[发明专利]三次谐波供电、受控旋变的风力发电机组及无刷励磁方法

说明书

技术领域

本发明所涉及的是采用三次谐波绕组供电、受控旋转变压器无刷励磁的MW级同步风力发电机组结构及励磁方法的设计。

背景技术

同步发电机采用直流电流励磁，它的有功功率和无功功率可以根据需要进行调节，可满足各种负载的需要，并且由于励磁绕组和电枢绕组分开，易于实现高性能控制。这些特点使得同步发电机应用广泛。并且随着人们对新能源的关注，风力发电技术得到了快速发展，从国内外的研究状况来看，目前应用于高压直流风电场的直驱发电机主要采用的也是同步电机。它的励磁形式包括电励磁和永磁两种。励磁系统是同步发电机的一个重要组成部分，采用什么样的励磁方式和励磁控制方式将直接影响到发电机的性能、可靠性和技术要求。为了提高发电机的可靠性，减小维护工作量，特别是要适合海上风力发电的需要，采用无刷励磁技术越来越受到人们的重视。目前，用于同步电机无刷励磁的方案已有多种，包括永磁励磁、旋转整流器式励磁方式、附加非同步旋转磁场感应耦合无刷励磁技术等。采用三次谐波绕组供电、受控中频旋转变压器无刷励磁的方案为无刷励磁同步风力发电机组提供了一种新颖的励磁方法及电机机组结构形式。

从国内外文献来看，对三次谐波绕组供电、受控中频旋转变压器无刷励磁方案的同步风力发电机的研究尚处于起步阶段。之前，发明者设计的利用旋转变压器结构对同步发电机进行无刷励磁时，采用了高频无刷励磁方案，该无刷励磁系统以罐形磁芯形式的旋转变换器构成非接触式电能传递环节的主要部分，实现同步电机的无刷励磁。但是，此类高频方案理论上适用于同步风力发电机的无刷励磁，而对于需要较大励磁容量的大型风力发电系统，罐形磁芯结构的高频旋转变压器的制作从成本和工艺上都具有不合理性；同时，该类方案采用外部直流电源励磁，对于大功率系统，降低了系统稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于大功率风力发电场的电机机组结构，及一种具有较强系统稳定性的同步风力发电机无刷励磁方案。

为实现上述目的，需要从无刷结构以及励磁方法等方面进行研究和改进，从而使得利用非接触式能量传递方式进行无刷励磁的方案适用于大型同步风力发电系统，这将拓展无刷励磁风力发电系统的应用竞争力，带来较大的经济和社会效应。

这种三次谐波供电、受控旋变的风力发电机组，其特征由以下方式组成：

凸极同步主发电机由：三相基波绕组、三次谐波绕组和励磁绕组组成；其中三相基波绕组的三相输出端与系统外部相连；同时三相基波绕组的三相输出端通过PI调节器与驱动脉冲发生电路的输入端相连，驱动脉冲发生电路的输出端与中频逆变器的控制端相连；三次谐波绕组的三相输出端经过三相整流桥与中频逆变器的输入端相连；中频逆变器的输出端与单相输入三相输出的中频旋转变压器的输入端相连，单相输入三相输出的中频旋转变压器的输出端经过旋转整流器与励磁绕组相连；中频逆变器的输入端还与蓄电池充电模块相连。

根据上述的三次谐波供电、受控旋变的风力发电机组的励磁方法，其特征包括以下过程：主发电机定子槽中安装的三相基波绕组作为风力发电输出端口，向外部电网或用电设备提供电能；同时，三相基波绕组需经过PI调节器接驱动脉冲发生电路，驱动脉冲发生电路的脉冲输出作为中频逆变器的控制信号，从而控制主发电机励磁及输出电压。主发电机定子槽中的剩余空间安放三次谐波绕组，绕组感应出的电能经三相整流桥和中频逆变器变换后产生单相中频交流电，接至单相输入三相输出的中频旋转变压器原边绕组，通过旋转变压器非接触式能量传递的方式将电能传递至其副边转子三相绕组，该三相绕组经旋转整流器整流后接至主发电机的转子励磁绕组，实现主发电机的无刷励磁；蓄电池充电模块为初始激励时提供电能，并联在中频逆变器的输入端，蓄电池与二极管串联，当电压建立后由二极管阻断。 

本发明提出的新拓扑结构与现有的拓扑结构相比，最大的不同是改变了无刷励磁环节中非接触式能量传递的拓扑结构。原设计方案中，采用了高频罐形磁芯形式的旋转变换器构成非接触式电能传递环节的主要部分，实现同步发电机的无刷励磁。但是，此类高频方案对于需要较大励磁容量的大型风力发电系统，罐形旋转磁芯的制作从成本和工艺上都具有不合理性。同时，该类方案采用外部直流电源励磁，励磁容量受到限制，并且降低了系统稳定性。而本发明采用类似于绕线式异步电机的单相输入三相输出的中频旋转变压器作为非接触式能量传递的拓扑结构，使得励磁容量可以设计至几十千瓦，并且保持90%左右的电能传递效率，同时，本发明采用了三次谐波绕组励磁这种具有反馈负载特性的发电机自励方案，使得该无刷励磁风力发电方案适用于大功率风力发电机组，这将拓展无刷励磁同步风力发电机组的应用竞争力。