專利名稱：海上風(fēng)力發(fā)電場的定子雙繞組異步電機(jī)矩陣式集電發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的海上風(fēng)力發(fā)電場的定子雙繞組異步電機(jī)矩陣式集電發(fā)電系統(tǒng)，屬高壓直流異步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)背景技術(shù)：
風(fēng)力發(fā)電正在成為各國努力發(fā)展的熱門技術(shù)，因?yàn)樗诳朔茉慈狈头乐弓h(huán)境污染方面，有著非常重要的意義。風(fēng)力發(fā)電中大量使用異步電機(jī)，當(dāng)前最通用的發(fā)電技術(shù)是三相交流雙饋異步電機(jī)發(fā)電技術(shù)，它的特點(diǎn)是定子繞組輸出直接連接到三相交流電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組由變頻器供電，利用變速恒頻技術(shù)，直接發(fā)出電壓穩(wěn)定的三相50Hz交流電。近年來，在國外又興起了海上風(fēng)力發(fā)電，1998年ABB公司開發(fā)了單機(jī)容量為3～5MW，電壓為1.2KV的高壓同步發(fā)電機(jī)，計(jì)劃安裝于瑞典的一個(gè)近海風(fēng)場，以期對(duì)海上風(fēng)電場做出評(píng)價(jià)。它的系統(tǒng)機(jī)構(gòu)如附圖1。從圖中可以看到，這種海上風(fēng)電場由于鋪設(shè)電纜特別困難，它特地將電機(jī)設(shè)計(jì)成高壓永磁電機(jī)(1.2KV)，并整流輸出高壓直流電。這樣，饋電的電纜就變成二根較細(xì)的電纜，在海底容易鋪設(shè)。如果要發(fā)出大功率風(fēng)電，則一是加大單機(jī)容量(ABB公司試驗(yàn)的樣機(jī)3～5MW)，二是并聯(lián)輸出。這種海上風(fēng)電場造價(jià)高，很難建造，而且，永磁電機(jī)滅磁困難，一旦發(fā)生事故，安全性很成問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提出一種安全可靠，建造容易，造價(jià)低廉，維護(hù)方便，能提供高壓大功率直流電的海上風(fēng)力發(fā)電場的定子雙繞組異步電機(jī)矩陣式集電發(fā)電系統(tǒng)。
本發(fā)明的海上風(fēng)力發(fā)電場的定子雙繞異步電機(jī)矩陣式集電發(fā)電系統(tǒng)，是將定子雙繞組異步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)作為單元，進(jìn)行串并聯(lián)的連接方式組成向外輸出高壓直流電的矩陣式集電發(fā)電系統(tǒng)。即將定子雙繞組異步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電單元所輸出的直流電壓相串聯(lián)成矩陣式集電系統(tǒng)的行，將定子雙繞組異步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電單元輸出的直流電壓并聯(lián)成列構(gòu)成向外輸出高壓直流電的矩陣式集電發(fā)電系統(tǒng)。
定子雙繞組異步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，包括定子雙繞組異步電機(jī)，勵(lì)磁變換器，控制器，整流器和濾波電容。其中定子雙繞組異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子是普遍籠型轉(zhuǎn)子，定子上有兩套繞組，一套為主繞組，其輸出端接有交流電容，向外傳遞電功率，由整流器和濾波電容組成的整流濾波電路輸出恒壓直流電；另一套繞組為勵(lì)磁繞組，連接于與控制器相連的勵(lì)磁變換器，由勵(lì)磁變換器提供所需的補(bǔ)償無功電流，通過控制器的控制，實(shí)現(xiàn)主繞組輸出電壓的恒定。
本發(fā)明具有如下明顯的優(yōu)點(diǎn)
1.異步電機(jī)造價(jià)低廉，無電刷滑環(huán)，可靠性高。
2.用定子雙繞組異步電機(jī)系統(tǒng)為組成單元，進(jìn)行串并聯(lián)連接方式的矩陣集電后，能夠很容易得到高壓大功率直流電輸出，而每個(gè)組成單元的功率不大，電壓不高，造價(jià)進(jìn)一步低廉。
3.定子雙繞組異步電機(jī)的特點(diǎn)是在定子上有二個(gè)繞組，主繞組參加集電連接，主回路中，除功率二極管外，無電力電子開關(guān)器件和控制部分；而包含電力電子開關(guān)器件的控制部分，全在和主回路沒有電路直接連接的勵(lì)磁回路中，勵(lì)磁電路比主回路功率更小，電壓也不高，因此這種單元可靠性極高，且造價(jià)低廉，在海上建造容易。
4.整個(gè)矩陣式集電輸出的總電壓和容量，可隨串并聯(lián)的支路而方便的變化，也就是說，串聯(lián)單元多，輸出電壓可以很高；并聯(lián)支路多，輸出容量可以很大。
5.維護(hù)非常方便，如果其中有一個(gè)單元有故障，可以帶電切除，并調(diào)整其他單元的輸出，保持原有的總輸出數(shù)據(jù)不變。切除下來的單元維修好后，又可以隨時(shí)進(jìn)入矩陣群，即有熱插拔功能。
四

圖1是采用高壓發(fā)電機(jī)技術(shù)的風(fēng)電場電氣連接示意圖。
圖2是海上風(fēng)力發(fā)電場的定子雙繞組異步電機(jī)矩陣式集電發(fā)電系統(tǒng)示意圖。
圖3是定子雙繞組異步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)原理圖。
圖3中標(biāo)號(hào)名稱，1.定子雙繞組異步電機(jī)，2.勵(lì)磁變換器，3.電容C1，4.控制器，5.主繞組輸出端交流電容C2，6.整流器，7.濾波電容C3，8.電流傳感器，9與10.電壓傳感器。
五具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提出的定子雙繞組異步電機(jī)矩陣式集電發(fā)電系統(tǒng)由若干個(gè)定子雙繞組異步發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)串并聯(lián)方式的矩陣式連接而成(如附圖2所示)。定子雙繞組異步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)如附圖3所示，電機(jī)1的轉(zhuǎn)子也是普通籠型轉(zhuǎn)子，但定子具有兩套繞組，一套為主繞組，向外傳遞電功率，輸出端接有交流電容5、整流器6和濾波電容7輸出恒壓直流，另一套為勵(lì)磁繞組，接有勵(lì)磁變換器2，電容3和控制器4，由勵(lì)磁變換器提供所需的補(bǔ)償無功電流，采用一定的控制策略，可以有效地調(diào)節(jié)主繞組輸出電壓保持恒定。二套定子繞組的級(jí)數(shù)相同。由于兩套定子繞組在電氣上沒有直接連接，只是通過磁耦合，無需并聯(lián)式異步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)所需要的隔離電感，減小了系統(tǒng)的體積重量；另外勵(lì)磁回路和功率回路沒有電路連接，便于實(shí)現(xiàn)高性能的控制。
該系統(tǒng)的一大優(yōu)勢在于異步發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)速和負(fù)載在較大范圍變化時(shí)，供給無功功率的勵(lì)磁變換器容量比發(fā)電機(jī)額定容量要小得多，從而大大降低了系統(tǒng)的成本。
利用這種優(yōu)秀的定子雙繞組異步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)為單元，根據(jù)海上風(fēng)電場設(shè)計(jì)的容量和輸出高壓，選擇合適的串聯(lián)支路和并聯(lián)支路，組成矩陣式集電方式向外供電。
選擇的原則是每個(gè)單元在容量和輸出電壓這二個(gè)指標(biāo)留有10％～20％的余量，以使在有故障時(shí)做出調(diào)整。設(shè)計(jì)舉例要設(shè)計(jì)一個(gè)20MW輸出電壓5000V，輸出電流4000A的海上風(fēng)力電場，每個(gè)定子雙繞組異步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)單元為輸出功率720KW，輸出最大電壓600V，輸出最大電流為1200A。這個(gè)海上風(fēng)電場則利用四個(gè)并聯(lián)支路，每個(gè)支路由10臺(tái)720KW，600V的異步發(fā)電機(jī)單元組成，即整個(gè)矩陣式集電網(wǎng)由40臺(tái)720KW，600V的異步電機(jī)單元組成，它能向外供給20MW，5000V的直流電。
對(duì)每一個(gè)單元的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，經(jīng)隔離送入管理中心，管理中心管理整個(gè)矩陣式集電群的運(yùn)行情況，一旦發(fā)現(xiàn)有個(gè)別單元運(yùn)行有異常，主動(dòng)切除此單元，并調(diào)節(jié)其他單元，使輸出電壓適當(dāng)升高，使該電路的整流電壓不變；切除單元修復(fù)后，重新進(jìn)入矩陣群，修復(fù)單元的電壓從零逐步上升，該支路其他單元的輸出電壓逐步下調(diào)，整個(gè)調(diào)整過程保持支路整電壓不變，最終達(dá)到支路各單元輸出電壓均勻。
該系統(tǒng)的特點(diǎn)是各單元串聯(lián)后，能向外輸送高壓大功率直流電。由于它電壓高，又總是直流，因此輸送電能可采用二根較細(xì)的輸電電纜，特別適用于三相電網(wǎng)沒有達(dá)到的地區(qū)，鋪設(shè)電纜較困難的場合，如海上、草原和沙漠深處的風(fēng)力發(fā)電場。
另外，由于各單元是串聯(lián)、并聯(lián)，因此，盡管傳遞的直流電壓高，功率大，但是每個(gè)單元的電壓并不高，功率也不大，便于建造。特別是勵(lì)磁繞組和主電網(wǎng)沒有電路上的直接連接，而系統(tǒng)的控制部分如勵(lì)磁變換器、控制器等均在勵(lì)磁繞組側(cè)，各個(gè)單元的勵(lì)磁系統(tǒng)獨(dú)立形成電路，這大大保證了系統(tǒng)的安全和降低了系統(tǒng)的造價(jià)。
權(quán)利要求
1.一種海上風(fēng)力發(fā)電場的定子雙繞組異步電機(jī)矩陣式集電發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，將定子雙繞組異步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)作為單元，進(jìn)行串并聯(lián)的連接方式組成向外輸出高壓直流電的矩陣式集電發(fā)電系統(tǒng)，即將定子雙繞組異步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電單元所輸出的直流電壓相串聯(lián)成矩陣式集電系統(tǒng)的行，將定子雙繞組異步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電單元輸出的直流電壓并聯(lián)成列構(gòu)成向外輸出高壓直流電的矩陣式集電發(fā)電系統(tǒng)。
全文摘要
一種海上風(fēng)力發(fā)電場的定子雙繞組異步電機(jī)矩陣式集電發(fā)電系統(tǒng)，屬高壓直流異步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)。該矩陣式集電系統(tǒng)由若干個(gè)定子雙繞組異步發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)串并聯(lián)方式的矩陣式連接而成。而這些定子雙繞組異步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)單元包括定子雙繞組異步電機(jī)、勵(lì)磁變換器、控制器，交流電容、整流器、濾波電容。電機(jī)在定子上有兩套繞組，一個(gè)是主繞組，外接整流橋，變換為直流電，向外輸送功率；另一個(gè)是勵(lì)磁繞組，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，這兩個(gè)繞組在電路上沒有直接的連接。若干發(fā)電單元的輸出直流電壓相串聯(lián)構(gòu)成矩陣集電系統(tǒng)的行，再由若干行并聯(lián)形成完整的矩陣集電系統(tǒng)。因此該矩陣式集電發(fā)電系統(tǒng)能提供高壓大功率直流電，安全可靠，建造容易，造價(jià)低廉，維護(hù)方便，特別適用于三相電網(wǎng)難以到達(dá)的海上、草原、沙漠等地區(qū)風(fēng)力發(fā)電場。
文檔編號(hào)H02K17/42GK1738138SQ200510041199
公開日2006年2月22日 申請日期2005年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月27日
發(fā)明者胡育文, 黃文新 申請人:南京航空航天大學(xué)