[发明专利]适合高压直流输电的发电系统

说明书

本发明提出的适合高压直流输电的发电系统，具有成本低、体积小、效率高等优点，特别适合在采用高压直流方式输电的场合，比如海上风力发电场、远离负荷中心的火电厂或核电厂、大型水电站等，作为现有技术的工频发电机的替代，以实现提升效率、降低成本、减小体积等目的。本发明的发电系统如此工作：通过配置发电机转子励磁极对数(比如20对以上)、发电机定子电枢的位置和形状、调整励磁电流的频率，使得发电机的输出电压波形为方波或者梯形波，频率大于1000赫兹。该高频交流电通过高频变压器变压，再整流后，形成直流高压，连接到高压直流输电线路上。

技术领域

本发明涉及一种发电系统，尤其涉及一种针对高压直流输电而进行适配性优化的发电系统，也就是：适合高压直流输电的发电系统。

背景技术

为方便叙述，先将部分符号、单位、简称等含义简单说明如下：

Hz(赫兹)，kHz(千赫兹)，频率单位；kg(千克)，重量单位；W(瓦)，kW(千瓦)，功率单位；m³(立方米)，dm³(立方分米)，体积单位；T(特斯拉)，mT(毫特)，磁感应强度单位；π(圆周率，数值约为3.14)；f(工作频率)；N(绕组匝数)；B(工作磁感应强度，简称磁感)；S(磁芯截面积)；工频(即当前交流电网的工作频率，中国用50Hz，有些国家用60Hz)；铁损(导磁材料在交变磁场中的损耗，因导磁材料常常含铁磁元素而得名)；铜损(电流通过导线电阻导致的损耗，因导线常常使用铜质导体而得名)；高频，是相对于中频400赫兹而言的，此处为不小于1千赫兹的频率。

除了为防止歧义和有不同的表征外，后续将直接使用上述符号、单位和简称，不再给出详细的中文说明。

高压直流输电相比同电压等级高压交流输电，具有输电容量增加，输电走廊占地面积减小，全有功传输，不存在容性电流损失等突出优点。所以，在大容量远距离输电、使用电缆输电等场合，更适合采用高压直流输电方式，比如我国诸多的“西电东输”高压直流输电工程、海上风电直流并网工程等，都是把发电厂站输出的交流电转换为高压直流，通过输电线路把巨量的电能输送到远端的负荷中心。

目前，发电功率达到兆瓦级的发电厂站中的发电机组，如水电站水轮发电机组、核电厂及火电厂的汽轮发电机组、风力发电机组等，都是将原动力的机械能，通过旋转发电机转变为三相工频交流电，接着通过工频变压器升压，再整流、滤波后，接入高压直流输电线路。

根据电磁感应定律，变压器线包的两端电压V＝2×π×f×N×B×S；在f是工频时，导磁材料使用高饱和磁感应强度的硅钢，而硅钢的电阻率低，导致变压器铁损大；而且线包匝数N、磁芯截面积S等也需要不小的数值，大的N、S导致变压器体积大，线包绕组的单匝长度和总长度大而铜损大。所以工频变压器存在体积大、用料多、效率低等缺点。

根据电机学的相关原理，电动机相当于旋转变压器，发电机和电动机本质一样，仅仅是能量的流动方向相反，所以，输出工频交流电的发电机和同频率的变压器一样，存在体积庞大，电枢绕组的铜损大，导磁材料铁损大等缺点。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提出一种适合高压直流输电的发电系统，减小发电机、变压器等的体积，降低二者的铜损、铁损，提高发电系统的效率；同时减少贵重的磁性材料、绕组铜材的使用量，降低原材料成本。

本发明采用的技术方案是，包括原动机、传动机构、发电机、高频变压器和多个整流滤波器、励磁变流器等，其中原动机的输出轴通过传动机构连接发电机的转子轴，发电机的定子电枢的两端连接高频变压器的初级，该高频变压器的多个次级分别连接各自的整流滤波器，其中一个整流滤波器的输出作为励磁变流器的工作电源，其它的整流滤波器的输出按照电压数值递增的原则串联后，按照电压极性相同的原则连接到高压直流输电线路上；其中，发电机的转子电枢两端(通过集电器)连接到励磁变流器的输出上；每个整流滤波器都是由整流桥和并接在该整流桥直流输出端的滤波电容组成。