CN102593870A - 基于超导电机的高压大功率直接驱动型海上风力发电机组 - Google Patents

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张宪平
王文亮
秦明
郭靖
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Abstract

本发明是有关于一种基于超导电机的高压大功率直接驱动型海上风力发电机组，包括风力机、主轴、低速高温超导发电机、发电机侧变流器、电网侧变流器和总控制器，其中：主轴连接风力机和发电机；发电机侧变流器和电网侧变流器之间连接有直流电容；总控制器与发电机侧变流器、电网侧变流器通讯连接。本发明基于超导电机的高压大功率直接驱动型海上风力发电机组，可省去齿轮箱，降低故障率、整机的重量和风电场建设成本，从而克服现有的海上风力发电机组的不足。

Description

基于超导电机的高压大功率直接驱动型海上风力发电机组
技术领域
本发明涉及风力发电领域，特别是涉及一种基于超导电机的高压大功率直接驱动型海上风力发电机组。 
背景技术
海上风电具有资源丰富、发电利用小时高、不占用土地和适宜大规模开发的特点，是全球风电发展的最新前沿。根据我国正在制定的“十二五”能源规划和可再生能源规划，2015年，我国将建成海上风电500万千瓦，形成海上风电的成套技术并建立完整产业链，2015年后，我国海上风电将进入规模化发展阶段，达到国际先进技术水平。2020年我国海上风电将达到3000万千瓦。因此，海上风电是未来风电领域的发展趋势。 
海上风力发电采用大功率风电机组更为有利。但是现在使用的风力发电机组存在如下问题：首先，在发电机功率变大后，重量会很大；其次，发电机与风力机之间要采用齿轮箱变速，齿轮箱容易出现故障，可靠性低，经常需要维修；另外，现有的风电机组要通过升压变压器才能同10kV电网连接，在海上还需要建设专门的变压器平台，增加了风电机组的设备和安装难度。特别是，海上风电场使用的大功率风力发电机组，由于潮湿环境、盐雾、微生物腐蚀等对发电设备的侵蚀，给海上风电场硕大超重的发电机组维修保养，带来了极大的困难和巨大的经济负担。 
由此可见，上述现有的海上风力发电机组在结构与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。如何能创设一种可省去齿轮箱，降低故障率、整机的重量和风电场建设成本的新的基于超导电机的高压大功率直接驱动型海上风力发电机组，实属当前业界极需改进的目标。 
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于超导电机的高压大功率直接驱动型海上风力发电机组，使其可省去齿轮箱，降低故障率、整机的重量和风电场建设成本，从而克服现有的海上风力发电机组的不足。 
为解决上述技术问题，本发明一种基于超导电机的高压大功率直接驱动型海上风力发电机组，包括风力机、主轴、低速高温超导发电机、发电机侧变流器、电网侧变流器和总控制器，其中：主轴连接风力机和发电机；发电机侧变流器和电网侧变流器之间连接有直流电容；总控制器与发电机侧变流器、电网侧变流器通讯连接。 
作为本发明的一种改进，所述的发电机侧变流器和电网侧变流器采用四电平拓扑结构。 
所述的发电机侧变流器和电网侧变流器均包括三个并联的桥臂；每个桥臂均由六个首尾相接串联的IGBT模块组成；每个IGBT模块由一个IGBT与一个反向二极管并联组成；每组桥臂中的最上端的IGBT的集电极与所述直流电容的正端连接；每组桥臂中最下端的IGBT的发射极与所述直流电容的负端连接；每组桥臂最上端IGBT的发射极与最下端IGBT的集电极之间连接有电容器；每组桥臂上端第二个IGBT的发射极与下端第二个IGBT的集电极之间连接有电容器。 
所述的电网侧变流器的桥臂与电网之间还设置有滤波器。 
所述的发电机侧变流器的桥臂与发电机之间还设置有du/dt滤波器。 
所述的发电机定子、电网侧变流器与发电机侧变流器的额定电压均为10kV。 
采用这样的设计后，本发明的优点在于： 
1、可省去普通风电机组所需的齿轮箱，简化系统的传动链，降低了故障率，提高了设备的可靠性； 
2、变流器采用四电平拓扑结构，提高了变流器电压等级，可以直接并接在10kV电网，电机侧变流器可调节发电机的输出功率，电网侧变流器可满足直流电压稳定、电流正弦性好、功率因数可调等并网要求，省去了风电场的升压变压器和变压器海上平台，节省了风电场建设成本； 
3、发电机采用高温超导电机，提高了风机发电效率，可以大大降低风电机组的重量和能量损耗，有利于运输及海上安装，降低了风电机组的海上平台建设成本； 
4、本发明所有设备均考虑到防海水腐蚀、防盐雾等要求，特别适于在海上风力发电领域推广应用。 
附图说明
上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。 
图1是本发明基于超导电机的高压大功率直接驱动型海上风力发电机组的组成示意图。 
图2是本发明基于超导电机的高压大功率直接驱动型海上风力发电机组的高压大功率变流器拓扑结构示意图。 
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明基于超导电机的高压大功率直接驱动型海上风力发电机组，包括风力机1、主轴2、低速高温超导发电机3、发电机侧变流器5、电网侧变流器7和总控制器10。 
其中，主轴2连接风力机1和发电机3，发电机侧变流器5和电网侧变流器7之间连接有直流电容6，总控制器10与发电机侧变流器5、电网侧变流器7通过通讯线路连接。 
风力机1采用常规的三叶片结构，是将风能转化为机械能的装置，叶片的尺寸可以依据风电机组的功率大小进行设计。发电机3采用的是高温超导交流低速同步发电机，磁体安置在旋转的转子上，用铜线绕制的主回路绕组放在静止的定子上，定、转子极数较多，具体的定、转子级数需要根据发电机的功率进行设计。主轴2将风力机1捕获的风能传递到发电机3的转子上，驱动发电机3旋转，将机械能转换为电能输送到变流器，变流器将发电机发出的电能通过交-直-交环节变换为满足电网要求的电能。 
变流器连接在发电机3与电网9之间，采用四电平背靠背结构，发电机3侧称为电机侧变流器5，连接在电网9侧的称为电网侧变流器7。总控制器10可以获得风机状态量，并负责向变流器下发控制指令，完成风力发电机组的功率控制、桨矩角调节、并网及保护等。 
较佳的，请配合参阅图2所示，本发明的发电机侧变流器5和电网侧变流器7单元的结构相同，均包括三个并联的桥臂；每个桥臂均由六 个首尾相接串联的IGBT模块组成；每个IGBT模块由一个IGBT与一个反向二极管并联组成；每组桥臂中的最上端的IGBT11、21、31的集电极与所述直流电容6的正端连接；每组桥臂中最下端的IGBT16、26、36的发射极与所述直流电容6的负端连接；每组桥臂最上端IGBT11、21、31的发射极与最下端IGBT16、26、36的集电极之间连接有电容器18、28、38；每组桥臂上端第二个IGBT12、22、32的发射极与下端第二个IGBT15、25、35的集电极之间连接有电容器17、27、37。 
此外，电机侧变流器5还连接有du/dt滤波器4，du/dt滤波器4中的电抗器连接在发电机3与电机侧变流器5的桥臂之间，电容器并联在电抗器与发电机3之间。电网侧变流器7还连接有LCL滤波器8，滤波器一端与电网9相连，一端与电网侧变流器7的桥臂连接。 
本发明适用于10kV区域电网，其发电机3的定子、电网侧变流器5与发电机侧变流器7的额定电压均设计为10kV。 
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (6)

1.一种基于超导电机的高压大功率直接驱动型海上风力发电机组，其特征在于包括风力机、主轴、低速高温超导发电机、发电机侧变流器、电网侧变流器和总控制器，其中：
主轴连接风力机和发电机；
发电机侧变流器和电网侧变流器之间连接有直流电容；
总控制器与发电机侧变流器、电网侧变流器通讯连接。
2.根据权利要求1所述的基于超导电机的高压大功率直接驱动型海上风力发电机组，其特征在于所述的发电机侧变流器和电网侧变流器采用四电平拓扑结构。
3.根据权利要求1所述的基于超导电机的高压大功率直接驱动型海上风力发电机组，其特征在于：
所述的发电机侧变流器和电网侧变流器均包括三个并联的桥臂；
每个桥臂均由六个首尾相接串联的IGBT模块组成；
每个IGBT模块由一个IGBT与一个反向二极管并联组成；
每组桥臂中的最上端的IGBT的集电极与所述直流电容的正端连接；
每组桥臂中最下端的IGBT的发射极与所述直流电容的负端连接；
每组桥臂最上端IGBT的发射极与最下端IGBT的集电极之间连接有电容器；
每组桥臂上端第二个IGBT的发射极与下端第二个IGBT的集电极之间连接有电容器。
4.根据权利要求3所述的基于超导电机的高压大功率直接驱动型海上风力发电机组，其特征在于所述的电网侧变流器的桥臂与电网之间还设置有滤波器。
5.根据权利要求3所述的基于超导电机的高压大功率直接驱动型海上风力发电机组，其特征在于所述的发电机侧变流器的桥臂与发电机之间还设置有du/dt滤波器。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的基于超导电机的高压大功率直接驱动型海上风力发电机组，其特征在于所述的发电机定子、电网侧变流器与发电机侧变流器的额定电压均为10kV。
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