本发明专利技术涉及一种可直接并网运行的同步风力发电机组，属于风电领域。该风电机组包括风力气轮机、可控型集成磁齿轮箱及其变流器系统、同步风力发电机及其励磁系统等；风力气轮机包括气流增速器、导气部件、工作部件、排气管和偏航部件；可控型集成磁齿轮箱包括可控型集成同轴磁齿轮、输入轴和输出轴，可控型集成磁齿轮箱变流器系统包括可控型集成同轴磁齿轮变流器和储能设备；同步风力发电机励磁系统包括励磁变压器、转子侧变流器、双向直流变流器、储能设备。本发明专利技术无需叶片、无需润滑、无需解缆，可直接并网，大大降低运输运维成本，实现风电机组轻量化、小型化、低成本、高效率，消除了超大功率风电机组的发展瓶颈。超大功率风电机组的发展瓶颈。超大功率风电机组的发展瓶颈。
【技术实现步骤摘要】
一种可直接并网运行的同步风力发电机组
[0001]本专利技术涉及一种风力发电机组，尤其是一种可直接并网运行的同步风力发电机组，属于风力发电
技术介绍
[0002]目前几乎所有水平轴、垂直轴风电机组，一方面均需叶片实现风能转化为机械能，另一方面均需通过变流器系统实现并网运行。这两个因素使得现有风电机组存在如下固有缺陷：
[0003]第一，以水平轴风电机组为例，每台风机一般均采用3只叶片，每只叶片长而重，长达数十米至百米，重达数吨至十几吨，运输困难、安装不便，尤其是超大功率风电机组，叶片更长更重，运输、安装、运维难度大、成本高，严重制约了风电机组向超大功率的发展。
[0004]第二，在切入风速和额定风速之间，为了实现最大功率点跟踪(MPPT)，必须根据风速调节风轮转速，使其工作在最佳工作点上，控制复杂，同时使风电机组的旋转部件在实现MPPT过程中承受很高的机械应力，导致其寿命缩短。
[0005]第三，由于变流器采用电力电子开关器件，产生大量谐波，从而存在两个固有缺陷：1)并网电能质量下降；2)开关器件在导通、截止期间，电流、电压突变，导致发电机定子绕组产生高压，严重威胁发电机的安全运行，因而必须提高发电机绝缘水平，导致发电机成本高、体积大。
技术实现思路
[0006]本专利技术的主要目的在于：针对现有技术的不足和空白，本专利技术提供一种可以直接并网运行的大功率同步风力发电机组，其发电机可以采用类似水电用的直接并网型同步发电机，因而可大大提升风力发电系统的电能质量，节能降耗，从而提高系统运行性能和可靠性。
[0007]为了达到以上目的，本专利技术一种可直接并网运行的同步风力发电机组，包括：风力气轮机、可控型集成磁齿轮箱及其变流器系统、同步风力发电机及其励磁系统、塔架。
[0008]所述风力气轮机包括：气流增速器、导气部件、工作部件、排气管和偏航部件。
[0009]所述气流增速器是一种喇叭状管道，其大端口为引气口，风从大端口吹入，其小端口与所述导气部件固定。
[0010]所述导气部件包括导气圆管、导气机构、喷嘴；所述导气机构包括导叶和转轴机构，所述转轴机构用于调节所述导叶的导向角以改变气流的大小；所述导叶、转轴机构、喷嘴安装在所述导气圆管内，所述导气圆管的入口端与所述气流增速器的小端口固定。
[0011]所述工作部件包括转轮、主轴、主轴轴承、工作圆管；所述转轮安装在所述工作圆管的中部；所述主轴与所述转轮固定，所述主轴的另一端通过发电机联轴器与同步风力发电机的转轴固定；所述主轴轴承套装在主轴外侧，安装在所述工作圆管与所述塔架的结合处，承担转轮重力及径向推力；所述转轮、主轴、主轴轴承、发电机联轴器、同步风力发电机
转轴均保持同心；所述工作圆管的一端与所述导气圆管固定，另一端与所述排气管固定。
[0012]所述排气管为开口的喇叭状排气管道，其小端口与所述工作部件的工作圆管固定，其大端口为排气口；
[0013]所述偏航部件包括：尾舵、偏航轴承；所述尾舵安装固定在所述排气管的后端，所述偏航轴承安装在所述工作圆管与所述塔架的结合处，其外圈与所述塔架固定，其内圈套装在所述主轴轴承的外侧，并与所述工作圆管固定。
[0014]进一步地，为了提高气流功率和便于制动，所述风力气轮机可加装增压制动器，所述增压制动器包括两个管道：第一管道和第二管道；所述第一管道的一端安装固定在所述排气管外部的前面，另一端安装固定在所述导气圆管外部的前面；第二管道的一端安装固定在所述排气管外部的后面，另一端安装固定在所述气流增速器外部的后面。
[0015]进一步地，对于更大功率风电机组，所述偏航部件可采用偏航系统，所述偏航系统包括偏航大齿圈、侧面轴承、偏航驱动装置、偏航制动器；所述偏航大齿圈与塔架用螺栓固定；所述偏航驱动装置包括偏航电机及其减速器、小齿轮，所述小齿轮与偏航大齿圈相啮合，所述偏航驱动装置通过螺栓紧固在所述工作部件的工作圆管上。当风向改变时，所述偏航驱动装置驱动所述工作圆管旋转，实现偏航对风。所述偏航系统是现有水平轴风电机组偏航系统的简化版，由于同步风力发电机垂直安装在塔架内，无需解缆，所以无需偏航计数器和扭缆保护装置。
[0016]所述可控型集成磁齿轮箱第一个作用是实现增速功能，它包括：可控型集成同轴磁齿轮、输入轴和输出轴；所述可控型集成同轴磁齿轮包括：外转子、内转子、调磁定子和机壳；所述调磁定子包括电枢绕组和沿圆周均匀分布的调磁铁芯块，所述电枢绕组为三相绕组，嵌放在所述调磁铁芯块之间；所述电枢绕组的极对数等于所述外转子的磁极对数。
[0017]进一步地，如果采用中高速同步风力发电机，所述可控型集成磁齿轮箱可在所述可控型集成同轴磁齿轮后增加一级或两级同轴磁齿轮，以实现高增速比。
[0018]所述可控型集成磁齿轮箱的输入轴通过耦合器与所述风力气轮机的主轴连接；所述可控型集成磁齿轮箱的输出轴通过发电机联轴器与所述同步风力发电机的转轴固定。
[0019]所述可控型集成磁齿轮箱变流器系统包括：可控型集成同轴磁齿轮变流器和第一储能设备；所述可控型集成同轴磁齿轮变流器(MGC)为双向AC/DC三相变流器，其直流侧与所述第一储能设备相连，其交流侧与所述电枢绕组连接。
[0020]所述可控型集成磁齿轮箱第二个作用是实现调频功能：通过所述可控型集成磁齿轮箱变流器系统实现调速，即由所述可控型集成磁齿轮箱变流器系统调控所述同步风力发电机的转速进行调频，使所述同步风力发电机的输出频率保持在额定频率50Hz，实现直接并网。
[0021]所述同步风力发电机及其励磁系统包括：同步风力发电机、励磁系统；所述同步风力发电机包括三相交流定子和带有直流励磁绕组的转子，所述三相交流定子通过升压变压器与电网连接，直接并网；所述直流励磁绕组由励磁系统供电；所述励磁系统包括励磁变压器、转子侧变流器、双向直流变流器、第二储能设备。所述转子侧变流器为三相整流器，用于调控所述同步风力发电机的励磁电流，从而控制所述同步风力发电机的定子电压，使其与电网电压同幅值、同相位。所述励磁变压器的高压侧与所述同步风力发电机的定子相连，其低压侧与所述转子侧变流器的交流侧相连；所述转子侧变流器的直流侧与所述同步风力发
电机转子的直流励磁绕组相连；所述双向直流变流器的一端与所述同步风力发电机的转子直流励磁绕组相连，另一端与第二储能设备相连。
[0022]本专利技术的有益效果是：
[0023]1)通过控制可控型集成磁齿轮箱调磁定子电流的大小和方向，灵活改变电枢绕组产生的电磁转矩，以此调控同步风力发电机转速进行调频，使发电机输出频率保持在额定频率50Hz，实现直接并网，无需并网变流器，并网电能质量高。
[0024]2)由于风力发电机垂直安装在塔架内，无需解缆，控制更简便，运行更可靠。
[0025]3)无需进行最大功率点跟踪，控制简便、运行灵活、寿命更长。
[0026]4)因为无需长而重的叶片，从而可大大降低运输、安装以及整机制造成本，真正实现风电机组轻量化、本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种可直接并网运行的同步风力发电机组，其特征在于：包括：风力气轮机、可控型集成磁齿轮箱及其变流器系统、同步风力发电机及其励磁系统、塔架；所述风力气轮机包括：气流增速器、导气部件、工作部件、排气管和偏航部件；所述气流增速器是一种喇叭状管道，其大端口为引气口，风从大端口吹入，其小端口与所述导气部件固定；所述导气部件包括导气圆管、导气机构、喷嘴；所述导气机构包括导叶和转轴机构，所述转轴机构用于调节所述导叶的导向角以改变气流的大小；所述导叶、转轴机构、喷嘴安装在所述导气圆管内，所述导气圆管的入口端与所述气流增速器的小端口固定；所述工作部件包括转轮、主轴、主轴轴承、工作圆管；所述转轮安装在所述工作圆管的中部；所述主轴与所述转轮固定，所述主轴的另一端通过发电机联轴器与同步风力发电机的转轴固定；所述主轴轴承套装在主轴外侧，安装在所述工作圆管与所述塔架的结合处；所述转轮、主轴、主轴轴承、发电机联轴器、同步风力发电机转轴均保持同心；所述工作圆管的一端与所述导气圆管固定，另一端与所述排气管固定；所述排气管为开口的喇叭状排气管道，其小端口与所述工作部件的工作圆管固定，其大端口为排气口；所述偏航部件包括：尾舵、偏航轴承；所述尾舵安装固定在所述排气管的后端，所述偏航轴承安装在所述工作圆管与所述塔架的结合处，其外圈与所述塔架固定，其内圈套装在所述主轴轴承的外侧，并与所述工作圆管固定；所述可控型集成磁齿轮箱包括：可控型集成同轴磁齿轮、输入轴和输出轴；所述可控型集成同轴磁齿轮包括：外转子、内转子、调磁定子；所述调磁定子包括电枢绕组和沿圆周均匀分布的调磁铁芯块，所述电枢绕组为三相绕组，嵌放在所述调磁铁芯块之间；所述电枢绕组的极对数等于所述外转子的磁极对数；所述可控型集成磁齿轮箱的输入轴通过耦合器与所述风力气轮机的主轴连接；所述可控型集成磁齿轮箱的输出轴通过发电机联轴器与所述同步风力发电机的转轴固定；所述可控型集成磁齿轮箱变流器系统包括：可控型集成同轴磁齿轮变流器和第一储能设备；所述可控型集成同轴磁齿轮变流器为双...
【专利技术属性】
技术研发人员：蔡彬，邱雅兰，陈玉庆，秦清海，张维钰，
申请(专利权)人：曲阜师范大学，
类型：发明
国别省市：
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