[实用新型]开关磁阻风力发电机直流输出Cuk升降压型电能变换系统

说明书

技术领域

本发明涉及风力发电领域，尤其是海上风力发电领域，具体涉及采用直接输出直流电能的开关磁阻发电机(Switched Reluctance Generator，简称：SRG)为风力发电机，开关磁阻发电机直流输出接口端采用Cuk升降压型斩波电路的系统。

背景技术

清洁、绿色、环保为标志的风力发电是多年来国内外重点发展的可再生能源发电形式。

我国陆地风电开发已经比较成熟，海上风电刚刚起步，但技术上有别于陆地风电；欧洲的开发经验告诉我们，海上风电大有可为！

海上风能相对陆地来说，风速更高更稳定，开发价值更高；目前我国已启动海上风电场的规划和建设，预期未来海上风电的开发将成为风能利用的主要方向。

但是，海上风电技术上更复杂，成本更高，目前大多需要在海上建设海上变电站，并与岸上变电站连接；特别是，不同于陆地风电，海上风电利用高压直流传输成为发展和应用趋势，效果极佳。

目前风电机组主要以双馈型异步风力发电机组和直驱全功率变换型永磁同步风力发电机组为主；双馈型异步风力发电机组有较好的性价比，但对电网故障的穿越能力和支撑能力较弱，它的传动链必须要有大型齿轮箱，这对机组的可靠性和可维护性提出了更苛刻的要求；直驱全功率变换型永磁同步风力发电机组通过变频器并网，对电网故障的穿越能力较强，有一定的支撑电网能力，避免了齿轮箱的维护工作量，可靠性有所提高，但由于其转速很低，随着功率的增大，多极数永磁同步发电机的制造工艺复杂，技术难度大，电机体积大，造价高，海上安装成本更高，同时随着机组容量的不断增大，配套的变频器价格昂贵更增加了其使用成本。

开关磁阻发电机结构简单，转子上无刷、无绕组、无永久磁体；其运行时相当于一个电流源，这样在一定转速范围内，输出端电压不会随着转速的变化而变化，这非常适合于当前主流的变速运行的风力机，可提高风能的利用效率；更重要的是它直接发出为直流电，适应了当前海上风电以高效的直流方式进行电力传输趋势的需要，省去了整流环节；由于这些特性，开关磁阻发电机可以在风力直接驱动下实现较高的发电效率，从而省去了齿轮箱，使整个发电系统结构更加简洁、可靠，这也正是风力发电系统的发展趋势；而在运行过程中，开关磁阻发电机可控参数多，如开通角、关断角控制，电流斩波控制等，可方便的实现比较复杂的控制策略，灵活的控制输出直流电压和电流，也大大降低了低电压穿越的技术压力；可见，开关磁阻发电机引入海上风电，完全符合安装困难、成本高、维护保养困难的海上风电发展的需要，即高效率实现风能的转换，结构的简洁化意味着更高的可靠性更少的维护以及更低的安装成本和设备采购成本。

近年来，关于开关磁阻发电机用于风力发电的研究和实践也有一些，重点在：高功率密度开关磁阻发电机、开关磁阻风力发电最大功率跟踪控制方法、以及开关磁阻发电机用于风力发电工况下的控制器设计等；但是，就开关磁阻发电机系统直流输出变换的研究或实践很少。

国内外研究表明，采用高压直流(High-Voltage Direct Current，简称：HVDC)的方式传输电力对于海上风电最为方便经济，而电压源型变流器(Voltage Source Converter，简称：VSC)的HVDC(VSC-HVDC)以其控制灵活，体积小、具备黑启动能力等特点，特别适合被应用于海上风电场与电网的连接；现有利用HVDC与电网连接的风场都采用在海上建立一个变电站的方式，因目前的海上发电机全部为交流发电机，要通过每台交流发电机组连接的交流变压器先升压至中压，然后集中到海上变电站转换成直流输送，由岸上变电站的逆变器逆变后连接交流电网；其结构复杂，电能需要经过多次交流和直流之间的转换。

有些研究则考虑到风电机组本身的结构特点，可以在一次变流后直接组成直流网络，由直流并联网络将电能集中到海上直流升压变电站，然后由直流传输到岸上变电站，最后再逆变连接交流电网，这样就降低了系统复杂度，但仅仅是省去了升压变压器。

进一步研究表明，直接串联连接经过电能变换为直流的各风电机组则更加经济，可无需升压变压器和海上变电站，多个低压风电机组直接串联后成为所需的高压直流，然后直接通过海底直流电缆传输到陆地变电站，此种方式目前已成为海上风电场电能汇聚的研究热点。

发明内容

根据以上的背景技术，本实用新型结合风电场尤其是海上风电场，针对直流串联型风场结构，提出采用开关磁阻发电机作为风力发电机的单机输出电能的简单易行的Cuk升降压型变换系统。

本实用新型的技术方案为：