線的位置，使前者處于或接近后者的最高點；在圖8所示實施例中， 電動變速箱150的第二部分300是由一組可開關電阻器16組成的，通過這些電阻器之間的 切換，可改變發電機功率/速度曲線的斜率，這反過來又可對發電機與渦輪機功率/速度曲 線之間交點的位置進行微調。
以上關于圖6中不同斜率之原因的說明，也解釋了為什么多個(最好是可開關) 電阻性模式有助于跟蹤渦輪機功率/速度曲線最高點的原因。隨著風速增大，渦輪機會產 生更大功率，渦輪機速度就必須提高，才能保持效率。負載提供的功率的增大就意味著輸出 電壓也會提高，這反過來又會提高磁芯磁通量密度，進而提高磁飽和。特定功率下電壓的大 小是由負載電阻決定的，而如上所述，負載電阻是一個自變量，因此可實現一定程度的磁飽 和控制。磁飽和會導致鐵芯磁導率下降，并進而導致發電機電感減小。所以，電氣頻率會升 高，而發電機轉子5和渦輪機1的機械頻率也隨之升高。通過選擇適當的負載電阻16，可調 整這一機械頻率的增大，使之完全對應渦輪機保持正確TSR所需的頻率。雖然根據一般原 則，對發電機輸出電壓的值可以不加控制，即，在最大限度提高渦輪機/發電機裝置100的 效率的前提下，允許該電壓在無論多大的適當的水平上進行“浮動”，但是最好還是要保證， 應配備一個過壓安全斷路器，以免裝置100發生損壞或破壞。該過壓保護裝置可防止發電 機輸出電壓超過發電機繞組或接受功率的電阻器組16的額定電壓。因為(如上所述)發 電機是作為恒定功率設備而工作的，又因為功率P等于GV2，其中，V是發電機輸出電壓，G是 負載電導，所以對于原動機產生的任何輸入值P而言，開關控制邏輯單元9中的控制器邏輯 即設為，通過接通更多加熱器元件，使G提高到適當的數值，以確保電壓被下拉至安全工作 范圍內。然而，這個特性是邏輯/轉換開關組/電阻器組的額外的、需要的但無關緊要的功 能。圖10是渦輪機/發電機裝置100’的另一種裝置的示意圖。圖10中渦輪機/發 電機裝置100’的很多組件都對應圖8所示裝置的組件，因此使用了相同的附圖標記。此 外，渦輪機1、機械變速箱3、轉子5和定子繞組6均與圖8所示相同，因此不再作進一步說 明。開關控制邏輯單元9也接受與圖8相同的輸入(來自定子繞組6和渦輪機軸速度傳感 器 12)。但是，圖10所示電動變速箱150’不同于圖8所示電動變速箱150。特別地，與 由固定電容器、電感和三端雙向可控硅開關元件開關組件組成的有源功率因數校正單元不 同，定子繞組6所承受的電抗是由在圖10中一起標為電容器組15的一組或多組可開關電 容器C1、C2、C3...、提供的。這些可開關電容器由控制邏輯單元9通過線路13控制下的第 一繼電器7進行開關。然而，與圖8所示電動變速箱150 —樣，定子繞組6所承受的電阻性 負載也是由一組可開關電阻器16提供的，這些電阻器最好浸入在(例如)居民住宅的熱水 罐中，從而實現由渦輪機/發電機裝置100’直接進行水的加熱。這些電阻器16由開關控 制邏輯單元9通過線路14控制下的第二繼電器8進行開關。因此，在圖10所示裝置中，電動變速箱150’的第一部分200從功能上就構成了可 開關固定速比變速箱，而電動變速箱150’的第二部分300從功能上就構成了無級變速電動 變速箱。在工作中，在某一特定風速下，通過使用電動變速箱150’的第一部分200’選定一 個速度，可選擇渦輪機/發電機裝置100’的工作范圍。這是通過從多個可用離散電容值中 選擇一個能使發電機功率/速度曲線(該曲線較陡但不垂直)大致對準當前風速下相關渦 輪機功率/速度曲線最高點的固定電容器負載而實現的。然后調用磁非線性，使該匹配能平滑跟蹤有限環境(標稱)風速范圍內的風速變 化。這是通過接通和斷開電阻器組16中的相應電阻器而實現的；要準確跟蹤渦輪機功率/速度曲線中的高峰，就要通過選擇適當大小的負載電導，以修正發電機功率吞吐量與磁芯 飽和度之間的關系，進而修正發電機功率/速度特性曲線上磁非線性導致的斜率，從而實 現發電機曲線和渦輪機曲線最高點之間盡可能最佳的跟蹤。當電動變速箱150’超出當時接通的無論多大的固定電容所對應的跟蹤范圍時，控 制邏輯單元9將使繼電器7選擇一個不同的電容器，從而在相鄰風速區間(譜帶)內實現 控制。然后，在下一個風速區間或譜帶內，還是控制邏輯單元9從電阻器組16上通斷相應 負載，以跟蹤渦輪機功率/速度曲線的高峰。正因為如此，才會說電動變速箱150的工作就 像是汽車行星齒輪變速箱在幾個固定檔之間進行離散速度切換，其中，流體液力變矩器可 實現平滑連續的匹配。雖然通過配備合理取值的不同的電容器和電阻器，可以實現較好程度的靈活性， 但設計發電機功率/速度曲線以改進匹配的過程中更大的靈活性，也許可以通過將電容性 和電阻性組件設計為能在串聯或并聯之間切換的方式而實現。圖10所示裝置顯示了并聯 的離散電容和電阻器，相反，圖11則顯示了電動變速箱150”中一組串聯的開關式電容和電 阻器。除圖11中電動變速箱150”中電容器15與電阻器16之間的串聯情況之外，所有其 他組件的設計安排都與圖10所示相同，因此均使用相同的附圖標記，且為簡明起見不再進 行說明。圖12是一種渦輪機/發電機裝置100”’的進一步實施方式的示意圖。同樣，渦 輪機、發電機轉子和定子繞組乃至開關控制邏輯單元9的設計安排均與圖9、10和11所示 情況類似，因此都使用相同的附圖標記且不再作進一步說明。但是，圖12所示電動變速箱 150”’，不再包括任何電容器組或電阻器組。相反，定子繞組6所承受的電抗是采用構成電 動變速箱150”’的第一部分200”’的有源功率因數校正單元并通過與上述圖9所示相同方 式來控制的。也就是說，提供一個與開關控制邏輯單元9通過線路13A控制的電感7A和三 端雙向可控硅開關元件開關組件7B并聯的單個固定電容器15A。但是，電動變速箱150”’ 的第二部分300”’則是由與開關控制邏輯單元9通過線路14A所控制的第二個三端雙向可 控硅開關元件開關組件8A串聯的單個(固定)電阻16A所提供的。這同樣可使控制邏輯 單元9能控制通過電阻性加熱器元件(電阻器16A)施加給發電機的負載的有效電阻。否 則，電動變速箱150”’將按照與上述針對兩條功率/速度曲線之間交點的粗調和微調相同 的原則進行工作。雖然圖8、10、11和12顯示了固定、可開關電容器和電阻器和/或固定電容器/電 阻器結合三端雙向可控硅開關元件開關功能的不同組合的一些例子，我們當然還要看到， 還可采用這些電氣組件的不同替代配置來構成電動變速箱。例如，在圖8所示裝置中，電容 器15A和電感器7A的位置可以互換。其他采用電氣組件而非機械組件來控制無功電流的 方法，也是可以考慮的。一般說，最好通過三端雙向可控硅開關元件來控制固定電容器和/ 或電阻器，它能更嚴密地控制這兩條功率/速度曲線之間的交點(因為，該交點隨之就是連 續變量，而非離散變量)，但代價是控制器變得更復雜、更昂貴。附錄E顯示了本發明實施例渦輪機/發電機裝置實際實施后在不同風速下轉子功 率與轉子速度的關系圖。為附錄E提供數據所用的感應發電機是一臺ABB電動機，其參數 定義見附錄A。這就構成了感應發電機。相關原動機是一臺Eircomposites公司提供的6 米直徑三葉渦輪機。附錄E中的數字顯示了所選的一些疊加在渦輪機扭矩/速度曲線之上的工作發電機扭矩-速度曲線(可以看出，在實際感應發電機中，發電機功率/速度關系不 是絕對線性的)。需要注意到，對于渦輪機的有用風速工作范圍-在約每秒3米(可提供渦 輪機功率約為300瓦)至每秒10米(渦輪機輸出功率約為10千瓦)_而言，所示發電機曲 線與渦輪機曲線的交點靠近它們的最大功率提取點。在附錄E中，顯示菱形數據點的右側 的發電機功率/速度曲線，采用了與39歐姆固定電阻串聯的85微法固定電容。其他發電 機曲線則采用了不同的固定電容值和電阻器，其數值如附錄E所示，可以注意到，它們都是 并聯布置的。附錄E中的后續曲線形成了一個相配的補集，因為可以看出，它們都跟蹤了渦輪 機功率/速度曲線的最高點。通過控制邏輯單元9的邏輯(圖8至12)，并采用渦輪機速度 作為開關準則，可在它們之間實現切換。磁滯現象已內置于邏輯開關判定之中，以防止系統 在靠近兩種狀態之間邊界處工作時出現振蕩。應該注意到，渦輪機功率/速度曲線最高點的軌跡是一條風速的立方曲線，因此 也是渦輪機頻率的立方。這就是說，風速越大，該曲線就越陡。因此，隨著變速箱的第一部 分200、200’、200”和200”’將范圍切換到更快風速，并聯負載電阻器的值會持續減小，以強 迫發電機功率/速度曲線更趨于垂直，從而重復渦輪機最高點軌跡的行為。作為另一項優點，隨著功率的提高，電阻性負載會下降，從而使系統遠離電壓過 載。雖然已經介紹了一些優選實施例，我們當然還要看到，還可有其他多種改變。例 如，盡管圖8至12都顯示了存在控制器所控制的電動變速箱，從而可在較大風速范圍內跟 蹤渦輪機/發電機裝置輸出功率的峰值，仍需要重申，就本發明最普遍的意義而言，這是不 必要的。通過選擇適當的固定電容值和負載電阻值，仍可在一定(當然是較窄的)風速范 圍內實現最優發電機輸出功率，主要是因為，輸出功率處于或接近最大值的風速范圍是相 對較寬的。當然，在這種情況下，就能完全消除配備控制器的必要性，而用于監測渦輪機轉 子速度和定子繞組電壓(或電流)的傳感器也是多余的。需要根據渦輪機/發電機以最佳 狀態工作所處的相對較小的風速范圍，對成本節省幅度進行權衡；如此是否可行，將在一定 程度上決定于計劃裝機地點的風況氣候。此外，雖然(例如)圖10顯示了一些單獨的繼電器，以實現對具體電容值和負載 電阻值的單獨控制，但作為替代方案，也可采用單一繼電器或其他開關。在這種情況下，該 控制器9將使該單一繼電器在不同電容值和電阻值組合之間進行切換。此外，雖然以上所述技術是針對風力發電而言的，但這些考慮因素也同樣適用于 潮汐發電。
權利要求
一種發電機，包括渦輪機、由渦輪機驅動的轉子、具有定子繞組的定子、以及連接到定子繞組并對其施加負載阻抗的電路，其特征在于，施加在定子繞組上的負載阻抗的有功分量包括一個或多個電阻性加熱器元件，其中，該電路阻抗的取值可確保發電機可產生電壓和頻率在預定風速范圍內隨風速而變化的發電機輸出，同時，輸出功率保持在或接近發電機在該預定風速范圍的峰值輸出功率。
2.根據權利要求1所述的發電機，其中，所述電路包括對定子繞組施加實質無功負載 的第一部分以及對定子繞組施加實質電阻性負載的第二部分，其中，該實質電阻性負載包 括所述一個或多個電阻性加熱器元件。
3.根據權利要求2所述的發電機，其中，所述實質無功負載的電抗是可變的，該發電機 進一步包括一個控制器，該控制器根據測定的渦輪機轉速以及定子繞組電壓的大小來控制 該可變實質無功負載的電抗大小，從而使發電機輸出功率保持在或接近特定風速下的最優 輸出功率。
4.根據權利要求3所述的發電機，其中，所述控制器進一步根據測定的渦輪機轉速以 及定子繞組電壓的大小來控制所述實質電阻性負載的阻抗大小，使發電機輸出功率進一步 保持在或接近所述特定風速下的最優輸出功率。
5.根據權利要求4所述的發電機，其中，所述控制器可獨立于所述實質電阻性負載的 阻抗，對所述實質無功負載的電抗進行控制。
6.根據權利要求3、4或5所述的發電機，其中，所述電路的第一部分包括多個電容器和 開關裝置，該開關裝置在控制器的控制下，可向該電路接通被控制器確定為針對特定測定 風速對定子繞組施加了可使發電機保持最優輸出功率的電抗的一個或多個電容器。
7.根據權利要求3、4或5所述的發電機，其中，所述電路的第一部分包括一個有源功率 因數校正單元，該單元包括一個固定電抗以及電流調整裝置，所述控制器對該有源功率因 數校正單元的電流調整裝置進行控制，從而使發電機的無功激勵電流也受到控制，進而在 特定風速下保持最優發電機輸出功率。
8.根據權利要求4至7中任一項所述的發電機，其中，所述電路的第二部分包括多個電 阻器和開關裝置，該開關裝置在控制器的控制下，可向該電路接通被控制器確定為針對特 定測定風速和電抗對定子繞組施加了可使發電機保持最優輸出功率的電阻性負載的一個 或多個電阻器。
9.根據權利要求4至7中任一項所述的發電機，其中，所述電路的第二部分包括一個固 定電阻以及一個電流調整裝置，該控制器對該電流調整裝置進行控制，從而使施加在定子 繞組上的實質電阻性負載的有效電阻也受到控制，進而在特定風速下保持最優發電機輸出功率。
10.根據以上權利要求中任一項所述的發電機，其中，所述電阻性加熱器元件改裝為浸 入水中，為水提供加熱。
11.根據權利要求7至9中任一項所述的發電機，其中，所述控制器包括一個查閱表，該 查閱表可將測定的定子繞組電壓(或與之相關的某個電參數)轉換成發電機頻率jXm。
12.根據權利要求6或8所述的發電機，其中，所述多個電阻器與所述多個電容器串聯 排列。
13.根據權利要求6或8所述的發電機，其中，所述多個電阻器與所述多個電容器并聯2排列。
14.根據以上權利要求中任一項所述的發電機，其中，該發電機進一步包括渦輪機和轉 子之間的機械變速箱。
15.根據以上權利要求中任一項所述的發電機，其中，所述轉子為籠式。
全文摘要
本發明提供一種風力渦輪機和發電機裝置(100、100’、100”、100”’)，其中包括可通過軸(2)和機械變速箱(3)驅動自激感應發電機(50)的渦輪機(1)。該感應發電機(50)包括由可變電容和可變電阻組成的電路(150)。該可變電容可以由固定電容器(15A)以及控制器(9)所控制的三端雙向可控硅開關元件(7B)構成，也可由控制器(9)所控制的繼電器(7)所開關的電容器組(15)構成。該可變電阻包括三端雙向可控硅開關元件所控制的電阻器或繼電器所開關的電阻器組，它們構成了用于加熱民用熱水的加熱元件。在應用中，在保持最優發電機輸出功率的同時，允許發電機頻率和電壓進行“浮動”，但隨著風速的變化，需要調節電路(150)的阻抗。
文檔編號F03D9/00GK101932829SQ200980103738
公開日2010年12月29日 申請日期2009年2月2日 優先權日2008年2月1日
發明者J·F·格雷格, M·A·巴里 申請人:Isis創新有限公司