專利名稱：三次諧波供電、受控旋變的風(fēng)力發(fā)電機組及無刷勵磁方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明所涉及的是采用三次諧波繞組供電、受控旋轉(zhuǎn)變壓器無刷勵磁的MW級同步風(fēng)カ發(fā)電機組結(jié)構(gòu)及勵磁方法的設(shè)計。
背景技術(shù)：
同步發(fā)電機采用直流電流勵磁，它的有功功率和無功功率可以根據(jù)需要進行調(diào)節(jié)，可滿足各種負載的需要，并且由于勵磁繞組和電樞繞組分開，易于實現(xiàn)高性能控制。這些特點使得同步發(fā)電機應(yīng)用廣泛。并且隨著人們對新能源的關(guān)注，風(fēng)カ發(fā)電技術(shù)得到了快速發(fā)展，從國內(nèi)外的研究狀況來看，目前應(yīng)用于高壓直流風(fēng)電場的直驅(qū)發(fā)電機主要采用的也是同步電機。它的勵磁形式包括電勵磁和永磁兩種。勵磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機的ー個重要組成部分，采用什么樣的勵磁方式和勵磁控制方式將直接影響到發(fā)電機的性能、可靠性和技術(shù)要求。為了提高發(fā)電機的可靠性，減小維護工作量，特別是要適合海上風(fēng)カ發(fā)電的需 要，采用無刷勵磁技術(shù)越來越受到人們的重視。目前，用于同步電機無刷勵磁的方案已有多種，包括永磁勵磁、旋轉(zhuǎn)整流器式勵磁方式、附加非同步旋轉(zhuǎn)磁場感應(yīng)耦合無刷勵磁技術(shù)等。采用三次諧波繞組供電、受控中頻旋轉(zhuǎn)變壓器無刷勵磁的方案為無刷勵磁同步風(fēng)カ發(fā)電機組提供了一種新穎的勵磁方法及電機機組結(jié)構(gòu)形式。從國內(nèi)外文獻來看，對三次諧波繞組供電、受控中頻旋轉(zhuǎn)變壓器無刷勵磁方案的同步風(fēng)カ發(fā)電機的研究尚處于起步階段。之前，發(fā)明者設(shè)計的利用旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)對同步發(fā)電機進行無刷勵磁時，采用了高頻無刷勵磁方案，該無刷勵磁系統(tǒng)以罐形磁芯形式的旋轉(zhuǎn)變換器構(gòu)成非接觸式電能傳遞環(huán)節(jié)的主要部分，實現(xiàn)同步電機的無刷勵磁。但是，此類高頻方案理論上適用于同步風(fēng)カ發(fā)電機的無刷勵磁，而對于需要較大勵磁容量的大型風(fēng)カ發(fā)電系統(tǒng)，罐形磁芯結(jié)構(gòu)的高頻旋轉(zhuǎn)變壓器的制作從成本和エ藝上都具有不合理性；同時，該類方案采用外部直流電源勵磁，對于大功率系統(tǒng)，降低了系統(tǒng)穩(wěn)定性。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供ー種適用于大功率風(fēng)カ發(fā)電場的電機機組結(jié)構(gòu)，及ー種具有較強系統(tǒng)穩(wěn)定性的同步風(fēng)カ發(fā)電機無刷勵磁方案。為實現(xiàn)上述目的，需要從無刷結(jié)構(gòu)以及勵磁方法等方面進行研究和改進，從而使得利用非接觸式能量傳遞方式進行無刷勵磁的方案適用于大型同步風(fēng)カ發(fā)電系統(tǒng)，這將拓展無刷勵磁風(fēng)カ發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用競爭力，帶來較大的經(jīng)濟和社會效應(yīng)。這種三次諧波供電、受控旋變的風(fēng)カ發(fā)電機組，其特征由以下方式組成
凸極同步主發(fā)電機由三相基波繞組、三次諧波繞組和勵磁繞組組成；其中三相基波
繞組的三相輸出端與系統(tǒng)外部相連；同時三相基波繞組的三相輸出端通過PI調(diào)節(jié)器與驅(qū)動脈沖發(fā)生電路的輸入端相連，驅(qū)動脈沖發(fā)生電路的輸出端與中頻逆變器的控制端相連；三次諧波繞組的三相輸出端經(jīng)過三相整流橋與中頻逆變器的輸入端相連；中頻逆變器的輸出端與單相輸入三相輸出的中頻旋轉(zhuǎn)變壓器的輸入端相連，単相輸入三相輸出的中頻旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出端經(jīng)過旋轉(zhuǎn)整流器與勵磁繞組相連；中頻逆變器的輸入端還與蓄電池充電模塊相連。根據(jù)上述的三次諧波供電、受控旋變的風(fēng)カ發(fā)電機組的勵磁方法，其特征包括以下過程主發(fā)電機定子槽中安裝的三相基波繞組作為風(fēng)カ發(fā)電輸出端ロ，向外部電網(wǎng)或用電設(shè)備提供電能；同時，三相基波繞組需經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器接驅(qū)動脈沖發(fā)生電路，驅(qū)動脈沖發(fā)生電路的脈沖輸出作為中頻逆變器的控制信號，從而控制主發(fā)電機勵磁及輸出電壓。主發(fā)電機定子槽中的剰余空間安放三次諧波繞組，繞組感應(yīng)出的電能經(jīng)三相整流橋和中頻逆變器變換后產(chǎn)生單相中頻交流電，接至單相輸入三相輸出的中頻旋轉(zhuǎn)變壓器原邊繞組，通過旋轉(zhuǎn)變壓器非接觸式能量傳遞的方式將電能傳遞至其副邊轉(zhuǎn)子三相繞組，該三相繞組經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器整流后接至主發(fā)電機的轉(zhuǎn)子勵磁繞組，實現(xiàn)主發(fā)電機的無刷勵磁；蓄電池充電模塊為初始激勵時提供電能，并聯(lián)在中頻逆變器的輸入端，蓄電池與ニ極管串聯(lián)，當(dāng)電壓建立后由ニ極管阻斷。
本發(fā)明提出的新拓撲結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有的拓撲結(jié)構(gòu)相比，最大的不同是改變了無刷勵磁環(huán)節(jié)中非接觸式能量傳遞的拓撲結(jié)構(gòu)。原設(shè)計方案中，采用了高頻罐形磁芯形式的旋轉(zhuǎn)變換器構(gòu)成非接觸式電能傳遞環(huán)節(jié)的主要部分，實現(xiàn)同步發(fā)電機的無刷勵磁。但是，此類高頻方案對于需要較大勵磁容量的大型風(fēng)カ發(fā)電系統(tǒng)，罐形旋轉(zhuǎn)磁芯的制作從成本和エ藝上都具有不合理性。同時，該類方案采用外部直流電源勵磁，勵磁容量受到限制，并且降低了系統(tǒng)穩(wěn)定性。而本發(fā)明采用類似于繞線式異步電機的單相輸入三相輸出的中頻旋轉(zhuǎn)變壓器作為非接觸式能量傳遞的拓撲結(jié)構(gòu)，使得勵磁容量可以設(shè)計至幾十千瓦，并且保持90%左右的電能傳遞效率，同時，本發(fā)明采用了三次諧波繞組勵磁這種具有反饋負載特性的發(fā)電機自勵方案，使得該無刷勵磁風(fēng)カ發(fā)電方案適用于大功率風(fēng)カ發(fā)電機組，這將拓展無刷勵磁同步風(fēng)カ發(fā)電機組的應(yīng)用競爭力。
圖I基于旋轉(zhuǎn)變壓器無刷勵磁MW級同步風(fēng)カ發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框2基于旋轉(zhuǎn)變壓器無刷勵磁MW級同步風(fēng)カ發(fā)電系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)中標(biāo)號名稱I、主轉(zhuǎn)軸，2、主發(fā)電機軸承，3、主發(fā)電機端蓋，4、主發(fā)電機出線盒，5、主發(fā)電機轉(zhuǎn)子鐵芯，6、主發(fā)電機定子鐵芯，7、主發(fā)電機機殼，8、三次諧波繞組，9、三相基波繞組，10、勵磁繞組，11、主發(fā)電機風(fēng)扇，12、電機定子聯(lián)接機売，13、旋轉(zhuǎn)變壓器定子鐵芯，14、旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子鐵芯，15、旋轉(zhuǎn)整流器，16、旋轉(zhuǎn)變壓器風(fēng)扇，17、旋轉(zhuǎn)變壓器端蓋，18、旋轉(zhuǎn)變壓器出線盒，19、旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子軸承，20、旋轉(zhuǎn)變壓器與主發(fā)電機轉(zhuǎn)子鍵槽聯(lián)接，21、單相輸入三相輸出的中頻旋轉(zhuǎn)變壓器，22、中頻逆變器，23、蓄電池充電模塊，24,PI調(diào)節(jié)器，25驅(qū)動脈沖發(fā)生電路，26、三相整流橋。
具體實施例方式根據(jù)附圖敘述本發(fā)明的具體實施方式
、工作原理和機械結(jié)構(gòu)
由圖I可知，本文提出的無刷風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)新方案中的主發(fā)電機，結(jié)構(gòu)形式采用凸極電勵磁同步發(fā)電機，主發(fā)電機設(shè)計容量可達漏級，在主發(fā)電機中除三相基波繞組外，還安裝獨立的三次諧波繞組，其容量通常為主發(fā)電機繞組的2%左右，采取三次諧波繞組供電自勵方式，而非通常的發(fā)電機功率繞組并勵方式，可避免外部故障(如短路)引起供電中斷而造成不能勵磁的問題；除勵磁磁場的三次諧波分量，三次諧波繞組還能感應(yīng)電樞反應(yīng)磁場的三次諧波磁場，當(dāng)主發(fā)電機所帶負載越大，電樞反應(yīng)越強，氣隙磁場波形畸變就越大，三次諧波分量也越大，所以感應(yīng)的三次諧波電勢經(jīng)整流后提供的電能的帶負載能力越強，且電勢大小能基本反映主發(fā)電機所帶負載的變化情況。要強調(diào)的是與從主繞組并勵供電相比，三次諧波繞組不受輸出故障的影響(指線路短路等原因造成的電壓跌落)，比采用主繞組進行自勵供電方案更加可靠，更適合風(fēng)カ發(fā)電場合，且所供勵磁電能能隨發(fā)電機負載電流増加而增加，有助提高勵磁調(diào)節(jié)快速性。本文提出的無刷風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)新方案中的中頻旋轉(zhuǎn)變壓器類似于繞線式感應(yīng)電機結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)感應(yīng)電機的主要區(qū)別在于1、轉(zhuǎn)軸不再作為輸出動能的端ロ，而是由主發(fā)電機的轉(zhuǎn)軸帶動，其轉(zhuǎn)速與主發(fā)電機轉(zhuǎn)速一致，由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與中頻磁場的轉(zhuǎn)差很大，所以可基本不考慮轉(zhuǎn)速變化；2、轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)輸出中頻三相電壓，接到后級的旋轉(zhuǎn)整流器，為主發(fā)電機勵磁繞組供電；3、旋轉(zhuǎn)變壓器由中頻逆變器供電，兩者的設(shè)計容量與主發(fā)電機的三次諧波繞組容量相近，單相輸入三相輸出的旋轉(zhuǎn)變壓器采用適應(yīng)中頻工作的O. 35mm硅鋼片， 定子采用単相交流繞組，轉(zhuǎn)子采用三相對稱交流繞組，而不用類似普通控制用旋變那樣定轉(zhuǎn)子均采用單相交流繞組，如此設(shè)計可以增加功率密度、減小體積。本文提出的無刷風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)新方案中的控制系統(tǒng)以中頻逆變器作為勵磁控制的主電路，控制策略選擇PWM控制，控制系統(tǒng)根據(jù)給定發(fā)電機指令電壓，同時檢測發(fā)電機輸出電壓，閉環(huán)調(diào)節(jié)中頻逆變器脈寬調(diào)制輸出電壓等效幅值的大小，從而改變中頻旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)部脈振磁場大小，從而改變旋轉(zhuǎn)變壓器感應(yīng)輸出電壓經(jīng)整流后輸出的勵磁電壓的大小，從而達到控制主發(fā)電機勵磁電流的目的。蓄電池為初始激勵時提供電能，當(dāng)電壓建立后由ニ極管阻斷，變換器的控制板(弱電部分)也由蓄電池供電。如圖2所示，由于本系統(tǒng)是利用旋轉(zhuǎn)變壓器進行電能變換的，所以作為無刷勵磁系統(tǒng)的一部分，旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子安裝在主發(fā)電機的轉(zhuǎn)軸的延伸端上，使得主發(fā)電機與勵磁旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速同步，在旋轉(zhuǎn)變壓器側(cè)的軸端放置旋轉(zhuǎn)整流器的ニ極管電路板，隨軸一起旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)整流器輸出導(dǎo)線沿軸表面預(yù)先銑出的槽布置，連接到主發(fā)電機勵磁繞組。打開端蓋即方便檢查維護旋轉(zhuǎn)整流器，在設(shè)計端蓋時還需給旋轉(zhuǎn)整流器螺栓式ニ極管預(yù)留一定的軸向空間。在軸承方面，安裝旋轉(zhuǎn)變壓器的軸端采用雙軸承，主發(fā)電機按要求采用大功率軸承，旋轉(zhuǎn)變壓器定子通過自身端蓋和轉(zhuǎn)軸處也設(shè)置ー軸承，其定子與主發(fā)電機固定連接，旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)軸伸入主發(fā)電機轉(zhuǎn)軸內(nèi)部，通過花鍵槽與主發(fā)電機聯(lián)接，同時兩電機轉(zhuǎn)軸上的線槽也通過圓形導(dǎo)孔相導(dǎo)通，使得旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組與主發(fā)電機勵磁繞組能連接，導(dǎo)孔外部套有保護套。以上機械設(shè)計可以防止因軸承磨損曠量過大，主發(fā)電機軸的跳動對小氣隙的旋變造成可能的掃膛故障。
權(quán)利要求
1.ー種三次諧波供電、受控旋變的風(fēng)カ發(fā)電機組，其特征由以下方式組成 凸極同步主發(fā)電機由三相基波繞組(9)、三次諧波繞組(8)和主轉(zhuǎn)軸(I)組成；其中三相基波繞組(9)的三相輸出端與系統(tǒng)外部相連；同時三相基波繞組(9)的三相輸出端通過PI調(diào)節(jié)器(24)與驅(qū)動脈沖發(fā)生電路(25)的輸入端相連，驅(qū)動脈沖發(fā)生電路(25)的輸出端與中頻逆變器(22)的控制端相連；三次諧波繞組(8)的三相輸出端經(jīng)過三相整流橋(26)與中頻逆變器(22)的輸入端相連；中頻逆變器(22)的輸出端與單相輸入三相輸出的中頻旋轉(zhuǎn)變壓器(21)的輸入端相連，単相輸入三相輸出的中頻旋轉(zhuǎn)變壓器(21)的輸出端經(jīng)過旋轉(zhuǎn)整流器(15)與勵磁繞組(10)相連；中頻逆變器(22)的輸入端還與蓄電池充電模塊(23)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的三次諧波供電、受控旋變的風(fēng)カ發(fā)電機組的勵磁方法，其特征包括以下過程主發(fā)電機定子槽中安裝的三相基波繞組(9)作為風(fēng)カ發(fā)電輸出端ロ，向外部電網(wǎng)或用電設(shè)備提供電能；同時，三相基波繞組(9)需經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器(24)接驅(qū)動脈沖 發(fā)生電路(25)，驅(qū)動脈沖發(fā)生電路(25)的脈沖輸出作為中頻逆變器(22)的控制信號，從而控制主發(fā)電機勵磁及輸出電壓；主發(fā)電機定子槽中的剰余空間安放三次諧波繞組(8)，繞組感應(yīng)出的電能經(jīng)三相整流橋(26)和中頻逆變器(22)變換后產(chǎn)生單相中頻交流電，接至單相輸入三相輸出的中頻旋轉(zhuǎn)變壓器(21)原邊繞組，通過旋轉(zhuǎn)變壓器非接觸式能量傳遞的方式將電能傳遞至其副邊轉(zhuǎn)子三相繞組，該三相繞組經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器(15 )整流后接至主發(fā)電機的轉(zhuǎn)子勵磁繞組(10)，實現(xiàn)主發(fā)電機的無刷勵磁；蓄電池充電模塊(23)為初始激勵時提供電能，并聯(lián)在中頻逆變器(22)的輸入端，蓄電池與ニ極管串聯(lián)，當(dāng)電壓建立后由ニ極管阻斷。
全文摘要
一種三次諧波供電、受控旋變的風(fēng)力發(fā)電機組無刷勵磁方法，涉及的是三次諧波繞組供電、受控旋轉(zhuǎn)變壓器的兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)及勵磁方法的設(shè)計。主要特征在于主發(fā)電機的三相基波繞組(9)作為風(fēng)力發(fā)電輸出端，該繞組還經(jīng)PI調(diào)節(jié)器(24)接至驅(qū)動脈沖發(fā)生電路(25)，脈沖輸出作為中頻逆變器(22)的控制信號，控制發(fā)電機的勵磁。三次諧波繞組(8)經(jīng)三相整流橋(26)和中頻逆變器(22)輸入單相輸入三相輸出的中頻旋轉(zhuǎn)變壓器(21)，旋變副邊的三相繞組經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器(15)接至勵磁繞組(10)，實現(xiàn)無刷勵磁；蓄電池充電模塊(23)接至逆變器輸入端，初始勵磁時供電。該方案適用于大功率風(fēng)力發(fā)電機組無刷勵磁，系統(tǒng)具有較強穩(wěn)定性。
文檔編號H02P9/14GK102710201SQ20121017240
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月30日
發(fā)明者趙楊陽, 黃文新 申請人:南京航空航天大學(xué)