雙轉子風力發電勵磁控制方法及其控制系統的制作方法

專利名稱:雙轉子風力發電勵磁控制方法及其控制系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及風力發電機，特別是雙轉子電機風力發電機組的變速恒頻勵磁控制方法及其變速恒頻勵磁控制系統。
背景技術：
習知技術如中國專利CN200510022771.1公開了一種風力發電的變速恒頻方法，其特點是，首先將風力機轉子的轉速通過增速齒輪箱增速，然后將變速產生的輸入功率輸入差動永磁電機的輸入軸，由差動永磁電機的差速機構進行功率分流或合流產生功率流進入差動永磁電機的定子繞組經饋線對電網實現恒速恒頻發電，以提高發電系統的發電效率。
又如中國專利CN200410003089.3公開了一種MW級直接驅動永磁外轉子同步風力發電機，它采用多極外轉子結構。該發電機包括固定軸、轉動軸、線圈繞組、永磁磁鋼、鐵芯、定子和外轉子，其中轉動軸通過軸承安裝于固定軸上，定子通過定子支架安裝于固定軸上，外轉子通過轉子支架安裝于轉動軸上，在繞組線圈和定子支架之間可以設有軸向的冷卻通風道；在外轉子和定子之間的迎風面設有保護罩。由于極數多，其轉速很低，因而不需要增速齒輪箱配套，可以直接驅動發電；發電機無自帶冷卻風扇或外裝冷卻系統。
習知風力發電機組通過齒輪箱將風輪在風力作用下所產生的動力傳遞給發電機并使其得到相應的轉速；通常風輪的轉速很低，遠達不到高速發電機發電所要求的轉速，必須通過齒輪箱齒輪副的增速作用來實現；而風力發電機機組的工況環境一般很差，齒輪箱頻發故障是常有的事。
習知的技術制造的產品可靠性差，維護成本高，機組效率低。業界希望利用無刷雙饋電機技術的無刷結構和較寬的變速恒頻運行范圍，結合安裝于雙轉子傳動軸上相互反向旋轉的雙鳳輪高效利用風能的技術優勢，去掉齒輪箱和復雜的控制系統實現發電機組的變速恒頻運行。

發明內容本發明所要解決的問題在于，克服襲用技術存在的上述缺陷，而提供一種雙轉子風力發電勵磁控制方法及其控制系統。
本發明目的之一是提供一種雙轉子風力發電勵磁控制方法；本案目的之二是提供一種雙轉子風力發電勵磁控制系統。
本發明解決雙轉子風力發電勵磁控制方法技術問題是采取以下技術方案來實現的，依據本發明提供的一種雙轉子風力發電勵磁控制方法，其中，1).在風電機上配置在風力作用下相對具有Pg極對數的定子以Ner速度旋轉的主風輪，且主風輪轉速滿足下述關系式Nzr=60×(fg-fe)Pg+Pe]]>其中Nzr表示主風輪轉速；Pg表示定子繞組極對數；Pe表示永磁外轉子的極對數；fg表示定子頻率；fe表示永磁外轉子折算頻率；2).在風電機的副風輪帶動永磁外轉子以Ne速度相對主風輪反向旋轉，且永磁外轉子折算頻率滿足下述關系式fe=Ne×Pe60]]>其中Ne表示副風輪相對定子轉速3).在副傳動軸上配置以Nzre轉速相對主風輪反向旋轉的、具有Pe極對數的永磁外轉子，永磁外轉子相對勵磁機內轉子旋轉的轉速滿足下述關系式Nzre＝Nzr+Ne其中Nzre表示永磁外轉子相對勵磁機內轉子旋轉的轉速。
4).當主風輪低于額定轉速時，機組集控裝置進行主風輪葉尖速比控制經由風速檢測裝置聯結的端口測得的風速和通過轉速測量裝置測得的主風輪轉速傳輸給機組集控裝置，經與機組集控裝置預設的主風輪葉尖速比數值比對，計算出槳距角的調節數值，再與主風輪槳距角測量裝置采集的槳距角值比對，由機組集控裝置對主風輪變槳距調節機構發出變槳指令；由機組集控裝置按照Nzr=60×(fg-fe)Pg+Pe]]>關系式對主、副風輪變速控制；5).當主風輪達到額定轉速時，機組集控裝置對發電機進行功率控制，經由輸出電流檢測裝置測得的發電機的輸出電流和經由輸出電壓測量裝置測得的發電機的輸出電壓傳輸給機組集控裝置，經由該機組集控裝置運算出的發電機輸出功率值與預設的額定功率數值比對；符合預設值時，機組集控裝置將采集到的由風速檢測裝置聯結的端口測得的風速和通過轉速測量裝置測得的主風輪額定轉速，計算出該風速下主風輪額定轉速的槳距角的調節數值，再與主風輪槳距角測量裝置采集的槳距角值比對，由機組集控裝置對主風輪變槳距調節機構發出變槳指令；6).當主風輪以低于或符合額定轉速運行時，機組集控裝置通過副風輪對發電機進行頻率控制機組集控裝置采集電網頻率檢測裝置頻率數值與主、副風輪設定轉速下計算得到的發電機輸出電壓頻率數值比對，計算出該風速下副風輪槳距角的調節數值，再與副風輪槳距角測量裝置采集的槳距角值比對，由機組集控裝置對副風輪變槳距調節機構發出變槳指令，使副風輪按機組集控裝置預設的規律相對主風輪反向旋轉，并形成使發電機定子電壓頻率始終為50Hz的變化轉速；7).當主風輪轉速達到額定轉速的1.2-1.5倍時，同時副風輪轉速達到最低轉速0速時，制動器啟動。
本案解決雙轉子風力發電勵磁控制方法技術問題還可采用以下技術措施進一步實現前述的雙轉子風力發電勵磁控制方法，其中，所述勵磁機內轉子繞組極對數設置為Pe對極；所述發電機轉子繞組極對數設置為Pg對極；所述的勵磁機內轉子繞組與發電機轉子繞組通過轉子間連接線反相序連接；當發電機達到額定輸出功率時，機組功率因數控制在cosθ＝1左右運行；當發電機輸出有功功率較小時，機組輸出cosθ＜1的感性無功功率；當發電機轉速低于額定最低轉速或發電機輸出功率高于最大輸出功率時，從電網上解列發電機，通過并網控制裝置等配置完成軟解列。
前述的雙轉子風力發電勵磁控制方法，其中，所述的定子繞組極對數是3倍的永磁外轉子極對數，裝配在傳動軸上的主風輪與裝配在副傳動軸的副風輪借由葉片槳距角的相對反方向調節呈相對反向旋轉配置。
本案解決雙轉子風力發電勵磁控制系統的技術問題可以采用以下技術措施實現的，依據本發明提供的一種雙轉子風力發電勵磁控制系統，包括風電機，其中，所述風電機中，發電機定子和通過主傳動軸傳動、相對該定子呈旋轉構造設置的發電機轉子，勵磁機通過裝置主風輪的主傳動軸與發電機主體同軸串裝；永磁體設在永磁外轉子的磁軛上構成勵磁機的永磁外轉子；該永磁外轉子以與勵磁機內轉子呈相對旋轉的構造、且該永磁外轉子呈相對發電機定子旋轉的構造設置；所述副風輪呈可驅動永磁外轉子的構造裝置在副傳動軸上；所述的借由副風輪傳動的副傳動軸與借由主風輪傳動的主傳動軸成可相互轉動的方式同軸聯結；前述的主、副風輪上設置可將轉速的信號傳送到機組集控裝置的主風輪轉速測量裝置、副風輪轉速測量裝置；機組集控裝置具有與風速檢測裝置聯結的端口、與風向檢測裝置聯結得端口、與上位機傳輸數據的端口；偏航控制器與機組集控裝置以控制主風輪下風向對風旋轉的方式聯結；所述的主風輪與副風輪分別配置調節槳距角的主風輪變槳距調節機構、副風輪變槳距調節機構，所述主、副風輪變槳距調節機構與機組集控裝置均以控制風輪變槳距調節機構變槳的方式聯結；在發電機的電壓輸出端依次連接可對發電機輸出電壓加以限制、同期后軟并網、停機時軟解裂的并網控制裝置、和升壓變壓器，再與外電網聯接；在并網控制裝置、和升壓變壓器之間依次配置與機組集控裝置聯結的輸出電壓測量裝置、與機組集控裝置聯結的輸出電流檢測裝置、及與機組集控裝置聯結的電網頻率檢測裝置；在發電機與并網控制裝置之間配置與機組集控裝置聯結的空載檢測裝置。本案解決雙轉子風力發電勵磁控制系統的技術問題還可以采用以下技術措施來進一步實現前述的雙轉子風力發電勵磁控制系統，其中，所述風電機的副風輪以相對主風輪反向旋轉的傳動構造配置；主風輪呈下風向對風旋轉結構設置；所述主風輪的葉片掃風面積設置為副風輪的葉片掃風面積2-5倍；所述主、副風輪變槳距調節機構構造相同，它由變槳伺服機構與變槳控制裝置組成，所述機組集控裝置通過變槳控制裝置與變槳伺服機構呈根據檢測到的槳距角變化進行主風輪和副風輪轉速調節的方式聯結；所述的主風輪與副風輪內分別配置副風輪槳距角測量裝置、主風輪槳距角測量裝置；前述的雙轉子風力發電勵磁控制系統，其中，所述風電機的永磁體成組配置，其極對數與勵磁機內轉子極對數匹配；所述裝置永磁體的磁軛設置在永磁外轉子殼體內；主、副風輪變槳距調節機構由伺服電機驅動；該變槳伺服機構與機組集控裝置呈可依槳距角的變化對主風輪和副風輪進行轉速調節的方式電氣聯結。
前述的雙轉子風力發電勵磁控制系統，其中，所述風電機的主風輪葉片掃風面積約是副風輪的葉片掃風面積的3倍，所述的掃風面積是風輪旋轉形成的面積；所述的主風輪下風向對風旋轉，副風輪上風向對風反向旋轉；所述副風輪與勵磁機之間留有避免副風輪與塔架碰撞的預設間距；制動器與機組集控裝置以當副風輪轉速為0時可啟動工作的電氣方式聯結。
前述的雙轉子風力發電勵磁控制系統，其中，所述定子繞組極對數Pg設置為大于永磁外轉子極對數Pe，所述配置在主傳動軸上的主風輪，在風力作用下相對具有Pg極對數的定子以Ner速度旋轉，且主風輪轉速滿足下述關系式配置Nzr=60×(fg-fe)Pg+Pe]]>其中Nzr表示主風輪轉速；Pg表示定子繞組極對數；Pe表示永磁外轉子的極對數；fg表示定子頻率；fe表示永磁外轉子折算頻率；所述定子繞組極對數可以是3倍的永磁外轉子極對數；所述勵磁機內轉子繞組極對數設置為Pe對極；所述發電機轉子繞組極對數設置為Pg對極；所述的勵磁機內轉子繞組與發電機轉子繞組通過轉子間連接線反相序連接；風電機的的副風輪配置在副傳動軸上，該副風輪帶動永磁外轉子以Ne速度旋轉，且永磁外轉子折算頻率滿足下述關系式fe=Ne×Pe60]]>其中Ne表示副風輪相對定子轉速；在副傳動軸上配置以Nzre轉速相對主風輪反向旋轉的、具有Pe極對數的永磁外轉子，永磁外轉子相對勵磁機內轉子旋轉的轉速滿足下述關系式Nzre＝Nzr+Ne其中Nzre表示永磁外轉子相對勵磁機內轉子旋轉的轉速；所述的主、副傳動軸均具有預設直徑的中空通孔，該傳動軸借由配置在發電機上的軸承和勵磁機上的軸承支撐。
前述雙轉子風力發電勵磁控制系統，其中，所述風電機的副風輪以相對主風輪反向旋轉的傳動構造配置；所述的副風輪呈上風向對風旋轉結構設置；主風輪呈下風向對風旋轉結構設置；所述的永磁體成組配置，其極對數與勵磁機內轉子極對數匹配；所述裝置永磁體的磁軛設置在永磁外轉子殼體內。
前述的雙轉子風力發電勵磁控制系統，其中，所述副風輪與勵磁機之間留有避免副風輪與塔架碰撞的預設間距。
本發明與現有技術相比具有顯著的優點和有益效果。由以上技術方案可知，本發明在優異的結構配置下，至少有如下的優點本發明無需配置功率復雜的變流裝置，有效的簡化了機組構造，提高了機組運行效率和可靠性，降低了控制系統成本，本發明雙風輪的合理配置、雖然雙風輪結構使設備造價略有增加，但設置較大的風輪用于發電，較小的風輪調節勵磁頻率兼而發電，有效提高了風能利用率，較常規單風輪風電機組風能利用率提高10％-15％；
本案采用無刷雙饋電機轉子和旋轉永磁外轉子雙轉子結構，實現機組變速恒頻勵磁運行，相當同容量單轉子發電機極對數至少減少1/3，從而縮短發電機直徑，便于設備運輸、降低機組重量；本案雙風輪結構設置及偏航機構的配置，使機組偏航控制變的更簡單、可靠；本案機組可實現變速恒頻運行、變槳距調節，額定風速以下本案雙風輪發電機組較單風輪變速恒頻機組風能利用率有較大提高，無齒輪箱、可實現直驅，無滑環故障之擔心，不需大容量變流裝置，機組可靠性大大提高；本發明對比現有技術有顯著的貢獻和進步，確實是具有新穎性、創造性、實用型的好技術。
本發明的具體實施方式
由以下實施例及其附圖詳細給出。
圖1是本發明中風電機結構示意圖；圖2是本發明勵磁繞組接線結構示意圖；圖3是本發明變速恒頻勵磁控制系統結構示意圖；圖4是本發明變速恒頻勵磁控制系統工作原理框圖。
具體實施方式以下結合附圖及較佳實施例，對依據本發明提供的具體實施方式
、結構、特征及其功效，詳細說明如后。
如圖1-4所示，一種變速恒頻勵磁控制系統，包括風電機M，該風電機具有固裝在底座10上的發電機主體1，發電機定子16固裝于電機殼111內，發電機轉子14通過主傳動軸13呈相對定子16旋轉的構造設置，其中，勵磁機4通過主傳動軸與發電機主體同軸串裝在機殼內；永磁體43安裝在永磁外轉子殼體410內的磁軛42上，構成勵磁機的永磁外轉子41，該永磁外轉子通過連接件46以與勵磁機內轉子45呈相對旋轉的構造設置；所述的永磁體43是按習知技術成組配置的，其極對數與勵磁機內轉子極對數匹配；永磁外轉子呈相對勵磁機內轉子旋轉、并相對發電機定子旋轉的構造設置；副傳動軸12與主傳動軸13同軸聯結；所述的主、副傳動軸均具有預設直徑的中空通孔130，以使大型發電機組傳動軸在滿足技術要求條件下更輕質，從而降低機體重量，該傳動軸借由配置在發電機上的軸承115、116和勵磁機上的軸承147、148支撐；由此，發電機轉子和與該轉子同軸傳動旋轉的勵磁機內轉子形成發電機的串聯式轉子結構，并與永磁外轉子呈雙轉子構造，從而可實現機組變速恒頻運行，相當同容量單轉子發電機極對數至少減少1/3，因而可縮短發電機直徑，進一步降低電機重量；通過習知技術，將借由副風輪傳動的副傳動軸12與借由主風輪傳動的主傳動軸13成可相互轉動的聯結方式同軸安裝、由副傳動軸將副風輪的動力傳遞給永磁外轉子；副風輪2相對主風輪反向旋轉的傳動構造裝置在副傳動軸12的軸身末端，該副風輪通過其輪轂21以習知技術按F2方向呈上風向對風安裝，副風輪與勵磁機之間留有避免副風輪與塔架碰撞的預設間距L，由主風輪仰角的度數可確定副風輪與塔架不相碰撞的預留間距；主風輪3裝配在主傳動軸13軸身端部，該主風輪通過其輪轂31以習知技術按F3方向呈下風向對風旋轉結構設置。
前述風電機的主風輪3配置在主傳動軸上，在風力作用下相對具有Pg極對數的定子16以Ner速度旋轉，且主風輪轉速滿足下述關系式Nzr=60×(fg-fe)Pg+Pe]]>其中Nzr表示主風輪轉速；Pg表示定子繞組極對數；Pe表示永磁外轉子41的極對數；fg表示定子頻率；fe表示永磁外轉子折算頻率；所述勵磁機內轉子45繞組極對數設置為Pe對極；所述發電機轉子14繞組極對數設置為Pg對極；所述的勵磁機內轉子繞組與發電機轉子繞組通過轉子間連接線123反相序連接；所述定子繞組極對數Pg設置為大于永磁外轉子極對數Pe，所述定子繞組極對數可以是3倍的永磁外轉子極對數；風電機的的副風輪2配置在副傳動軸上，該副風輪帶動永磁外轉子以Ne速度相對主風輪反向旋轉，且永磁外轉子折算頻率滿足下述關系式fe=Ne×Pe60]]>其中Ne表示副風輪相對定子轉速在副傳動軸上配置以Nzre轉速相對旋轉的、具有Pe極對數的永磁外轉子，永磁外轉子相對勵磁機內轉子旋轉的轉速滿足下述關系式Nzre＝Nzr+Ne其中Nzre表示永磁外轉子相對勵磁機內轉子旋轉的轉速；前述的主、副風輪上設置可將轉速的信號傳送到機組集控裝置5的主風輪轉速測量裝置G、副風輪轉速測量裝置G1，經由風速檢測裝置聯結的端口D1測得的風速和通過轉速測量裝置測得的風輪轉速，傳輸給機組集控裝置5；機組集控裝置與偏航控制器6聯結，控制主風輪下風向對風旋轉，偏航控制器6可安裝于底座下的機艙內部101；所述的主風輪與副風輪的輪轂部分別配置調節槳距角的主風輪變槳距調節機構38、副風輪變槳距調節機構28，該主風輪、副風輪變槳距調節機構與機組集控裝置5電氣聯結，由機組集控裝置5對主風輪變槳距調節機構38發出變槳指令；所述的主風輪與副風輪內分別配置副風輪槳距角測量裝置G28、主風輪槳距角測量裝置G38；所述主、副風輪變槳距調節機構構造相同，它由以伺服電機M38、M28驅動的變槳伺服機構381、281與變槳控制裝置382、282組成，所述機組集成控制5通過變槳控制裝置382、2 82與以伺服電機M38、M28驅動的變槳伺服機構381、281聯結；該變槳伺服機構在機組集控裝置5的控制下根據檢測到的槳距角變化進行主風輪和副風輪的轉速調節，實現主風輪下風向對風旋轉，而副風輪上風向對風反向旋轉；制動器15設置在發電機端蓋與副風輪輪轂之間；在發電機的電壓輸出端依次連接并網控制裝置7、和升壓變壓器8，再與外電網W聯接；在并網控制裝置、和升壓變壓器之間依次配置與機組集控裝置5聯結的輸出電壓測量裝置G4、與機組集控裝置聯結的輸出電流檢測裝置G3、及與機組集控裝置聯結的電網頻率檢測裝置G2；在發電機M與并網控制裝置之間配置與機組集控裝置聯結的空載檢測裝置G5；機組集控裝置還具有與風速檢測裝置(未圖示)聯結的端口D1、與風向檢測裝置(未圖示)聯結得端口D2、與上位機傳輸數據的端口D3；所述主、副風輪葉片按已知技術方式裝置在風輪輪轂上，所述主風輪葉片掃風面積大于副風輪的葉片掃風面積2-5倍，尤以主風輪葉片掃風面積是副風輪的葉片掃風面積的3倍左右較佳，所述的掃風面積是風輪旋轉形成的面積；經由輸出電流檢測裝置G3測得的發電機的輸出電流和經由輸出電壓測量裝置G4測得的發電機的輸出電壓傳輸給機組集控裝置5，經由機組集控裝置5運算出的發電機輸出功率值與預設的額定功率數值比對；在設定條件下，機組集控裝置5將由風速檢測裝置的聯結端口D1測得的風速和通過轉速測量裝置G測得的主風輪額定轉速，采集計算得出該風速下主風輪額定轉速的槳距角的調節數值，再與主風輪槳距角測量裝置G38采集的槳距角值比對，由機組集控裝置5對主風輪變槳距調節機構38發出變槳指令；由此可以實現主風輪在恒定功率下運行，防止發電機過載；當串聯永磁變速恒頻勵磁雙轉子風電機并網運行、主風輪轉速在預設的額定轉速和最低轉速之間時，副風輪在機組集控裝置5調節下按預設條件相對主風輪反向旋轉、通過這種轉速變化使發電機定子電壓頻率始終為50Hz；副風輪轉速最低可到零，副風輪轉速為0速時制動器15工作，綜上，雙風輪機構的風電機，其中較大直徑的主風輪為發電用，較小直徑的副風輪為調節勵磁頻率兼發電用，二者在同一個軸線上、相互反方向旋轉，偏航控制器負責控制主風輪下風向對風旋轉，主力發電；副風輪上風向對風反向旋轉，輔助發電，大大提高效能。
所述發電機的電壓輸出端并網控制裝置等配置可對發電機輸出電壓加以限制、同期后軟并網、停機時軟解裂，可有效的減少并網無功電流的沖擊，確保機組安全運行；當發電機達到額定輸出功率時，機組功率因數控制在cosθ＝1左右運行；當發電機輸出有功功率較小時，機組輸出cosθ＜1的感性無功功率；當發電機轉速低于額定最低轉速或發電機輸出功率高于最大輸出功率時，從電網上解列發電機，通過并網控制裝置等配置完成軟解列。
變速恒頻勵磁控制方法1.在主傳動軸13上配置在風力作用下相對具有Pg極對數的定子16以Ner速度旋轉的主風輪3，且主風輪轉速滿足下述關系式Nzr=60×(fg-fe)Pg+Pe]]>其中Nzr表示主風輪轉速；Pg表示定子繞組極對數；Pe表示永磁外轉子41的極對數；fg表示定子頻率；fe表示永磁外轉子折算頻率；2.在副傳動軸12端部配置的副風輪帶動永磁外轉子以Ne速度相對主風輪反向旋轉，且永磁外轉子折算頻率滿足下述關系式fe=Ne×Pe60]]>其中Ne表示副風輪相對定子轉速3.在副傳動軸上配置以Nzre轉速相對旋轉的、具有Pe極對數的永磁外轉子，永磁外轉子相對勵磁內轉子旋轉的轉速滿足下述關系式Nzre＝Nzr+Ne其中Nzre表示永磁外轉子相對勵磁機內轉子旋轉的轉速4.所述勵磁機內轉子45繞組極對數設置為Pe對極；所述發電機轉子14繞組極對數設置為Pg對極；所述的勵磁機內轉子繞組與發電機轉子繞組通過轉子間連接線123反相序連接；5.經由風速檢測裝置聯結的端口D1測得的風速和通過轉速測量裝置G測得的主風輪轉速，傳輸給機組集控裝置5，當主風輪低于額定轉速時機組集控裝置進行主風輪葉尖速比數值比對，經與機組集控裝置預設的主風輪葉尖速比數值比對，計算出槳距角的調節數值，再與主風輪槳距角測量裝置G38采集的槳距角值比對，由機組集控裝置5對主風輪變槳距調節機構38發出變槳指令；由此可以實現主風輪在額定轉速以下以其最佳葉尖速比運行，達到充分利用風能的目的；當主風輪達到額定轉速時，經由輸出電流檢測裝置G3測得的發電機的輸出電流和經由輸出電壓測量裝置G4測得的發電機的輸出電壓傳輸給機組集控裝置5，經由該機組集控裝置運算出的發電機輸出功率值與預設的額定功率數值比對；符合預設值時，機組集控裝置5將采集到的由風速檢測裝置聯結的端口D1測得的風速和通過轉速測量裝置G測得的主風輪額定轉速，計算出該風速下主風輪額定轉速的槳距角的調節數值，再與主風輪槳距角測量裝置G38采集的槳距角值比對，由機組集控裝置5對主風輪變槳距調節機構38發出變槳指令；由此可以實現主風輪在恒定功率下運行，防止發電機過載；6.經由風速檢測裝置聯結的端口D1測得的風速，和通過副風輪轉速測量裝置G1測得的副風輪轉速，傳輸給機組集控裝置5；當主風輪低于額定轉速時，機組集控裝置5采集電網頻率檢測裝置G2的頻率數值與副風輪該轉速下計算得到的發電機輸出電壓頻率數值比對，計算出副風輪該轉速下槳距角的調節數值，再與副風輪槳距角測量裝置G28采集的槳距角值比對，由機組集控裝置5對副風輪變槳距調節機構28發出變槳指令；由機組集控裝置5按照Nzr=60×(fg-fe)Pg+Pe]]>關系式進行變速控制，使主風輪在額定轉速以下保持發電機50Hz恒頻運行；當主風輪達到額定轉速時，經由風速檢測裝置聯結的端口D1測得的風速和通過轉速測量裝置G測得的副風輪額定轉速，傳輸給機組集控裝置5，當主風輪達到額定轉速時機組集控裝置5采集電網頻率檢測裝置G2頻率數值與副風輪額定轉速下計算得到的發電機輸出電壓頻率數值比對，計算出該風速下副風輪槳距角的調節數值，再與副風輪槳距角測量裝置G28采集的槳距角值比對，由機組集控裝置5對副風輪變槳距調節機構28發出變槳指令；使主風輪在額定轉速時保持發電機50Hz恒頻運行；以發電機輸出電壓頻率為調節目標，通過調節副風輪槳距角控制副風輪的轉速來限定定子頻率fg為50Hz，永磁外轉子靜止fe視為0；
7.設置定子繞組極對數Pg大于永磁外轉子極對數Pe，所述的定子繞組極對數可以是3倍的永磁外轉子極對數。
從而，工作時串聯的兩轉子繞組具有相同的電流頻率、相互反方向的旋轉磁場，發電機轉子繞組勵磁磁場相對串聯轉子的旋轉速度Nzre與主風輪軸機械旋轉的速度Nzr疊加、配合，始終形成同步勵磁磁場，該同步磁場在具有Pg對極的定子繞組中產生50Hz電勢，實現發電機組的變速恒頻勵磁運行。
8.裝配在傳動軸13上的主風輪與裝配在副傳動軸的副風輪2借由葉片槳距角的相對反方向調節呈相對反向旋轉配置。
9.當主風輪轉速在預設的額定轉速和最低轉速之間時，副風輪在機組集控裝置5調節下按預設規律反向旋轉、形成使發電機定子電壓頻率始終為50Hz的變化轉速；當主風輪轉速達到額定轉速的1.2-1.5倍時，同時副風輪轉速達到最低轉速0速時，制動器15啟動；既此，主風輪轉速達到額定最低轉速時，副風輪反向轉速達到最高，機組可實現變速恒頻運行。
以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，并非對本發明作任何形式上的限制，凡是依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發明技術方案的范圍內。
權利要求
1.一種雙轉子風力發電勵磁控制方法，其特征在于，1)在風電機上配置在風力作用下相對具有Pg極對數的定子以Ner速度旋轉的主風輪，且主風輪轉速滿足下述關系式Nzr=60×(fg-fe)Pg+Pe]]>其中Nzr表示主風輪轉速；Pg表示定子繞組極對數；Pe表示永磁外轉子的極對數；fg表示定子頻率；fe表示永磁外轉子折算頻率；2).在風電機的副風輪帶動永磁外轉子以Ne速度相對主風輪反向旋轉，且永磁外轉子折算頻率滿足下述關系式fe=Ne×Pe60]]>其中Ne表示副風輪相對定子轉速3).在副傳動軸上配置以Nzre轉速相對主風輪反向旋轉的、具有Pe極對數的永磁外轉子，永磁外轉子相對勵磁機內轉子旋轉的轉速滿足下述關系式Nzre＝Nzr+Ne其中Nzre表示永磁外轉子相對勵磁機內轉子旋轉的轉速4).當主風輪低于額定轉速時，機組集控裝置進行主風輪葉尖速比控制經由風速檢測裝置聯結的端口(D1)測得的風速和通過轉速測量裝置(G)測得的主風輪轉速傳輸給機組集控裝置(5)，經與機組集控裝置預設的主風輪葉尖速比數值比對，計算出槳距角的調節數值，再與主風輪槳距角測量裝置(G38)采集的槳距角值比對，由機組集控裝置對主風輪變槳距調節機構(38)發出變槳指令；由機組集控裝置按照Nzr=60×(fg-fe)Pg+Pe]]>關系式對主、副風輪變速控制；5).當主風輪達到額定轉速時，機組集控裝置對發電機進行功率控制，經由輸出電流檢測裝置(G3)測得的發電機的輸出電流和經由輸出電壓測量裝置(G4)測得的發電機的輸出電壓傳輸給機組集控裝置，經由該機組集控裝置運算出的發電機輸出功率值與預設的額定功率數值比對；符合預設值時，機組集控裝置將采集到的由風速檢測裝置聯結的端口(D1)測得的風速和通過轉速測量裝置(G)測得的主風輪額定轉速，計算出該風速下主風輪額定轉速的槳距角的調節數值，再與主風輪槳距角測量裝置(G38)采集的槳距角值比對，由機組集控裝置對主風輪變槳距調節機構(38)發出變槳指令；6).當主風輪以低于或符合額定轉速運行時，機組集控裝置通過副風輪對發電機進行頻率控制機組集控裝置(5)采集電網頻率檢測裝置(G2)頻率數值與主、副風輪設定轉速下計算得到的發電機輸出電壓頻率數值比對，計算出該風速下副風輪槳距角的調節數值，再與副風輪槳距角測量裝置(G28)采集的槳距角值比對，由機組集控裝置(5)對副風輪變槳距調節機構(28)發出變槳指令，使副風輪按機組集控裝置預設的規律相對主風輪反向旋轉，并形成使發電機定子電壓頻率始終為50Hz的變化轉速；7).當主風輪轉速達到額定轉速的1.2-1.5倍時，同時副風輪轉速達到最低轉速0速時，制動器15啟動。
2.如權利要求
1所述的雙轉子風力發電勵磁控制方法，其特征在于，所述勵磁機內轉子繞組極對數設置為Pe對極；所述發電機轉子繞組極對數設置為Pg對極；所述的勵磁機內轉子繞組與發電機轉子繞組通過轉子間連接線反相序連接；當發電機達到額定輸出功率時，機組功率因數控制在cosθ＝1左右運行；當發電機輸出有功功率較小時，機組輸出cosθ＜1的感性無功功率；當發電機轉速低于額定最低轉速或發電機輸出功率高于最大輸出功率時，從電網上解列發電機，通過并網控制裝置等配置完成軟解列。
3.如權利要求
1或2所述的雙轉子風力發電勵磁控制方法，其特征在于，所述的定子繞組極對數是3倍的永磁外轉子極對數，裝配在傳動軸上的主風輪與裝配在副傳動軸的副風輪借由葉片槳距角的相對反方向調節呈相對反向旋轉配置。
4.一種雙轉子風力發電勵磁控制系統，包括風電機(M)，其特征在于，所述風電機(M)中，發電機定子(16)和通過主傳動軸(13)傳動、相對該定子(16)呈旋轉構造設置的發電機轉子(14)，勵磁機(4)通過裝置主風輪(3)的主傳動軸與發電機主體同軸串裝；永磁體(43)設在永磁外轉子的磁軛(42)上構成勵磁機的永磁外轉子(41)；該永磁外轉子以與勵磁機內轉子(45)呈相對旋轉的構造、且該永磁外轉子呈相對發電機定子旋轉的構造設置；所述的副風輪呈可驅動永磁外轉子的構造裝置在副傳動軸上；所述的借由副風輪傳動的副傳動軸(12)與借由主風輪傳動的主傳動軸(13)成可相互轉動的方式同軸聯結；前述的主、副風輪上設置可將轉速的信號傳送到機組集控裝置(5)的主風輪轉速測量裝置(G)、副風輪轉速測量裝置(G1)；機組集控裝置具有與風速檢測裝置(未圖示)聯結的端口(D1)、與風向檢測裝置(未圖示)聯結得端口(D2)、與上位機傳輸數據的端口(D3)；偏航控制器(6)與機組集控裝置以控制主風輪下風向對風旋轉的方式聯結；所述的主風輪與副風輪分別配置調節槳距角的主風輪變槳距調節機構(38)、副風輪變槳距調節機構(28)，所述的主、副風輪變槳距調節機構與機組集控裝置(5)均以控制風輪變槳距調節機構變槳的方式聯結；在發電機的電壓輸出端依次連接可對發電機輸出電壓加以限制、同期后軟并網、停機時軟解裂的并網控制裝置(7)、和升壓變壓器(8)，再與外電網聯接；在并網控制裝置、和升壓變壓器之間依次配置與機組集控裝置聯結的輸出電壓測量裝置(G4)、與機組集控裝置聯結的輸出電流檢測裝置(G3)、及與機組集控裝置聯結的電網頻率檢測裝置(G2)；在發電機(M)與并網控制裝置之間配置與機組集控裝置聯結的空載檢測裝置(G5)。
5.如權利要求
4所述的雙轉子風力發電勵磁控制系統，其特征在于所述風電機(M)的副風輪(2)以相對主風輪反向旋轉的傳動構造配置；主風輪呈下風向對風旋轉結構設置；所述主風輪的葉片掃風面積設置為副風輪的葉片掃風面積2-5倍；所述主、副風輪變槳距調節機構構造相同，它由變槳伺服機構(381、281)與變槳控制裝置(382、282)組成，所述機組集控裝置通過變槳控制裝置與變槳伺服機構(381、281)呈根據檢測到的槳距角變化進行主風輪和副風輪轉速調節的方式聯結；所述的主風輪與副風輪內分別配置副風輪槳距角測量裝置(G28)、主風輪槳距角測量裝置(G38)；
6.如權利要求
4或5所述的雙轉子風力發電勵磁控制系統，其特征在于，所述風電機(M)的永磁體(43)成組配置，其極對數與勵磁機內轉子極對數匹配；所述裝置永磁體(43)的磁軛(42)設置在永磁外轉子殼體(410)內；主、副風輪變槳距調節機構由伺服電機(M38、M28)驅動；該變槳伺服機構與機組集控裝置呈可依槳距角的變化對主風輪和副風輪進行轉速調節的方式電氣聯結。
7.如權利要求
6所述的雙轉子風力發電勵磁控制系統，其特征在于，所述風電機(M)的主風輪葉片掃風面積約是副風輪的葉片掃風面積的3倍，所述的掃風面積是風輪旋轉形成的面積；所述的主風輪下風向對風旋轉，副風輪上風向反向對風旋轉；所述副風輪與勵磁機之間留有避免副風輪與塔架碰撞的預設間距(L)；制動器(15)與機組集控裝置以當副風輪轉速為0時可啟動工作的電氣方式聯結。
8.如權利要求
7所述的雙轉子風力發電勵磁控制系統，其特征在于，所述定子繞組極對數Pg設置為大于永磁外轉子極對數Pe，所述配置在主傳動軸上的主風輪(3)，在風力作用下相對具有Pg極對數的定子(16)以Ner速度旋轉，且主風輪轉速滿足下述關系式配置Nzr=60×(fg-fe)Pg+Pe]]>其中Nzr表示主風輪轉速；Pg表示定子繞組極對數；Pe表示永磁外轉子(41)的極對數；fg表示定子頻率；fe表示永磁外轉子折算頻率；所述定子繞組極對數可以是3倍的永磁外轉子極對數；所述勵磁機內轉子(45)繞組極對數設置為Pe對極；所述發電機轉子(14)繞組極對數設置為Pg對極；所述的勵磁機內轉子繞組與發電機轉子繞組通過轉子間連接線(123)反相序連接；風電機的的副風輪(2)配置在副傳動軸上，該副風輪帶動永磁外轉子以Ne速度旋轉，且永磁外轉子折算頻率滿足下述關系式fe=Ne×Pe60]]>其中Ne表示副風輪相對定子轉速；在副傳動軸上配置以Nzre轉速相對主風輪反向旋轉的、具有Pe極對數的永磁外轉子，永磁外轉子相對勵磁機內轉子旋轉的轉速滿足下述關系式Nzre＝Nzr+Ne其中Nzre表示永磁外轉子相對勵磁機內轉子旋轉的轉速；所述的主、副傳動軸均具有預設直徑的中空通孔(130)，該傳動軸借由配置在發電機上的軸承(115、116)和勵磁機上的軸承(147、148)支撐。
9.如權利要求
8所述的雙轉子風力發電勵磁控制系統，其特征在于，所述風電機(M)的副風輪(2)以相對主風輪反向旋轉的傳動構造配置；所述的副風輪呈上風向對風旋轉結構設置；主風輪呈下風向對風旋轉結構設置；所述的永磁體(43)成組配置，其極對數與勵磁機內轉子極對數匹配；所述裝置永磁體(43)的磁軛(42)設置在永磁外轉子殼體(410)內。
10.如權利要求
9所述的雙轉子風力發電勵磁控制系統，其特征在于，所述副風輪與勵磁機之間留有避免副風輪與塔架碰撞的預設間距(L)。
專利摘要
一種雙轉子風力發電勵磁控制方法及其控制系統，其中，在風電機上配置相對定子以Ner速度旋轉的主風輪；副風輪帶動永磁外轉子以Ne速度相對主風輪反向旋轉；在副傳動軸上配置以Nzre轉速相對主風輪反向旋轉的、具有Pe極對數的永磁外轉子；控制系統中機組集控裝置進行主風輪葉尖速比控制、功率控制、頻率控制，由機組集控裝置發出相應指令，使副風輪按機組集控裝置預設的規律相對主風輪反向旋轉，并形成使發電機定子電壓頻率始終為50Hz的變化轉速。本發明無需配置功率復雜的變流裝置，有效的簡化了機組構造，提高了機組運行效率和可靠性。
文檔編號H02K5/16GK1996746SQ200610130226
公開日2007年7月11日 申請日期2006年12月15日
發明者王華君 申請人:天津市新源電氣科技有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan