[发明专利]超导风力涡轮发电机的自动斜变和能量释放的系统和方法

说明书

一种风力涡轮发电系统和方法包括塔架、毂、连接到毂的多个叶片以及连接到毂的转子。超导发电机联接到转子并包括多个超导线圈。机舱安装在塔架顶上，其中超导发电机容纳在机舱内。自动斜降系统被配置有超导线圈，并且包括用于在失超之前的斜降过程中从超导线圈提取电流的自动激活的能量释放电路。能量释放电路包括一个或多个散热负载，其中散热负载中的每个安装成与塔架或机舱中的一者热连通，该塔架或机舱充当用于发散来自负载的热量的散热器。

技术领域

本公开大体上涉及超导机器，诸如超导风力涡轮发电机，并且更特别地涉及这种机器的自动斜变(ramp)和能量释放(dump)能力。

背景技术

大体上，超导发电机通过构造超导材料(“超导体”)而不是通常的铜材料的发电机励磁线圈(其典型地载送基本上直流电流)来制成。超导体典型地比诸如铜的传统导体重量更轻且尺寸更小(例如相对于载流能力)，而且在传导电流方面更高效(特别是在较低频率下)。因此，超导体在诸如风力涡轮发电机的电力应用中的使用提供了诸如更高效的性能、更低的发电机重量、无齿轮箱直接驱动操作以及更低的制造和安装成本的益处。这些益处特别适用于海上风力涡轮应用。

超导发电机配置有保护电路，以保护超导磁体免受失超(quench)期间原本可能发生的损坏。当超导体由于在超导体的一部分中局部发热而恢复到电阻状态时，发生失超。当该部分不再是超导的，并进入电阻状态时，流过电阻部分的任何电流都将会导致局部(焦耳)发热。这继而又导致超导体的相邻部分失超，从而导致更大的电阻体积，进而导致进一步的发热。因此，以快速级联的方式，超导体进入电阻状态，其中潜在地非常大的电流仍在流动。

对于大型超导风力涡轮发电机(例如，超过10MW)，励磁线圈可保留约30MJ-50MJ的存储能量。如果发生失超并且能量在线圈中转化成热量，在发电机可重新启动之前，用低温冷却器系统冷却线圈可能花费大量的时间，在某些情况下多达3至4周。这是影响风力涡轮发电机的经济性的相当长的停机时间段。

已知的是，在失超发生之前，例如为了维护或在断电或其它可能导致失超的情况之前，需要对超导发电机或其它机器的超导磁体(励磁线圈)去激励。实施“斜降(ramping-down)”过程，其中电流以受控方式从线圈中被提取，并作为热量转储到磁体真空容器和低温冷却器系统之外。例如，美国专利No. 9,874,618描述了一种用于MRI机器中超导磁体的控制系统，该系统自动控制主电源、匀场电源和放电模块，以在检测到超过阈值的磁体参数值时，在失超之前使超导磁体斜降。放电模块包括二极管堆和电阻器，它们充当负载以从磁体汲取电流。

类似地，美国专利No. 9,985,426也描述了一种用于MRI机器的控制系统，其中传感器检测设备的操作参数，并将传感器信号输出到磁体控制器，磁体控制器确定设备中是否存在操作故障(例如，低温冷却器的压缩机的功率损失)。如果检测到故障，控制器使能量释放单元跨接超导线圈，该能量释放单元将来自线圈的能量发散到低温恒温器外。

该行业将欢迎一种特别适用于超导风力涡轮发电机的自动斜降系统，该系统可在失超之前转储励磁线圈中大量存储的能量，并将发电机的停机时间从几周缩短至几天。

发明内容

本发明的方面和优点将在下面的描述中部分地被阐述，或者可根据描述而显而易见，或者可通过本发明的实践获知。

根据本公开的方面，提供了一种用于超导机器的自动斜降系统和方法。本发明可针对各种各样的超导机器(诸如用于船舶推进的超导发电机/马达、水电设备(hydrobulbs)等)而具有实用性。本发明旨在包括这些用途，并且不限于任何特定类型的超导机器。